CN108124374A - 连续波慢引出同步加速器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种连续波慢引出同步加速器，用于同步加速重离子和/或质子的多个磁铁，所述多个磁铁包括二极磁铁、四极磁铁和六极磁铁，其中，二极磁铁用于离子束流的弯转，四极磁铁用于离子束流的聚焦，六极磁铁用于慢引出时相空间的匹配；每一磁铁均配置有至少一功率单元，与磁铁电性相连，所述功率单元包括：电压源和储能电容；电压源连接至储能电容的两端，用于为所述储能电容充电；所述多个功率单元串并联连接后与磁铁电性连接，提供磁铁所需电流波形脉冲上升段所需的能量。应用该项发明，不再需要从电网抽取正反向大脉冲功率，只需要正向恒定功率，对电网无干扰，提高束流稳定性的同时减小了配电容量需求。
Description
技术领域
本发明涉及同步加速器领域，进一步涉及一种连续波同步加速器。
背景技术
由于质子束和重离子束对生物体的照射具有倒转的深度剂量分布、较小的侧向散射、较高的相对生物学效应和低的氧增比等特点，使得质子和重离子治癌成为当今国际上先进有效的癌症放射治疗方法；质子束和重离子还能够模拟外太空的辐射环境，是用来进行航天单粒子效应和仪器抗辐射检测的有效方法；质子和重离子还是进行特殊材料辐照、离子植入等应用的有力手段；也应用于核物理、原子物理实验研究。
目前的主流重离子质子加速器共分成三类，分别是直线加速器，回旋加速器和同步加速器。采用直线加速器可以提供连续束流，但是造价远高于另外两种加速器并且能量几乎无法改变，一般只在低能段使用；回旋加速器可以提供连续束流，但很难改变引出能量，并且高能量回旋加速器加工难度和造价急剧增加，一般也只在低能段使用；常规的同步加速器可以根据终端的需要迅速的变换引出束流的能量，中高能量段性价比高，是该能量段的主流加速器，但由于磁场上升和下降时间长，引出束流占空比小，无法提供连续束流。
传统同步加速器电源直接将电网电能转换后加载到磁铁上，受限于配电成本，一般主磁场以1T/s以下甚至是0.5T/s以下的速度变化，慢引出同步加速器一个运行周期内大部分时间用于磁场上升下降，引出束流占空比低。例如甘肃省武威市的癌症治疗装置HIMM，一个运行周期需要7.5秒，其中慢引出时间只有3s，剩余时间均用于磁场上升和下降，引出束流占空比只有40％，效率较低，如图1中曲线所示。同时磁场上升过程中需从电网抽取功率，下降过程中需要向电网返回功率，引发电网波动，影响其他设备的正常运行。需要指出的是，尽管如中国散裂中子源(CSNS)采用怀特谐振磁铁电源，磁场上升速率可以达到40T/s，但该电源只能按照固定的频率、幅度振荡，也就是只适合固定离子种类固定能量的束流加速，不适合癌症治疗和辐照这种需要改变束流种类、改变能量的场合。
磁场上升或下降过程中，真空室内的涡流会产生磁场，叠加在主磁场中，干扰束流正常运行。目前国际上采用的是薄壁真空室加筋方案，薄壁真空室(如德国GSI采用的厚度仅为0.3mm的304不锈钢)可以增大电阻，减小涡流。但是由于薄壁真空室机械强度无法承受大气压力，因此在垂直于真空室方向焊接了加强筋。为了减小磁气隙，筋高越小越好，但对筋机械强度要求较高，目前GSI筋材料采用的是P506特种钢材。由于目前世界上仅少数公司掌握该钢材炼制配方，且需求量小，一般公司没有研发意向，导致该材料采购价格高，难度大。另外薄壁真空室与加强筋的焊接采用钎焊，对于较长的管道需要庞大的钎焊真空炉，同时钎焊材料也推高了产品成本。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种连续波同步加速器，以至少部分解决以上所述的技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种连续波慢引出同步加速器，包括：用于同步加速重离子和/或质子的多个磁铁，所述多个磁铁包括二极磁铁、四极磁铁和六极磁铁，其中，二极磁铁用于离子束流的弯转，四极磁铁用于离子束流的聚焦，六极磁铁用于慢引出时相空间的匹配；每一磁铁均配置有至少一功率单元，与磁铁电性相连，所述功率单元包括：电压源和储能电容；电压源用于为所述储能电容充电；所述多个功率单元串并联连接后与磁铁电性连接，提供磁铁所需电流波形脉冲上升段所需的能量。
在进一步的实施方案中，所述电压源包括高压源，所述高压源连接至所述储能电容两端，用于给所述储能电容供电。
在进一步的实施方案中，所述功率单元还包括切换开关，切换开关用于控制储能电容与H桥变换器之间的通断。
在进一步的实施方案中，还包括H桥变换器，设置于电压源和磁铁之间，通过占空比控制实现对电流的控制。
在进一步的实施方案中，还包括控制部分，分别与各功率单元连接，用于向各功率单元输出脉宽占空比PMW控制信号。
在进一步的实施方案中，所述多个功率单元为并联和/或者串联，并联和/或者串联后，连接至磁铁负载两端。
在进一步的实施方案中，还包括为供束流通过的管道结构的真空室；其中，所述管道结构包括：钢管，其具有内管壁；陶瓷内衬骨架，设置与所述内管壁接触，以支撑所述钢管；各磁铁上都设置有孔洞，真空室从各孔洞穿过磁铁，带电离子在真空室中运动，经过磁铁时，受到磁场作用，发生弯转或者聚焦。
在进一步的实施方案中，所述陶瓷内衬骨架为多个，间隔设置于所述内管壁延伸方向上。
在进一步的实施方案中，所述陶瓷内衬骨架为陶瓷环，其与内管壁截面形状相适应。
在进一步的实施方案中，所述钢管的管道截面为圆形、跑道形或椭圆形；优选的钢管的管壁厚0.1-1mm。
在进一步的实施方案中，所述钢管材料为奥氏体不锈钢；所述陶瓷内衬骨架材料为氧化铝陶瓷或氧化锆增韧陶瓷。
在进一步的实施方案中，还包括慢引出激励组件，用于引出加速后的重离子和/或质子。
(三)有益效果
采用全电容储能的磁铁电源，能量主要在磁铁和储能电容之间转移，转移速度可以很快，主磁场上升速度可以达到15T/s以上，磁场上升和下降时间均可控制在0.1s以内，运行模式更加高效，慢引出束流占空比可以达到93％以上，得到连续束流。
传统磁铁电源不具备储能作用，只是将能量在磁铁和电网之间搬运，在磁场上升阶段，从电网抽取大量能量，在磁铁下降阶段，将大量能量返回电网。由于电网上不止有同步加速器电源，还有其他用电设备，比如直线加速器、回旋加速器、直流模式的同步加速器等，电网的波动会影响这些设备电源的输出电流和电压，从而影响束流质量和实验测量精度。全电容储能电源只从电网中抽取少许能量用于补充磁铁、IGBT等发热能损，而且可以通过优化电网侧IGBT控制策略，实现从电网恒功率抽取电能，完全消除对电网的影响。
应用本发明的加速器，不仅使同步加速器保持常规的同步加速器可以灵活调节引出束流的能量、中高能量段性价比高的优点，还获得了直线加速器和回旋加速器可以提供连续束的优点，成为癌症治疗、材料辐照、航空航天研究等领域应用和实验加速器的最佳选择。
附图说明
图1现有技术的同步加速器ramping(二极磁铁磁场运行)曲线；
图2为本发明实施例的同步加速器ramping(二极磁铁磁场运行)曲线；
图3为本发明实施例的同步加速器布局示意图；
图4为快循环脉冲工作波形图；
图5为本发明实施例的多支路并联原理图；
图6为本发明实施例的支路内单元功率模块串联原理图；
图7为本发明实施例的单元功率模块工作原理图；
图8A为本发明实施例管道结构主视剖面图；图8B为沿图8A中A-A剖线的剖面示意图；
图9为本发明实施例的整套加速器装置布局示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明解决了常规慢引出同步加速器引出束流占空比低的关键技术难题，将束流占空比指标提高一倍以上，为基于质子重离子的癌症治疗、材料辐照、航空航天研究提供一套可以提供宽能量、大剂量率、高占空比的连续波慢引出重离子或质子同步加速器。
本发明实施例提供的一种连续波慢引出同步加速器，包括：用于同步加速重离子和/或质子的多个磁铁，所述多个磁铁包括二极磁铁、四极磁铁和六极磁铁，其中，二极磁铁用于离子束流的弯转，四极磁铁用于离子束流的聚焦，六极磁铁用于慢引出时相空间的匹配；每一磁铁均配置有一电源，每一电源包括多个功率单元，与磁铁电性相连，所述功率单元包括：电压源和储能电容；电压源用于为所述储能电容充电；所述多个功率单元串并联连接后与磁铁电性连接，提供磁铁所需电流波形脉冲上升段所需的能量。
在一些实施例中，如图3所示，慢引出同步加速器可以由二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁、慢引出激励组件、相关的磁铁电源、真空管道以及束流诊断设备构成。其中，注入器将离子束初步加速，再注入到同步加速器中，经同步加速器加速到终端所需能量，然后经过慢引出方式引出到各个终端。磁铁电源均采用全电容储能拓扑，可以大幅缩短加速时间。图注：图中元件命名时以字母开头，然后用数字从注入点开始逆时针编号，各字母说表示的意义为：D表示二极铁，Q表示四极铁，SR表示共振六极铁，RF表示高频加速腔，DCCT表示直流电流探测器，ES表示静电偏转板，MS表示切割磁铁，RF-KO表示横向射频场，PS表示磁铁电源。本发明实施例的慢引出同步加速器可以按照图3所述方式设置各元件，在工作时，束流从注入器注入到同步加速器后，逆时针方向在同步加速器中回转运动，每次经过高频加速腔，能量都会获得微小的提升。经过几十万圈、甚至几百万圈，离子能量达到目标能量。这时开启RF-KO，束流被慢引出到终端。
其中磁铁电源采用全电容储能的拓扑结构，控制能量在磁铁和电源之间转移，电网只需要补充少量能损。其电路拓扑结构如附图5所示，将多个单独的功率单元经过串联以得到所需高电压，串联的级数取决于电流上升时间、脉冲电流幅值、以及负载电感。串联后的功率单元形成一个臂，为了得到更大的电流可以将多个串联臂并联，图6就是多个串联臂并联示意图。通过建立标准单元功率模块的概念，通过单元功率模块的自由组合，极大方便大功率电源的实现，大大增加电源可靠性，经济性。
电源需输出宽范围变化的电压，因此如果采用一个强励电压源，很难同时保证平台/上升段稳定性指标要求和快速上升段的跟踪指标要求。故每个功率单元采用变前级强励电压设计，功率单元拓扑结构如图7所示。图7中功率单元由H桥变换器、高压源(满足电流上升所需电压，例如可达900V以上)、储能电容、低压源、切换开关等几部分组成。H桥变换器是常规开关变换器，通过占空比控制实现对输出电流的精密控制。高压源为储能电容充电。低压源提供平顶能量，切换开关负责高低压源之间的切换。如图4所示，正常工作时，首先进入注入平台TP1段，也就是第一段直流平台，此时高压源开始给储能电容充电至所需高压值，上升段所需全部能量由此电容存储能量提供，但是此时切换开关断开，低压源首先投入工作，保证低压段正常工作。当电流开始上升TR1段时，切换开关打开，高压源投入运行，低压源自然退出运行，H桥变换器将储能电容中的能量以电流形式传递给磁铁，储能电容上的电压同步下降，当电流上升至额定值进入平顶段TP2时，储能电容中的能量部分已转换为磁铁线圈的电感能量，此时电压只需要平台电压VP3，切换开关切断开，继续由低压源供电，以保持稳定的高性能的指标的电流输出。当磁铁电流进入下降段TF1时，磁铁电感产生感生电压，反过来开始给储能电容充电，磁铁中所存电感能量又转移回储能电容Cf2中，此时储能电容电压逐步上升。随着电流脉冲上升和下降，能量就在电容和电感中往复流动，因为回路存在电阻，磁铁线圈也有电阻，因此每一个循环中，能量都会被电阻消耗掉一部分，在电流下降段回到电容里的能量比放出去的能量少了，这时储能电压比放电前低了，为了保证下一个周期正常工作，此时PWM开关整流器高压源开始投入工作，给储能电容充电，直至充电至所需高压值。高压和低压在主控制器控制下通过切换开关进行转换。
陶瓷内衬薄壁真空室技术是将陶瓷环放入薄壁真空室内充当骨架，承受薄壁真空室内外压力差。基于这两项技术，同步加速器磁场上升和下降时间压缩到常规的1/20以下，性能大幅提升。
参照图8A和图8B所示，本发明实施例提供的同步加速器的管道结构，配置为供束流通过，包括：钢管，具有内管壁；以及陶瓷内衬骨架，设置与所述内管壁接触，以支撑所述钢管。
在一些实施例中，陶瓷内衬骨架为多个，间隔设置于所述内管壁上。优选的，间隔的距离为5-19mm。
在一些实施例中，钢管的管道截面为圆形、跑道形或椭圆形，或者为一些异形结构，相应的陶瓷内衬骨架会进行相应调整，以支撑不同截面类型的钢管内管壁，也即钢管紧紧包裹着陶瓷内衬骨架。
在一些实施例中陶瓷内衬骨架为陶瓷环，其与内管壁截面形状相适应。例如为也为圆形、跑道形或椭圆形，或者为一些异形结构。所述陶瓷环截面形状和管道相同，其外尺寸和薄壁管金属内尺寸相近，考虑安装取负公差。
在一些实施例中，所述陶瓷环具有沿着钢管延伸方向的凸出结构。
在一些实施例中，所述钢管的管壁尺寸为0.3mm。
在一些实施例中，所述钢管材料可以为奥氏体不锈钢；所述陶瓷内衬骨架材料为氧化铝陶瓷或氧化锆增韧陶瓷。通过该材料的骨架，能够在耐受一定高温的情况下保证对钢管壁的支撑强度。
图2为本发明实施例的同步加速器ramping(二极磁铁磁场运行)曲线，通过采用全电容储能磁铁电源技术和陶瓷内衬薄壁真空室技术，将同步加速器慢引出束流的占空比由目前的40％提升至93％以上。
该同步加速器采用多圈注入模式将注入器提供的离子注入到储存环中，根据实验要求，控制注入离子数量，达到所需要的离子数目。同样依据实验需要的离子能量，利用同步加速器将离子加速至对应的能量，并在引出能量平台利用共振慢引出技术将离子束均匀的多圈引出输送到终端，达到离子治疗、实验和应用的目的。
图9为整套加速器装置布局示意图。如图8所示，整套加速器装置可以包括离子源801、低能束线802、直线加速器803(或回旋加速器)、中能束线804、同步加速器805、高能束线806以及终端807。其中，离子源801作为加速器的源头，用于将原子或分子外的电子剥离，成为带电离子，带电离子经过电场才可以获得加速。接着带电离子经过低能束线802，低能束线802的主要作用是将束流的相空间和直线加速器的接受度相匹配。直线加速器803(或回旋加速器)用于对束流进行初步加速，加速后能量一般为几个MeV/u。初步加速后的离子经过中能束线804注入到同步加速器中，中能束线804的主要作用是将束流相空间和同步加速器相匹配。同步加速器805对注入的离子进行累积、加速，得到目标流强和束流能量。接下来采用慢引出技术将同步加速器内的束流慢慢引出到高能束线806，由高能束线806将离子传送至各个终端807，并且将束流的相空间和终端要求相匹配。
以上介绍了本发明实施例的连续波慢引出同步加速器。该装置首先采用全电容储能磁铁电源技术和陶瓷内衬薄壁真空室技术，将同步加速器慢引出束流的占空比由目前的40％提升至93％以上，使同步加速器实现连续波束流引出，能为国家重大战略需求等应用研究提供目前国际上直线加速器和回旋加速器无法提供高能连续波重离子和质子束流，实现了基于慢引出同步加速器的技术革新。该发明将对基于质子和重离子同步加速器的癌症治疗、材料辐照、航空航天研究等领域产生深远影响，产生巨大的效益。以癌症治疗为例，该发明使束流在靶时间提高到原来两倍以上，每年治疗的病人由通常方案的1000人增加到2000人以上，大幅提高了重离子质子治疗癌症的效率和经济效益。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种连续波慢引出同步加速器，其特征在于包括：
用于同步加速重离子和/或质子的多个磁铁，所述多个磁铁包括二极磁铁、四极磁铁和六极磁铁，其中，二极磁铁用于离子束流的弯转，四极磁铁用于离子束流的聚焦，六极磁铁用于慢引出时相空间的匹配；
每一磁铁均配置有一个电源，每一电源包括多个功率单元，与磁铁电性相连，所述功率单元包括：电压源和储能电容；电压源用于为所述储能电容充电；多个所述功率单元串联和/或并联连接后与磁铁电性连接，提供磁铁所需电流波形脉冲上升段所需的能量。
2.根据权利要求1所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于，所述电压源包括高压源，所述高压源连接至所述储能电容两端，用于给所述储能电容供电。
3.根据权利要求2所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于还包括H桥变换器，设置于电压源和磁铁之间，通过占空比控制实现对电流的控制。
4.根据权利要求3所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于，所述切换开关用于控制储能电容与H桥变换器之间的通断。
5.根据权利要求1所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于，还包括控制部分，分别与各功率单元连接，用于向各功率单元输出脉宽占空比PMW控制信号。
6.根据权利要求1所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于，所述多个功率单元为并联和/或者串联，多个功率单元串联/并联后，再连接至磁铁负载两端。
7.根据权利要求1所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于，还包括为供束流通过的管道结构的真空室；其中，所述管道结构包括：
钢管，其具有内管壁；
陶瓷内衬骨架，设置与所述内管壁接触，以支撑所述钢管；
各磁铁上都设置有孔洞，真空室从各孔洞穿过磁铁，带电离子在真空室中运动，经过磁铁时，受到磁场作用，发生弯转或者聚焦。
8.根据权利要求2所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于，所述陶瓷内衬骨架为多个，间隔设置于所述内管壁延伸方向上。
9.根据权利要求2所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于，所述陶瓷内衬骨架为陶瓷环，其与内管壁截面形状相适应。
10.根据权利要求2所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于，所述钢管的管道截面为圆形、跑道形或椭圆形；优选的钢管管壁厚0.1-1mm。
11.根据权利要求1所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于，所述钢管材料为奥氏体不锈钢；所述陶瓷内衬骨架材料为氧化铝陶瓷或氧化锆增韧陶瓷。
12.根据权利要求1所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于，还包括慢引出激励组件，用于引出加速后的重离子和/或质子。
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