CN108566719A - 大强度离子的离子源产生装置及产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离子产生以及离子注入装置，尤其是涉及一种大强度离子的离子源产生装置及产生方法。包括外靶室、内靶室，离子引出管道以及绝缘法兰。目的在于针对现有的狭小空间内绝缘困难而提供一种新的基于绝缘方式的激光离子源装置，包括由板装金属材料制成的外靶室，内靶室通过支撑座硬连接安装在外靶室内，内、外靶室间设有气流连通通路，高压结构经由绝缘法兰安装在外靶室的外壁上，且高压接口中的金属线穿过外靶室的外壁与内靶室相连通。有益效果在于：实现了外靶室和其他周边设备的绝缘，增大了加工和装配的便利，同时保留了整体在外观上小巧结构。

Description

大强度离子的离子源产生装置及产生方法

技术领域

本发明涉及一种离子加速设备技术领域，尤其是涉及一种大强度离子的离子源产生装置及产生方法。

背景技术

1969年，苏联科学家发明射频四极场(RFQ)加速器以来，强流离子的注入和强流离子的加速成为可能。但目前常用的电子回旋共振（ECR）离子源能实现强流质子的产生和注入，但还不能实现毫安量级的重离子的产生和注入。

2001年，日本东京工业大学进行了基于激光加速器的等离子直接注入法，世界上首次实现了强流重离子产生和毫安级别的重离子注入。但东京工业大学发明的激光离子源的绝缘是在内外靶室之间绝缘，因为空间限制，高压隔离困难，加工工艺比较复杂，激光离子源整体成本较高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的狭小空间内绝缘困难而提供一种新的基于绝缘方式的激光离子源装置，其通过把更方便绝缘的外靶室整体和其他设备绝缘，来实现更可靠、高安全的等离子注入方式。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种大强度离子的离子源产生装置，包括由板装金属材料制成的外靶室，内靶室通过支撑座硬连接安装在所述外靶室内，所述内、外靶室相连以形成相同的真空度，高压结构经由绝缘法兰安装在外靶室的外壁上，且所述高压接口中的的金属线穿过外靶室的外壁与所述内靶室相连通；所述外靶室的侧面设有离子引出外管道，所述外部管道上安装有与加速器腔体相连接的绝缘法兰，所述外靶室的底面设有绝缘管道，所述绝缘管道的另一端经由转接管道连接真空泵，所述外靶室的顶面先后经由绝缘法兰和绝缘支持机构连接靶移动平台；所述内靶室的侧面设有离子引出内管道，所述离子引出内管道空套在所述离子引出外管道内；所述内靶室内设有调整用准直光学镜片，在内靶室内壁的对应位置上设有透光孔，所述外靶室的对应位置设有由玻璃密封的孔，以使激光由外靶室进入内靶室。

具体实施中，所述离子引出内管道与所述内靶室间为硬连接，引出内管道出口有螺纹套，以使螺纹套以在引出管道方向上微调。

具体实施中，所述高压接口加载60KV的电压。

外靶室和绝缘管道为硬连接，绝缘管道为中空；绝缘管道和外靶室连接处有真空密封；绝缘管道的另一端通过转接管道连接真空泵。离子引出外管道间接和外靶室间安装有绝缘法兰以形成硬连接，其内部形成的空腔为A，所述内靶室与所述离子引出内管道间形成腔室B，所述腔室B套装于所述空腔A内，且腔室B外设有固定于空腔A内的支撑架。

具体实施中，所述靶移动平台与靶之间沿标准3坐标方向分别设有移动副连接。

具体实施中，所述真空泵的抽真空度在10^-4-10^-7Pa之间。

本发明还涉及一种强度离子的离子源产生方法，使用上述的大强度离子的离子源产生装置，包括如下步骤：

（1.）激光束的制导：采用激光束，先后经由外靶室、内靶室、准直光学镜片后，成光于靶上；

（2）激活大强度离子：内靶室连同60KV高压，将步骤（1）中靶面上的光束进行激活产生C6+离子；

（3）真空状态下离子飘逸：外靶室所连接的真空泵抽真空，以在内外靶室内形成真空状态，步骤（2）产生的离子在该真空状态下飘逸，直至经由离子引出内管道后被外接的RFQ加速器捕捉。

本发明的有益效果：本发明的激光离子源实现了外靶室和其他周边设备的绝缘，增大了加工和装配的便利，同时保留了整体在外观上小巧结构。

具体的，所述的激光离子源是一种能产生强流高电荷态重离子的装置，能产生几百毫安的超重元素的高电荷态，如数百毫安的碳、铅、铁、金等的高电荷态（如12+等）离子，而这是目前其他离子源说不能产生的。本发明节省了大量空间和成本，而且更紧经济、更实用。其具有高传输效率、和便宜的高梯度加速能力。本发明装置通过引出外管道和加速器的直接连接，能将产生的数百毫安高电荷态重离子束加速，实现其他方便不能的强流重离子加速。本发明主要是用于强流低能离子束流的加速和强流注入器等加速和应用装置。其在更短的距离内注入更强的束流。当所述的激光离子源作为重粒子癌症治疗设施的离子源使用时，能比现有离子源的注入强度高数十倍，从而实现整个癌症治疗装置的小型化和简易化。

附图说明：

图1本发明的结构原理示意图；

图2是采用激光离子源作为RFQ注入器使用的示意图；

图中所示：1.靶的移动平台；2.外靶室；3.内靶室；4.引出内管道；5.引出外管道；6.和外靶室连接的绝缘管道；7.绝缘管道和真空泵之间的匹配管道；8.高压接口；9.引出内管道的活套螺纹管道；10.真空泵；11.靶；12.光学镜片；13.绝缘法兰；14.绝缘支持装置；15.绝缘法兰；16. 内靶室支撑座；17.绝缘法兰；18.金属线； 19.RFQ的四杆电极； 20.加速器外壁。

具体实施方式

下面结合附图来详细说明本发明。

本实施例中的一种大强度离子的离子源产生装置，包括由板装金属材料制成的外靶室，内靶室通过支撑座硬连接安装在外靶室内，内、外靶室间设有气流连通通路，高压结构经由绝缘法兰安装在外靶室的外壁上，且高压接口中的的金属线穿过外靶室的外壁与内靶室相连通；外靶室的侧面设有离子引出外管道，外部管道上安装有与加速器腔体相连接的绝缘法兰，外靶室的底面设有绝缘管道，绝缘管道的另一端经由转接管道连接真空泵，外靶室的顶面先后经由绝缘法兰和绝缘支持机构连接靶移动平台；内靶室的侧面设有离子引出内管道，离子引出内管道空套在离子引出外管道内；内靶室内设有调整用准直光学镜片，在内靶室内壁的对应位置上设有透光孔，外靶室的对应位置设有由玻璃密封的孔，以使激光由外靶室进入内靶室。

所述离子引出内管道与所述内靶室间为硬连接，引出内管道出口有螺纹套，以使螺纹套以在引出管道方向上微调。

高压接口加载60KV的电压。

外靶室和绝缘管道为硬连接，绝缘管道为中空；绝缘管道和外靶室连接处有真空密封；绝缘管道的另一端通过转接管道连接真空泵。

离子引出外管道间接和外靶室间安装有绝缘法兰以形成硬连接，其内部形成的空腔为A，内靶室与离子引出内管道间形成腔室B，腔室B套装于空腔A内，且腔室B外设有固定于空腔A内的支撑架。

靶移动平台与靶之间沿标准3坐标方向分别设有移动副连接。

本实施例中，真空泵的抽真空度在10^-4-10^-7Pa之间。

本发明还涉及一种强度离子的离子源产生方法，使用上述的大强度离子的离子源产生装置，包括如下步骤：

（1.）激光束的制导：采用激光束，先后经由外靶室、内靶室、准直光学镜片后，成光于靶上；

（2）激活大强度离子：内靶室连同60KV高压，将步骤（1）中靶面上的光束进行激活产生C6+离子；

（3）真空状态下离子飘逸：外靶室所连接的真空泵抽真空，以在内外靶室内形成真空状态，步骤（2）产生的离子在该真空状态下飘逸，直至经由离子引出内管道后被外接的RFQ加速器捕捉。

实施例1：

工作过程中，激光离子源装置，包括控制靶三维移动的靶移动平台1；屏蔽等离子大规模扩散以及用于真空密封的外靶室2和通过激光打靶产生等离子体，并约束等离子大规模扩散的内靶室3；把等离子体引出到加速器的引出内导体4；连接加速器和外靶室的引出外导体5；连接外靶室和真空泵、并有绝缘作用的绝缘管道6；连接绝缘管道和真空泵的匹配管道7；装在外靶室上的高压接口8；安装在引出内导体上的可进行微调节的活套螺纹管道9；用于抽真空的泵10；靶11，用于把通过外靶室2进入到靶室内的激光进行调节、和聚焦到靶11上的光学镜片；绝缘法兰13和15为外靶室2和相邻部件的连接和密封装置；绝缘装置14为支撑靶移动平台1的绝缘装置，绝缘装置14和外靶室2硬连接；内靶室支撑座16；高压接口的绝缘密封法兰17；耐高压的金属线18。

本实施例中，靶的移动平台1可以在X方向、Y方向和Z方向上同时对靶11的移动进行调节，移动平台通过绝缘装置14和绝缘法兰15和外靶室2硬连接；

的靶移动平台和靶11为硬连接；靶移动平台1和靶11均不和外靶室2、内靶室3直接接触，不带高压；

外靶室2主要用于密封真空和防止产生的等离子体大范围扩散，外靶室2通过绝缘法兰13、绝缘管道6、绝缘匹配管道7和绝缘支撑装置14和绝缘法兰15和其他部件绝缘；的外靶室2通过绝缘法兰13、绝缘管道6、绝缘法兰15和高压接口的绝缘密封法兰17进行真空密封；的外靶室2通过外引出管道5和加速器等外部装置相连；上述所有部件均为硬连接。

外靶室2通过绝缘管道6和匹配管道7和真空泵10为硬相连，共同组成一个真空系统。

内靶室3通过内靶室支撑座16和外靶室2硬连接；内靶室3和引出内管道4硬连接；内引出管道4可通过活套螺纹管道9调节长度；内靶室3通过金属线18和高压接口8相连；

内靶室支撑座16可以为绝缘材料，也可以为普通非绝缘材料；

光学镜片12可以安装外靶室2中，也可安装在内靶室3里；光学镜片主要用来调节进入靶室后激光的方向和聚焦到靶11上的光斑大小

激光离子源，其真空度为10^-4-10^-7Pa。

激光离子源以激光打靶产生等离子体注入方式、直线注入器和同步环型加速器一起可以作为重粒子癌症治疗设施用时，不同于世界上现有的任何重粒子癌症治疗设施，具有设施更简单，束流强度更强，造价更低的优点。

使用激光离子源注入四杆型RFQ加速器，如图2。图2中的激光离子源为简化后的示意图，图2中的RFQ的注入需要30 keV/的C⁶⁺ 离子注入。

RFQ需要30keV/的C⁶⁺ 注入时，需要通过高压线给激光离子源靶室加载60kV的高压。此时，通过激光打靶，产生等包含大量C⁶⁺ 离子在内的离子体。等离子在惯性作用下沿着引出内管道漂移，当等离子体漂移到活套螺纹管道出口时，感受到60kV的高压，在高压的作用下，等离子体中的C⁶⁺ 离子恰好能被加速到30keV/u，从而能被RFQ俘获，进而被RFQ加速。而等离子体中的其他离子在因为不能被RFQ俘获而消散在RFQ入口，因为此时的离子能量很低，对腔体没有损害。

采用激光离子源作为高电荷态强流重离子注入器，因为是等离子体直接注入，一定程度上抑制了低能段的空间电荷效应，因此能注入的C⁶⁺ 粒子数远远大于其他离子源。同时，如果在图2中的转换密封法兰处外加一个螺线线圈，就可以把注入的束流脉冲拉长，实现较长脉冲的强流注入。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大强度离子的离子源产生装置，其特征在于：包括由板装金属材料制成的外靶室，内靶室通过支撑座硬连接安装在所述外靶室内，所述内、外靶室相连以形成相同的真空度，高压结构经由绝缘法兰安装在外靶室的外壁上，且所述高压接口中的的金属线穿过外靶室的外壁与所述内靶室相连通；

所述外靶室的侧面设有离子引出外管道，所述外部管道上安装有与加速器腔体相连接的绝缘法兰，所述外靶室的底面设有绝缘管道，所述绝缘管道的另一端经由转接管道连接真空泵，所述外靶室的顶面先后经由绝缘法兰和绝缘支持机构连接靶移动平台；

所述内靶室的侧面设有离子引出内管道，所述离子引出内管道空套在所述离子引出外管道内；

所述内靶室内设有调整用准直光学镜片，在内靶室内壁的对应位置上设有透光孔，所述外靶室的对应位置设有由玻璃密封的孔，以使激光由外靶室进入内靶室。

2.利要求1所述的大强度离子的离子源产生装置，其特征在于：所述离子引出内管道与所述内靶室间为硬连接，引出内管道出口有螺纹套，以使螺纹套以在引出管道方向上微调。

3.如权利要求1所述的大强度离子的离子源产生装置，其特征在于：所述高压接口加载60KV的电压。

4.如权利要求1所述的大强度离子的离子源产生装置，其特征在于：外靶室和绝缘管道为硬连接，绝缘管道为中空；绝缘管道和外靶室连接处有真空密封；绝缘管道的另一端通过转接管道连接真空泵。

5.如权利要求1所述的大强度离子的离子源产生装置，其特征在于：离子引出外管道间接和外靶室间安装有绝缘法兰以形成硬连接，其内部形成的空腔为A，所述内靶室与所述离子引出内管道间形成腔室B，所述腔室B套装于所述空腔A内，且腔室B外设有固定于空腔A内的支撑架。

6.如权利要求1所述的大强度离子的离子源产生装置，其特征在于：所述靶的移动平台与靶之间沿标准3坐标方向分别设有移动副连接。

7.如权利要求1所述的大强度离子的离子源产生装置，其特征在于：所述真空泵的抽真空度在10^-4-10^-7Pa之间。

8.一种强度离子的离子源产生方法，使用如权利要求1所述的大强度离子的离子源产生装置，其特征在于，包括如下步骤：

（1.）激光束的制导：采用激光束，先后经由外靶室、内靶室、准直光学镜片后，成光于靶上；

（2）激活大强度离子：内靶室连同60KV高压，将步骤（1）中靶面上的光束进行激活产生C^{6 +}离子；

（3）真空状态下离子飘逸：外靶室所连接的真空泵抽真空，以在内外靶室内形成真空状态，步骤（2）产生的离子在该真空状态下飘逸，直至经由离子引出内管道后被外接的RFQ加速器捕捉。