CN109379830A - 一种同步加速器及其注入装置和注入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同步加速器及其注入装置和注入方法，注入装置包括上游直线节、第一偏转磁铁、注入直线节、第二偏转磁铁和下游直线节，上游直线节、第一偏转磁铁、注入直线节、第二偏转磁铁和下游直线节依次相连接，制造简单、操作方便，通过采用电荷态变化的方法突破刘维定理的限制，能够增加注入圈数、提高注入效率，从而大大提高同步加速器中质子的储存数目，可使粒子数达到2*1011以上。

Description

一种同步加速器及其注入装置和注入方法
技术领域
本文涉及同步加速器技术领域，尤指一种同步加速器的注入装置、一种同步加速器和一种同步加速器的注入方法。
背景技术
小型质子同步加速器一般指周长在几十米以内、最大能量为几百MeV的质子同步加速器。小型同步加速器具有以下几个特点：
1、引出能量可灵活地调节，无需降能器调节能量；
2、引出束流的脉冲宽度可以调节，且可以达到秒量级；
3、造价相对较低。
由于以上的特点，小型质子同步加速器主要应用于质子辐照，例如宇航电子器件辐照、质子治疗等。无论器件辐照还是质子治疗都对加速器能够累积的质子数目有一定的要求，例如质子治疗大分割技术对大剂量率或者同一周期多能级引出技术都要求同步加速器中储存更多的粒子数。而注入装置是决定同步加速器储存粒子数多少的关键环节。
专利号为201510672967.9的专利申请，提供的是一种采用多圈注入原理的注入装置和方法，这种方法相空间受刘维定理的限制，注入圈数有限，从而限制了储存粒子数的提高，注入装置制造工艺复杂、造价高昂且存在故障风险，其可存储的粒子数一般为4～8*1010。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少之一，本文提供了一种同步加速器的注入装置，解决了注入圈数有限、储存粒子数无法提高的问题。
本发明实施例提供的同步加速器的注入装置，包括上游直线节、第一偏转磁铁、具有剥离膜设备的注入直线节、第二偏转磁铁和下游直线节，所述上游直线节、所述第一偏转磁铁、所述注入直线节、所述第二偏转磁铁和所述下游直线节依次相连接。
可选地，所述注入直线节包括：依次相连接的第一直流凸起二极磁铁、第二直流凸起二极磁铁和第三直流凸起二极磁铁；第一水平聚焦四极磁铁，连接所述第一直流凸起二极磁铁和所述第一偏转磁铁；第二水平散焦四极磁铁，连接所述第三直流凸起二极磁铁和所述第二偏转磁铁；和所述剥离膜设备，设置在所述第二直流凸起二极磁铁和所述第三直流凸起二极磁铁之间。
可选地，所述注入直线节还包括：注入切割磁铁，一端与所述第二直流凸起二极磁铁相连接。
可选地，所述剥离膜设备中设置的膜片为碳膜。
可选地，所述上游直线节包括第一注入凸轨磁铁和第一水平散焦四极磁铁，所述第一水平散焦四极磁铁连接所述第一注入凸轨磁铁和所述第一偏转磁铁。
可选地，所述下游直线节包括第二注入凸轨磁铁和第二水平聚焦四极磁铁，所述第二水平聚焦四极磁铁连接所述第二注入凸轨磁铁和所述第二偏转磁铁。
可选地，所述第一注入凸轨磁铁和所述第二注入凸轨磁铁的相移为180度。
本发明提供的同步加速器，包括上述任一实施例所述的同步加速器的注入装置。
本发明提供的同步加速器的注入方法，包括：
将提供的负氢离子通过注入切割磁铁偏转到第二直流凸起二极磁铁入口处；
通过第一注入凸轨磁铁、第二注入凸轨磁铁、第一直流凸起二极磁铁、第二直流凸起二极磁铁和第三直流凸起二极磁铁的组合，将同步加速器内循环束流的参考轨道凸起；
第二直流凸起二极磁铁对负氢离子进行偏转，使得提供的负氢离子和同步加速器内累积的质子经第二直流凸起二极磁铁偏转后会合到剥离膜设备，通过剥离膜设备中设置的膜片将负氢离子剥离掉电子而变成质子，然后在同步加速器内进行循环运动；
第一注入凸轨磁铁和第二注入凸轨磁铁的磁场按照设定加载电流下降，使循环束流的参考轨道按照设定加载电流下降，使循环束流进行相空间涂抹，来达到设计所需的束流分布及发射度要求。
可选地，剥离掉电子的数量为两个。
可选地，所述设定加载电流包括依次加载的开根号函数下降电流、指数函数下降电流和线性函数下降电流。
与现有技术相比，本发明提供的同步加速器的注入装置，上游直线节、第一偏转磁铁、注入直线节、第二偏转磁铁和下游直线节依次相连接，通过采用电荷态变化的方法突破刘维定理的限制，能够增加注入圈数、提高注入效率，从而大大提高同步加速器中质子的储存数目，可使粒子数达到2*1011以上。
电荷态变化为负氢离子H-剥离掉两个电子变成质子H+。
本文的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本文而了解。本文的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本文技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本文的技术方案，并不构成对本文技术方案的限制。
图1为本发明一个实施例所述的同步加速器的注入装置的结构示意图；
图2为第一注入凸轨磁铁和第二注入凸轨磁铁产生的闭轨凸起图；
图3为闭轨凸起下降曲线图。
其中，图1和图2中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
1第一偏转磁铁，2第二偏转磁铁，31第一直流凸起二极磁铁，32第二直流凸起二极磁铁，33第三直流凸起二极磁铁，34第一水平聚焦四极磁铁，35第二水平散焦四极磁铁，36注入切割磁铁，37剥离膜设备，41第一注入凸轨磁铁，42第一水平散焦四极磁铁，51第二注入凸轨磁铁，52第二水平聚焦四极磁铁。
具体实施方式
为使本文的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本文的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本文，但是，本文还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本文的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明实施例提供的同步加速器的注入装置，如图1所示，包括上游直线节、第一偏转磁铁1、具有剥离膜设备37的注入直线节、第二偏转磁铁2和下游直线节，上游直线节、第一偏转磁铁1、注入直线节、第二偏转磁铁2和下游直线节依次相连接。
该注入装置，上游直线节、第一偏转磁铁1、注入直线节、第二偏转磁铁2和下游直线节依次相连接，制造简单、操作方便，通过采用电荷态变化的方法突破刘维定理的限制，能够增加注入圈数、提高注入效率，从而大大提高同步加速器中质子的储存数目，可使粒子数达到2*1011以上。电荷态变化为负氢离子H-剥离掉两个电子变成质子H+。
直线加速器提供的负氢离子H-通过一台注入切割磁铁偏转进入到同步加速器中；注入直线节上设有一台剥离膜设备，剥离膜设备上设置的膜片将负氢离子剥离掉两个电子而变成质子。
可以是，如图1所示，注入直线节包括：依次相连接的第一直流凸起二极磁铁31、第二直流凸起二极磁铁32和第三直流凸起二极磁铁33；第一水平聚焦四极磁铁34，连接第一直流凸起二极磁铁31和第一偏转磁铁1；第二水平散焦四极磁铁35，连接第三直流凸起二极磁铁33和第二偏转磁铁2；注入切割磁铁36，一端与第二直流凸起二极磁铁31相连接、另一端用于连接直线加速器相连接；和剥离膜设备37，设置在第二直流凸起二极磁铁32和第三直流凸起二极磁铁33之间。上游直线节包括第一注入凸轨磁铁41和第一水平散焦四极磁铁42，第一水平散焦四极磁铁42连接第一注入凸轨磁铁41和第一偏转磁铁1。下游直线节包括第二注入凸轨磁铁51和第二水平聚焦四极磁铁52，第二水平聚焦四极磁铁52连接第二注入凸轨磁铁51和第二偏转磁铁2。
该装置使用的方法原理为：负氢离子和质子所带电荷符号相反，经过注入直线节上的一台第二直流凸起二极磁铁32偏转后，可以将从同步加速器外部偏转进来的负氢离子和同步加速器内累积的质子在该第二直流凸起二极磁铁32下游某处会合，在会合处设置膜片即可将负氢离子转变成质子而进入到同步加速器中进行循环运动。其注入效率高、结构简单、制造容易。采用电荷态变化克服刘维定理的限制，增加注入圈数，从而大大提高同步加速器中质子的储存数目，适用于有强流需要的质子同步加速器。
具体地，剥离膜设备37中设置的膜片优选为碳膜，第一注入凸轨磁铁41和第二注入凸轨磁铁51的相移为180度。
通过第一注入凸轨磁铁41、第二注入凸轨磁铁51及第一直流凸起二极磁铁31、第二直流凸起二极磁铁32和第三直流凸起二极磁铁33的组合来移动闭轨，即:第一注入凸轨磁铁41、第二注入凸轨磁铁51进行动态移动闭轨，第一直流凸起二极磁铁31、第二直流凸起二极磁铁32和第三直流凸起二极磁铁33进行静态移动闭轨。通过第一注入凸轨磁铁41、第二注入凸轨磁铁51动态移动闭轨时全环的闭轨变化为：
其中，β(s)是s处的β函数，βi是第一注入凸轨磁铁41和第二注入凸轨磁铁51(i为1和2)处的β函数，ψ(i)为第一注入凸轨磁铁41和第二注入凸轨磁铁51的相移。i取1和2，根据上述公式将第一注入凸轨磁铁41和第二注入凸轨磁铁51之间的相移设计为180度，闭轨仅在注入直线节凸起，其他位置不凸起，如图2所示。第一直流凸起二极磁铁31、第二直流凸起二极磁铁32和第三直流凸起二极磁铁33形成的闭轨凸起叠加在第一注入凸轨磁铁41和第二注入凸轨磁铁51产生的闭轨凸起之上。
本发明提供的同步加速器(图中未示出)，包括上述任一实施例所述的同步加速器的注入装置。
该同步加速器，具备上述任一实施例所述的同步加速器的注入装置的全部优点，在此不再赘述。
本发明提供的同步加速器的注入方法，包括：
将直线加速器提供的3～10MeV(优选7MeV)的负氢离子H-从同步加速器外面通过注入切割磁铁36偏转到第二直流凸起二极磁铁32入口K处；
通过第一注入凸轨磁铁41、第二注入凸轨磁铁51、第一直流凸起二极磁铁31、第二直流凸起二极磁铁32和第三直流凸起二极磁铁33的组合，将同步加速器内循环束流的参考轨道凸起(如图2所示，此时图1中在第一直流凸起二极磁铁31至第三直流凸起二极磁铁33之间凸起的最大，第一直流凸起二极磁铁31至第三直流凸起二极磁铁33之间参考轨道为下凸的实线段，同步加速器内的质子H+运动方向为顺时针方向、并进行循环运动)；
第二直流凸起二极磁铁32对提供的负氢离子H-进行偏转，由于提供的负氢离子H-和同步加速器内累积的质子H+的电荷符号相反，第二直流凸起二极磁铁32对负氢离子H-和质子H+的偏转方向相反，使得提供的负氢离子H-和同步加速器内累积的质子H+经第二直流凸起二极磁铁32偏转后会合到设置剥离膜设备37处，通过剥离膜设备37中设置的碳膜将负氢离子H-剥离掉两个电子而变成质子H+，然后质子H+在同步加速器内进行顺时针循环运动；
直线加速器停止提供负氢离子H-，第一注入凸轨磁铁41和第二注入凸轨磁铁51的磁场按照设定加载电流下降，使循环束流的参考轨道按照设定加载电流下降，使循环束流进行相空间涂抹，来达到设计所需的束流分布及发射度要求。
如图3所示，设定加载电流采用的是分段函数，第一段为开根号函数(即开根号函数下降电流)，目的是使循环束流在相空间涂抹后分布较均匀，从而降低空间电荷效应的影响，最终达到设计所需的束流分布及发射度要求。再采用指数函数(即：指数函数下降电流)和线性函数(即：线性函数下降电流)使闭轨快速移动，避免循环束流多次撞击碳膜而降低碳膜寿命。
设定加载电流包括依次加载的开根号函数下降电流(处于图3中的0～10微秒段)、指数函数下降电流(处于图3中的10～20微秒段)和线性函数下降电流(处于图3中的20～30微秒段)。
综上所述，本发明提供的注入装置，上游直线节、第一偏转磁铁、注入直线节、第二偏转磁铁和下游直线节依次相连接，通过采用电荷态变化的方法突破刘维定理的限制，能够增加注入圈数、提高注入效率，从而大大提高同步加速器中质子的储存数目，可使粒子数达到2*1011以上。
在本文的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本文的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
虽然本文所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本文而采用的实施方式，并非用以限定本文。任何本文所属领域内的技术人员，在不脱离本文所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本文的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种同步加速器的注入装置，其特征在于，包括上游直线节、第一偏转磁铁、具有剥离膜设备的注入直线节、第二偏转磁铁和下游直线节，所述上游直线节、所述第一偏转磁铁、所述注入直线节、所述第二偏转磁铁和所述下游直线节依次相连接。
2.根据权利要求1所述的同步加速器的注入装置，其特征在于，所述注入直线节包括：
依次相连接的第一直流凸起二极磁铁、第二直流凸起二极磁铁和第三直流凸起二极磁铁；
第一水平聚焦四极磁铁，连接所述第一直流凸起二极磁铁和所述第一偏转磁铁；
第二水平散焦四极磁铁，连接所述第三直流凸起二极磁铁和所述第二偏转磁铁；和
所述剥离膜设备，设置在所述第二直流凸起二极磁铁和所述第三直流凸起二极磁铁之间。
3.根据权利要求2所述的同步加速器的注入装置，其特征在于，所述注入直线节还包括：
注入切割磁铁，一端与所述第二直流凸起二极磁铁相连接。
4.根据权利要求2所述的同步加速器的注入装置，其特征在于，所述剥离膜设备中设置的膜片为碳膜。
5.根据权利要求1所述的同步加速器的注入装置，其特征在于，所述上游直线节包括第一注入凸轨磁铁和第一水平散焦四极磁铁，所述第一水平散焦四极磁铁连接所述第一注入凸轨磁铁和所述第一偏转磁铁；所述下游直线节包括第二注入凸轨磁铁和第二水平聚焦四极磁铁，所述第二水平聚焦四极磁铁连接所述第二注入凸轨磁铁和所述第二偏转磁铁。
6.根据权利要求5所述的同步加速器的注入装置，其特征在于，所述第一注入凸轨磁铁和所述第二注入凸轨磁铁的相移为180度。
7.一种同步加速度器，其特征在于，包括有如权利要求1至6中任一项所述的同步加速器的注入装置。
8.一种同步加速器的注入方法，其特征在于，包括：
将提供的负氢离子通过注入切割磁铁偏转到第二直流凸起二极磁铁入口处；
通过第一注入凸轨磁铁、第二注入凸轨磁铁、第一直流凸起二极磁铁、第二直流凸起二极磁铁和第三直流凸起二极磁铁的组合，将同步加速器内循环束流的参考轨道凸起；
第二直流凸起二极磁铁对负氢离子进行偏转，使得提供的负氢离子和同步加速度器内累积的质子经第二直流凸起二极磁铁偏转后会合到剥离膜设备，通过剥离膜设备中设置的膜片将负氢离子剥离掉电子而变成质子，然后在同步加速器内进行循环运动；
第一注入凸轨磁铁和第二注入凸轨磁铁的磁场按照设定加载电流下降，使循环束流的参考轨道按照设定加载电流下降，使循环束流进行相空间涂抹，来达到设计所需的束流分布及发射度要求。
9.根据权利要求8所述的同步加速器的注入方法，其特征在于，剥离掉电子的数量为两个。
10.根据权利要求8所述的同步加速器的注入方法，其特征在于，所述设定加载电流包括依次加载的开根号函数下降电流、指数函数下降电流和线性函数下降电流。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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