CN109581034A - 一种用于测量回旋加速器高频腔电压的系统 - Google Patents

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宋云涛
刘广
陈根
陈永华
赵燕平
杨庆喜
张鑫
黄熙
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Abstract

本发明公开了一种用于测量回旋加速器高频腔电压的系统，包括高频腔、DEE板、屏蔽罩、探测器和真空罐，所述高频腔套设在所述真空罐内部，且所述高频腔上套设有屏蔽罩，所述高频腔为加速器高频腔，所述探测器为能谱探测器，通过探测器探测轫致辐射射线全能峰能谱，所述DEE板两端上方均设置有所述探测器。本发明的有益效果是：本发明原理简单可靠，可行性高，操作性强，可以准确的得出高频腔峰值电压；本发明与传统电子学测量方法相比，可以避免诸多因素对腔体分布参数的影响，可以准确反映高频腔峰值电压，以满足加速器物理调束要求；屏蔽罩的设计保证了腔体的密闭性，同时提高了探测器的探测效率。本发明具有良好的社会效益，适合推广使用。

Description

一种用于测量回旋加速器高频腔电压的系统
技术领域
本发明涉及一种系统，具体为一种用于测量回旋加速器高频腔电压的系统，属于测量回旋加速器高频腔电压的系统应用技术领域。
背景技术
回旋加速器在核医学领域有着广泛的应用，尤其是在放射性药物制药，肿瘤治疗等领域做出了巨大的贡献。质子回旋加速器的高频谐振腔体由高频发射机激励。它的作用是在腔体电极与地之间的缝隙中形成高频电场。每当离子束团通过缝隙时，便受到电场力的谐波加速。加速后获得的能量增益与腔体的电压成正比。因此，腔体电压的高低和稳定性与调束及束流品质、强度有着密切的关系。使用传统方法(如直接测量法、网络分析仪测量、利用Q值法测量等)对腔体电压进行直接测量，在测量过程中，由于电子元件物理特性变化以及测量探测器与腔体连接所造成的腔体分布参数、特性阻抗的改变，而使腔体电压的正常分布和取样电压的准确性受到影响。测量方式和方法均有失稳妥，很难准确测量高频腔体电压的大小，并且受多种条件的限制。因此，如何采用一种间接测量方法，能比较准确的反映加速器高频腔的实际工作电压值显得十分必要，也很有意义。
本发明就是基于轫致辐射原理的一种间接测量高频腔峰值电压的设计。加速器高频腔在高功率运行时DEE板会产生轫致辐射射线，通过能谱探测器可探测出该射线全能峰能谱，依据腔体峰值电压与能谱的对应关系，可得出高频腔的峰值电压。本发明的屏蔽罩设计保证了腔体的密闭性，同时提高了探测器的探测效率。测量时高频腔所需功率高于10kW即可,保证了高频腔独立运行，降低了测量要求。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决传统方法对腔体电压进行直接测量，在测量过程中，由于电子元件物理特性变化以及测量探测器与腔体连接所造成的腔体分布参数、特性阻抗的改变，而使腔体电压的正常分布和取样电压的准确性受到影响，测量方式和方法均有失稳妥，很难准确测量高频腔体电压的大小，并且受多种条件的限制的问题，而提出一种用于测量回旋加速器高频腔电压的系统，加速器高频腔在高功率运行时DEE板会产生轫致辐射射线，通过能谱探测器可探测出该射线全能峰能谱，依据腔体峰值电压与能谱的对应关系，可得出高频腔的峰值电压。本发明的屏蔽罩设计保证了腔体的密闭性，同时提高了探测器的探测效率。测量时高频腔所需功率高于10kW即可,保证了高频腔独立运行，降低了测量要求。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种用于测量回旋加速器高频腔电压的系统，包括高频腔、DEE板、屏蔽罩、探测器和真空罐，所述高频腔套设在所述真空罐内部，且所述高频腔上套设有屏蔽罩；
所述高频腔为加速器高频腔，所述高频腔在功率高于10kW运行时，保证了高频腔独立运行，降低了测量要求。DEE板产生轫致辐射射线；
所述探测器为能谱探测器，通过探测器探测轫致辐射射线全能峰能谱；
所述DEE板两端上方均设置有所述探测器，且两个所述探测器分别与DEE板两端呈垂直设置，探测器位置一般准直于高频腔DEE板的最外侧，且两个所述探测器与DEE板两端之间均设置有间隙。
本发明的进一步技术改进方案在于：所述探测的射线能谱最大值与高频腔峰值电压对应关系为Emax＝eVmax，其中Emax为能谱能量最大值，e为电子电量，Vmax为腔体峰值电压。
本发明的进一步技术改进方案在于：所述高频腔内部处于真空状态，且高频腔内部真空度低于10-3pa，回旋加速器高频腔为对称结构，每个单腔都需进行测量，在测量设计时也须对称。
本发明的进一步技术改进方案在于：所述探测器为低能碲化镉探测器，探测范围依据加速器最大电压来选择，且所述探测器外接配套处理器进行能谱处理，探测器在使用前需要进行能量刻度标定，采用放射源241Am进行标定，目的是确定能量与道数关系并调整其线性，以使峰位刻度的非线性误差尽可能小。
本发明的进一步技术改进方案在于：所述高频腔与探测器之间的准直的位置开设有直径为20mm的小孔，且小孔与所述屏蔽罩相匹配，小孔用于固定屏蔽罩，保证屏蔽罩与高频腔上的部件连接更加紧固、牢靠。
本发明的进一步技术改进方案在于：所述屏蔽罩为铝或铝合金，且屏蔽罩厚度为1mm，屏蔽罩为线性衰减系数较低的材质制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明原理简单可靠，可行性高，操作性强，可以准确的得出高频腔峰值电压；本发明是一种间接的测量方式，与传统电子学测量方法相比，可以避免诸多因素对腔体分布参数的影响，可以准确反映高频腔峰值电压，以满足加速器物理调束要求；屏蔽罩的设计保证了腔体的密闭性，同时提高了探测器的探测效率；测量时高频腔所需功率高于10kW即可,所需功率不高，腔体可以独立运行，降低了测量要求。本发明具有良好的社会效益，适合推广使用。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明测量高频腔峰值电压的示意图。
图中：1、高频腔；2、DEE板；3、屏蔽罩；4、探测器；5、真空罐；6、轫致辐射射线。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，一种用于测量回旋加速器高频腔电压的系统，包括高频腔1、DEE板2、屏蔽罩3、探测器4和真空罐5，高频腔1套设在真空罐5内部，且高频腔1上套设有屏蔽罩3；
高频腔1为加速器高频腔，高频腔1在功率高于10kW运行时，保证了高频腔独立运行，降低了测量要求。DEE板2产生轫致辐射射线6；
探测器4为能谱探测器，通过探测器4探测轫致辐射射线6全能峰能谱；
DEE板2两端上方均设置有探测器4，且两个探测器4分别与DEE板2两端呈垂直设置，探测器4位置一般准直于高频腔DEE板2的最外侧，且两个探测器4与DEE板2两端之间均设置有间隙。
作为本发明的一种技术优化方案，所述探测的射线能谱最大值与高频腔峰值电压对应关系为Emax＝eVmax，其中Emax为能谱能量最大值，e为电子电量，Vmax为腔体峰值电压。
作为本发明的一种技术优化方案，所述高频腔1内部处于真空状态，且高频腔1内部真空度低于10-3pa，回旋加速器高频腔1为对称结构，每个单腔都需进行测量，在测量设计时也须对称。
作为本发明的一种技术优化方案，探测器4为低能碲化镉探测器，探测范围依据加速器最大电压来选择，且探测器4外接配套处理器进行能谱处理，探测器4在使用前需要进行能量刻度标定，采用放射源241Am进行标定，目的是确定能量与道数关系并调整其线性，以使峰位刻度的非线性误差尽可能小。
作为本发明的一种技术优化方案，高频腔1与探测器4之间的准直的位置开设有直径为20mm的小孔，且小孔与屏蔽罩3相匹配，小孔用于固定屏蔽罩3，保证屏蔽罩3与高频腔1上的部件连接更加紧固、牢靠。
作为本发明的一种技术优化方案，屏蔽罩3为铝或铝合金，且屏蔽罩3厚度为1mm，屏蔽罩3为线性衰减系数较低的材质制成。
本发明所依据的一个理论基础，即轫致辐射射线能谱与高频腔电压关系由式(3)给出，具体如下：
轫致辐射产生的X射线穿过物质时，其强度以指数规律衰减，但其主要能量保持不变。腔体中的轫致辐射最大能量一般不超过200keV。这种相对能量较低的光子穿过探测孔并通过原子序数较高的介质时，主要发生光电效应(康普顿效应次要，而电子偶效应几乎不可能)。此时光子可以将其全部能量
E＝hν (1)
(其中，h是普朗克常数，ν为光子频率)转给原子核外轨道电子，使其脱离原子束缚成为光电子，再由次级电子引起物质原子的电离或激发。利用探测器电极来收集次级电子。本发明正是采用这种间接关系来探测轫致辐射。而根据轫致辐射原理，高电压加速电子所产生轫致辐射射线，其短波极限由加速电压V决定：
λ0＝hc/eV (2)
式中h为普朗克常数，c为真空中的光速，e为电子电荷，V为腔体加速电压。
联立(1)、(2)可得探测器测得的能谱峰值与高频腔DEE板峰值电压的对应关系。即为：
Emax＝eVmax (3)
其中Emax为能谱能量最大值，e为电子电量，Vmax为腔体峰值电压。
如图1所示，一种用于测量回旋加速器高频腔电压的系统，加速器高频腔1中高速电子与腔内金属碰撞在DEE板2处产生轫致辐射射线6，部分轫致辐射射线6通过屏蔽罩3传播到高频腔1外部，传播过程能量大小不变且具有连续能谱。使用合适的探测器4测出该射线全能峰能谱，而腔体峰值电压与能谱存在对应关系(3)，于是测得能谱的最大值就能间接得到高频腔体的峰值电压。
如图1所示，回旋加速器高频腔一般为对称结构，每个单腔都需进行测量，因此测量设计也应对称，所述的实例为双腔，因此测量设计应依据腔结构左右对称。高频腔1与探测器4准直的位置会开直径约为20mm的小孔，孔内固定所述的屏蔽罩3。所述的屏蔽罩3一般为线性衰减系数较低的材质制成，一般为铝或铝合金，厚度为1mm左右，通过螺丝固定在高频腔1所开的孔内。屏蔽罩3的设计保证了腔体的密闭性，同时提高了探测器的探测效率。
如图1所示，所述探测器4为低能碲化镉探测器，探测范围依据高频腔1最大电压来选择，探测器外接配套的处理器进行能谱处理。所述探测器4在探测前需要进行能量刻度标定，可采用放射源241Am进行标定，目的是确定能量与道数关系并调整其线性，以使峰位刻度的非线性误差尽可能小。探测器4表面，尤其是探测器端帽部分应保持清洁。测量时，探测器4位置要保持固定，避免碰撞和震动对探测效率产生不良影响。
如图1所示，测量时高频腔1所需功率高于10kW即可,所需功率不高，腔体可以独立运行，降低了测量要求。测量时长一般不超过3分钟，直到能清楚的呈现全能峰。时间不宜过长，以保证计数叠加不会影响测量结果。测量时加速器高频腔1内部应处于真空状态，真空度低于10-3pa。真空罐5的作用就是为了真空隔离。
本实施例中，选择不同的功率水平进行测量。对每个功率下的辐射能谱进行多次测量。具体应用过程中，所处环境无强的放射性，避免外界对辐射射线对探测器的影响。所处环境温度0℃-45℃为宜，室内应无尘、无鼠、无腐蚀性气体。当轫致辐射较弱时，所探测能谱需扣去因环境和周围材料放射性物质造成的影响。
工作原理：本发明在使用时，首先，检查本发明各部件的安全性，然后，加速器高频腔1中高速电子与腔内金属碰撞在DEE板2处产生轫致辐射射线6，部分轫致辐射射线6通过屏蔽罩3传播到高频腔1外部，传播过程能量大小不变且具有连续能谱。使用合适的探测器4测出该射线全能峰能谱，而腔体峰值电压与能谱存在对应关系(3)，于是测得能谱的最大值就能间接得到高频腔体的峰值电压。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种用于测量回旋加速器高频腔电压的系统，其特征在于：包括高频腔(1)、DEE板(2)、屏蔽罩(3)、探测器(4)和真空罐(5)，所述高频腔(1)套设在所述真空罐(5)内部，且所述高频腔(1)上套设有屏蔽罩(3)；
所述高频腔(1)为加速器高频腔，所述高频腔(1)在功率高于10kW运行时，DEE板(2)产生轫致辐射射线(6)；
所述探测器(4)为能谱探测器，通过探测器(4)探测轫致辐射射线(6)全能峰能谱；
所述DEE板(2)两端上方均设置有所述探测器(4)，且两个所述探测器(4)分别与DEE板(2)两端呈垂直设置，且两个所述探测器(4)与DEE板(2)两端之间均设置有间隙。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量回旋加速器高频腔电压的系统，其特征在于，所述探测的射线能谱最大值与高频腔峰值电压对应关系为Emax＝eVmax，其中Emax为能谱能量最大值，e为电子电量，Vmax为腔体峰值电压。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量回旋加速器高频腔电压的系统，其特征在于，所述高频腔(1)内部处于真空状态，且高频腔(1)内部真空度低于10-3pa。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量回旋加速器高频腔电压的系统，其特征在于，所述探测器(4)为低能碲化镉探测器，且所述探测器(4)外接配套处理器进行能谱处理。
5.根据权利要求1所述的一种用于测量回旋加速器高频腔电压的系统，其特征在于，所述高频腔(1)与探测器(4)之间的准直的位置开设有直径为20mm的小孔，且小孔与所述屏蔽罩(3)相匹配。
6.根据权利要求1所述的一种用于测量回旋加速器高频腔电压的系统，其特征在于，所述屏蔽罩(3)为铝或铝合金，且屏蔽罩(3)厚度为1mm。
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