CN109661096B - 一种重入式中间注入加速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加速器。该加速器包括真空射频加速腔、带电粒子注入器、偏转磁铁、束流管道，其中所述束流管道绕着所述真空射频加速腔设置且两端分别接入所述真空射频加速腔中，所述带电粒子注入器设置在真空射频加速腔外侧的中部，将带电粒子形成的束流沿着垂直于真空射频加速腔轴线的方向注入带电粒子，带电粒子束流在偏转磁铁的作用下，沿着束流管道形成的路线在真空射频加速腔中做分段式蛇形运动或螺旋运动。本发明解决了横向磁场对束团的横向散束问题。

Description

一种重入式中间注入加速器

技术领域

本发明涉及一种带电粒子加速器，更特别地涉及一种从中间注入的加速器。

背景技术

加速器是一种复杂的高新技术装置，被广泛应用于科学研究、工农业生产、医疗卫生、国防军事、环境保护、公共安全等领域。电子加速器的种类很多，包括静电高压加速器、电子直线加速器、电子感应加速器等。在工业辐照领域，对高能大功率电子辐照加速器的电子束功率提出了越来越高的需求，传统的电子直线加速器受射频功率源及散热等问题的限制，束流功率难以再提高。为此国内外提出了一些重入式的高功率电子加速器，其加速腔的谐振频率为百MHz左右，其中包括梅花瓣(Rhodotron)加速器和蛇形(Ridgetron)加速器等。

相对于梅花瓣加速器，蛇形加速器的加速腔可以做的更长，虽然其加速腔的Q值没有梅花瓣加速器的高，但束流重入加速腔的次数可以高于梅花瓣加速器，因而可以获得相比于梅花瓣加速器更高的射频能量利用效率。蛇形加速器的加速腔采用圆柱腔内插两个电极板，在腔内形成H₁₁₀模式的电磁场。该模式电磁场在两个电极板的间隙内所建立的谐振电磁场，除了电极板的对称中心位置，其它位置都有相对于电子运动方向的磁场横向分量，并且越是远离电极板的对称中心位置，磁场横向分量越大，如图3所示，其中横向磁场的方向垂直于电子运动方向和电极板平面，腔体和电极板的中心的横轴坐标值为0。而一般的蛇形加速器的束流是从电极板的一端注入的，其磁场的横向分量是最大的。同时，横向磁场是时变磁场，不同时刻进入加速间隙的束流所感受到的磁场是随时改变的，这就导致束团横向散束。由于束流第一次注入加速腔所感受到的横向磁场最大，束团的散束效应最大。而束团的横向散束会导致其后的束流损失，引起束流传输效率的降低和腔体的发热，导致加速器运行的不稳定。与此类似，现有的螺旋加速器也存在上述问题。

为了解决束团的横向散束问题，日本研究者提出在第一次注入加速的电极板间隙插入电极头，减小加速间隙的距离，缩短横向磁场作用束流的时间，减弱横向磁场的幅值。之后的注入加速，由于束流能量的提高和横向磁场的降低，对束团的散束效用就可以忽略，因而可以采用较大的加速间隙。电极头的插入与缩短电极板之间的间隙的效果是相同的，但这会导致腔体的品质因数Q和加速的分路阻抗的降低，从而降低射频能量的转换效率等不利影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种加速器。

具体地，根据本发明的一种重入式中间注入加速器，其特征在于，其包括真空射频加速腔、带电粒子注入器、偏转磁铁、束流管道，其中所述束流管道绕着所述真空射频加速腔设置且两端分别接入所述真空射频加速腔中，所述带电粒子注入器设置在真空射频加速腔外侧中部，将带电粒子形成的束流沿着垂直于真空射频加速腔轴线的方向注入带电粒子，带电粒子束流在偏转磁铁的作用下，沿着束流管道形成的路线在真空射频加速腔中做分段式蛇形运动或螺旋运动。

优选地，采用两种偏转磁铁，分别是偏转总角度为180的偏转磁铁以及偏转总角度为90度的偏转磁铁。

优选地，其中所述真空射频加速腔为密闭的柱型腔，可以在其内获得粒子传输与加速运动所需要的真空环境。

优选地，所述束流管道包括第一束流管道、束流转移传输管道、以及第二束流管道；所述第一束流管道用于使得束流从加速腔中部加速传输到加速腔的端部，其中束流在第一束流管道中进行蛇形运动或螺旋运动；所述束流转移传输管道用于将束流从加速腔的端部传输回加速腔的中部或加速腔的另一个端部，所述束流转移传输管道设置在第一束流管道和第二束流管道之间，且束流转移传输管道的起始端连接第一束流管道的结束端，而束流转移传输管道的结束端接入到真空射频加速腔中部的第二束流管道的起始端；所述第二束流管道用于使得束流从加速腔中部传输到加速腔的另一个端部，或从加速腔的另一个端部加速传输到加速腔中部，其中束流在第二束流管道中进行第二段蛇形运动或螺旋运动。

优选地，所述束流转移传输管道中的束流运动方式是在同一平面的蛇形往复运动；束流转移传输管道中的束流通过2次90度偏转后，输入到第二束流管道。

优选地，所述束流转移传输管道中的束流运动方式是在三维空间的螺旋运动。束流转移传输管道中的束流通过4次90度偏转后，输入到第二束流管道。

优选地，所述束流转移传输管道的出口在加速腔中部；第二束流管道将束流从加速腔中部加速传输到加速腔的另一个端部。

优选地，所述束流转移传输管道的出口在加速腔的另一个端部；第二束流管道将束流从加速腔的另一个端部加速传输到加速腔中部。

本发明的加速器，解决了常规蛇形加速器中存在的横向散束问题。由于从加速腔中间注入，带电粒子感受不到横向磁场，在之后的加速中，所感受到的横向磁场越来越大，但是粒子能量也逐渐提高，横向磁场对其产生的作用就可以忽略。

附图说明

图1为常规蛇形加速器束流运动轨迹示意图。

图2为根据本发明的分段式蛇形加速器中间注入的束流运动轨迹示意图。

图3为根据本发明的注入方式，所获得的腔体轴线上的横向磁场分布曲线。

图4为根据本发明第二实施方式的中间注入螺旋加速器示意图。

图5为根据本发明第二实施方式的中间注入螺旋加速器侧视图。

图6为根据本发明第三实施方式的中间注入螺旋加速器俯视图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

常规蛇形加速器束流运动轨迹示意图如图1所示，其中包括真空射频加速腔1、带电粒子注入器2、偏转磁铁。从束流运动轨迹线4可见，带电粒子通过设置在真空射频加速腔1一侧的带电粒子注入器2从真空射频加速腔1一侧注入到真空射频加速腔1中，通过偏转磁铁3的偏转作用，在真空射频加速腔1中以蛇形方式运动，直至从真空射频加速腔1射出。但这种常规的蛇形加速器束流运动，如前所述，容易导致束团横向散束，且特别容易出现束流传输效率的降低和腔体的发热的情况，由此导致加速器运行的不稳定。

针对上述问题，本发明提出一种新的束流注入方式和加速器，即束流从腔体和电极板的中间注入，形成不同于已有的整体蛇行运动的分段蛇行运动。其中重入是指束流被加速腔加速，从加速腔输出后，经过偏转磁铁重新注入同一加速腔再次加速。

由图2可见，根据本发明第一实施方式的加速器，包括真空射频加速腔1、带电粒子注入器2、偏转磁铁、束流管道。束流管道绕着真空射频加速腔1设置且两端分别接入真空射频加速腔1中。带电粒子注入器2设置在真空射频加速腔1中部，将带电粒子沿着垂直于真空射频加速腔1轴线的方向注入带电粒子，沿着图2中束流运动轨迹线4可见，带电粒子由设置在真空射频加速腔1中间部位的带电粒子注入器2从真空射频加速腔1中间注入其中，在偏转磁铁的作用下做蛇形运动至真空射频加速腔1一端后，偏转磁铁再次使得束流偏转方向，从真空射频加速腔1中间再次进入到真空射频加速腔1中，继续做蛇形运动，直至从真空射频加速腔1另一端射出。因此，在束流需要变换方向的地方，均设置有偏转磁铁，根据偏转角度以及运动轨迹的需求，选择不同偏转角度的偏转磁铁。

比如，在根据图2的第一实施方式中，采用两种偏转磁铁，分别是180度偏转磁铁3以及90度偏转磁铁5。在每一个需要反向运行的地方，采用180度偏转磁铁3；在需要将束流重新注入真空射频加速腔1的位置，采用两个90度偏转磁铁5，使得束流经过两次90度的偏转后，能够从真空射频加速腔1中部再次注入其中；此后，再在真空射频加速腔1进行蛇形运行，直至最终从真空射频加速腔1另一端射出。也即针对不同的运行路线，需要两种偏转磁铁，第一偏转磁铁的偏转角度为使得束流发生反向运行；而第二偏转磁铁的偏转角度需要使得束流再次回到真空射频加速腔1，继续沿着束流管道在真空射频加速腔1中进行蛇形运动，直至从真空射频加速腔1射出。

优选地，180度偏转磁铁可以是一个偏转180度的磁铁，或者多个偏转角度总和为180的磁铁组合。同理，90度偏转磁铁可以为一个偏转90度的磁铁，以及多个偏转角度总和为90的磁铁组合。

由于第一次注入束流经过的腔体对称中心点的磁场始终为零，从而从根本上解决了束团的横向扩束的问题。腔体轴线上(即垂直于束流运动方向的电极板间隙中心线上)的横向磁场分布曲线如图3所示，横向磁场的方向垂直于电子运动方向和电极板平面，图3横轴坐标值0点为腔体和电极板的对称中心点。本领域技术人员均知悉，在加速器中，射频能量利用效率是大功率加速器的重要参数。蛇形加速器的加速谐振腔采用圆柱腔内插两个电极板，在腔内形成一定模式的电磁场。该模式电磁场在两个电极板的间隙内形成谐振电场，用于加速电子，电子运动轨迹通过圆柱轴线。在两个电极板的间隙内所建立的谐振电磁场，除了电极板的中间位置，其它为位置都有相对于电子运动方向的磁场横向分量，并且越是远离电极板的中间位置，磁场横向分量越大，如图3所示。

根据本发明图2所示的注入方式，电子经过第一次加速后，能量约为0.5MeV，经过180度偏转后，重新注入谐振腔内加速。电子在第二次进入电极板间隙加速时，会感受到横向磁场，但场幅很弱，因此对束流的影响可以忽略。在之后每次进入电极板加速时，横向磁场的场幅都会增加，但由于电子能量也增加很多，横向磁场对束流的影响还是可以忽略。

当电子束从腔体中间注入，做蛇行加速和传输运动，来回穿过腔体到达腔体端部区域后，为了充分利用腔体内建立的谐振加速电场，需要将束流经过两次90度偏转，重新注入到加速腔的中间部位，再次做蛇行加速和传输运动到加速腔的另一端。该实施方式中，利用两个90度偏转磁铁5实现束流的2次90度偏转，或者通过4个45度偏转磁铁实现2次90度偏转。

根据本发明的加速器，其中真空射频加速腔1为密闭的柱型腔，可以在其内获得粒子传输与加速运动所需要的真空环境。

根据本发明的第二实施方式，其主要部件与第一实施方式相同，因此相同的部件在此不再赘述。其与第一实施方式的区别在于束流管道的设置方式，如图4、5所示，其中，束流管道包括第一束流管道61、束流转移传输管道62、以及第二束流管道63。束流转移传输管道62用于使得束流传输回腔体的中部，之后再进行束流的加速与传输运动。束流转移传输管道62设置在第一束流管道61和第二束流管道63之间，且束流转移传输管道62的起始端靠近第一束流管道61的结束端，而束流转移传输管道62的结束端接入到真空射频加速腔1中部，束流在第一束流管道61中进行第一段蛇形或者螺旋运动，通过束流转移传输管道62再次传输回真空射频加速腔1中部后，束流在第二束流管道63中进行第二段蛇形或者螺旋运动。第一束流管道61、以及第二束流管道63的数量根据所设计的运行轨迹来确定，可以为多根。根据图4、5的第二实施方式，束流转移传输管道62与第一束流管道61、以及第二束流管道63呈一定夹角。

根据发明的第三实施方式，其主要部件与第一、第二实施方式相同，因此相同的部件在此不再赘述。其与第一、二实施方式的区别在于束流管道的设置方式，如图6所示，束流管道包括第一束流管道61、束流转移传输管道62、以及第二束流管道63。其中束流转移传输管道62的轴线基本上与真空射频加速腔1平行。该束流转移传输管道62的起始端靠近第一束流管道61的结束端，而束流转移传输管道62的结束端接入到第二束流管道63的起始端。因此，在该实施方式的束流管道布置方式下，束流在第一束流管道61中进行第一段蛇形或者螺旋运动，通过束流转移传输管道62再次传输回真空射频加速腔1另一端，之后束流在第二束流管道63中进行第二段蛇形或者螺旋运动，最后从该真空射频加速腔1的中部射出。

根据本发明的注入器，束流运动方式可以是在同一平面的蛇行的往复运动，也可以是在三维空间的螺旋运动。束流转移传输管道可以是2次90度偏转，也可以是4次90度偏转；束流转移传输管道的出口可以在加速腔中部，也可以在加速腔的另一个端部。第二束流管道可以将束流从加速腔中部加速传输到加速腔的另一个端部，也可以从加速腔的另一个端部加速传输到加速腔中部。当然，如果这个过程由于传输距离较大而导致束流包络难以控制，还可以在长传输段内增加聚焦磁铁。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种重入式中间注入加速器，其特征在于，其包括真空射频加速腔、带电粒子注入器、偏转磁铁、束流管道，其中所述束流管道绕着所述真空射频加速腔设置且两端分别接入所述真空射频加速腔中，所述带电粒子注入器设置在真空射频加速腔外侧中部，将带电粒子形成的束流沿着垂直于真空射频加速腔轴线的方向注入带电粒子，带电粒子束流在偏转磁铁的作用下，沿着束流管道形成的路线在真空射频加速腔中做分段式蛇形运动或螺旋运动。

2.根据权利要求1所述的重入式中间注入加速器，其特征在于，采用两种偏转磁铁，分别是偏转总角度为180的偏转磁铁以及偏转总角度为90度的偏转磁铁。

3.根据权利要求2所述的重入式中间注入加速器，其特征在于，其中所述真空射频加速腔为密闭的柱型腔，在其内获得粒子传输与加速运动所需要的真空环境。

4.根据权利要求2所述的重入式中间注入加速器，其特征在于，所述束流管道包括第一束流管道、束流转移传输管道、以及第二束流管道；所述第一束流管道用于使得束流从加速腔中部加速传输到加速腔的端部，其中束流在第一束流管道中进行蛇形运动或螺旋运动；所述束流转移传输管道用于将束流从加速腔的端部传输回加速腔的中部或加速腔的另一个端部，所述束流转移传输管道设置在第一束流管道和第二束流管道之间，且束流转移传输管道的起始端连接第一束流管道的结束端，而束流转移传输管道的结束端接入到真空射频加速腔中部的第二束流管道的起始端；所述第二束流管道用于使得束流从加速腔中部传输到加速腔的另一个端部，或从加速腔的另一个端部加速传输到加速腔中部，其中束流在第二束流管道中进行第二段蛇形运动或螺旋运动。

5.根据权利要求4所述的重入式中间注入加速器，其特征在于，所述束流转移传输管道中的束流运动方式是在同一平面的蛇形往复运动；束流转移传输管道中的束流通过2次90度偏转后，输入到第二束流管道。

6.根据权利要求4所述的重入式中间注入加速器，其特征在于，所述束流转移传输管道中的束流运动方式是在三维空间的螺旋运动；束流转移传输管道中的束流通过4次90度偏转后，输入到第二束流管道。

7.根据权利要求4所述的重入式中间注入加速器，其特征在于，所述束流转移传输管道的出口在加速腔中部；第二束流管道将束流从加速腔中部加速传输到加速腔的另一个端部。

8.根据权利要求4所述的重入式中间注入加速器，其特征在于，所述束流转移传输管道的出口在加速腔的另一个端部；第二束流管道将束流从加速腔的另一个端部加速传输到加速腔中部。