CN110072325A - 一种强流离子高压静电加速管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种强流离子高压静电加速管，包括加速管本体；加速管本体具体包括入口圆筒、进口法兰、进口法兰夹套、磁镜装置、加速电极、双电子云空间电荷透镜装置、出口法兰夹套、出口法兰、出口圆筒、绝缘环、均压环和绝缘柱等；进口法兰夹套与入口圆筒之间设有磁镜装置，出口法兰夹套与出口圆筒之间设有双电子云空间电荷透镜装置，各加速电极的中心圆孔半径沿束流传输方向依次减小。本发明利用聚焦电场和束‑等离子体相互作用分别增强了加速区域、加速管出入口区域的离子聚焦力，抑制强流离子束条件下强空间电荷效应引发的束流分散，降低了束流损失和抑制了束流发射度的增长，可实现强流离子束的高效稳定加速。
Description
技术领域
本发明涉及粒子加速器技术领域，尤其涉及一种强流离子高压静电加速管。
背景技术
随着科学技术的不断发展，粒子加速器科学技术取得了巨大的成就，其应用范围也逐渐从基础研究领域走向了工业、农业、医药以及国防建设的各条战线。特别是最近发展起来的加速器驱动先进核能系统，已逐渐成为各国研究的热点。
加速器是一种用人工方法产生高能带电粒子束的装置。它利用一定形态的电磁场将正负电子、质子、轻重离子等带电粒子加速到keV、MeV、GeV、TeV或者更高能量。这种具有相当高能量的离子束，是人类变革原子核、研究“基本粒子”、认识物质深层结构的重要工具。同时，它在工农业生产、医疗卫生、科学技术以及国防建设等方面也有着广泛而重要的应用。常见的加速器主要有高压静电加速器、回旋加速器、直线加速器、同步加速器，其中的大部分加速器都用于工业生产，只有少量的加速器是用于科学研究。
加速管是高压静电加速器的核心部件之一，主要利用高压静电场将带电粒子束加速到所需能量。现代大型静电加速器端电压的提高主要受到加速管耐压水平的限制。因此，一台高性能的高压静电加速管应该具有良好的真空性能，能维持较好的真空度，有足够的机械强度，对被加速的粒子有较好的聚焦作用，有良好的耐高压性能和必要的过电压保护措施等。
在传统的高压静电加速管设计过程中，加速管的耐压水平受到真空击穿的限制，主要表现为以下两个方面：1)加速管的耐压梯度会随着加速管总电压的升高而下降；2)当电压达到某个阈值的时候，加速管内会突然出现大量的电子流，并且伴有强烈的X射线，继续提高电压，电子流会急剧增加，很快超过高压发生器的负载能力，从而限制了电压的进一步提高。同时，当加速管加速的束流流强进一步提高，强烈的空间电荷效应的非线性部分将会造成束流发射度增长，使得强流离子束的束流包络过大而损失在加速管的绝缘体壁上或者加速电极上，产生大量的次级电子，进而破坏加速管的耐压水平，并限制加速管可加速束流流强的提高。
因此，如何进一步的提高加速管的耐压水平，抑制强流束条件下强空间电荷效应引发的束流发散，是本领域技术人员亟需解决的关键技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种耐压水平高的强流离子高压静电加速管，一方面通过在加速管入口设置一个磁镜装置来约束加速管中存在的二次电子和残余气体电离产生的电子，形成稳态电子云，提高空间电荷中和度和加速系统的耐压水平，降低加速管因全电压效应和电子负载导致的高压打火风险；另一方面通过在加速管入口设置一个双电子云空间电荷透镜装置，利用非正交的电磁场形成稳态双电子云，通过束-等离子体之间相互作用增强加速管聚焦性能，抑制强流束通过加速管时引起的束流发散，进一步降低束流损失。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种强流离子高压静电加速管，包括加速管本体；所述加速管本体的内部，沿离子束流输运方向，依次设置有加速管入口、磁镜装置、加速电极、双电子云空间电荷透镜装置和加速管出口；其中，所述加速管入口端和加速管出口端还分别设置有进口法兰、出口法兰，进口法兰的后端以及出口法兰的前端分别连接有进口法兰夹套、出口法兰夹套，所述进口法兰夹套与出口法兰夹套中部分别横穿有入口圆筒、出口圆筒；所述进口法兰夹套与入口圆筒之间设有所述磁镜装置，出口法兰夹套与出口圆筒之间设有所述双电子云空间电荷透镜装置；
所述加速管本体的外表面，沿其直径方向，依次设置有绝缘环、第一均压环、绝缘柱、第二均压环；所述绝缘环直接套设于加速管本体外表面，绝缘环的外侧连接第一均压环；所述绝缘柱通过进口法兰、出口法兰安装于第一均压环外侧，绝缘柱的外侧套设有第二均压环；其中，所述第一均压环与绝缘环之间通过金属连接件相连，所述金属连接件的一端与第一均压环相接，另一端穿过绝缘环与加速管本体内部的屏蔽电极或加速电极相接；
所述加速电极具体包括第一加速电极、第二加速电极、第三加速电极、第四加速电极、第五加速电极，各加速电极的中心圆孔半径沿束流传输方向依次减小，产生的聚焦电场，用来消除离子束自身空间电荷效应引发的发散，可以实现束流聚焦效果的增强。
作为本发明的优选方式之一，所述磁镜装置为筒状，包括磁镜铁轭以及设置于磁镜铁轭内部的铜线包；所述磁镜铁轭的内壁沿加速管本体的轴线由三部分组成，两侧为不锈钢，中间为DT4纯铁。所述磁镜装置用于产生磁镜场，在磁镜铁轭内壁的不锈钢位置处具有较大的磁场强度，在所述磁镜铁轭内部的DT4纯铁位置处磁场强度较小，可以在轴向和径向约束低能传输段和加速管内残余气体电离产生的电子、束流粒子轰击电极或者加速管内部产生的二次电子等形成电子云，提高空间电荷中和度，控制束流包络，实现离子束流与加速管的相空间匹配。
作为本发明的优选方式之一，所述磁镜装置中铜线包的材质为无氧铜，冷却工质为去离子水，工作压力为0.1MPa～1MPa，冷凝段工作工质为0℃～30℃的去离子水。
作为本发明的优选方式之一，所述磁镜装置产生的最大磁场强度为200～2000Gs。
作为本发明的优选方式之一，所述双电子云空间电荷透镜装置包括两组铁轭、设置于各组铁轭内部的线包以及横穿两组铁轭中部的圆筒电极，其中，线包由中空铜线组成；所述圆筒电极具体包括沿束流传输方向依次布置的第一地电极、第一阳极、第二地电极、第二阳极、第三地电极以及同轴包裹所述第一地电极、第一阳极、第二地电极、第二阳极、第三地电极的圆筒状包裹壳体；其中，所述第一阳极和第二阳极的电位相同，均加压10kV～50kV，并且，二者均分别通过绝缘支撑与所述包裹壳体同轴连接。
所述双电子云空间电荷透镜装置在铁轭内侧产生轴向磁场；所述圆筒电极用于形成与轴向磁场非正交的静电场，电场的轴向分量吸引电子形成电子云，最终电场的轴向分量将被电子的空间电荷场完全抵消，形成的正交电磁场，产生的稳态双电子云结构，有利于提高空间电荷中和度，抑制强流离子束的强空间电荷效应中非线性部分引起的像差等，通过束-等离子体之间的聚焦作用进一步减小强流离子束的发散损失。
作为本发明的优选方式之一，所述双电子云空间电荷透镜装置内圆筒电极的材质为不锈钢或铝或无氧铜。
作为本发明的优选方式之一，所述双电子云空间电荷透镜装置中线包的材质为无氧铜，冷却工质为去离子水，工作压力为0.1MPa～1MPa，冷凝段工作工质为0℃～30℃的去离子水。
作为本发明的优选方式之一，所述双电子云空间电荷透镜装置产生的最大轴向磁场强度为200～8000Gs。
作为本发明的优选方式之一，所述加速电极与第一均压环之间的金属连接件具体采取延伸式圆筒结构，各延伸式圆筒结构的延伸方向为趋向于中心位置，相邻两个加速电极中心位置的间距远小于延伸至相应第一均压环之间的间距；所述延伸筒式结构用于提高加速电场的梯度，缩短加速距离，进而减少强空间电荷效应下的束流损失。
作为本发明的优选方式之一，所述屏蔽电极为筒式结构，可有效阻止绝缘环内表面免受加速系统内离子和次级电子的轰击污染，从而提高绝缘环耐压性能；所述屏蔽电极与第一均压环之间的金属连接件具体采取圆筒结构。
作为本发明的优选方式之一，所述绝缘环设置有八个，沿加速管本体的轴线方向依次设置；相邻的所述绝缘环之间分别设置有一组金属连接件，各金属连接件的外端分别连接一个第一均压环，各金属连接件的内端则分别与一个屏蔽电极或一个加速电极相接；其中，两个所述第一均压环之间的电压恒定，用于降低加速管在大气中的电晕放电风险。
作为本发明的优选方式之一，所述绝缘环的外表面具体成型为波浪形，可进一步增大绝缘环的耐压性能。
作为本发明的优选方式之一，所述绝缘柱设置有三根，均匀分布于第一均压环的外侧；三根所述绝缘柱的外周套设有七个第二均压环，各第二均压环之间等距分布，用于进一步降低加速管在大气中的电晕放电风险。
作为本发明的优选方式之一，所述绝缘环和绝缘柱的材质为耐热玻璃、高压陶瓷或聚四氟乙烯。
本发明相比现有技术的优点在于：其一，在强流离子加速系统的入口圆筒外侧设置一个磁镜装置来约束加速管中存在的二次电子和残余气体电离产生的电子，形成稳态电子云，提高空间电荷中和度和加速系统的耐压水平，控制束流包络，实现离子束流与加速系统的良好匹配；其二，通过设置加速电极位置和加速电极中心圆孔半径等梯度减小，形成高电场梯度加速电场，并且使得整个强流离子加速区域呈聚焦特性，抑制强流离子束因强空间电荷效应引起的束流发散和束流发射度迅速增长；其三，在强流离子加速系统的出口圆筒和出口法兰夹套之间设置一个双电子云空间电荷透镜装置，利用非正交的电磁场吸引真空管道中残余气体电离产生的电子和强流离子束轰击加速电极产生的二次电子等，形成稳态的双电子云结构，提高空间电荷中和度和加速系统的耐压水平，同时利用束-等离子体相互作用，实现对强流离子束的聚焦。
附图说明
图1是实施例1中强流离子高压静电加速管的剖视结构示意图；
图2是图1中双电子云空间电荷透镜装置的放大结构示意图。
图中：1为加速管本体，2为加速管入口，21为进口法兰，22为进口法兰夹套，23为入口圆筒，3为磁镜装置，31为磁镜铁轭，32为铜线包，4为加速电极，41为第一加速电极，42为第二加速电极，43为第三加速电极，44为第四加速电极，45为第五加速电极，5为双电子云空间电荷透镜装置，51为铁轭，52为线包，53为圆筒电极，531为第一地电极，532为第一阳极，533为第二地电极，534为第二阳极，535为第三地电极，536为圆筒状包裹壳体，537为绝缘支撑，6为加速管出口，61为出口法兰，62为出口法兰夹套，63为出口圆筒，7为绝缘环，81为第一均压环，82为第二均压环，83为金属连接件，831为延伸式圆筒结构，832为圆筒结构，9为绝缘柱，10为屏蔽电极。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1-2所示，本实施例的一种强流离子高压静电加速管，包括加速管本体1。加速管本体1的内部，沿离子束流输运方向，依次设置有加速管入口2、磁镜装置3、加速电极4、双电子云空间电荷透镜装置5和加速管出口6。加速管入口2端和加速管出口6端还分别设置有进口法兰21、出口法兰61，进口法兰21的作用主要是用于低能传输段束流管道与加速管本体1之间的连接。其中，进口法兰21的后端以及出口法兰61的前端还分别连接有进口法兰夹套22、出口法兰夹套62，进口法兰夹套22与出口法兰夹套62的中部分别连接有入口圆筒23、出口圆筒63。所述进口法兰夹套22与入口圆筒23之间设有磁镜装置3，出口法兰夹套62与出口圆筒63之间设有双电子云空间电荷透镜装置5。
加速管本体1的外表面，沿其直径方向，依次设置有绝缘环7、第一均压环81、绝缘柱9、第二均压环82。绝缘环7直接套设于加速管本体1外表面，绝缘环7的外侧连接第一均压环81；绝缘柱9通过进口法兰21、出口法兰61安装于第一均压环81外侧，绝缘柱9的外侧套设有第二均压环82；均压环的设计起到等分电压的作用，使得大气中的电场比较均匀，减少离子加速系统外部的电晕放电。其中，第一均压环81与绝缘环7之间通过金属连接件83相连，该金属连接件83的一端与第一均压环81相接，另一端穿过绝缘环7与加速管本体1内部的屏蔽电极10或加速电极4相接。
进一步地，磁镜装置3为筒状，包括磁镜铁轭31以及设置于磁镜铁轭31内部的铜线包32；磁镜铁轭31的内壁沿加速管本体1的轴线由三部分组成，两侧为不锈钢，中间为DT4纯铁。其中，磁镜装置3中铜线包32的材质为无氧铜，冷却工质为去离子水，工作压力为0.1MPa～1MPa，冷凝段工作工质为0℃～30℃的去离子水。
磁镜装置3用于产生磁镜场，产生的最大磁场强度为200～2000Gs，其在磁镜铁轭31内壁的不锈钢位置处具有较大的磁场强度，在所述磁镜铁轭31内部的DT4纯铁位置处磁场强度较小，可以在轴向和径向约束低能传输段和加速管内残余气体电离产生的电子、束流粒子轰击电极或者加速管内部产生的二次电子等形成电子云，提高空间电荷中和度，控制束流包络，实现离子束流与加速管的相空间匹配。
进一步地，双电子云空间电荷透镜装置5包括两组铁轭51、设置于各组铁轭51内部的线包52以及横穿两组铁轭51中部的圆筒电极53，线包52由中空铜线组成。圆筒电极53具体包括沿束流传输方向依次布置的第一地电极531、第一阳极532、第二地电极533、第二阳极534、第三地电极535以及同轴包裹所述第一地电极531、第一阳极532、第二地电极533、第二阳极534、第三地电极535的圆筒状包裹壳体536，以上共同构成一个供束流穿过的筒式结构。其中，第一阳极532和第二阳极534的电位相同，均加压10kV～50kV；并且，第一地电极531、第二地电极533、第三地电极535与圆筒状包裹壳体536之间直接相接，第一阳极532、第二阳极534与圆筒状包裹壳体536之间则分别通过绝缘支撑537同轴连接。此外，圆筒电极53的材质为不锈钢或铝或无氧铜；双电子云空间电荷透镜装置5中线包52的材质为无氧铜，冷却工质为去离子水，工作压力为0.1MPa～1MPa，冷凝段工作工质为0℃～30℃的去离子水。
双电子云空间电荷透镜装置5在铁轭51内侧产生轴向磁场，产生的最大轴向磁场强度为200～8000Gs。圆筒电极53中的各阳极、地电极的位置设计可用于形成与轴向磁场非正交的静电场，电场的轴向分量吸引电子形成电子云，最终电场的轴向分量将被电子的空间电荷场完全抵消，形成的正交电磁场，产生的稳态双电子云结构，有利于提高空间电荷中和度，抑制强流离子束的强空间电荷效应中非线性部分引起的像差等，通过束-等离子体之间的聚焦作用进一步减小强流离子束的发散损失。
进一步地，加速电极4设置有五个，沿束流传输方向，依次包括第一加速电极41、第二加速电极42、第三加速电极43、第四加速电极44、第五加速电极45；其中，第一加速电极41固定于进口法兰夹套22后端，第五加速电极45固定于出口法兰夹套62前端，中间位置的其他电极则与相应的第一均压环81相接。上述各加速电极的中心圆孔半径沿束流传输方向依次减小，产生的聚焦电场，用来消除离子束自身空间电荷效应引发的发散，可以实现束流聚焦效果的增强。
加速电极4与第一均压环81之间的金属连接件83具体采取延伸式圆筒结构831，各延伸式圆筒结构831的延伸方向为趋向于中心位置，相邻两个加速电极4中心位置的间距远小于延伸至相应第一均压环81之间的间距。延伸式圆筒结构831的材质为不锈钢、铝或无氧铜，用于提高加速电场的梯度，缩短加速距离，进而减少强空间电荷效应下的束流损失。此外，加速电极4的中心孔四周还镀钽。金属钽是一种耐高温材料，且二次电子发射率不高，有助于降低离子加速系统的高压打火风险；相邻两个平行的加速电极4中心孔间距为20～80mm。
进一步地，屏蔽电极10设置有四个，表现为筒式结构，材质为不锈钢、铝或无氧铜，可有效阻止绝缘环7内表面免受加速系统内离子和次级电子的轰击污染，从而提高绝缘环7耐压性能。屏蔽电极10与第一均压环81之间的金属连接件83具体采取圆筒结构832，材质为不锈钢、铝或无氧铜。
进一步地，各屏蔽电极10与相应加速电极4均呈间隔性地与所述第一均压环81相连，以此实现屏蔽电极10和加速电极4的固定和相互绝缘，同时确保相邻两个加速电极4之间的压差恒定。
进一步地，绝缘环7设置有八个，沿加速管本体1的轴线方向依次设置。相邻绝缘环7之间的空隙内设置有一组所述金属连接件83，各金属连接件83的外端分别连接一个第一均压环81，各金属连接件83的内端则分别与一个屏蔽电极10或一个加速电极4相接。其中，两个第一均压环81之间的电压恒定，用于降低加速管在大气中的电晕放电风险。
进一步地，绝缘环7的外表面采用波浪形调制和镀釉，进而增大绝缘环7的耐压性能。第一均压环81、第二均压环82外缘为圆弧面，从而降低均压环之间的高压放电风险。
进一步地，绝缘柱9设置有三根，均匀分布于第一均压环81的外侧。三根绝缘柱9的外周套设有七个第二均压环82，各第二均压环82之间等距分布，用于进一步降低加速管在大气中的电晕放电风险。
进一步地，绝缘环7和绝缘柱9的材质为耐热玻璃、高压陶瓷或聚四氟乙烯。入口圆筒23、出口圆筒63的材质为不锈钢、铝或无氧铜。均压环的材质为不锈钢、铝或无氧铜。
此外，相邻的两个第一均压环81之间还由电阻值相等的分压电阻(图中未标示)连接，用于确保两个相邻的第一均压环81之间的电压恒定，分压电阻的阻值为1MΩ～100MΩ。
本实施例的有益之处：
(1)通过绝缘环7外表面进行波浪形调制和表面镀釉处理，增大绝缘环7表面的爬电距离，进而增大了绝缘环7的耐压性能；
(2)在加速管内设置屏蔽电极10，实现绝缘环7内表面免受加速系统内离子和次级电子的轰击污染，提高绝缘环7耐压性能；
(3)在进口法兰夹套22与入口圆筒23之间设置一台磁镜装置3，产生磁镜场约束电子形成电子云，增大空间电荷中和度，抑制束流发射度的增长和控制束流损失；
(4)在出口圆筒63与出口法兰夹套62之间设置一台双电子云空间电荷透镜装置5，产生均匀度较好的轴向磁场，减小螺线管透镜非线性部分引发的像差，抑制束流发射度的增长，提高束流传输效率；同时产生非正交的电磁场约束电子形成双电子云结构，利用束-等离子体相互作用，增大空间电荷中和度，抑制束流发射度的增长和控制束流损失。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种强流离子高压静电加速管，包括加速管本体，其特征在于，所述加速管本体的内部，沿离子束流输运方向，依次设置有加速管入口、磁镜装置、加速电极、双电子云空间电荷透镜装置和加速管出口；其中，所述加速管入口端和加速管出口端还分别设置有进口法兰、出口法兰，进口法兰的后端以及出口法兰的前端分别连接有进口法兰夹套、出口法兰夹套，所述进口法兰夹套与出口法兰夹套中部分别横穿有入口圆筒、出口圆筒；所述进口法兰夹套与入口圆筒之间设有所述磁镜装置，出口法兰夹套与出口圆筒之间设有所述双电子云空间电荷透镜装置；
所述加速管本体的外表面，沿其直径方向，依次设置有绝缘环、第一均压环、绝缘柱、第二均压环；所述绝缘环直接套设于加速管本体外表面，绝缘环的外侧连接第一均压环；所述绝缘柱通过进口法兰、出口法兰安装于第一均压环外侧，绝缘柱的外侧套设有第二均压环；其中，所述第一均压环与绝缘环之间通过金属连接件相连，所述金属连接件的一端与第一均压环相接，另一端穿过绝缘环与加速管本体内部的屏蔽电极或加速电极相接；所述加速电极具体包括第一加速电极、第二加速电极、第三加速电极、第四加速电极、第五加速电极，各加速电极的中心圆孔半径沿束流传输方向依次减小。
2.根据权利要求1所述的强流离子高压静电加速管，其特征在于，所述磁镜装置为筒状，包括磁镜铁轭以及设置于磁镜铁轭内部的铜线包；所述磁镜铁轭的内壁沿加速管本体的轴线由三部分组成，两侧为不锈钢，中间为DT4纯铁。
3.根据权利要求2所述的强流离子高压静电加速管，其特征在于，所述磁镜装置中铜线包的材质为无氧铜，冷却工质为去离子水，工作压力为0.1MPa～1MPa，冷凝段工作工质为0℃～30℃的去离子水。
4.根据权利要求1所述的强流离子高压静电加速管，其特征在于，所述双电子云空间电荷透镜装置包括两组铁轭、设置于各组铁轭内部的线包以及横穿两组铁轭中部的圆筒电极，其中，线包由中空铜线组成；
所述双电子云空间电荷透镜装置内圆筒电极具体包括沿束流传输方向依次布置的第一地电极、第一阳极、第二地电极、第二阳极、第三地电极以及同轴包裹所述第一地电极、第一阳极、第二地电极、第二阳极、第三地电极的圆筒状包裹壳体；其中，所述第一阳极和第二阳极的电位相同，均加压10kV～50kV，并且，二者均分别通过绝缘支撑与所述包裹壳体同轴连接。
5.根据权利要求4所述的强流离子高压静电加速管，其特征在于，所述电子云空间电荷透镜装置内圆筒电极的材质为不锈钢或铝或无氧铜。
6.根据权利要求4所述的强流离子高压静电加速管，其特征在于，所述双电子云空间电荷透镜装置中线包的材质为无氧铜，冷却工质为去离子水，工作压力为0.1MPa～1MPa，冷凝段工作工质为0℃～30℃的去离子水。
7.根据权利要求1所述的强流离子高压静电加速管，其特征在于，所述绝缘环设置有八个，沿加速管本体的轴线方向依次设置；相邻的所述绝缘环之间分别设置有一组金属连接件，各金属连接件的外端分别连接一个第一均压环，各金属连接件的内端则分别与一个屏蔽电极或一个加速电极相接。
8.根据权利要求1所述的强流离子高压静电加速管，其特征在于，所述绝缘环的外表面具体成型为波浪形。
9.根据权利要求1所述的强流离子高压静电加速管，其特征在于，所述绝缘柱设置有三根，均匀分布于第一均压环的外侧；三根所述绝缘柱的外周套设有七个第二均压环，各第二均压环之间等距分布。
10.根据权利要求1所述的强流离子高压静电加速管，其特征在于，所述绝缘环和绝缘柱的材质为耐热玻璃、高压陶瓷或聚四氟乙烯。
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