CN110225644B - 一种能量连续可调的直线加速器及其应用 - Google Patents

一种能量连续可调的直线加速器及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能量连续可调的直线加速器及其应用。它包括常温前端加速器、设在所述常温前端加速器后的相互串联的若干相同的加速单元或若干加速模块和从末端的所述加速单元输出端引出的末端引出束线；所述加速模块包括相互串联的多个加速单元耦合。本发明在实现能量和流强连续可调的同时，束流几乎没有损失，能够长期稳定运行；并且，该直线加速器的应用能够满足多种同位素的生产需求，也能提供不同中子通量的中子，提高了工作效率、节约了使用成本。

Description

一种能量连续可调的直线加速器及其应用
技术领域
本发明涉及一种能量连续可调的直线加速器及其应用，属于粒子直线加速器技术领域。
背景技术
低能强流质子、重离子在科研、工业、医疗、航天等方面的应用越来越广泛，而且不同能量段的离子具有各自独特的作用，例如将质子或者α粒子加速到2.5MeV，可以用于离子束分析，将质子加速到7-12MeV，可以用于PET断层扫描摄像同位素生产，将质子能量加速到15-19MeV，可用于SPECT同位素生产，将α粒子加速到20MeV以上，可以通过209Bi(a，2n)211At反应用于211At的生产，将质子能量加速到70MeV以上，可以用于强流加速器、同步加速器、治疗装置等应用加速装置的前端加速器。此外，将加速器的峰值流强提升到数十mA，甚至数百mA，可用作紧凑型小型中子源产生高通量的中子，产生的中子可以用在无损检测、资源环境、先进能源、生命科学、信息科学、化学化工、纳米科学和材料科学等诸多领域。
大量的放射性同位素通常使用研究反应堆和回旋加速器生产。反应堆生产的同位素主要有99Mo、60Co等，回旋加速器生产的同位素主要有18F、11C等。回旋加速器主要包含离子源系统、磁铁系统、射频系统、引出系统以及靶系统等。
现有的紧凑型中子源通常包括质子直线加速器、中子靶站、实验站与谱仪等，将脉冲强流质子束加速到数个MeV，或者数十个MeV，通过核反应产生高通量的中子。紧凑型中子源的加速器通常采用电子回旋共振(ECR)离子源，高频四极场加速器(RFQ)，漂移管直线(DTL)加速器，漂移管加速器为驻波加速器。
回旋加速器引出的束流能量是固定的，这意味着每台回旋加速器只能实现某种特定同位素的生产，对于不同同位素的生产，需要多台回旋加速器，而且引出的束流强度最高水平也只是在数百μA量级。
漂移管直线加速器引出的束流能量同样只有几个固定点，无法实现能量连续可调。此外，束流峰值强度能到达数十、甚至数百mA，但平均强度只能到数百μA，目前，紧凑型中子源中子通量的最高水平约1013s-级。
为了实现能量连续可调，通常在回旋加速器和漂移管直线加速器后接一个降能片，利用散射将束流的能量降低。但这种方式会产生大量的辐射，容易造成器件的活化，增加屏蔽成本，而且散射后的束流品质差，束流大部分会丢失，通过效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种能量连续可调的直线加速器及其应用，本发明在实现能量和流强连续可调的同时，束流几乎没有损失，能够长期稳定运行；并且，该直线加速器的应用能够满足多种同位素的生产需求，也能提供不同中子通量的中子，提高了工作效率、节约了使用成本。
本发明提供的一种能量连续可调的直线加速器，它包括常温前端加速器、设在所述常温前端加速器后的相互串联的若干相同的加速单元或若干加速模块和从末端的所述加速单元输出端引出的末端引出束线；所述加速模块包括相互串联的多个加速单元耦合。
本发明中，设在所述常温前端加速器后指的是设置在所述常温前端加速器出口端后面。
上述的直线加速器中，所述常温前端加速器和每个所述加速单元均设置各自独立的射频功率源、馈送系统和低电平控制系统；
所述射频功率源为所述常温前端加速器和所述加速单元提供射频功率；所述馈送系统用于从所述射频功率源将射频功率馈送到所述常温前端加速器和所述加速单元中；所述低电平控制系统用于调节射频功率大小和相位。
上述的直线加速器中，所述常温前端加速器和每个所述加速单元设有同一个信号参考线，用于为所述加速单元提供一个相同的相位参考点。
上述的直线加速器中，所述常温前端加速器包括依次设置的离子源、低能传输段、高频四极场加速器以及中能传输段；
所述离子源采用电子回旋共振型离子源，提供不同流强的质子或者α粒子束流，引出高压为20kV～100kV；所述低能传输段将所述离子源束流匹配注入所述高频四极场加速器中，所述高频四极场加速器完成束流的成形和初步加速，出口所述束流能量在500keV～5MeV；所述中能传输段对所述束流品质进行离线测量，并将所述束流匹配进入后续所述加速单元或所述加速模块。
上述的直线加速器中，一个所述加速单元包括一个具有高加速梯度的加速腔体以及相应的耦合器和调谐器；所述耦合器功率耦合进入所述加速腔体中，所述调谐器用于所述加速腔体频率的调节。所述具有高加速梯度的加速腔体的加速梯度具体可大于5MV/m。
上述的直线加速器中，所述射频功率源采用固态放大器；
所述低电平控制系统采用数字低电平。
上述的直线加速器中，所述加速腔体采用低温超导材料；
每个加速腔体能够提供0～2MeV的加速能力。
上述的直线加速器中，每个所述加速模块的输出端设有相应的引出束线，所述引出束线用于输出供与之配套运行的所述靶系统使用的质子束流。
上述的直线加速器中，所述引出束线上设置分束装置将束流引出；
所述分束装置具体可由切割磁铁和kicker磁铁或kicker腔体组成。
本发明还提供了上述的直线加速器在如下1)-4)中的应用：
1)生产同位素；
2)生产不同通量的中子；
3)制备同位素生产设备；
4)制备中子生产设备。
上述的应用中，所述生产同位素包括断层扫描摄像同位素、单光子发射计算机断层扫描同位素和211At同位素中的至少一种；
所述不同通量的中子的通量不超过1015s-量级。
本发明具有以下优点：
1、本发明中，直线加速器能量的连续可调主要是通过低电平控制系统调节加速单元的射频功率、同步相位实现。在实际调节过程中，通过使实际参与工作的引出束线之前的加速单元中部分加速单元的相位为负值，满足加速器纵向稳相原理，使得束流获得横向、纵向稳定加速，避免束流丢失。结合实际应用，常温前端加速器出口的束流能量在数百keV～数个MeV之间(一旦选定设计，其出口能量就是固定的)，再经过一系列独立的高梯度的加速单元，能够实现最高数十MeV的稳定加速。
2、本发明直线加速器的应用能够满足多种同位素的生产需求，也能提供不同中子通量的中子。比如，当加速单元数量N＝23时，末端引出束线能够作为高通量的紧凑型中子源，能够提供能量数十个MeV，平均流强大于1mA的质子束流，中子通量能达到1015s-量级，比现有紧凑型加速器中子源产生的通量高两个量级。
附图说明
图1为本发明实施例提供的能量连续可调的直线加速器的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的能量连续可调的直线加速器中加速单元的同步稳相加速示意图。
图中各个标记如下：11—离子源，12—低能传输段，13—RFQ，14—中能传输段；21—第一加速模块，22—第二加速模块，23—第三加速模块，24—第四加速模块；31—第一引出束线，32—第二引出束线，33—第三引出束线，34—第四引出束线，35—第五引出束线，36—第六引出束线。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
实施例1、
如图1所示，为本发明的一种能量连续可调的直线加速器，包括常温前端加速器、设在其后相互串联的N个相同的加速单元以及从末端加速单元输出端引出的引出束线；常温前端加速器和每个加速单元均具有各自独立的射频功率源、馈送系统和低电平控制系统。
其中，射频功率源用于为加速单元提供射频功率，具体可以采用固态放大器SSA；馈送系统用于将射频功率从射频功率源馈送到加速单元中；低电平控制系统LLRF用于调节射频功率大小和相位，具体可以采用数字低电平。实际应用中，还包括信号参考线，用于为所有加速单元提供一个相同的相位参考点。
常温前端加速器主要包括离子源11、低能传输段12、高频四极场加速器13(即RFQ加速器)以及中能传输段14。离子源11具体可为电子回旋共振型(即ECR离子源)，提供不同流强的质子或者α粒子束流，引出高压为20kV-100kV；低能传输段12将离子源束流匹配注入RFQ加速器13中，RFQ加速器13完成束流的成形和初步加速，出口束流能量在数百keV～数个MeV(具体可为500keV～5MeV)；中能传输段14对束流品质进行离线测量，并将束流匹配进入后续加速结构。
一个加速单元指一个具有高加速梯度的加速腔体以及相应的耦合器和调谐器，耦合器功率耦合进入加速腔体中，调谐器用于加速腔体频率的调节，每个加速腔体能够提供0～2MeV的加速能力。
引出束线用于引出相应能量的束流，满足同位素生产等应用场景的要求。此外，引出束线还可以包括分别从常温前端加速器低能传输段12、中能传输段14引出的第五引出束线35和第六引出束线36。为方便阐述，下文会继续基于此例进行说明。
本发明直线加速器中加速单元的加速腔体使用低温超导材料，电阻小，几乎所有射频功率都转为束流功率，被束流带走，不存在热问题，所以有能力将束流运行在连续波模式。当束流的流强和占空比进一步提升后，末端引出束线还可作为高通量的紧凑型中子源，可以提供能量数十个MeV，平均流强大于1mA的质子束流，中子通量能达到约1015s-量级。
基于上述直线加速器结构，RFQ加速器出口的束流能量可以从数百keV～数个MeV中选定设计，一旦RFQ加速器制造完成，其出口能量Erfq就是固定的。再经过一系列独立的高加速梯度的加速单元，可以实现数十MeV的稳定加速。每个加速单元的射频功率、同步相位可通过其低电平控制系统进行连续调节，进而实现对其输出能量增益的连续调节，最终实现引出束线上输出能量的连续调节。
本发明直线加速器的工作原理阐述如下。
一个加速单元的能量增益E＝粒子电荷q*电场强度E*渡越时间因子T*单元长度L*cos同步相位φs(即E＝q*E*T*L*cosφs)，参考图2示出的同步稳相加速示意图，每个加速单元的射频功率大小是可通过低电平控制系统调节，即电场强度E是可调，通过射频功率的调节，该加速单元获得的能量增益可以从0～最大值qETLcosφs连续可调；每个加速单元的同步相位也可通过低电平控制系统调节加速单元提取相位和参考相位的相对值来调节，当同步相位调到0°，获得最大能量增益qETL，当同步相位调到180°时，粒子获得最大减速-qETL。
质子束流通过N个加速单元后，引出束流的能量范围从Erfq-NqETL到Erfq+NqETL，一个加速单元的最大能量增益为2MeV。假设需要获得25MeV的稳定加速，需要约25-28个加速单元，一个原因是渡越时间因子T随粒子速度变化，范围从0.4到0.8，另一个原因是部分加速单元的相位为负值，意味着部分加速单元未提供最大加速能力，这是为了满足加速器纵向稳相原理，使束流获得横向、纵向稳定加速，避免束流丢失。可以理解的是，加速单元总数量N的取值取决于整个直线加速器所需要的最大加速能力。
假设同位素生产需要引出不同的束流能量，例如10MeV，20MeV等，可以通过降低部分加速单元的射频功率或者优化部分加速单元的同步相位来实现。总的来说，可以通过一系列加速单元射频功率和同步相位的优化调整，从末端引出束线得到任意想要的能量，而且束流横向、纵向均可保持稳定，几乎不会发生束流丢失，加速器活化风险低，节约大量屏蔽成本。
实施例2、
基于本发明实施例1中的能量连续可调的直线加速器，本实施例中将能量连续可调的直线加速器进行模块化，将某些加速单元耦合在一起，形成一个个模块化的系统，使得本发明直线加速器能够同时提供不同能量的束流，同时满足多种同位素的生产需求。具体包括如下内容。
N个加速单元中前后相邻的多个加速单元耦合形成加速模块，每个加速模块的输出端设有相应的引出束线，用于某些常用特定能量同位素的生产。除末端引出束线之外的引出束线配备有分束装置，该分束装置用于提供两条通道，一条通道用于实现束流直线传输，另一条通道用于使束流偏转到引出束线上。当然，视具体需要，也可为末端引出束线配备分束装置。
这样的话，除了末端引出束线能够提供任意能量的稳定束流，各加速模块输出端的引出束线也能够提供特定能量范围的束流，具备同时工作的能力，可同时提供不同能量的质子束流，束流强度也能达到数百μA级，用于不同同位素的生产，大大提高同位素的生产效率。
本发明整个直线加速器有能力提供mA级质子束流，某条引出束线通常引出数百μA束流用于同位素生产即可。应用时，按照系列加速单元既定的射频功率和优化的同步相位，快速实现特定能量范围束流的供给。
其中，本发明整个直线加速器能够提供mA级质子束流的主要原因有以下三个方面：第一点是ECR离子源，可提供数百个mA的高品质束流；第二点是采用RFQ加速器作为前端加速器，RFQ加速器具备同时对离子束的横向聚焦作用和纵向聚束作用，能高效地将百毫安级的强流离子束加速到每核子几个MeV，得到高品质的束流；第三点是加速模块是采用低温超导材料的直线加速器，直线加速器为强聚集加速器，能对数十mA强流束进行约束，保持高的束流品质，几乎不会丢失束流。该直线加速器采用低温超导材料，电阻小，几乎所有射频功率都转为束流功率，被束流带走，不存在热问题，有能力将束流运行在高占空比下，得到平均流强为数十mA的束流。
上述分束装置具体可以由切割磁铁和毫秒量级上升沿的kicker磁铁或者纳秒级上升沿的kicker腔体组成；kicker磁铁或者kicker腔体工作在脉冲模式，切割磁铁工作在直流模式，切割磁铁有两条通道，一条是实现束流直线传输的通道，另一条是将束流从侧边偏转45°的通道，从而使束流偏转到引出束线上。
比如，图1示出的，N＝23，1～6加速单元串联耦合成第一加速模块，7～12加速单元串联耦合为第二加速模块，13～17加速单元串联耦合为第三加速模块，18～23加速单元串联耦合为第四加速模块。相应地，引出束线包括对应在各加速模块输出端的第一引出束线31、第二引出束线32、第三引出束线33和第四引出束线34，第四引出束线34同时也是整个直线加速器的末端引出束线。
在实际应用过程中，第五引出束线35可通过ECR离子源提供20-60kV的质子束流，第六引出束线36可通过常温前端加速器(ECR离子源+RFQ加速器)提供2.5MeV的质子束流，第一引出束线31可通过常温前端加速器+第一加速模块21提供5-7MeV质子束流，第二引出束线32可通过常温前端加速器+第一加速模块21+第二加速模块22提供7-12MeV质子束流，第三引出束线33可通过常温前端加速器+第一加速模块21+第二加速模块22+第三加速模块23提供15-19MeV质子束流，直接用于相应同位素的生产，方便高效；第四引出束线34通过常温前端加速器+第一加速模块21+第二加速模块22+第三加速模块23+第四加速模块提供20-25MeV质子束流。在实际应用中，参考以上内容，根据所需能量，选定实际参与工作的组件和引出束线即可。
实施例3、
基于本发明实施例2中公开的能量连续可调的直线加速器，本实施例提供一种该直线加速器在同位素生产中的应用，具体的应用过程包括：根据目标同位素确定所需能量；根据所需能量通过调节加速单元的射频功率和同步相位加速质子束流，实现从引出束线得到具有相应能量的质子束流，用于生产同位素。具体如，通过常温前端加速器+第一加速模块21+第二加速模块22可使质子束流加速到7～12MeV，平均束流强度200～500μA，通过第二引出束线32引入相应同位素生产设备，生产PET断层扫描摄像同位素18F等。
实施例4、
基于上述实施例2中公开的能量连续可调的直线加速器，本实施例提供一种该直线加速器在中子束流生产中的应用，具体的应用过程包括：根据目标中子通量确定所需能量和流强；根据所需能量和流强，通过调节加速单元的射频功率和同步相位加速中子束流，实现从引出束线得到具有相应能量的中子束流。具体如，通过常温前端加速器+第一加速模块21+第二加速模块22+第三加速模块23+第四加速模块可使质子束流加速到20～25MeV，平均流强1mA，通过第四引出束线34引入靶系统，使中子通量高达1015s-量级。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种能量连续可调的直线加速器，其特征在于：它包括常温前端加速器、设在所述常温前端加速器后的相互串联的若干相同的加速单元或若干加速模块和从末端的所述加速单元输出端引出的末端引出束线；所述加速模块包括相互串联的多个加速单元耦合；
所述常温前端加速器和每个所述加速单元均设置各自独立的射频功率源、馈送系统和低电平控制系统；
所述射频功率源为所述常温前端加速器和所述加速单元提供射频功率；所述馈送系统用于从所述射频功率源将射频功率馈送到所述常温前端加速器和所述加速单元中；所述低电平控制系统用于调节射频功率大小和相位；
所述常温前端加速器包括依次设置离子源、低能传输段、高频四极场加速器以及中能传输段；
一个所述加速单元包括一个具有高加速梯度的加速腔体以及相应的耦合器和调谐器；所述耦合器功率耦合进入所述加速腔体中，所述调谐器用于所述加速腔体频率的调节；
所述加速腔体采用低温超导材料。
2.根据权利要求1所述的直线加速器，其特征在于：所述常温前端加速器和每个所述加速单元设有同一个信号参考线，用于为所述加速单元提供一个相同的相位参考点。
3.根据权利要求1或2所述的直线加速器，其特征在于：所述离子源采用电子回旋共振型离子源，提供不同流强的质子或者α粒子束流，引出高压为20kV~100kV；所述低能传输段将所述离子源束流匹配注入所述高频四极场加速器中，所述高频四极场加速器完成束流的成形和初步加速，出口所述束流能量在500 keV~5 MeV；所述中能传输段对所述束流品质进行离线测量，并将所述束流匹配进入后续所述加速单元或所述加速模块。
4.根据权利要求1或2所述的直线加速器，其特征在于：所述射频功率源采用固态放大器；
所述低电平控制系统采用数字低电平；
每个加速腔体能够提供0~2MeV的加速能力。
5.根据权利要求1或2所述的直线加速器，其特征在于：每个所述加速模块的输出端设有相应的引出束线，所述引出束线用于输出供与之配套运行的靶系统使用的质子束流。
6.根据权利要求1或2所述的直线加速器，其特征在于：所述引出束线上设置分束装置将束流引出。
7.根据权利要求6所述的直线加速器，其特征在于：所述分束装置由切割磁铁和kicker磁铁或kicker腔体组成。
8.权利要求1-7任一项所述的直线加速器在如下1）-2）中的应用：
1）制备同位素生产设备；
2）制备中子生产设备。
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