CN110798959A - 一种多方向带电粒子束流转向装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于带电粒子传输技术领域,具体为一种多方向带电粒子束流转向装置。本发明装置包括:真空连接窗口、矫正电极、圆柱形偏转电极、陶瓷支撑件、高压真空穿通件、高压电源、真空腔室、真空规管、涡轮分子泵。该装置采用八组圆柱形偏转电极组成束流偏转区,并配合八组特定结构和安装位置的矫正电极矫正束流进出束流偏转区。本发明装置结构简单,加工方便,易于提高机械加工精度;空心圆筒矫正电极的结构可提高偏转电极的工作效率;带电粒子束流可以通过八个真空连接窗口中的任意一个窗口进出该装置,增加装置使用上的便利性;本发明装置对带电粒子束流提供达五个方向的转向选择,增加带电粒子束流的使用效率。
Description
技术领域
本发明属于带电粒子传输技术领域,具体涉及一种多方向带电粒子束流转向装置。
背景技术
带电粒子束流转向装置广泛应用于粒子加速器和粒子转输领域。在加速器中带电粒子束流的传输过程中要经常对其进行转向,在粒子应用终端前要对带电粒子束流进行分束,都需要带电粒子束流转向装置得以实现。
带电粒子束流转向装置有三大类,磁场粒子束流转向器、电场粒子束流转向器和电磁场粒子束流转向器。磁场粒子束流转向器利用运动中带电粒子束流受垂直于磁场方向的洛伦兹力作用,进而改变束流运动方向的装置。电场粒子束流转向器利用带电粒子束流受库仑力作用,进而改变束流运动方向的装置。电磁场粒子束流转向器是同时利用磁场和电场对粒子运动进行作用的装置。
本发明的带电粒子束流转向装置属于电场粒子束流转向器的一种。常见的电场粒子束流转向器主要有两种形式,即平行板电极电场粒子束流转向器和弧形电极电场粒子束流转向器。
平行板电极电场粒子束流转向器的工作原理如图3所示,带电粒子束流通过一对平行的带有不同电位的电极,带电粒子受垂直于平行板的库仑力作用,进而改变束流运动方向。该类型装置的优势在于结构简单,缺点在于因平行板的结构过于简单,不能形成复杂电场,不能多方向地改变带电粒子束流运动轨迹,例如90度偏转。如要实现多方向的多方向地改变带电粒子束流运动,必须在空间上多维度地增加多组平行板电极,并且设计模拟分析工作十分困难,也增加结构的复杂性。
弧形电极电场粒子束流转向器的工作原理如图4所示,根据带电粒子束流需求偏转角度而设计特定的弧形电极组组成特定电场,利用弧形电场线引导带电粒子束流的运动。该装置的优点是可以根据需求而设计特定的弧形电极,缺点是弧形电极结构的束流分析难以模拟,并且相应的修正电极较多,造成转向系统比较复杂。而且该方案对加工技术和装配精度的要求很高,装置的经济成本也很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、加工方便、使用效率高、分析模拟方便,能够为带电粒子束流传输提供多方向转向的装置。
本发明提供的多方向带电粒子束流转向装置,其结构如图 1、图2所示,包括:真空连接窗口、矫正电极、圆柱形偏转电极、陶瓷支撑件、高压真空穿通件、高压电源、真空腔室、真空规管、涡轮分子泵;其中:
所述真空腔室,把矫正电极和圆柱形偏转电极等装置隔离于大气环境,该真空腔室为一体式设计,为正八面体;该真空腔室整体真空漏率为1E-7Pa.L/S;
所述真空连接窗口,共有八组,均匀集成分布于所述真空腔室外侧;该真空连接窗口采用刀口密封方式密封真空,密封介质为无氧铜圈;该真空连接窗口可用于连接带电粒子束流产生装置、带电粒子束流传输装置、带电粒子束流的测量装置和带电粒子束流应用终端等;
所述矫正电极,共有八组,同轴安装于八组真空连接窗口后,并伸入到圆柱形偏转电极束流偏转区域;带电粒子束流经过矫正电极矫正束流路径后进出圆柱形偏转电极区;
所述圆柱形偏转电极,共有八组,均匀分布在所述真空腔室内,并且每两组圆柱形偏转电极对称分布于一组矫正电极两侧;每组圆柱形偏转电极被所述绝缘陶瓷支撑件支撑在真空腔室底部,每组圆柱形偏转电极通过所述高压真空穿通件连接于高压电源;
所述陶瓷支撑件,共有八组,分别把八组圆柱形偏转电极支撑在真空腔室底部;
所述高压真空穿通件,共有八组,分别连接着八组圆柱形偏转电极,起到电位真空连接的功能;
所述高压电源,为商业通用产品,可提供八路直流稳压电源给八组圆柱形偏转电极,所供电压调节范围为0至10kV;
所述真空规管,为商业通用产品,用于测量整体装置的真空状态。
本发明中,所述涡轮分子泵,为商业通用产品,用于产生整个装置工作的高真空条件,整个装置的真空性能优于1E-6Pa。
本发明中,所述矫正电极共有八组,其物理结构为空心圆筒形状,电极的内外径大小、整体长度和伸入到圆柱形偏转电极束流偏转区域的位置经过了束流光学模拟设计。该矫正电极可以矫正通过真空连接窗口后的带电粒子束流的运行轨迹,让该运动轨迹切入到两组圆柱形偏转电极之间,让束流在未进入束流偏转区域之前不受偏转电极的影响,提高了偏转电极的工作效率。
本发明中,所述圆柱形偏转电极共有八组,均匀分布在真空腔室内,并且每两组圆柱形偏转电极对称分布于一组矫正电极两侧。该束流偏转电极物理结构为圆柱形,区别于平行板和 弧形束流偏转系统。该圆柱形偏转电极的外径和高度是经过束流光学模拟设计,适用于0.5至10qkeV 能量范围的粒子束流偏转,q为带电粒子价态。通过对八组圆柱形偏转电极施加不同组合的直流电压,可以让不同能量的带电粒子束流实现0度、45度、90度、-45度和-90度五个方向的偏转。
本发明中,所述的带电粒子束流转向装置可对具有0.5至10qkeV能量范围带电粒子束流实现0度、45度、90度、-45度和-90度五个方向的转向,q为带电粒子价态。
本发明装置的核心为采用八组圆柱形偏转电极,并配合八组特定结构和安装位置的矫正电极,可对带电粒子束流实现五个方向的转向。
本发明装置具有以下几个方面的特点和优势:
一、在带电粒子束流转向装置中首次采用圆柱形偏转电极的结构,增加结构加工的简单性,易于提高机械加工精度;
二、在带电粒子束流转向装置中首次采用空心圆筒矫正电极的结构,其优化后的结构和安装位置,让束流在未进入束流偏转区域之前不受偏转电极的影响,提高了偏转电极的工作效率;
三、本发明装置内部结构采用对称化和均布化设计,增加结构加工的简单性,易于提高机械加工精度;
四、真空腔室采用一体化设计,为正八面体,增加结构加工的简单性,易于提高机械加工精度;
五,带电粒子可以八个真空连接窗口中的任意一个窗口进出该装置,增加装置使用上的便利性;
六、对带电粒子束流提供达五个方向的转向选择,增加带电粒子束流的使用效率。
本发明提供的多方向带电粒子束流转向装置,可实现在带电粒子应用系统中的粒子束流转向和分束等功能,因此可用于如回旋粒子加速器系统中端的束流转向装置、直线粒子加速器系统中端的分束装置和粒子医疗装置中端的束流传输装置等。
附图说明
图1为本发明多方向带电粒子束流转向装置示意图。
图2为本发明多方向带电粒子束流转向装置示意图。
图3为平行板电极电场粒子束流转向器的工作原理示意图。
图4为弧形偏转电极组成的电场粒子束流四极偏转器的工作原理示意图。
图5为6keV的正离子束流实现0度转向示意图。
图6为6keV的正离子束流实现45度转向示意图。
图7为6keV的正离子束流实现90度转向示意图。
图8为6keV的正离子束流实现-45度转向示意图。
图9为6keV的正离子束流实现-90度转向示意图。
其中标号:A为真空连接窗口,B为矫正电极,C为圆柱形偏转电极,D为陶瓷支撑件,E为高压真空穿通件,F为高压电源,G为真空腔室,H为真空规管,I为涡轮分子泵。字母后的数字代表同一结构部件的编组序号。
具体实施方式
本发明建立的带电粒子束流转向装置,其结构如图 1、图2,包括:真空连接窗口、矫正电极、圆柱形偏转电极、陶瓷支撑件、高压真空穿通件、高压电源、真空腔室、真空规管、涡轮分子泵。
本发明建立带电粒子束流转向装置后,例如选择真空连接窗口A1连接带电粒子源,其余各真空连接窗口根据实际需要连接各个带电粒子束流探测和应用终端。依次启动维持真空条件的涡轮分子泵,和监控真空性能的真空规管,待系统真空达到1E-5Pa,本发明装置可以开始工作。
下述以能量为6keV的正离子束流为例,通过本发明的带电粒子束流转向装置,让该带电粒子束流依次实现0度、45度、90度、-45度和-90度五个方向的转向。
0度转向时:如图5所示,能量为6keV的正离子束流从真空连接窗口A1入射带电粒子束流转向装置,经过矫正电极B1矫正路径,进入圆柱形偏转电极束流偏转区偏转0度,经过矫正电极B5再次矫正路径,最后从真空连接窗口A5离开带电粒子束流转向装置,实现0度转向。此时,本发明的带电粒子束流转向装置内部各圆柱形偏转电极由高压电源提供电压电位如下:真空腔室及八组矫正电极接地,电位为0V;圆柱形偏转电极C1电位为0V;圆柱形偏转电极C2电位为0V;圆柱形偏转电极C3电位为0V;圆柱形偏转电极C4电位为0V;圆柱形偏转电极C5电位为0V;圆柱形偏转电极C6电位为0V;圆柱形偏转电极C7电位为0V;圆柱形偏转电极C8电位为0V。
45度转向时:如图6所示,能量为6keV的正离子束流从真空连接窗口A1入射带电粒子束流转向装置,经过矫正电极B1矫正路径,进入圆柱形偏转电极束流偏转区偏转45度,经过矫正电极B6再次矫正路径,最后从真空连接窗口A6离开带电粒子束流转向装置,实现45度转向。此时,本发明的带电粒子束流转向装置内部各圆柱形偏转电极由高压电源提供电压电位如下:真空腔室及八组矫正电极接地,电位为0V;圆柱形偏转电极C1电位为1350V;圆柱形偏转电极C2电位为1850V;圆柱形偏转电极C3电位为2350V;圆柱形偏转电极C4电位为1850V;圆柱形偏转电极C5电位为1350V;圆柱形偏转电极C6电位为-1350V;圆柱形偏转电极C7电位为-1850V;圆柱形偏转电极C8电位为-1350V。
90度转向时:如图7所示,能量为6keV的正离子束流从真空连接窗口A1入射带电粒子束流转向装置,经过矫正电极B1矫正路径,进入圆柱形偏转电极束流偏转区偏转90度,经过矫正电极B7再次矫正路径,最后从真空连接窗口A7离开带电粒子束流转向装置,实现90度转向。此时,本发明的带电粒子束流转向装置内部各圆柱形偏转电极由高压电源提供电压电位如下:真空腔室及八组矫正电极接地,电位为0V;圆柱形偏转电极C1电位为3100V;圆柱形偏转电极C2电位为4100V;圆柱形偏转电极C3电位为5100V;圆柱形偏转电极C4电位为5100V;圆柱形偏转电极C5电位为4100V;圆柱形偏转电极C6电位为3100V;圆柱形偏转电极C7电位为-3100V;圆柱形偏转电极C8电位为-3100V。
-45度转向时:如图8所示,能量为6keV的正离子束流从真空连接窗口A1入射带电粒子束流转向装置,经过矫正电极B1矫正路径,进入圆柱形偏转电极束流偏转区偏转-45度,经过矫正电极B5再次矫正路径,最后从真空连接窗口A4离开带电粒子束流转向装置,实现-45度转向。此时,本发明的带电粒子束流转向装置内部各圆柱形偏转电极由高压电源提供电压电位如下:真空腔室及八组矫正电极接地,电位为0V;圆柱形偏转电极C1电位为-1350V;圆柱形偏转电极C2电位为-1850V;圆柱形偏转电极C3电位为-1350V;圆柱形偏转电极C4电位为1350V;圆柱形偏转电极C5电位为1850V;圆柱形偏转电极C6电位为2350V;圆柱形偏转电极C7电位为1850V;圆柱形偏转电极C8电位为1350V。
-90度转向时:如图9所示,能量为6keV的正离子束流从真空连接窗口A1入射带电粒子束流转向装置,经过矫正电极B1矫正路径,进入圆柱形偏转电极束流偏转区偏转-90度,经过矫正电极B3再次矫正路径,最后从真空连接窗口A3离开带电粒子束流转向装置,实现-90度转向。此时,本发明的带电粒子束流转向装置内部各圆柱形偏转电极由高压电源提供电压电位如下:真空腔室及八组矫正电极接地,电位为0V;圆柱形偏转电极C1电位为-3100V;圆柱形偏转电极C2电位为-3100V;圆柱形偏转电极C3电位为3100V;圆柱形偏转电极C4电位为4100V;圆柱形偏转电极C5电位为5100V;圆柱形偏转电极C6电位为5100V;圆柱形偏转电极C7电位为4100V;圆柱形偏转电极C8电位为3100V。
Claims (4)
1.一种带电粒子束流转向装置,其特征在于,包括:真空连接窗口、矫正电极、圆柱形偏转电极、陶瓷支撑件、高压真空穿通件、高压电源、真空腔室、真空规管、涡轮分子泵;其中:
所述真空腔室,把所述矫正电极和圆柱形偏转电极等隔离于大气环境,该真空腔室为一体式设计,为正八面体;
所述真空连接窗口,共有八组,均匀分布于所述真空腔室外侧;该真空连接窗口采用刀口密封方式密封真空,密封介质为无氧铜圈;
所述矫正电极,共有八组,同轴安装于八组真空连接窗口后,并伸入到圆柱形偏转电极束流偏转区域;带电粒子束流经过矫正电极矫正束流路径后进出圆柱形偏转电极区;
所述圆柱形偏转电极,共有八组,均匀分布在所述真空腔室内,并且每两组圆柱形偏转电极对称分布于一组矫正电极两侧;每组圆柱形偏转电极被所述绝缘陶瓷支撑件支撑在真空腔室底部,每组圆柱形偏转电极通过所述高压真空穿通件连接于高压电源;
所述陶瓷支撑件,共有八组,分别把八组圆柱形偏转电极支撑在真空腔室底部;
所述高压真空穿通件,共有八组,分别连接着八组圆柱形偏转电极,起到电位真空连接的作用;
所述高压电源,可提供八路直流稳压电源给八组圆柱形偏转电极,所供电压调节范围为0至10kV;
所述真空规管,用于测量整体装置的真空状态;
所述涡轮分子泵,用于产生整个装置工作的高真空条件。
2.根据权利要求1所述的带电粒子束流转向装置,其特征在于,所述矫正电极的物理结构为空心圆筒形状,电极的内外径大小、整体长度和伸入到圆柱形偏转电极束流偏转区域的位置经过了束流光学模拟设计;该矫正电极可以矫正通过真空连接窗口后的带电粒子束流的运行轨迹,使该运动轨迹切入到两组圆柱形偏转电极之间,让束流在未进入束流偏转区域之前不受偏转电极的影响,以提高偏转电极的工作效率。
3. 根据权利要求1所述的带电粒子束流转向装置,其特征在于,所述圆柱形偏转电极的外径和高度经过束流光学模拟设计,适用于0.5至10qkeV 能量范围的粒子束流偏转,q为带电粒子价态;通过对八组圆柱形偏转电极施加不同组合的直流电压,可以让不同能量的带电粒子束流实现0度、45度、90度、-45度和-90度五个方向的偏转。
4.根据权利要求1-3之一所述的带电粒子束流转向装置,其特征在于,所述真空连接窗口用于连接带电粒子束流产生装置、带电粒子束流传输装置、带电粒子束流的测量装置或带电粒子束流应用终端。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200214 |
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