CN111385958A - 一种新型弧形斜边静电偏转板及粒子加速器斩波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型弧形斜边静电偏转板及粒子加速器斩波器，静电偏转板包括正电极板和负电极板，正电极板和负电极板均为圆弧形结构，且两者开口相对布置，正电极板和负电极板的圆弧形结构沿入射粒子束流运动的正交方向布置，电极板的圆弧度数为84°‑124°，且两电极板的圆弧度数相同，圆弧形的正电极板和负电极板均以入射粒子束流的出口处为旋转中心相对水平面且均朝向远离粒子束流运动空间方向旋转0.5°至2.5°形成弧形斜边偏转板结构，且两电极板的旋转角度相同，粒子束流通过加电的弧形斜边偏转板结构形成的电场后，在出口处粒子束流的偏转角不小于10°。本发明在相同横向尺寸及中心出口尺寸条件下，提高了粒子束的偏转效果。

Description

一种新型弧形斜边静电偏转板及粒子加速器斩波器

技术领域

本发明属于粒子加速器领域，尤其是涉及一种新型弧形斜边静电偏转板及粒子加速器斩波器。

背景技术

斩波器是粒子加速器的重要组成之一。斩波器这个概念一般指电路领域用于调节限制电信号幅度的电路结构；而加速器领域的斩波器指的是使带电粒子束流发生偏转的电学装置，以实现束流截断的作用。斩波器通常由一对静电偏转板，电源以及控制系统组成。静电偏转板的作用是提供偏转电压，当斩波器不工作时，偏转电压为零，带电粒子束可直接通过斩波器进入下一级结构。斩波器工作时，带电粒子束在库伦力的作用下发生偏转，导致带电粒子束流的运动轨迹发生变化，直接打在静电偏转板上或损失于下一级中。这种情况下，带电粒子束流被完全截断。斩波器持续处于停止状态，束流将连续通过，这种状态称为连续模式；斩波器按照特定时间周期处于工作——停止状态时，束流将周期性出现，称为脉冲模式。斩波器是实现束流连续模式及脉冲模式之间切换的核心器件。

为实现更好的斩波效果，斩波器的电场强度应尽量大，这就要求斩波器的静电偏转板之间的偏转电压应尽量大，静电偏转板长度尽量长，静电偏转板间距应尽量小。但偏转电压过大则电源设计难度将大幅上升，偏转板尺寸增加则不利于加速器的小型化，静电偏转板间距过小则容易影响束流的正常通过。如何在上述因素基本固定的条件下实现尽可能高的电场强度是斩波器设计的核心目标之一。为实现这一目标，需要改变偏转板的几何结构，目前常见的偏转板几何结构主要有直边结构及斜边结构，如图1所示。斜边结构与直边结构相比，可提供更大的电场强度。两种结构极板之间的电压差固定为4.8kV，横向尺寸固定为5cm，直边结构极板间距为3cm，斜边结构出口处极板间距为2.54cm，然而在脉冲占空比过低时，对斩波器电场强度的要求将大幅提升。当斩波器横向尺寸为5cm，中心出口尺寸不超过2.54cm时，在低占空比条件下，需要求束流偏转角超过10度，才能使得斩波器产生有效的偏转，实现截断的效果。而斜边斩波器在此条件下只能产生9度左右的偏转，难以满足设计需求。

因此有必要设计一种可在相同横向尺寸及中心出口尺寸条件下实现更高的电场强度且解决低占空比条件下现有设计方案电场强度无法满足设计要求的问题的静电偏转板。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种新型弧形斜边静电偏转板及粒子加速器斩波器，在相同横向尺寸及中心出口尺寸条件下，使得靠近极板边缘处的电场大幅增强，提高了粒子束的偏转效果，为斩波器的设计工作提供了新的方向。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种新型弧形斜边静电偏转板，包括正电极板和负电极板，所述的正电极板和负电极板均为圆弧形结构，且两者开口相对布置，所述正电极板和负电极板的圆弧形结构沿入射粒子束流运动的正交方向布置，正电极板和负电极板的圆弧度数为84°-124°，且正电极板和负电极板的圆弧度数相同，圆弧形的正电极板和负电极板均以入射粒子束流的出口处为旋转中心相对水平面且均朝向远离粒子束流运动空间方向旋转0.5°至2.5°形成弧形斜边偏转板结构，且正电极板和负电极板的旋转角度相同，粒子束流通过加电的弧形斜边偏转板结构形成的电场后，在出口处粒子束流的偏转角不小于10°。

进一步的，电极板的厚度为1mm，电极板的长度均为50mm。

进一步的，电极板的半径为28.94mm，角度为84°，旋转角度为2.5°。

进一步的，电极板的材质为无氧铜。

进一步的，正电极板和负电极板形成的出口尺寸宽度不超过2.54cm。

进一步的，电极板表面光滑无毛刺。

一种粒子加速器斩波器，包括功率源和弧形斜边静电偏转板，所述的功率源包括控制器和放大器，控制器输出的低压信号通过连接线与放大器输入端相连，放大器输出端引出的两路高压信号通过同轴线或双绞线与弧形斜边静电偏转板上面的双绞线接口或同轴线接口相连。

相对于现有技术，本发明所述的一种新型弧形斜边静电偏转板及粒子加速器斩波器具有以下优势：

本发明的新型弧形斜边静电偏转板，弧形弯曲主要出现在极板边缘附近。根据偏转板基本原理，这一改变使得靠近极板边缘处的电场大幅增强，从而提高了偏转板的偏转效果。

相比于传统设计主要考虑粒子传播方向(即图1(b)中x轴方向)以及两个极板中心连线方向(即图1(b)中y轴方向)，这两个方向上偏转板结构的变化，而并没有考虑沿偏转板短边方向(即图1(b)中x轴方向与y轴方向均正交的方向)上的结构变化对偏转板性能的影响，本发明从这一盲点出发，从新的角度给出了新型小型化高场强加速器斩波器的设计思路。本发明所提及的设计可在传统设计的基础上进一步提高粒子束的偏转效果，为斩波器的设计工作提供了新的方向。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有两种不同形式静电偏转板的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的一种新型弧形斜边静电偏转板的侧视图；

图3为本发明实施例所述的一种新型弧形斜边静电偏转板的正视图；

图4为包含弧形斜边静电偏转板的粒子加速器斩波器的结构示意图；

图5为S⁺离子在基于现有两种偏转板的斩波器及基于本发明实施例所述的新型弧形斜边静电偏转板的斩波器中运动时的偏转角度对比图；

图6为不同的偏转板圆弧度数下粒子束偏转角度变化图；

图7为不同的偏转板倾斜角度下粒子束偏转角度变化图。

附图标记说明：

1-正电极板，2-负电极板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

由于斩波器的作用是使粒子偏转后直接打在斩波器的偏转板上；或使粒子发生一定角度的偏转后，虽可以继续运动至下一级设备，但运动状态已经发生改变，导致粒子束流难以继续加速，最终打在下一级设备的管壁上，这两种情况都可以实现粒子束流的截断效果。在低占空比条件下，想实现上述效果，需要求斩波器产生的束流偏转的角度至少超过10度，而小于10度则难以产生有效的偏转无法在斩波器内部或下级设备中实现截断效果。

如图2-图3所示，一种新型弧形斜边粒子加速器斩波器的静电偏转板，包括正电极板1和负电极板2，所述的正电极板1和负电极板2均为圆弧形结构，且两者开口相对布置，所述正电极板1和负电极板2的圆弧形结构沿入射粒子束流运动的正交方向布置，正电极板1和负电极板2的圆弧度数为84°-124°，且正电极板1和负电极板2的圆弧度数相同，圆弧形的正电极板1和负电极板2均以入射粒子束流的出口处为旋转中心相对水平面且均朝向远离粒子束流运动空间方向旋转0.5°至2.5°形成弧形斜边偏转板结构，且正电极板1和负电极板2的旋转角度相同，粒子束流通过加电的弧形斜边偏转板结构形成的电场后，在出口处粒子束流的偏转角不小于10°。

具体尺寸可以为：电极板的厚度为1mm，电极板的长度均为50mm。电极板的半径为28.94mm，角度为84°，旋转角度为2.5°。弧形斜边偏转板结构出口尺寸宽度不超过2.54cm。

弧形斜边静电偏转板结构用在粒子加速器的斩波器中，如图4所示，粒子加速器斩波器由两部分组成，第一部分是功率源，功率源又分为控制器和放大器。其中控制器负责产生指定占空比的两路电压分别为±2.4V的低压信号。放大器的作用是对低压信号进行放大，两路低压电信号经过放大器放大为±2400V的两路高压信号。

控制器输出的低压信号通过连接线(导线)与放大器输入端相连，放大器输出端引出的两路高压信号通过同轴线或双绞线与斩波器偏转板上面的双绞线接口或同轴线接口相连，偏转板借助支撑板及紧固件，固定于加速器前一级结构的出口，加速器前一级结构的出口与两块支撑板及紧固件相连，支撑板及紧固件在偏转板较宽侧的开口处(图3左侧)，分别与上下偏转板相连。

本发明的工作原理及工作过程：当斩波器不通电时，偏转板对束流不产生任何影响，束流可以直接通过偏转板。当斩波器通电时，偏转板两极板之间产生一个强电场。此时通过偏转板的带电粒子束流将受到库仑力的作用，其运动轨迹在库仑力的作用下朝着偏转板偏移。偏移将产生两种结果：第一，束流偏转角度过大，直接打在极板上；第二，束流偏转角度有限，没有打在极板上，直接进入下一结构，但由于轨迹偏转很快会损耗在下级结构中，无法继续传输。这两种情况都可以导致束流消失。通过改变不通电与通电的时间占比，就可以将连续的束流变为时有时无的，离散的束流，称为脉冲束流。

图5所示为斩波器长度一致(50mm)，极板间电压为4.8kV，出口宽度不小于2.54cm时，S+离子分别通过直边斩波器，斜边斩波器及本发明所提出的弧形斜边斩波器时偏转角度的变化情况。设计要求在出口处(x＝50mm)，偏转角度大于10°(y轴数值超过10)。从图中可见，在出口处直边斩波器可使S+离子束产生7.6度偏转，斜边斩波器可产生9.1度偏转，本发明提出的弧形斜边斩波器可产生10.1度偏转。本发明提出的弧形斜边斩波器达到了10度偏转要求，相比于直边斩波器在性能(偏转角度)上有33％的提升，与斜边斩波器相比有11％的提升。

如图6及图7所示，在不同的偏转板圆弧度数以及不同的偏转板倾斜角度下，粒子束流在斩波器偏转板之间运动时的偏转角随运动距离的变化规律，可以看出当偏转板圆弧度数在84°至124°之间变化，偏转板相对水平面的倾斜角度在0.5°至2.5°之间变化时均可满足设计要求，即实现粒子束流10°以上的偏转。

本发明在yoz平面内进行了圆弧弯折操作，这一改动减小了两个极板之间的距离(尤其是边缘处)，从而显著提高了极板之间的电场强度，进而提高了偏转能力。另一方面，这一改动不会对粒子束流运动造成影响，原因在粒子沿x轴运动，粒子的束流包络截面近似为圆形，圆弧弯折后的偏转板只会与束流相切，而不会与之相交。因此本发明可以在不改变粒子运动轨迹的前提下，提高斩波器的偏转能力。

本发明所需的控制器可利用DSP或FPGA实现，放大器部分可通过购买货架产品获取，为减小信号失真，连接线应选用双绞线或同轴线。偏转板材料为无氧铜，通过焊接或螺丝紧固在放大器前级设备出口处。为减小打火风险，偏转板加工时表面应避免出现毛刺。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型弧形斜边静电偏转板，其特征在于：包括正电极板(1)和负电极板(2)，所述的正电极板(1)和负电极板(2)均为圆弧形结构，且两者开口相对布置，所述正电极板(1)和负电极板(2)的圆弧形结构沿入射粒子束流运动的正交方向布置，正电极板(1)和负电极板(2)的圆弧度数为84°-124°，且正电极板(1)和负电极板(2)的圆弧度数相同，圆弧形的正电极板(1)和负电极板(2)均以入射粒子束流的出口处为旋转中心相对水平面且均朝向远离粒子束流运动空间方向旋转0.5°至2.5°形成弧形斜边偏转板结构，且正电极板(1)和负电极板(2)的旋转角度相同，粒子束流通过加电的弧形斜边偏转板结构形成的电场后，在出口处粒子束流的偏转角不小于10°。

2.根据权利要求1所述的一种新型弧形斜边静电偏转板，其特征在于：电极板的厚度为1mm，电极板的长度均为50mm。

3.根据权利要求2所述的一种新型弧形斜边静电偏转板，其特征在于：电极板的半径为28.94mm，角度为84°，旋转角度为2.5°。

4.根据权利要求1所述的一种新型弧形斜边静电偏转板，其特征在于：电极板的材质为无氧铜。

5.根据权利要求3所述的一种新型弧形斜边静电偏转板，其特征在于：弧形斜边偏转板结构出口尺寸宽度不超过2.54cm。

6.根据权利要求1所述的一种新型弧形斜边静电偏转板，其特征在于：电极板表面光滑无毛刺。

7.一种粒子加速器斩波器，其特征在于：包括功率源和根据权利要求1-6中任一项所述的弧形斜边静电偏转板，所述的功率源包括控制器和放大器，控制器输出的低压信号通过连接线与放大器输入端相连，放大器输出端引出的两路高压信号通过同轴线或双绞线与弧形斜边静电偏转板上的双绞线接口或同轴线接口相连。

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