CN111885809A - 一种宽能大束斑电子加速器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽能大束斑电子加速器，包括水平光路和垂直光路，所述水平光路包括依次设置的直线加速器、薄碳靶、螺线管、准直器、α磁铁，直线加速器发射的电子束轰击薄碳靶以降低电子能量，随后束流经螺线管聚焦和准直器准直进入α磁铁，α磁铁将束流进行90°偏转进入垂直光路；所述垂直光路包括依次设置的导向磁铁、3个四极磁铁、扫描磁铁，在后两个四极磁铁之间设置一个六极磁铁。本发明采用电子直线加速器结合薄碳靶的方案，可以获得很大的电子能量调节范围，通过采用一维扩束加一维扫描的束斑扩大方案，可以在有限的束流传输空间内获得很大的束斑，同时束斑的时间结构好，束斑密度更均匀。

Description

一种宽能大束斑电子加速器
技术领域
本发明涉及加速器技术领域，具体涉及一种宽能大束斑电子加速器。
背景技术
电子加速器在科研、国防、医疗、工农业生产等领域有广泛应用。在某些应用领域需要输出的电子能量能够大范围调节。采用静电高压型的电子加速器的调节范围比较大，但是其高压电源和加速管的体积很大，有些应用场合难以安装，同时，静电高压型加速器输出的电子能量有限。
为了获得较高的电子能量，一般采用电子直线加速器。然而，直线加速器输出的电子能量大范围调节存在很大困难。
电子加速器输出的电子束束斑一般为mm量级，一般很难直接利用，需要将束斑扩大，同时大束斑的电子束可以提高利用效率。束斑扩大的方式一般通过扫描磁铁将束流周期性扫描开，使束斑连续的铺满整个平面，或者通过四极磁铁散聚焦，将束流重新分布到所需的面积。采用扫描磁铁的优点是束斑可以很容易地扩大，但存在脉冲时间结构不好的问题。采用四极磁铁直接扩束，可以解决脉冲时间结构的问题，但如果加速器安装空间有限，则存在二维束斑扩大困难和束流损失过大等问题。此外，电子直线加速器输出的电子束能散较大，需要通过偏转磁铁选能，但选能后的电子束斑密度分布在偏转方向上发生畸变，不利于束斑均匀化。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种宽能大束斑电子加速器，从而在有限的束流传输空间内获得很大的束斑，且电子能量调节范围更大，束斑更均匀。
本发明的技术方案如下：一种宽能大束斑电子加速器，包括水平光路和垂直光路，所述水平光路包括依次设置的直线加速器、薄碳靶、螺线管、准直器、α磁铁，直线加速器发射的电子束轰击薄碳靶以降低电子能量，随后束流经螺线管聚焦和准直器准直进入α磁铁，α磁铁将束流进行90°偏转进入垂直光路；所述垂直光路包括对束流进行束斑扩大和均匀化操作的磁铁组合，垂直光路的末端连接实验仓。
进一步，如上所述的宽能大束斑电子加速器，其中，所述直线加速器的电子枪流强可调整，并且薄碳靶的厚度可根据需要进行调整，厚度调节范围一般为0.5-2mm；在不需要用到薄碳靶调节电子束能量时，薄碳靶设置在偏离束流中心线位置，当需要获得更低能量电子束时，将薄碳靶运动到束流中心线位置。
进一步，如上所述的宽能大束斑电子加速器，其中，通过调整所述α磁铁的励磁磁场输出准单能的电子束，所述α磁铁使得偏转前后的束斑分布类型保持一致。
进一步，如上所述的宽能大束斑电子加速器，其中，所述垂直光路包括依次设置的导向磁铁、3个四极磁铁、扫描磁铁，在后两个四极磁铁之间设置一个六极磁铁。
进一步，如上所述的宽能大束斑电子加速器，其中，所述四极磁铁用于束流包络的控制，六极磁铁用于束流均匀化操作，在六极磁铁处X方向的束流包络越小越好，Y方向的束流包络要小于150mm。
进一步，如上所述的宽能大束斑电子加速器，其中，最后一个四极磁铁用于束流在Y方向的扩束，扫描磁铁用于束流在X方向的扩束。
进一步，如上所述的宽能大束斑电子加速器，其中，水平光路和垂直光路的长度均不超过2米。
本发明的有益效果如下：本发明采用电子直线加速器结合薄碳靶的方案，通过电子束轰击可调节厚度的薄碳靶来降低电子能量，可以在有限的加速器安装空间内获得很大的电子能量调节范围；通过采用α磁铁，可以使得大角度偏转前后的束斑分布类型不发生变化，有利于束斑均匀化；通过采用在一个方向扩束，在另一个方向扫描的束斑扩大方案，可以在有限的束流传输空间内获得很大的束斑，同时束斑的时间结构好，束斑密度均匀性好；通过将聚焦六极磁铁置于最后两个四极磁铁之间，可以获得更好的束斑均匀化效果，并且电子损失更小。按照本发明的技术方案设计的整个加速器的安装空间很小，适用于空间有限的应用场合。
附图说明
图1为本发明实施例中宽能大束斑电子加速器的结构示意图；
图2为本发明实施例中聚焦六极磁铁的结构示意图；
图3为本发明实施例中宽能大束斑电子加速器的束流包络示意图；
图4为本发明实施例中宽能大束斑电子加速器的光路末端相图；
图5为常规偏转磁铁大角度偏转束流在偏转方向的相图；
图6为本发明实施例中α磁铁大角度偏转束流在偏转方向的相图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提供的宽能大束斑电子加速器的结构如图1所示，主要包括水平光路和垂直光路两部分。水平光路依次由电子直线加速器1、薄碳靶2、螺线管3、准直器4、α磁铁5组成，垂直光路由导向磁铁6、3个四极磁铁7、聚焦六极磁铁8、扫描磁铁9和实验仓10组成。水平光路的直线加速器发射的电子束轰击薄碳靶以降低电子能量，随后束流经螺线管聚焦和准直器准直进入α磁铁，α磁铁将束流进行90°偏转进入垂直光路；垂直光路的磁铁组合对束流进行束斑扩大和均匀化操作。
电子直线加速器1的电子枪流强可以大范围调整，同时输入加速管的微波能量也可以大范围调整，使得输出的电子能量的调整范围可达2-5MeV，此时薄碳靶2偏离束流中心线而不工作。如果要获得更低能量的电子，需要将薄碳靶2运动到束流中心线，用2MeV电子束轰击薄碳靶2，来降低电子能量。本发明首先利用电子束的束流负载效应的变化来调整电子能量，但其调节范围有限，一般为±30％左右。再将直线加速器输出的电子束轰击可调节厚度的薄碳靶，碳靶厚度调节范围一般为0.5-2mm，从不同厚度的薄碳靶出射的电子能量不同，从而可以获得所需要的大范围能量变化的电子束。
从薄碳靶出射的电子束有很大的能散，需要螺线管3对束流进行聚焦俘获，再经过准直器4的束流准直。经过螺线管3的聚焦和准直器4准直后进入α磁铁5，调整α磁铁5的励磁磁场可以输出准单能的电子束，电子束能量最低可到0.2MeV左右。因此，通过水平光路可获得的电子束能量范围为0.2-5MeV。
由于常规的二极偏转磁铁会对大角度偏转后的束流产生畸变，例如，从椭圆形的电子相空间分布畸变为不规则的粒子分布,如图5所示。这种畸变在后续的光路传输过程中不可能调整回原形状的电子分布，这对电子束斑密度分布的均匀性有不利影响。本发明采用α磁铁作为偏转磁铁，可以使得大角度偏转(如偏转90°)前后的束斑分布类型不发生变化，例如，偏转前后的束斑都是高斯分布,如图6所示。
垂直光路主要进行束斑扩大和束斑密度均匀化的处理，包括依次设置的导向磁铁6、3个四极磁铁7、扫描磁铁9，在后两个四极磁铁之间设置一个聚焦六极磁铁8。导向磁铁6用于矫正机械安装误差。四极磁铁7用于束流包络的控制和最后的束斑的扩大。采用四极磁铁扩束后的束斑一般为高斯分布，为了获得均匀的束斑分布，本发明采用聚焦六极磁铁，其结构如图2所示，图中仅表现了聚焦六极磁铁的一半结构，另一半关于X轴上下对称。为了获得更好的束斑均匀化效果，同时减小大束流包络的电子损失，在光路的安排上，需要将聚焦六极磁铁置于最后两个四极磁铁之间。四极磁铁在进行束流包络的控制时，要求X方向的束流包络在聚焦六极磁铁8处越小越好，Y方向的束流包络在聚焦六极磁铁8处要小于150mm，如图3所示的包络图，从而有利于聚焦六极磁铁8进行束流均匀化操作。在光路末端相图如图4所示，X方向的束流包络很小，半高宽约50mm，而Y方向的束流包络很大，为400mm，同时Y方向的束斑密度均匀性好于10％，即光路只在Y方向进行了扩束与均匀化操作。
在X方向的扩束与均匀化操作是通过扫描磁铁9进行的，其工作原理和效果与其它扫描磁铁的均匀化操作是相同的。
垂直光路从α磁铁5到扫描磁铁9的长度不超过2米，水平光路的长度也不超过2米，因此本发明整个加速器的安装空间是很小的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。这样，倘若对本发明的这些变型、用途适应性变化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变型和用途适应性变化在内。
上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种宽能大束斑电子加速器，其特征在于，包括水平光路和垂直光路，所述水平光路包括依次设置的直线加速器(1)、薄碳靶(2)、螺线管(3)、准直器(4)、α磁铁(5)，直线加速器(1)发射的电子束轰击薄碳靶(2)以降低电子能量，随后束流经螺线管(3)聚焦和准直器(4)准直进入α磁铁(5)，α磁铁(5)将束流进行90°偏转进入垂直光路；所述垂直光路包括对束流进行束斑扩大和均匀化操作的磁铁组合，垂直光路的末端连接实验仓(10)。
2.如权利要求1所述的宽能大束斑电子加速器，其特征在于，所述直线加速器(1)的电子枪流强可调整，并且薄碳靶(2)的厚度可根据需要进行调整，厚度调节范围一般为0.5-2mm。
3.如权利要求2所述的宽能大束斑电子加速器，其特征在于，在不需要用到薄碳靶(2)调节电子束能量时，薄碳靶(2)设置在偏离束流中心线位置，当需要获得更低能量电子束时，将薄碳靶(2)运动到束流中心线位置。
4.如权利要求1所述的宽能大束斑电子加速器，其特征在于，通过调整所述α磁铁(5)的励磁磁场输出准单能的电子束，所述α磁铁(5)使得偏转前后的束斑分布类型保持一致。
5.如权利要求1所述的宽能大束斑电子加速器，其特征在于，所述垂直光路包括依次设置的导向磁铁(6)、3个四极磁铁(7)、扫描磁铁(9)，在后两个四极磁铁之间设置一个六极磁铁(8)。
6.如权利要求5所述的宽能大束斑电子加速器，其特征在于，所述四极磁铁用于束流包络的控制，六极磁铁用于束流均匀化操作，在六极磁铁处X方向的束流包络越小越好，Y方向的束流包络要小于150mm。
7.如权利要求5或6所述的宽能大束斑电子加速器，其特征在于，最后一个四极磁铁用于束流在Y方向的扩束，扫描磁铁用于束流在X方向的扩束。
8.如权利要求1所述的宽能大束斑电子加速器，其特征在于，水平光路和垂直光路的长度均不超过2米。
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