CN114158175B - 强流电子直线加速器中的Chicane系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强流电子直线加速器中的Chicane系统，适于对电子束进行刮束处理，所述Chicane系统包括二极磁铁装置和刮束器，所述二极磁铁装置包括依次布置的第一二极磁铁模块、第二二极磁铁模块、第三二极磁铁模块和第四二极磁铁模块，所述电子束依次穿过所述第一二极磁铁模块、第二二极磁铁模块、第三二极磁铁模块和第四二极磁铁模块，所述第一二极磁铁模块、第二二极磁铁模块、第三二极磁铁模块和第四二极磁铁模块可分别形成能够使所述电子束产生预设角度偏转的磁场，所述刮束器用于对所述电子束进行刮束处理；本发明的结构简单、造价低，将该Chicane系统应用在加速器上，能够有效将电子束的横向尺寸、归一化发散度和能散峰峰值控制在预设范围内。

Description

强流电子直线加速器中的Chicane系统
技术领域
本发明涉及核医学技术领域，尤其涉及一种核素制备用强流电子直线加速器。
背景技术
核医学行业面临放射性核素供应短缺的现象愈发严峻，原因在于全球范围内的放射性核素依赖于极少数的研究用反应堆制备。这些研究用反应堆建堆时间久远、维护成本高、年产量低，并且面临废物处置难的安全性问题。除了已关闭的研究用反应堆外，多数计划于2025年前后关闭，将造成永久性减产，导致中游核医学企业原材料采购资源紧张且采购成本上升。国际上加拿大trumpy实验室和日本有相应的电子加速器驱动制备同位素的方案，但国内关于电子加速器驱动制备同位素的技术方案仍然是空白。
另外，现有技术只能提供小于等于10MeV的电子束，能量不够高，没有大于35MeV的强流电子直线加速器，能够用于放射性同位素的制备。现有国内的10MeV量级的电子直线加速器没有Chicane系统，束团的发射度和能散较大，会带来很大的束流损失，对后期的辐射防护提出很高的要求和大的成本。而对强流高功率电子直线加速器而言，束流能量高于10MeV左右以后束流功率沿加速器的损失必须严格控制，否则将大大增加辐射防护系统的设计难度和整个加速器的造价。
发明内容
本发明的目的是提供一种强流电子直线加速器中的Chicane系统，其结构简单、造价低，将该Chicane系统应用在加速器上，能够有效将电子束的横向尺寸、归一化发散度和能散峰峰值控制在预设范围内。
为了实现上有目的，本发明公开了一种强流电子直线加速器中的Chicane系统，适于对电子束进行刮束处理，所述Chicane系统包括二极磁铁装置和刮束器，所述二极磁铁装置包括依次布置的第一二极磁铁模块、第二二极磁铁模块、第三二极磁铁模块和第四二极磁铁模块，所述电子束依次穿过所述第一二极磁铁模块、第二二极磁铁模块、第三二极磁铁模块和第四二极磁铁模块，所述第一二极磁铁模块、第二二极磁铁模块、第三二极磁铁模块和第四二极磁铁模块可分别形成能够使所述电子束产生预设角度偏转的磁场，所述刮束器用于对所述电子束进行刮束处理；所述第一二极磁铁模块和第四二极磁铁模块分别包括扇形二极磁铁，所述第二二极磁铁模块和第三二极磁铁模块分别包括矩形二极磁铁，所述电子束穿过所述第一二极磁铁模块、第二二极磁铁模块、第三二极磁铁模块或第四二极磁铁模块所形成的磁场时的偏转角度均为10°。
与现有技术相比，本发明提供了适于对电子束进行刮束处理的强流电子直线加速器中的Chicane系统，该Chicane系统包括二极磁铁装置和刮束器，二极磁铁装置包括依次布置的第一二极磁铁模块、第二二极磁铁模块、第三二极磁铁模块和第四二极磁铁模块，电子束依次穿过第一二极磁铁模块、第二二极磁铁模块、第三二极磁铁模块和第四二极磁铁模块，第一二极磁铁模块、第二二极磁铁模块、第三二极磁铁模块和第四二极磁铁模块可分别形成能够使电子束产生预设角度偏转的磁场，刮束器用于对电子束进行刮束处理，其结构简单、造价低，将该Chicane系统应用在加速器上，能够有效将电子束的横向尺寸、归一化发散度和能散峰峰值控制在预设范围内。
较佳地，所述刮束器设于所述Chicane系统中具有最大色散的位置。
较佳地，所述刮束器置于所述第二二极磁铁模块和第三二极磁铁模块之间。
较佳地，所述第一二极磁铁模块和第二二极磁铁模块还分别包括第一真空盒，所述第一真空盒呈一体式结构。
较佳地，所述第三二极磁铁模块和第四二极磁铁模块分别包括第二真空盒，所述第二真空盒呈一体式结构。
较佳地，所述电子束穿过所述第一二极磁铁模块所形成的磁场时还能产生沿束流轨道的水平方向的45°偏转。
较佳地，所述Chicane模块还包括真空泵、束流位置探测器以及束流截面靶。
附图说明
图1是本发明的强流电子直线加速器中的Chicane系统的结构示意图；
图2是电子束在强流电子直线加速器中的Chicane系统的入口及出口的相谱、能谱分布以及束斑参数示意图；
图3是利用TRACE3D进行校核计算得到的强流电子直线加速器中的Chicane系统光学特性的参数示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
请参阅图1所示，本实施例的强流电子直线加速器中的Chicane系统适于对电子束进行刮束处理，可以理解的是，本实施例的Chicane系统应用在强流高功率电子直线加速器内，强流高功率电子直线加速器能够形成束流能量高于10MeV的电子束。本实施例的强流电子直线加速器中的Chicane系统用于对束流能量高于10MeV的电子束的功率损失控制在预设范围内，以将电子束的横向尺寸、归一化发散度和能散峰峰值控制在预设范围内。
请参阅图1-图3所示，该Chicane系统包括二极磁铁装置和刮束器5，二极磁铁装置包括依次布置的第一二极磁铁模块1、第二二极磁铁模块2、第三二极磁铁模块3和第四二极磁铁模块4，电子束依次穿过第一二极磁铁模块1、第二二极磁铁模块2、第三二极磁铁模块3和第四二极磁铁模块4，第一二极磁铁模块1、第二二极磁铁模块2、第三二极磁铁模块3和第四二极磁铁模块4可分别形成能够使电子束产生预设角度偏转的磁场，刮束器5用于对电子束进行刮束处理。较佳地，Chicane模块还包括真空泵、束流位置探测器以及束流截面靶。这里的二极磁铁装置、刮束器5、真空泵、束流位置探测器以及束流截面靶共同构成该Chicane系统。
较佳地，第一二极磁铁模块1和第四二极磁铁模块4分别包括扇形二极磁铁。较佳地，第二二极磁铁模块2和第三二极磁铁模块3分别包括矩形二极磁铁。可以理解的是，较佳地，电子束穿过第一二极磁铁模块1、第二二极磁铁模块2、第三二极磁铁模块3或第四二极磁铁模块4所形成的磁场时的偏转角度均为10°。
可以理解的是，为了获得满足要求的束流轨迹同时使模拟计算结果尽可能接近实际，首先在考虑空间电荷效应及实际工程安装空间需求的情况下利用PARMELA开展多粒子跟踪计算，优化二极磁铁装置的偏转角度和边缘角，然后根据多粒子跟踪计算得到的系统布局及设备参数、束流在Chicane系统出口的发射度及光学TWISS参数，利用TRACE3D对Chicane系统的近似消色散光学特性进行校核。最终，经过大量计算和优化，最终设计第一二极磁铁模块1和第四二极磁铁模块4对应的二极磁铁为扇形二极磁铁，第二二极磁铁模块2和第三二极磁铁模块3对应的二极磁铁为矩形二极磁铁，电子束在上述二极磁铁所形成的磁场中的偏转角度均为10°。
较佳地，电子束穿过第一二极磁铁模块1所形成的磁场时还能产生沿束流轨道的水平方向的45°偏转。
可以理解的是，在加速器正常运行时，这上述四个二极磁铁模块均处于将电子束产生在束流轨道在水平方向偏转10°的状态。电子束除在第二二极磁铁模块2的入口和第三二极磁铁模块3出口的边缘角为10°外，在其他各二极磁铁模块的入口或出口处的边缘角均为0°。第一二极磁铁模块1的设计较为特殊，具有2个功能：
1)将电子束偏转10°使其能完成刮束过程；
2)第一二极磁铁模块1还用作能量分析磁铁(AM，AnalyzingMagnet)，此时第一二极磁铁模块1处于将电子束在束流轨道的水平方向产生45°偏转。
较佳地，第一二极磁铁模块1和第二二极磁铁模块2还分别包括第一真空盒，第一真空盒呈一体式结构。相应地，第三二极磁铁模块3和第四二极磁铁模块4分别包括第二真空盒，第二真空盒呈一体式结构。
较佳地，刮束器5设于Chicane系统中具有最大色散的位置。进一步地，较佳地，刮束器5置于第二二极磁铁模块2和第三二极磁铁模块3之间。
可以理解的是，将刮束器5位于Chicane系统中色散最大位置，其主要作用是将能量与同步电子相差较大的电子尽可能在低能段刮除掉，由此不仅可以大大降低杂散电子在Chicane系统下游高能加速段沿途加速至39.8MeV过程中的束流功率损失，还有助于避免过多的高能量杂散电子轰击在第二至第四根加速管上造成过重的水冷负担，更重要的是有利于降低Chicane系统下游加速器中束流崩溃效应对整个加速器出口束流品质的影响，以期将来在39.8MeV获得平均流强高于1mA、平均功率高于39.8kW的电子束流。
图2给出了电子束在Chicane系统入口及出口的相谱、能谱分布以及束斑大小等。可以看到：
1)电子束由电子枪到Chicane系统入口和出口的传输效率分别为8860/10000≈88.6％和7110/10000≈71.1％，到达Chicane系统出口的束流平均流强为0.85A×71.1％≈0.6A；
2)经过Chicane系统后，电子束在纵向和横向上的分布都会变得比较干净，能散也相应减小，约17.5％的杂散电子都会被刮掉并损失在刮束器5及第一二极磁铁模块1入口至刮束器5入口的真空管道上，这部分电子束对应的平均功率约为2kW，所产生热量中的绝大部分将由冷却水带走。
图3给出了利用TRACE3D进行校核计算得到的Chicane系统光学特性计算结果。可以看到：
1)本实施例的Chicane系统在出口处虽然色散不完全等于0，但已经非常接近于0且相对于系统的最大色散值已经很小，满足近似消色散的要求；
2)刮束器5位于色散最大处；
3)电子束穿过Chicane系统后，水平和垂直方向发射度分别增大2％和保持不变，水平和垂直方向束斑分别缩小14％和增大1.8％，束团长度增大约6.5％，均在可接受的范围之内。
结合图1-图3，本发明提供了适于对电子束进行刮束处理的强流电子直线加速器中的Chicane系统，Chicane系统包括二极磁铁装置和刮束器5，二极磁铁装置包括依次布置的第一二极磁铁模块1、第二二极磁铁模块2、第三二极磁铁模块3和第四二极磁铁模块4，电子束依次穿过第一二极磁铁模块1、第二二极磁铁模块2、第三二极磁铁模块3和第四二极磁铁模块4，第一二极磁铁模块1、第二二极磁铁模块2、第三二极磁铁模块3和第四二极磁铁模块4可分别形成能够使电子束产生预设角度偏转的磁场，刮束器5用于对电子束进行刮束处理，其结构简单、造价低，将该Chicane系统应用在加速器上，能够有效将电子束的横向尺寸、归一化发散度和能散峰峰值控制在预设范围内。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种强流电子直线加速器中的Chicane系统，适于对电子束进行刮束处理，其特征在于：所述Chicane系统包括二极磁铁装置和刮束器，所述二极磁铁装置包括依次布置的第一二极磁铁模块、第二二极磁铁模块、第三二极磁铁模块和第四二极磁铁模块，所述电子束依次穿过所述第一二极磁铁模块、第二二极磁铁模块、第三二极磁铁模块和第四二极磁铁模块，所述第一二极磁铁模块、第二二极磁铁模块、第三二极磁铁模块和第四二极磁铁模块可分别形成能够使所述电子束产生预设角度偏转的磁场，所述刮束器用于对所述电子束进行刮束处理；所述第一二极磁铁模块和第四二极磁铁模块分别包括扇形二极磁铁，所述第二二极磁铁模块和第三二极磁铁模块分别包括矩形二极磁铁，所述电子束穿过所述第一二极磁铁模块、第二二极磁铁模块、第三二极磁铁模块或第四二极磁铁模块所形成的磁场时的偏转角度均为10°。
2.如权利要求1所述的强流电子直线加速器中的Chicane系统，其特征在于：所述刮束器设于所述Chicane系统中具有最大色散的位置。
3.如权利要求2所述的强流电子直线加速器中的Chicane系统，其特征在于：所述刮束器置于所述第二二极磁铁模块和第三二极磁铁模块之间。
4.如权利要求1所述的强流电子直线加速器中的Chicane系统，其特征在于：所述第一二极磁铁模块和第二二极磁铁模块还分别包括第一真空盒，所述第一真空盒呈一体式结构。
5.如权利要求1所述的强流电子直线加速器中的Chicane系统，其特征在于：所述第三二极磁铁模块和第四二极磁铁模块分别包括第二真空盒，所述第二真空盒呈一体式结构。
6.如权利要求1所述的强流电子直线加速器中的Chicane系统，其特征在于：所述电子束穿过所述第一二极磁铁模块所形成的磁场时还能产生沿束流轨道的水平方向的45°偏转。
7.如权利要求1所述的强流电子直线加速器中的Chicane系统，其特征在于：所述Chicane模块还包括真空泵、束流位置探测器以及束流截面靶。
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