CN114916118A - 可加速α粒子和H2+粒子的回旋加速器及高增益高精度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可加速𝛼粒子和H2 +粒子的回旋加速器及高增益高精度方法，该加速器包括双ECR离子源系统、基于磁分析器的双束注入线传输系统、主磁铁系统、基于八次谐波的的高频系统、基于偏转板精准控制引出𝛼束流能量的双束引出系统；该高增益方法包括八次谐波腔频率提升了一倍，腔体高度和D板张角分别相比四次谐波高频腔减小了一半，将内杆直径、腔体外半径角宽度、D板厚度做适应性调整；该高精度方法包括设定束流引出点位置；束流调试观察径向靶粒子分布并实时调节偏转板位置；本发明在国际上首次研制一种可加速𝛼粒子和H2 +粒子的回旋加速器，首次实现𝛼粒子和H2 +粒子的双束高亮度合并注入，国内首次紧凑型回旋加速器使用八次谐波高频腔加速。
Description
技术领域
本发明属于回旋加速器领域，具体涉及一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器及高增益高精度方法。
背景技术
多用途、高产额、高能量增益、精准引出能量的加速器在核物理、大众健康、先进能源、国防安全等领域均有重要应用。
现阶段制约多用途、高产额、高能量增益、精准引出能量的加速器的瓶颈问题有：
第一、加速器用途单一。α粒子加速器是专门用于生产诊疗一体化α核素的加速器，典型的核素为211At，211At核素的物理特性决定了它可作为诊疗一体化的良好载体，可将放射免疫显像与α射线靶向治疗有机结合，根据显像剂在肿瘤及全身其它脏器的摄取，决定给药剂量，即实现有效的肿瘤治疗，又确保重要脏器不受损坏。由于α粒子加速器用途单一，α粒子加速器只能生产α粒子而无法满足多样化的同位素生产需求。加速器用途单一的原因是，不同粒子加速器对于加速粒子的高频腔参数要求不同，如果加速器改换生产另外一种粒子加速，则需要重新调整高频腔参数、以及与高频腔配合的磁场参数，而高频腔参数和磁场参数这两块是加速器参数的主要技术参数，调整这两类参数的工作量不亚于重建一台加速器的工作量。正因为实现起来难度太大、工作量太大，所以长期以来，绝大多数的回旋加速器都是用途单一的加速器。
第二、现有四次谐波的高频腔设计很难实现峰值加速。因为高频腔为四次谐波高频腔，四次谐波高频腔要想达到峰值加速，要求高频腔的张角必须为45度，才能使得粒子在分别进入、离开高频间隙时被加速的高频电压为峰值电压。但45度高频腔张角只是理想值，实际加速器磁场谷区的物理空间留给高频腔的张角的空间一定不足45度(加速器设有上下两层八块磁极，每层均匀分布四块磁极，磁极和磁极之间为磁场谷区，上下两层高频腔180度对称安装在磁场谷区内)，留给高频腔的张角的空间不足45度的原因是：磁极张角会大于45度张角：为了满足等时性需要，在每块磁极两侧安装磁极垫补镶条，磁极垫补镶条占据了原本留给高频腔体的空间，致使实际磁场谷区留给高频腔体的张角不足45度。
第三、从离子源注入到加速器的α粒子和H2 +粒子不全为预期的粒子，杂质相对比较多，对于常规的H-离子由于杂质很少，基本不考虑杂质的处理。当α粒子和H2 +粒子共用一套传输系统时，其难点在于，既能兼顾两个离子源分离杂质的需求，还要兼顾工程成本的需求。
第四、粒子在引出点附近的能量不一定是想要的能量。表现在粒子在引出点径向位置不同，径向位置接近大半径其能量就大，越接近小半径其能量就相对小。其在引出点径向位置不同是和初始相位不同有关，不同初始相位的粒子导致在引出的能量不同，
综上，现有技术加速器存在的瓶颈问题有：加速器用途单一、高频腔设计很难实现峰值加速、注入粒子存在杂质、引出点附近的粒子能量不一定是想要的能量。
发明内容
本发明针对现有技术提出的问题，提出一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器及高增益高精度方法，目的在于解决现有技术加速器用途单一、高频腔设计很难实现峰值加速、注入粒子存在杂质、引出点附近的粒子能量不一定是想要的能量的问题。
本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：
一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器，其特征在于：包括双ECR离子源系统1、基于磁分析器的双束注入线传输系统2、主磁铁系统3、基于八次谐波的的高频系统4、基于偏转板精准控制引出α束流能量的双束引出系统5；
所述双束注入线传输系统2布设在双ECR离子源系统1的双粒子引出口和回旋加速器之间；所述主磁铁系统3分上下两层布设在加速器中心平上下两侧,每一侧的主磁铁系统3由周向均匀布设的四块磁极、以及磁极外侧的主磁铁盖板组成，每一层的每块磁极和磁极之间为磁场谷区；所述的基于八次谐波的的高频系统4分上下两层180度对称布设在对应的磁场谷区内；所述双束引出系统5包括分别布设在加速器束流轨迹最外圈的α粒子引出口、以及H2 +粒子引出口；
所述加速α粒子和H2+粒子的回旋加速器，共用一套相同的、包括磁铁参数和高频参数的主要技术参数，实现α粒子和H2+粒子的等时性加速；
所述的双ECR离子源系统1包括α粒子离子源注入系统、以及H2 +粒子源注入系统；所述的双引出系统5包括α粒子引出口、以及H2 +粒子引出口，通过静电偏转方式引出α粒子，通过剥离H2 +方式引出强流质子束；
所述基于磁分析器的双束注入线传输系统2，即是α粒子和H2 +粒子使用同一套传输系统：束流通过双束注入线传输系统2的30度分析磁铁2-2的±30度二极磁铁、分离出归一化发射度0.2πmm mrad的α粒子和H2 +粒子，分离以后的α粒子和H2 +粒子，通过前级螺线管2-1、30度分析磁铁2-2、后级螺线管2-3、x-y导向磁铁2-4、聚束器2-5注入到加速器中心区加速；所述30度分析磁铁2-2用于杂质离子分析器；
所述基于偏转板精准控制引出α束流能量的双束引出系统(5)，在加速器设计阶段，以小相宽注入，通过相位选择器严格限制注入中心区的粒子相宽、以控制引出α粒子的能散并减小引出区的束流损失；在加速器调试阶段，通过上位机控制系统实时调节偏转板位置和电压，通过调节偏转板位置和电压，精确控制束流引出点的位置；
所述基于八次谐波的的高频系统4，在选择同类型的λ/2双间隙同轴腔情况下，频率提升了一倍，腔体高度和D板张角分别相比四次谐波高频腔减小了一半，为解决八次谐波腔实际腔体高度高出预计高度、导致频率增加的问题，围绕降低频率，将内杆直径、腔体外半径角宽度、D板厚度都做了适应性调整。
进一步地，所述能够不调节任何参数，实现α粒子和H2 +粒子的等时性加速，具体为：根据等时性加速原理，粒子的回旋频率为：
其中B为磁场强度，单位为特斯拉，q为粒子电荷数，A为粒子质量数；由于公式(1)中α粒子和H2 +粒子的核质比q/A相同，所以回旋频率f近乎相等，该加速器能够实现不调整磁铁、高频参数的情况下实现α粒子和H2 +粒子的等时性加速。
进一步地，所述分离出归一化发射度0.2πmm mrad的α粒子和H2 +粒子既是：30度分析磁铁2-2根据杂质粒子和非杂质粒子在二级磁铁中的的偏转半径和偏转角度不同，计算出α粒子和H2 +的偏转角度和半径，从而过滤掉非α粒子和H2 +的杂质粒子。
进一步地，所述过滤掉非α粒子和H2 +的杂质粒子，具体为：根据质量分辨率m/Δm，计算α粒子和H2 +粒子在二极偏转磁铁的偏转角度和半径，质量分辨率m/Δm可以表示为：
其中m为所需粒子的质量，Δm为质量偏差，Mx为二极磁铁的传输矩阵，
公式(2)中，Yx为已知的径向放大率，δW/W为已知的束流能散，s1和s2分别为已知的物缝宽和像缝宽，m为已知的所需粒子的质量，Δm为已知的质量偏差、通过上述已知条件计算出传输矩阵Mx，通过传输矩阵Mx可以计算出α粒子和H2 +通过二极偏转磁铁后的运动情况，该运动情况包括偏转半径ρ0和偏转角度θ，从而将不属于该偏转半径ρ0和偏转角度θ的粒子中的杂质过滤掉；所述公式(2)的质量分辨率m/Δm为α粒子和H2 +粒子所共用：取两种粒子中相对高的质量分辨率m/Δm作为共同的质量分辨率m/Δm。
进一步地，α粒子和H2+粒子经过分析系统后，α粒子和H2+粒子进入到双束合并注入线，由于二者使用同一套注入线系统，注入的能量比为2:1，以保证磁刚度一致。
进一步地，所述八次谐波的的高频系统4的腔体高度和D板张角相比四次谐波高频腔都减小了一半，腔体高度从约2.4m下降到约0.9m，D板张角从45度减小为22.5度，内杆直径下限为40mm，腔体角宽度为40度，D板厚度为12mm到14mm。
进一步地，所述小相宽注入的相位宽度为5到10度。
进一步地，所述H2 +粒子通过剥离膜可以剥离出两个质子，流强为剥离前的两倍，实现高产额的常用医用同位素生产；所述粒子通过静电偏转板方式引出，静电偏转板的电场可以通过下式计算：
其中q和Ek分别为粒子的电荷和动能，ρ和η分别为偏转板的曲率半径和角宽度，Δs为偏转板出口处的径向偏离量。
进一步地，所述通过剥离H2+方式引出强流质子束，粒子在通过剥离膜之后，成为H+粒子，轨道的回旋半径变小，进而在加速器中偏转一圈或多圈后引出加速器；具体的圈数取决于引出能量和对束流包络大小的要求。
一种八次谐波高频系统4实现峰值加速的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、设定八次谐波高频腔的腔体高度约0.9m，D板张角约22.5度；
步骤二、设定保证机械强度的内杆直径下限为40mm；
步骤三、增大腔体角宽度到40度，使其与磁极镶条和侧面尽量相贴，增大真空区；
步骤四、略微提高D板厚度到12mm左右，不超过14mm，以增大分布电容；
步骤五、采用鼻锥形加速电极设计，用以减少无用电场分布，减小损耗。
一种精准控制束流引出点方法，其特点是，该方法包括以下步骤，
步骤一、设计一次谐波幅值相位，利用共振进动扩大圈间距，同时确定偏转板预设位置；所述偏转板预设位置既是将偏转板放在最外圈束流轨道的圈分离最大的地方；
步骤二、通过磁场垫补，得到设计的一次谐波分布；
步骤三、束流调试，观察径向靶粒子分布；
步骤四、束流是否到达引出点，如果没有到达引出点，继续步骤五；如果到达引出点，转入步骤六；所述引出点为所述偏转板预设位置；
步骤五、实时调节偏转板位置、电压，并返回步骤三；
步骤六、引出束流。
本发明的优点效果
1.在国际上首次研制一种基于外部强流离子源注入、可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器，可以不调节任何磁铁和高频等加速器主要技术参数，实现粒子和H2 +粒子的等时性加速。
2.首次实现α粒子和H2 +粒子的双束高亮度合并注入。使用双ECR离子源，束流通过±30度二极磁铁分离出归一化发射度0.2πmm mrad的α粒子和H2 +粒子，通过螺线管、二极磁铁、四极磁铁、聚束器、螺线管组成的传输系统，将束流注入到加速器中心区，双束流使用同一套传输系统，可以进一步降低建造成本。
3.可通过双引出系统，引出α粒子和H2 +粒子。双引出系统通过静电偏转方式引出α粒子，通过剥离H2 +方式引出强流质子束。核心技术在于静电偏转引出可精准控制引出α束流的能量、降低能散，以严格控制生产211At的过程中伴随产生有毒核素210At；剥离H2 +方式引出质子束流强可达H2 +粒子束流强的两倍，实现基于固体靶高产额的医用核素生产。
4.国内首次紧凑型回旋加速器使用八次谐波高频腔加速，成功解决了传统4次谐波加速高频腔谐振频率难以适应粒子较低回旋频率和主磁铁谷区空间结构紧凑的难题，实现了最大能量增益的高效率等时性加速。
附图说明
图1为本发明可加速α粒子和H2 +粒子加速器总体布局图；
图2为本发明双束注入系统示意图；
图3α粒子和H2 +粒子等时性加速中的积分滑相；
图4为本发明偏转板位置可调处理流程图；
图5-1为45度张角的四次谐波腔示意图；
图5-2为22.5度张角的八次谐波腔示意图；
图中，1：双ECR离子源系统；1-1：α离子源注入系统；1-2：H2 +离子源注入系统；2：基于磁分析器的双束注入线传输系统；2-1：前级螺线管；2-2：30度分析磁铁；2-3：后级螺线管；2-4：x-y导向磁铁；2-5:聚束器；3：主磁铁系统；4：基于八次谐波的高频系统；5：基于偏转板精准控制引出α束流能量的双束引出系统；5-1：α粒子引出口；5-2：H2 +粒子引出口；
具体实施方式
本发明设计原理
1、八次谐波腔高能量增益的设计原理：第一、受到加速器磁场设计的限制，现有加速器磁场谷区的物理空间不足以支撑四次谐波腔达到45度张角，由于张角不能达到45度，使得粒子在进入加速狭缝和离开加速狭缝时不能得到峰值电压的加速，导致圈能量增益不够高。为了解决磁场谷区45度张角物理空间不足的问题，在选择同类型的λ/2(这里的λ就是波长)双间隙同轴腔情况下，采用将频率提升一倍、腔体高度和D板张角相比四次谐波加速减小一半的方法：腔体高度从约2.4m下降到约0.9m，D板张角从45度减小为22.5度；第二、八次谐波腔的设计基础是高度为0.9m、张角为22.5度，在这个高度和张角能够保证的情况下，能够保证粒子经过加速狭缝是的电压为峰值电压。但现有的磁场谷区虽然能够满足22.5度张角，高度却不能保证0.9m而是大于0.9m，这是因为高频腔上下盖板之间还要留有电缆走线的空间。仿真实验结果表明，当八次谐波腔高度大于0.9m时，会使得腔体频率过高；第三、降低频率的方法可以由谐振频率f公式决定：
从上述频率关系式看出，通过增大电容和电感的方式能够降低频率。如果将腔体外壳和内杆的关系近似于同轴线，根据同轴线单位长度电感计算公式
看出：
1)减小内杆直径就相当于减小a，所以电感增大、频率降低，这是降低腔体频率第一个方法。这里的a，b就是等效内外导体半径。但是内杆直径变小了会导致腔体机械强度下降和表面电流增大，提高了损耗功率；解决办法是首先确定一个保证机械强度的内杆直径下限，本实施例内杆直径下限为40mm；
2)增大腔体外半径角宽度为40度是降低腔体频率的第二个方法。增大腔体外半径角宽度为40度，使其与磁极镶条和侧面尽量相贴以增大腔体真空层，而在一定程度的假设下，同轴腔的侧面电容计算公式为
增大外半径角宽度就等效于增大b，也能起到增大电容的效果；
3)略微提高D板厚度为12mm到14mm，以增大分布电容(类比平行板电容计算公式)，这是降低腔体频率的第三个方法。最后达到保证足够内杆直径的同时降低腔体频率到目标值的目的。最后采用鼻锥形加速电极设计，圆滑的电极表面能有效减少间隙电场的过度集中，避免放电风险，达到减少无用电场分布，降低损耗的目的。
以上几点相结合，使得腔体在较小的加速间隙角宽度下，损耗功率值不到7kW，同时也保证了时间渡越因子在0.987左右，实现一举两得。在假设间隙电场均匀分布前提下，粒子通过间隙一次的能量增益如下
这里的
就是渡越因子，q是粒子电荷数，VD是加速电压峰值，h是谐波数，θ就是加速间隙角宽度，粒子到达间隙中心线时相位为
因此渡越因子越大，能量增益就越高。
总结：由四次谐波改为八次谐波，尽管八次谐波的张角22.5度能够保证，但高度0.9m不能保证，由于实际情况使得腔体高度超过0.9m，导致腔体频率过高。为了降低频率，采用减小内杆直径、增大腔体外半径角宽度、提高D板厚度，三者结合找到一个平衡点的方法：过分降低内杆直径，虽然能够降低频率但同时也会降低机械强度；增大腔体外半径角宽度虽然能够扩大电容，但外半径角宽度也受到磁场谷区物理空间的限制而不能过分加大；提高D板厚度同样可以加大电容降低频率，但厚度增加会导致腔体总高度增加，因此，要找到一个平衡点：该平衡点就是腔体高度从约2.4m下降到约0.9m，D板张角从45度减小为22.5度，内杆直径下限为40mm，腔体角宽度为40度，D板厚度为12mm到14mm。
2、精准控制引出点粒子能量的设计原理：难点在于粒子在引出点附近的能量不一定是想要的能量、实际的能量和我们想要的总是有差距。本发明采用小相宽注入和调整偏转板位置相结合的方法。由于粒子在引出点径向位置的差距幅度与粒子注入的相宽有关，小相宽的作用就是缩小一团粒子在注入点相宽范围内相位的差距，也就缩小了粒子在引出点的径向位置的差距(能散缩小)。小相宽引出的难度在于如何选择需要的相位引出，因为不是任何一个相位都能引出，只有几个相位是可以引出的，同时小相宽的范围还要兼顾引出束流流强不会降低，小相宽宽度太窄又会导致引出束流流强降低，因此本发明将小相宽注入的相位宽度设为5到10度。小相宽引出的效果好坏还和调整偏转板位置有直接关系：在设计时，哪一个相位的粒子在哪一个引出点是有匹配关系的，但在实际调试中，虽然模拟计算可以尽可能精确，但粒子实际位置并不是理论计算的位置，各种误差因素导致理论和实际总是有差距，因此单纯依靠小相宽仍然不能得到想要的粒子在引出点的位置，常规的方法，由于偏转板(束流引出的位置)位置不可调，只能从注入口相位宽度入手，当调整相位宽度仍然不能使得粒子到达预计引出点时，就一直调试下去，这样的调试过程非常耗时且困难。本发明采用了以目标为导向的逆向思维，变偏转板位置不可调为可调，用偏转板位置可调进行理论和实际误差的误差补偿。总之，小相宽注入和偏转板位置可调，这二点结合起来才能解决精准控制引出点粒子能量的问题。
3、α粒子和H2 +粒子共用一套传输系统的设计原理：双离子源共用一套传输系统的第一关键点在于，怎样取数，兼顾两个离子源分离杂质的需求。公式(2)中，取两种粒子中相对高的质量分辨率m/Δm作为共同的质量分辨率m/Δm。例如，α粒子的质量m是4，Δm是1，H2 +粒子的质量m是2，Δm是1，取相对高的质量分辨率就是4/1＝4而不是2/1＝2。但是质量分辨率也不能太高，使得工程成本加大。双离子源共用一套传输系统的另一个关键点在于，保证磁刚度的一致，本发明通过注入的能量比为2:1，以保证磁刚度一致。磁刚度和磁场、以及偏转磁铁的偏转半径有关，当2种粒子的磁刚度不一致时，即使公式(2)计算出非杂质粒子的偏转磁铁偏转半径，也会因为磁刚度不一致而使得α粒子和H2 +粒子的偏转半径不同，当其中一个的偏转半径达不到预定标准时，也会影响杂质的过滤。因此，注入的能量比为2:1，以保证磁刚度一致，以及公式(2)这两种技术是相辅相成、相互依存的关系。
基于以上发明原理，本发明设计了一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器
一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器如图1、图2所示，其特点是：包括双ECR离子源系统1，基于磁分析器的双束注入线传输系统2、主磁铁系统3、基于八次谐波的的高频系统4、基于偏转板精准控制引出α束流能量的双束引出系统5；
所述双束注入线传输系统2布设在双ECR离子源系统1的双粒子引出口和回旋加速器之间；所述主磁铁系统3分上下两层布设在加速器中心平上下两侧,每一侧的主磁铁系统3由周向均匀布设的四块磁极、以及磁极外侧的主磁铁盖板组成，每一层的每块磁极和磁极之间为磁场谷区；所述的基于八次谐波的的高频系统4分上下两层180度对称布设在对应的磁场谷区内；所述双束引出系统5包括分别布设在加速器束流轨迹最外圈的α粒子引出口、以及H2 +粒子引出口；
所述加速α粒子和H2+粒子的回旋加速器，共用一套相同的、包括磁铁参数和高频参数的主要技术参数，实现α粒子和H2+粒子的等时性加速；
所述的双ECR离子源系统1包括α粒子离子源注入系统1-1、以及H2 +粒子源注入系统1-2；所述的双引出系统5包括α粒子引出口5-1、以及H2 +粒子引出口5-2，通过静电偏转方式引出α粒子，通过剥离H2 +方式引出强流质子束；
补充说明：
对于H2 +粒子，应经过引出设计，选定剥离膜放置位置，粒子在通过剥离膜之后，成为H+粒子，轨道的回旋半径变小，进而在加速器中偏转一圈或多圈后引出加速器。具体的圈数取决于引出能量和对束流包络大小的要求。
所述基于磁分析器的双束注入线传输系统2如图2所示，即是α粒子和H2 +粒子使用同一套传输系统：束流通过双束注入线传输系统2的30度分析磁铁2-2的±30度二极磁铁、分离出归一化发射度0.2πmm mrad的α粒子和H2 +粒子，归一化以后的α粒子和H2 +粒子，通过前级螺线管2-1、30度分析磁铁2-2、后级螺线管2-3、x-y导向磁铁2-4、聚束器2-5注入到加速器中心区加速；所述30度分析磁铁2-2用于杂质离子分析器；
所述基于偏转板精准控制引出α束流能量的双束引出系统5，在加速器设计阶段，以小相宽注入，通过相位选择器严格限制注入中心区的粒子相宽、以控制引出α粒子的能散并减小引出区的束流损失；在加速器调试阶段，通过上位机控制系统实时调节偏转板位置和电压，通过调节偏转板位置和电压，精确控制束流引出点的位置；
所述基于八次谐波的的高频系统4如图5-1、5-2所示，在选择同类型的λ/2双间隙同轴腔情况下，频率提升了一倍，腔体高度和D板张角分别相比四次谐波高频腔减小了一半，为解决八次谐波腔实际腔体高度超出预计高度、导致频率增加的问题，围绕降低频率，将内杆直径、腔体外半径角宽度、D板厚度都做了适应性调整。
所述能够不调节任何参数，实现α粒子和H2 +粒子的等时性加速，具体为：根据等时性加速原理，粒子的回旋频率为：
其中B为磁场强度，单位为特斯拉，q为粒子电荷数，A为粒子质量数；由于公式(1)中α粒子和H2 +粒子的核质比q/A相同，所以回旋频率f近乎相等，该加速器能够实现不调整磁铁、高频参数的情况下实现α粒子和H2 +粒子的等时性加速。
所述分离出归一化发射度0.2πmm mrad的α粒子和H2 +粒子既是：30度分析磁铁2-2根据杂质粒子和非杂质粒子在二级磁铁中的的偏转半径和偏转角度不同，计算出α粒子和H2 +的偏转角度和半径，从而过滤掉非α粒子和H2 +的杂质粒子。
所述过滤掉非α粒子和H2 +的杂质粒子，具体为：根据质量分辨率m/Δm，计算α粒子和H2 +粒子在二极偏转磁铁的偏转角度和半径，质量分辨率m/Δm可以表示为：
其中m为所需粒子的质量，Δm为质量偏差，Mx为二极磁铁的传输矩阵，
公式(2)中，Yx为已知的径向放大率，δW/W为已知的束流能散，s1和s2分别为已知的物缝宽和像缝宽，m为已知的所需粒子的质量，Δm为已知的质量偏差、通过上述已知条件计算出传输矩阵Mx，通过传输矩阵Mx可以计算出α粒子和H2 +通过二极偏转磁铁后的运动情况，该运动情况包括偏转半径ρ0和偏转角度θ，从而将不属于该偏转半径ρ0和偏转角度θ的粒子中的杂质过滤掉。
所述公式(2)的质量分辨率m/Δm为α粒子和H2 +粒子所共用：取两种粒子中相对高的质量分辨率m/Δm作为共同的质量分辨率m/Δm。
所述H2 +粒子通过剥离膜可以剥离出两个质子，流强为剥离前的两倍，实现高产额的常用医用同位素生产；所述粒子通过静电偏转板方式引出，静电偏转板的电场可以通过下式计算：
其中q和Ek分别为粒子的电荷和动能，ρ和η分别为偏转板的曲率半径和角宽度，Δs为偏转板出口处的径向偏离量。
α粒子和H2 +粒子经过分析系统后，α粒子和H2 +粒子进入到双束合并注入线，由于二者使用同一套注入线系统，注入的能量比为2:1，以保证磁刚度一致。
所述八次谐波的的高频系统(4)的腔体高度和D板张角相比四次谐波高频腔都减小了一半，腔体高度从约2.4m下降到约0.9m，D板张角从45度减小为22.5度，内杆直径下限为40mm，腔体角宽度为40度，D板厚度为12mm到14mm。
补充说明：
所述八次谐波的的高频系统(4)的高频腔张角为θ，加速器的谐波数为h，在使用两个高频腔时，粒子每圈获得的能量增益为Δw＝4qeVa|sin(hθ)/2|，张角θ为22.5度时可实现最大能量增益加速，保证加速效率。
所述小相宽注入的相位宽度为5到10度。
所述通过剥离H2 +方式引出强流质子束，粒子在通过剥离膜之后，成为H+粒子，轨道的回旋半径变小，进而在加速器中偏转一圈或多圈后引出加速器；具体的圈数取决于引出能量和对束流包络大小的要求。
一种八次谐波高频系统4实现峰值加速的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、设定八次谐波高频腔的腔体高度约0.9m，D板张角约22.5度；
步骤二、设定保证机械强度的内杆直径下限为40mm；
步骤三、增大腔体角宽度到40度，使其与磁极镶条和侧面尽量相贴，增大真空区；
步骤四、略微提高D板厚度到12mm左右，不超过14mm，以增大分布电容；
步骤五、采用鼻锥形加速电极设计，用以减少无用电场分布，减小损耗。
一种精准控制束流引出点方法如图4所示，其特征在于，该方法包括以下步骤，
步骤一、设计一次谐波幅值相位，利用共振进动扩大圈间距，同时确定偏转板预设位置；所述偏转板预设位置既是将偏转板放在最外圈束流轨道的圈分离最大的地方；
补充说明：因为粒子是被持续加速的，正常情况下一定会到引出点、也就是到达偏转板预设位置，如果无法到达引出点或偏转板预设位置，说明因为误差影响，在引出点之前束流就已经损失掉了。
步骤二、通过磁场垫补，得到设计的一次谐波分布；
步骤三、束流调试，观察径向靶粒子分布；
步骤四、束流是否到达引出点，如果没有到达引出点，继续步骤五；如果到达引出点，转入步骤六；所述引出点为所述偏转板预设位置；
步骤五、实时调节偏转板位置、电压，并返回步骤三；
步骤六、引出束流。
实施例一:α粒子和H2 +粒子共用一套传输系统
在加速9MeV/A的α粒子和9MeV/A的H2 +粒子的回旋加速器中，由于ECR离子源引出的粒子不全为预期的α粒子或H2 +粒子，所以需要前分析系统作为杂质离子分析器。例如对于H2 +离子源，其引出口引出的粒子包括H2 +、H+等，如图2所示，H+经过30度的偏转磁铁偏出注入系统进入束流收集器。二极偏转磁铁的角度和半径可以根据质量分辨率要求设计，质量分辨率可以表示为
其中Mx为二极磁铁的传输矩阵，Yx为径向放大率，δW/W为束流能散，s1和s2分别为物缝宽和像缝宽。确定能量分辨率后可以得到矩阵元Mx(1,3)，进而得到具体的磁场强度。
经过分析系统后，α粒子和H2 +粒子进入到双束合并注入线，由于二者使用同一套注入线系统，注入的能量比为2:1，以保证磁刚度一致；例如，对于40keV的α粒子，其磁刚度0.02888T·m，对于20keV的H2 +粒子，其磁钢度同样为0.02888T·m。对于四极透镜而言，其传输矩阵可以写为：
其中K2＝μ0G/Bρ，在同一磁刚度情况下，四极透镜对于不同粒子的聚焦特性是一致的，这也就实现了不同粒子使用同一套注入线系统的效果。
实施例二：测试α粒子和H2 +的积分滑相
如图3所示，进入中心区后，由于α粒子和H2 +粒子的荷质比相同，可以在不改变任何高频参数的情况下实现等时性加速。主磁铁系统使用四扇叶结构，磁极张角为22.5度，峰区磁场和谷区磁场分别为1.7T、0.4T.使用8次谐波高频腔进行加速，对于9MeV/A的α粒子和9MeV/A的H2 +粒子，加速过程中的积分滑相如图3所示。可以看到，二者的积分滑相均小于±10度，进而完成高效率的加速过程进入引出区。
实施例三：α粒子偏转板引出区圈间距的设计
不同种类的粒子进入双引出系统进行引出。在设计过程中，使α粒子保持一定的圈间距，圈间距可以用下式表示
Δr＝Δr0+Δxsin[2πn(vr-1)+θ0]+2π(νr-1)xcos[2πn(vr-1)+θ0]
其中第一项为能量增益带来的自然圈间距，第二项为共振带来的圈间距，第三项为轨道进动带来的圈间距。以36MeVα粒子为例，其中引出半径～0.8m。引出区加速电压0.08MeV，估算最高的单圈能量增益为0.32MeV。引出能量～36MeV。引出区径向振荡频率～1。带入公式得到加速获得的圈距分离～3.2mm。能量增益产生的圈距分离略小于引出区束流径向尺寸。为进一步提高引出圈距，可引出一次谐波磁场误差，利用引出区νr＝1共振进一步提高圈距。估算得到1Gs的一次谐波磁场便可产生～3mm的额外圈距分离，这对于磁场垫补是很好实现的。通过一定的圈间距，使α粒子进入切割板，通过静电高压使其偏离原轨道，之后在通过一系列磁通道控制束流包络，引出加速器。
需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (11)
1.一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器，其特征在于：包括双ECR离子源系统(1)、基于磁分析器的双束注入线传输系统(2)、主磁铁系统(3)、基于八次谐波的的高频系统(4)、基于偏转板精准控制引出α束流能量的双束引出系统(5)；
所述双束注入线传输系统(2)布设在双ECR离子源系统(1)的双粒子引出口和回旋加速器之间；所述主磁铁系统(3)分上下两层布设在加速器中心平上下两侧,每一侧的主磁铁系统(3)由周向均匀布设的四块磁极、以及磁极外侧的主磁铁盖板组成，每一层的每块磁极和磁极之间为磁场谷区；所述的基于八次谐波的的高频系统(4)分上下两层180度对称布设在对应的磁场谷区内；所述双束引出系统(5)包括分别布设在加速器束流轨迹最外圈的α粒子引出口、以及H2 +粒子引出口；
所述加速α粒子和H2+粒子的回旋加速器，共用一套相同的、包括磁铁参数和高频参数的主要技术参数，实现α粒子和H2+粒子的等时性加速；
所述的双ECR离子源系统(1)包括分时注入的α粒子离子源注入系统、以及H2 +粒子源注入系统；所述的双引出系统(5)包括分时引出的α粒子引出口、以及H2 +粒子引出口，通过静电偏转方式引出α粒子，通过剥离H2 +方式引出强流质子束；
所述基于磁分析器的双束注入线传输系统(2)，即是α粒子和H2 +粒子使用同一套传输系统：束流通过双束注入线传输系统(2)的30度分析磁铁(2-2)的±30度二极磁铁、分离出归一化发射度0.2πmm mrad的α粒子和H2 +粒子，归一化以后的α粒子和H2 +粒子，通过前级螺线管(2-1)、30度分析磁铁(2-2)、后级螺线管(2-3)、x-y导向磁铁(2-4)、聚束器(2-5)注入到加速器中心区加速；所述30度分析磁铁(2-2)用于杂质离子分析器；
所述基于偏转板精准控制引出α束流能量的双束引出系统(5)，在加速器设计阶段，以小相宽注入，通过相位选择器严格限制注入中心区的粒子相宽、以控制引出α粒子的能散并减小引出区的束流损失；在加速器调试阶段，通过上位机控制系统实时调节偏转板位置和电压，通过调节偏转板位置和电压，精确控制束流引出点的位置；
所述基于八次谐波的的高频系统(4)，在选择同类型的λ/2双间隙同轴腔情况下，频率提升了一倍，腔体高度和D板张角分别相比四次谐波高频腔减小了一半，为解决八次谐波腔实际腔体高度高出预计高度、导致频率增加的问题，围绕降低频率，将内杆直径、腔体外半径角宽度、D板厚度都做了适应性调整。
2.根据权利要求1所述一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器，其特征在于：所述能够不调节任何参数，实现α粒子和H2 +粒子的等时性加速，具体为：根据等时性加速原理，粒子的回旋频率为：
其中B为磁场强度，单位为特斯拉，q为粒子电荷数，A为粒子质量数；由于公式(1)中α粒子和H2 +粒子的核质比q/A相同，所以回旋频率f近乎相等，该加速器能够实现不调整磁铁、高频参数的情况下实现α粒子和H2 +粒子的等时性加速。
3.根据权利要求1所述一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器，其特征在于：所述分离出归一化发射度0.2πmm mrad的α粒子和H2 +粒子既是：30度分析磁铁(2-2)根据杂质粒子和非杂质粒子在二级磁铁中的的偏转半径和偏转角度不同，计算出α粒子和H2 +的偏转角度和半径，从而过滤掉非α粒子和H2 +的杂质粒子。
4.根据权利要求3所述一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器，其特征在于：所述过滤掉非α粒子和H2 +的杂质粒子，具体为：根据质量分辨率m/Δm，计算α粒子和H2 +粒子在二极偏转磁铁的偏转角度和半径，质量分辨率m/Δm可以表示为：
其中m为所需粒子的质量，Δm为质量偏差，Mx为二极磁铁的传输矩阵，
公式(2)中，Yx为已知的径向放大率，δW/W为已知的束流能散，s1和s2分别为已知的物缝宽和像缝宽，m为已知的所需粒子的质量，Δm为已知的质量偏差、通过上述已知条件计算出传输矩阵Mx，通过传输矩阵Mx可以计算出α粒子和H2 +通过二极偏转磁铁后的运动情况，该运动情况包括偏转半径ρ0和偏转角度θ，从而将不属于该偏转半径ρ0和偏转角度θ的粒子中的杂质过滤掉；所述公式(2)的质量分辨率m/Δm为α粒子和H2 +粒子所共用：取两种粒子中相对高的质量分辨率m/Δm作为共同的质量分辨率m/Δm。
5.根据权利要求1所述一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器，其特征在于：所述H2 +粒子通过剥离膜可以剥离出两个质子，流强为剥离前的两倍，实现高产额的常用医用同位素生产。
6.根据权利要求5所述一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器，其特征在于：α粒子和H2 +粒子经过分析系统后，α粒子和H2 +粒子进入到双束合并注入线，由于二者使用同一套注入线系统，注入的能量比为2:1，以保证磁刚度一致。
7.根据权利要求6所述一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器，其特征在于：所述八次谐波的的高频系统(4)的腔体高度和D板张角相比四次谐波高频腔都减小了一半，腔体高度从约2.4m下降到约0.9m，D板张角从45度减小为22.5度，内杆直径下限为40mm，腔体角宽度为40度，D板厚度为12mm到14mm。
8.根据权利要求1所述一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器，其特征在于：所述小相宽注入的相位宽度为5到10度。
9.根据权利要求1所述一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器，其特征在于：所述通过剥离H2 +方式引出强流质子束，粒子在通过剥离膜之后，成为H+粒子，轨道的回旋半径变小，进而在加速器中偏转一圈或多圈后引出加速器；具体的圈数取决于引出能量和对束流包络大小的要求。
10.一种基于权利要求1-9任意一项所述一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器的八次谐波高频系统(4)实现峰值加速的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、设定八次谐波高频腔的腔体高度约0.9m，D板张角约22.5度；
步骤二、设定保证机械强度的内杆直径下限为40mm；
步骤三、增大腔体角宽度到40度，使其与磁极镶条和侧面尽量相贴，增大真空区；
步骤四、略微提高D板厚度到12mm左右，不超过14mm，以增大分布电容；
步骤五、采用鼻锥形加速电极设计，用以减少无用电场分布，减小损耗。
11.一种基于权利要求1-9任意一项所述一种可加速α粒子和H2 +粒子的回旋加速器的精准控制束流引出点方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，
步骤一、设计一次谐波幅值相位，利用共振进动扩大圈间距，同时确定偏转板预设位置；所述偏转板预设位置既是将偏转板放在最外圈束流轨道的圈分离最大的地方；
步骤二、通过磁场垫补，得到设计的一次谐波分布；
步骤三、束流调试，观察径向靶粒子分布；
步骤四、束流是否到达引出点，如果没有到达引出点，继续步骤五；如果到达引出点，转入步骤六；所述引出点为所述偏转板预设位置；
步骤五、实时调节偏转板位置、电压，并返回步骤三；
步骤六、引出束流。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Tianjue Inventor after: Liu Jingyuan Inventor after: Jin Zhaojun Inventor after: Fu Wei Inventor after: Wang Fei Inventor after: Chu Zhichao Inventor after: Yin Zhiguo Inventor after: Wang Chuan Inventor after: Zhang Suping Inventor after: Zhao Bohan Inventor after: Wei Sumin Inventor before: Zhang Tianjue Inventor before: Liu Jingyuan Inventor before: Jin Zhaojun Inventor before: Fu Wei Inventor before: Wang Fei Inventor before: Chu Zhichao Inventor before: Yin Zhiguo Inventor before: Wang Chuan Inventor before: Zhang Suping Inventor before: Zhao Bohan Inventor before: Wei Sumin |