CN115209606A - 一种并列加速式强流离子加速器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并列加速式强流离子加速器，属于粒子加速器技术领域，包括沿纵向从前到后依次对接的离子源、并列多腔多间隙加速管、三通、真空闸板、螺线管磁透镜、漂移管和靶站，所述加速管出口通过三通分别与真空闸板和真空获取系统相连接，加速管内部设置有若干个纵向贯穿的加速腔，加速腔的入口与离子源相对接，所述螺线管磁透镜安装在漂移管外侧的移动导轨上。本发明通过并列加速式强流粒子加速器将粒子束流以并联方式从离子源引出，并列多股束流通过并列的多腔多间隙的加速管而获得能量增值，经由螺线管磁透镜横向聚焦后焦点落在靶站位置，并在靶站位置获得流强大于100mA的强流束，有效解决了现有强流束在加速管中传输困难的问题。

Description

一种并列加速式强流离子加速器
技术领域
本发明属于粒子加速器技术领域，具体涉及一种并列加速式强流离子加速器。
背景技术
强流粒子加速器不仅是开展物质基本结构、核数据测量等尖端科学的重要科研设备，而且在粒子医疗、材料辐照加工、清洁能源、粒子成像等涉及国计民生的诸多领域具有极高的应用价值和广阔的市场需求。
强流粒子加速器的束流传输问题是当前加速器物理与技术需要解决的难点问题。强流束空间电荷效应引起束流发散快、导致强流束损失严重，限制了束流传输的最大流强值，且束流损失在传输管道壁所产生的感生放射性，会阻碍工作人员在加速器附近的工作活动。现有技术采用引入负性粒子的束流自中和技术可以实现强流束在磁传输元件中的传输。但是，在存在电场分布的加速管中，无法实现自中和技术，因此，强流束在加速管中的传输是十分困难的一项技术，目前，强流粒子加速器的连续束流强度一般在10mA左右，如2021年建成的创造世界纪录的我国最强强流质子加速器的质子束流强度为10mA【文献：“我国强流高功率质子加速器创世界纪录”，来源光明网，2021-02-19】。
发明内容
本发明的目的在于提供一种并列加速式强流离子加速器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种并列加速式强流离子加速器，包括沿纵向从前到后依次对接的离子源、并列多腔多间隙加速管、三通、真空闸板、螺线管磁透镜、漂移管和靶站，所述加速管出口通过三通分别与真空闸板和真空获取系统相连接，加速管内部设置有若干个纵向贯穿的加速腔，加速腔的入口与离子源相对接，所述螺线管磁透镜安装在漂移管外侧的移动导轨上，所述靶站位于漂移管的出口端，且靶站固定安装在靶站支撑架上。
所述离子源由圆心处和绕圆心对称分布的多组离子源构成。
所述离子源安装在高压头部电极内部，高压头部电极的金属壳上连接有高压电源，高压头部电极底部设置有绝缘支撑骨架，绝缘支撑骨架内设置有为离子源供电的隔离供电系统。
所述离子源、螺线管磁透镜和靶站支撑架上还设置有冷却管道，冷却管道与冷却循环系统相连接，冷却循环系统用于对离子源、螺线管磁透镜和靶站进行降温冷却。
所述加速管内部设置有若干个加速电极、绝缘陶瓷环和保护电极，每三个加速电极组成一个加速间隙，一个加速腔包含三组加速间隙。
所述加速管内部靠近离子源的一端设置有离子源引出电极，离子源引出电极将离子源产生的带电粒子引出，并形成带电粒子束进入加速间隙进行加速。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明采用电路“并联分流”的基本原理，通过并列加速式强流粒子加速器将粒子束流以并联方式从离子源引出，并列多股束流通过并列的多腔多间隙的加速管而获得能量增值，经由螺线管磁透镜横向聚焦后焦点落在靶站位置，并能够在靶站位置获得流强大于100mA的强流束，有效解决了现有强流束在加速管中传输困难的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
附图序号及名称：高压头部电极1、离子源Ⅰ2、离子源Ⅱ3、离子源Ⅲ4、离子源进气控制系统5、离子源冷却机6、离子源电源7、离子源引出电极8、加速管9、加速电极10、加速腔与加速间隙11、绝缘陶瓷环12、保护电极13、地电位电极Ⅰ14、真空闸板15、螺线管磁透镜16、漂移管17、带电离子束18、靶站19、靶站支持及冷却管道20、冷却循环系统21、三通22、真空获取系统23、地电位电极Ⅱ24、绝缘支撑骨架25、隔离供电系统26、信号线缆27、控制操作系统28、高压电源29、加速管加速电极30、带电粒子传输孔31。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所述的一种并列加速式强流离子加速器，包括沿纵向从前到后依次对接的离子源、并列多腔多间隙加速管9、三通22、真空闸板15、螺线管磁透镜16、漂移管17和靶站19，所述加速管9出口通过三通22分别与真空闸板15和真空获取系统23相连接，加速管9内部设置有若干个纵向贯穿的加速腔11，加速腔11的入口与离子源相对接，所述螺线管磁透镜16安装在漂移管17外侧的移动导轨上，便于根据束流强度实现螺线管磁透镜16的位置调节，所述靶站19位于漂移管17的出口端，且靶站17固定安装在靶站支撑架20上。
所述离子源由圆心处和绕圆心对称分布的多组离子源构成，绕圆心分布的多组离子源分布在一个或多个同心圆周线上，离子源可选用高频离子源、双等离子源、ECR离子源和潘宁离子源等。
所述离子源安装在高压头部电极1内部，高压电源29通过裸露的金属导线与高压头部电极1直接连接，实现加速管9内部加速电场的形成，所述高压头部电极1底部设置有绝缘支撑骨架25，绝缘支撑骨架25内设置有隔离供电系统26，隔离供电系统26位于高压头部电极1和地电位电极Ⅱ24之间，用于从处于地电位电极Ⅱ24的电功率输送至处于高电位的高压头部电极1内的离子源电源7中，供离子源工作使用，所述绝缘支撑骨架25采用环氧树脂等绝缘材料制成。
所述高压头部电极1为正方体型或长方体型、其上具有倒角，高压头部电极1由金属材料制成，材料优选铝或不锈钢，高压头部电极1内设置有离子源进气控制系统5和离子源冷却机6。
所述离子源、螺线管磁透镜16和靶站支撑架20上还设置有冷却管道，冷却管道与冷却循环系统21相连接，冷却循环系统21用于对离子源、螺线管磁透镜16和靶站19进行降温冷却。
所述加速管9一端与高压头部电极1相连接，加速管9另一端与地电位电极Ⅰ14相连接，所述地电位电极Ⅰ14和地电位电极Ⅱ24均由不锈钢材料制成。
所述真空获取系统23由分子泵和机械泵组合而成，用于实现并保持加速管9和离子源内部的真空环境。
所述加速管9内部设置有若干个加速电极10、绝缘陶瓷环12和保护电极13，每三个加速电极10组成一个加速间隙，一个加速腔11包含三组加速间隙。
所述加速管9内部靠近离子源的一端设置有离子源引出电极8，离子源引出电极8将离子源产生的带电粒子引出，并形成带电粒子束18进入加速间隙进行加速。
所述真空闸板15位于地电位电极Ⅰ14和靶站19之间，真空闸板15将束线的真空分成两个区域，在打开靶站时，真空闸板15闭合，使得被真空闸板15隔开的左右两部分的真空状态相互独立，进而让加速管9和离子源内部始终保持真空状态。
所述螺线管磁透镜16设置在真空闸板15和靶站19之间，螺线管磁透镜16用于将带电粒子束横向聚焦，并让焦点落在靶站19位置。
所述靶站19由不锈钢材料制成，且靶站19内设置有靶片或实验样品安装位置19。
所述离子源引出电极8和加速管加速电极30均采用不锈钢或铝材料制作的圆形结构，且离子源引出电极8和加速管加速电极30上均设置有若干个与离子源和加速腔11个数相同的带电粒子传输孔31。
所述并列加速式强流离子加速器还包括控制操作系统28，控制操作系统28通过信号线缆27与各元件系统相连接，实现对加速器启停和参数调节等控制操作。

Claims (6)

1.一种并列加速式强流离子加速器，其特征在于：包括沿纵向从前到后依次对接的离子源、并列多腔多间隙加速管、三通、真空闸板、螺线管磁透镜、漂移管和靶站，所述加速管出口通过三通分别与真空闸板和真空获取系统相连接，加速管内部设置有若干个纵向贯穿的加速腔，加速腔的入口与离子源相对接，所述螺线管磁透镜安装在漂移管外侧的移动导轨上，所述靶站位于漂移管的出口端，且靶站固定安装在靶站支撑架上。
2.根据权利要求1所述的一种并列加速式强流离子加速器，其特征在于：所述离子源由圆心处和绕圆心对称分布的多组离子源构成。
3.根据权利要求2所述的一种并列加速式强流离子加速器，其特征在于：所述离子源安装在高压头部电极内部，高压头部电极的金属壳上连接有高压电源，高压头部电极底部设置有绝缘支撑骨架，绝缘支撑骨架内设置有为离子源供电的隔离供电系统。
4.根据权利要求3所述的一种并列加速式强流离子加速器，其特征在于：所述离子源、螺线管磁透镜和靶站支撑架上还设置有冷却管道，冷却管道与冷却循环系统相连接，冷却循环系统用于对离子源、螺线管磁透镜和靶站进行降温冷却。
5.根据权利要求1所述的一种并列加速式强流离子加速器，其特征在于：所述加速管内部设置有若干个加速电极、绝缘陶瓷环和保护电极，每三个加速电极组成一个加速间隙，一个加速腔包含三组加速间隙。
6.根据权利要求5所述的一种并列加速式强流离子加速器，其特征在于：所述加速管内部靠近离子源的一端设置有离子源引出电极，离子源引出电极将离子源产生的带电粒子引出，并形成带电粒子束进入加速间隙进行加速。
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