CN116017838A - 粒子加速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粒子加速设备技术领域，具体提供一种粒子加速器，旨在解决现有低能粒子加速器难以实现数百毫安，乃至安培量级的粒子束直流加速的问题。为此目的，本发明的粒子加速器，包括：多个粒子源；多个真空加速装置，所述真空加速装置与所述粒子源一一对应设置，所述真空加速装置用于将对应的所述粒子源提供的子粒子束流进行加速；汇聚装置，所述汇聚装置与所有所述真空加速装置相连，所述汇聚装置用于将进入其内部的多条加速后的子粒子束流汇聚形成主粒子束流。本发明的粒子加速器通过采用多个粒子源和多个真空加速装置产生多条低流强的粒子束流，并通过汇聚装置将多条低流强的粒子束流汇聚成一条高流强的粒子束流，实现强流粒子束流的加速。

Description

粒子加速器

技术领域

本发明涉及粒子加速设备技术领域，具体提供一种粒子加速器。

背景技术

粒子加速器，全名为“荷电粒子加速器”，是使带电粒子在高真空场中受磁场力控制、电场力加速而达到高能量的特种电磁、高真空装置。是人为地提供各种高能粒子束或辐射线的现代化装备。

目前已有的高压静电型粒子加速器由于属于低能加速器，空间电荷效应尤为严重，导致难以实现数百毫安，乃至安培量级的粒子束直流加速。因此，如何采用高压静电型粒子加速器实现数百毫安、安培量级的粒子束直流加速，是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题，即，解决现有低能粒子加速器空间电荷效应尤为严重，难以实现数百毫安，乃至安培量级的粒子束直流加速的问题。

根据本发明的第一个方面，公开了一种粒子加速器，包括：多个粒子源，所述粒子源用于提供需要加速的子粒子束流；多个真空加速装置，所述真空加速装置与所述粒子源一一对应设置，所述真空加速装置与所对应的粒子源相连，所述真空加速装置用于将对应的所述粒子源提供的子粒子束流进行加速；汇聚装置，所述汇聚装置与所有所述真空加速装置相连，以便加速后的子粒子束流进入所述汇聚装置内，所述汇聚装置用于将进入其内部的多条加速后的子粒子束流汇聚形成主粒子束流。

进一步地，所述汇聚装置包括：离子漏斗，所述离子漏斗具有多个间隔设置的电极，每个所述电极上设置有过流孔，所有所述过流孔整体形成拟合通道，所述拟合通道用于通过加速后的子粒子束流，所述离子漏斗用于将所述拟合通道内的多条所述子粒子束流汇聚形成主粒子束流。

进一步地，所有所述电极上施加有射频电压，相邻的两个所述电极上，所述射频电压的幅值相等且相位相反。

进一步地，在所述拟合通道的入口至所述拟合通道的出口方向上，所述离子漏斗上施加有直流梯度电压。

进一步地，所述拟合通道具有扩口段，所述扩口段位于所述拟合通道的入口位置处，在所述拟合通道入口至所述拟合通道出口的方向上，位于所述扩口段内的所述极片上的过流孔的孔径逐渐缩小。

进一步地，所述拟合通道具有漂移段，在所述拟合通道入口至所述拟合通道出口的方向上，所述扩口段与所述漂移段依次相连，位于所述漂移段内的所述极片上的过流孔的孔径相同。

进一步地，所述电极为网状电极，所述过流孔设置在所述网状电极的中心位置处。

进一步地，所述汇聚装置还包括：磁透镜，沿所述拟合通道入口至所述拟合通道出口的方向，所述磁透镜设置在所述离子漏斗的外周上。

进一步地，所述粒子加速器还包括：均匀化装置，所述均匀化装置设置在所述汇聚装置的出口位置处，所述均匀化装置用于对所述主粒子束流进行均匀化处理。

根据本发明的第二个方面，还公开了一种粒子加速器，包括：多个粒子源，所述粒子源用于提供需要加速的子粒子束流；汇聚装置，每个所述粒子源的出口均朝向所述汇聚装置的入口设置，以便所有所述子粒子束流进入所述汇聚装置内，所述汇聚装置用于将进入其内部的多条子粒子束流汇聚形成主粒子束流。

本发明的粒子加速器通过采用多个粒子源和多个真空加速装置，每个粒子源可以产生一条低流强的子粒子束流，并通过对应的真空加速装置对每个子粒子束流分别进行加速，再通过汇聚装置30将多条低流强的粒子束流汇聚成一条高流强的粒子束流，从而实现强流粒子束流的加速。

附图说明

下面结合附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：

图1是本发明的实施例一的粒子加速器的结构示意图；

图2是本发明的实施例一的粒子加速器的离子漏斗的结构示意图；

附图标记列表：

10、粒子源；20、真空加速装置；30、汇聚装置；31、离子漏斗；311、电极；312、过流孔；313、拟合通道；313a、扩口段；313b、漂移段；313c、汇聚段；40、均匀化装置。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不局限于说明书的内容。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明公开了一种粒子加速器，包括多个粒子源10、多个真空加速装置20和汇聚装置30，粒子源10用于提供需要加速的子粒子束流；真空加速装置20与粒子源10一一对应设置，真空加速装置20与所对应的粒子源10相连，真空加速装置20用于将对应的粒子源10提供的子粒子束流进行加速；汇聚装置30与所有真空加速装置20相连，以便加速后的子粒子束流进入汇聚装置30内，汇聚装置30用于将进入其内部的多条加速后的子粒子束流汇聚形成主粒子束流。

本发明的粒子加速器通过采用多个粒子源10和多个真空加速装置20，每个粒子源10可以产生一条低流强的子粒子束流，并通过对应的真空加速装置20对每个子粒子束流分别进行加速，再通过汇聚装置30将多条低流强的粒子束流汇聚成一条高流强的粒子束流，从而实现强流粒子束流的加速。

下面结合实施例对本发明的粒子加速器进行具体说明：

如图1所示的本发明的实施例一，在本实施例中，粒子源10为离子源，每个离子源与一个真空加速装置20相对应，离子源可以提供需要加速的子离子束流，每个离子源具有一个引出装置，每个真空加速装置20包括一个高压静电加速管，每个离子源通过各自的引出装置与所对应的真空加速装置20的高压静电加速管连接，汇聚装置30与所有高压静电加速管相连。每个离子源通过各自的引出装置引出一条低流强(数十至一百多毫安和数百keV至几个MeV)的子离子束流进入到对应的高压静电加速管中进行加速，加速后的子离子束流进入汇聚装置30内，通过汇聚装置30将进入其内部的多条加速后的子离子束流汇聚形成高流强的主离子束流。

现有技术中，高流强的离子束流在通过高压静电加速管的时候，由于空间电荷效应被破坏，束流发散严重，束流中的离子容易打在电极上产生二次电子，进而增大高压静电加速管的高压打火风险，导致离子束流稳定性差。

本发明的粒子加速器通过设置多个离子源，每个离子源可以产生一条低流强的离子束流，也就是说，将最终获得的高流强的主离子束流分为多个低流强的子离子束流，例如：要获得400毫安的主离子束流，可以通过四个离子源以及对应的真空加速装置20分别产生100毫安的子离子束流，再通过汇聚装置30将四条100毫安的子粒子束流汇聚形成400毫安的主离子束流，低流强的子离子束流在通过高压静电加速管时，可以保证束流传输的良好聚焦，降低打火频率，这样每条子离子束流在通过高压静电加速管时的稳定性是可以保证的，从而确保整个粒子加速器的稳定运行。另外，由于引出的是低流强的离子束流，使得离子源可以始终处于一个稳定运行状态，从而保证引出的离子束流具有很好的束流品质。

需要说明的是，尽管在上述实施例中，粒子源10采用离子源，并且是结合离子束流来描述的，但这并不是对本发明的限制，在不偏离本发明基本原理的前提下，本领域技术人员还可以采用除离子源之外的其他粒子源10，只要是生成可以通过电场和/或磁场加速的粒子束流即可，例如：质子源、电子源、重离子源，这些都不偏离本发明的原理，因此都将落入本发明的保护范围之内。

还需要说明的是，在上述实施例中，真空加速装置20采用高压静电加速管，但这并不是对本发明的限制，在不偏离本发明基本原理的前提下，本领域技术人员还可以采用除高压静电加速管之外的其他真空加速装置20，只要是通过电场和/或磁场对粒子源10生成的粒子束流加速即可，例如：射频四极场加速器、漂移管直线加速器或高频腔，这些都不偏离本发明的原理，因此都将落入本发明的保护范围之内。

如图2所示，在本实施例中，汇聚装置30包括离子漏斗31，离子漏斗31具有多个间隔设置的电极，每个电极上设置有过流孔312，所有过流孔312整体形成拟合通道313，拟合通道313用于通过加速后的子粒子束流，离子漏斗31用于将拟合通道313内的多条子粒子束流汇聚形成主粒子束流。

需要说明的是，离子漏斗31在所有电极311上施加有射频电压，相邻的两个电极311上，射频电压的幅值相等且相位相反，使离子漏斗31内部产生一个电场，每个高压静电加速管束流分别通过二极磁铁偏转至离子漏斗31后，基于该电场递增的有效电势值，增强对多条子离子束流的径向束缚能力，也就是说，通过在相邻的两电极311之间施加相位差为180度的直流电压信号，使得离子漏斗31在接近拟合通道313出口处逐渐聚焦离子的同时，拟合通道313中轴线上的电势逐渐变小，使多条子离子束流汇聚在拟合通道313的中心轴线上，形成一条主离子束流。在拟合通道313的入口至拟合通道313的出口方向上，离子漏斗31上施加有直流梯度电压，可以为主离子束流的传输提供额外的轴向动能，实现对束流汇聚过程中束流损失的能量加以补充。

需要说明的是，现有技术中虽然存在双束打靶方案，但是其是将两条子离子束同时打靶，即将两条子离子束在打靶点处汇聚，从而提高提升到靶束流流强，然而，在子离子束流汇聚过程中，汇聚点和平衡轨道之间存在一个夹角，从而导致子离子束流产生横向振荡，同时因为空间电荷效应引起较大的工作点弥散和工作点漂移、束流不稳定性和集体效应等都会使得部分子粒子束落在汇聚点的接受度外面，进而造成束流大量损失。而本发明与现有技术的本质区别在于，本发明通过在相邻的两个电极上施加射频电场并在离子漏斗上施加有直流梯度电压，利用射频电场对离子束的径向束缚和匀强电场对离子的轴向推进能力降低带电粒子的空间发散度和能量发散度，从而大幅度提升离子束流的传输效率。

如图2所示，在拟合通道313入口至拟合通道313出口的方向上，即图2中左至右的方向上，拟合通道313具有依次相连的扩口段313a、漂移段313b和汇聚段313c，扩口段313a位于拟合通道313的入口位置处，在拟合通道313入口至拟合通道313出口的方向上，位于扩口段313a内的极片上的过流孔312的孔径逐渐缩小，有利于提高离子束流的接受度，从而将更大范围的具有不同的动力学孔径和物理孔径的束流引入到离子漏斗31中，以便于主离子束流的引导和汇聚。位于漂移段313b内的极片上的过流孔312的孔径相同，有利于改善离子漏斗31内部的气压分布和减缓电极311之间内径的递减梯度，提高传输离子的质量上限。在汇聚段313c内，在拟合通道313入口至拟合通道313出口的方向上，极片上的过流孔312的孔径进一步逐渐减小，有利于射频电压形成的有效电势值进一步递增，约束离子束流的径向发散，实现最终的有效汇聚和离子束流品质的提高。为了实现射频电场下的强流离子束的高效聚焦引导，电极311为网状电极311，过流孔312设置在网状电极311的中心位置处。

需要说明的是，传统的聚焦装置通常采用四极磁铁通过磁场对单条离子束流进行聚焦；而本发明的离子漏斗31是通过电场中有效电势的逐步递增，约束多个子离子束流不断聚拢，并最终将多条子离子束流汇聚成一条主离子束流。因此，本发明的离子漏斗31与传统的聚焦装置存在本质上的区别。

进一步地，汇聚装置30还包括磁透镜，在本实施例中，磁透镜为螺线管，沿拟合通道313入口至拟合通道313出口的方向，螺线管盘绕在离子漏斗31的外周上，通过设置螺线管，可以通过螺线管将粒子束流进一步汇聚，解决了由于径向束缚力不足，导致离子束流中的离子撞击在电极311上，造成离子束流损失的问题，有效提高了汇聚效率，同时，避免产生空心束的情况，还可以通过螺线管对汇聚后的主离子束流进行进一步调制，实现加速器末端不同品质束流的获取。

需要说明的是，在上述实施例中，磁透镜为螺线管，但这并不是对本发明的限制，在不偏离本发明基本原理的前提下，本领域技术人员还可以采用除螺线管之外的磁透镜，只要是可以通过磁场将离子束流会聚的装置即可，例如：电磁铁或永磁体，这些都不偏离本发明的原理，因此都将落入本发明的保护范围之内。

现有技术中，到靶束流一般呈高斯分布，高流强条件下，粒子束流中心的热流密度较高，给靶系统散热和离子束流的利用效率带来巨大的挑战。

为了解决上述问题，粒子加速器还包括均匀化装置40，均匀化装置40设置在汇聚装置30的出口位置处，均匀化装置40用于对主粒子束流进行均匀化处理。在子离子束流汇聚成主粒子束流后，在高能传输段设置的均匀化装置40，可以对束流正负轴方向的束流产生非线性聚焦等作用，从而实现均匀化的效果，最终打靶，降低靶因局部区域温度过高带来的损害风险，在靶系统的极限散热条件下获取更高的束流打靶，提高中子产额。

需要说明的是，目前常用的实现加速器束流密度均匀化的方法有束流扫描方法(扫描磁铁，通过改变束流轨道，在较长时间内实现均匀化)、采用非线性磁铁方式(八极磁铁、十二极磁铁、阶梯场磁铁和异型磁铁等对束流横向密度分布进行调整，实现均匀化)。本发明的均匀化装置40主要采用异型阶梯场磁铁，阶梯场磁铁磁场中具有一定强度的六极磁场分量、八极磁场分量和十二极场分量，利用六极磁场分量和八极磁场分量对束流中心部分进行调制，利用十二极磁场分量对束流边缘进行调制。结合了异型阶梯场磁铁、六极磁铁、十二极磁铁等的优势，实现到靶束流的均匀化处理。

基于本发明的束流均匀化装置40，可推广至D-LI、p-Li、D-Be、p-Be等多种中子源装置，束流均匀化后，有利于在靶系统的极限散热和同样的束斑半径限制下，获取更高流强的打靶束流，进而获取更高的中子产额，从而提高样品处的中子通量密度，有效的提高靶的寿命和束流利用效率。

根据本发明的第二个方面，还公开了一种粒子加速器，包括：多个粒子源10，粒子源10用于提供需要加速的子粒子束流；汇聚装置30，每个粒子源10的出口均朝向汇聚装置30的入口设置，以便所有子粒子束流进入汇聚装置30内，汇聚装置30用于将进入其内部的多条子粒子束流汇聚形成主粒子束流。本发明的粒子加速器可直接将多个粒子源10引出的子粒子束流进行汇聚调制后，再传输至下一个加速系统，从而突破了离子源引出束流流强限制，实现加速器更大束流流强的运行。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种粒子加速器，其特征在于，包括：

多个粒子源(10)，所述粒子源(10)用于提供需要加速的子粒子束流；

多个真空加速装置(20)，所述真空加速装置(20)与所述粒子源(10)一一对应设置，所述真空加速装置与所对应的粒子源(10)相连，所述真空加速装置(20)用于将对应的所述粒子源(10)提供的子粒子束流进行加速；

汇聚装置(30)，所述汇聚装置(30)与所有所述真空加速装置(20)相连，以便加速后的子粒子束流进入所述汇聚装置(30)内，所述汇聚装置(30)用于将进入其内部的多条加速后的子粒子束流汇聚形成主粒子束流。

2.根据权利要求1所述的粒子加速器，其特征在于，所述汇聚装置(30)包括：

离子漏斗(31)，所述离子漏斗(31)具有多个间隔设置的电极(311)，每个所述电极(311)上设置有过流孔(312)，所有所述过流孔(312)整体形成拟合通道(313)，所述拟合通道(313)用于通过加速后的子粒子束流，所述离子漏斗(31)用于将所述拟合通道(313)内的多条加速后的子粒子束流汇聚形成主粒子束流。

3.根据权利要求2所述的粒子加速器，其特征在于，

所有所述电极(311)上施加有射频电压，相邻的两个所述电极(311)上，所述射频电压的幅值相等且相位相反。

4.根据权利要求3所述的粒子加速器，其特征在于，

在所述拟合通道(313)的入口至所述拟合通道(313)的出口方向上，所述离子漏斗(31)上施加有直流梯度电压。

5.根据权利要求2所述的粒子加速器，其特征在于，

所述拟合通道(313)具有扩口段(313a)，所述扩口段(313a)位于所述拟合通道(313)的入口位置处，在所述拟合通道(313)入口至所述拟合通道(313)出口的方向上，位于所述扩口段(313a)内的所述极片上的过流孔(312)的孔径逐渐缩小。

6.根据权利要求5所述的粒子加速器，其特征在于，

所述拟合通道(313)具有漂移段(313b)，在所述拟合通道(313)入口至所述拟合通道(313)出口的方向上，所述扩口段(313a)与所述漂移段(313b)依次相连，位于所述漂移段(313b)内的所述极片上的过流孔(312)的孔径相同。

7.根据权利要求2所述的粒子加速器，其特征在于，

所述电极(311)为网状电极，所述过流孔(312)设置在所述网状电极的中心位置处。

8.根据权利要求2所述的粒子加速器，其特征在于，所述汇聚装置还包括：

磁透镜，沿所述拟合通道(313)入口至所述拟合通道(313)出口的方向，所述磁透镜设置在所述离子漏斗(31)的外周上。

9.根据权利要求1所述的粒子加速器，其特征在于，所述粒子加速器还包括：

均匀化装置(40)，所述均匀化装置(40)设置在所述汇聚装置的出口位置处，所述均匀化装置(40)用于对所述主粒子束流进行均匀化处理。

10.一种粒子加速器，其特征在于，包括：

多个粒子源(10)，所述粒子源(10)用于提供需要加速的子粒子束流；

汇聚装置(30)，每个所述粒子源(10)的出口均朝向所述汇聚装置(30)的入口设置，以便所有所述子粒子束流进入所述汇聚装置(30)内，所述汇聚装置(30)用于将进入其内部的多条子粒子束流汇聚形成主粒子束流。

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