CN116156730A

CN116156730A - 一种用于回旋加速器的轴向注入器的结构

Info

Publication number: CN116156730A
Application number: CN202310025433.1A
Authority: CN
Inventors: 赵红卫; 杨尧; 孙良亭
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2023-01-09
Filing date: 2023-01-09
Publication date: 2023-05-23
Anticipated expiration: 2043-01-09
Also published as: CN116156730B

Abstract

本发明涉及一种用于回旋加速器的轴向注入器的结构，属于回旋加速器技术领域。本发明的用于回旋加速器的轴向注入器的结构包括叉指H型射频四极杆聚束腔组件，该聚束腔组件的部分腔体插入回旋加速器的中心。在另一些实施例中，该结构还包括冷却组件，冷却组件可实现对聚束腔组件的冷却功能。本发明提供的叉指H型射频四极杆聚束腔组件结构可以将聚束效率从传统的不足50％提高至80％‑100％；并有效减少回旋加速器中的粒子损失，减轻离子源的压力，对于发展强流回旋加速器具有重要意义。另外，通过冷却组件的设置，有效保证了聚束腔组件的稳定运行，并可以使聚束腔组件在连续波模式下运行。

Description

一种用于回旋加速器的轴向注入器的结构

技术领域

本发明涉及一种回旋加速器技术领域，尤其涉及一种用于回旋加速器的轴向注入器的结构。

背景技术

回旋加速器被广泛用于科学研究、医疗设备以及同位素生产等领域。相比于直线加速器，回旋加速器的一大劣势在于其束流强度较低，很少有引出流强超过1emA的回旋加速器。限制回旋加速器束流强度的因素之一是束流注入效率低，这是因为回旋加速器的纵向接受度较小，一般纵向相宽接受度不超过±20度，能散接受度小于±3％。如果将直流束(未被纵向聚束)注入回旋加速器，可被接收的束流不到10％；如果在注入线采用传统的单间隙或双间隙聚束器，聚束效率不到50％。随着束流强度的提高，空间电荷效应更强，传统的聚束效率将会更低，这不仅要求离子源提供更高流强的离子束，还会导致大量离子损失在回旋加速器中，带来打火等一系列危害。因此，提高聚束效率，是强流回旋加速器需要解决的关键问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种聚束效率高、运行稳定的用于回旋加速器的轴向注入器的结构。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

在一些实施例中，一种用于回旋加速器的轴向注入器的结构，其包括叉指H型射频四极杆(IH型RFQ，即Interdigital H-mode Radio Frequency Quadrupole)聚束腔组件，所述聚束腔组件的部分腔体插入回旋加速器的中心。

一种用于回旋加速器的轴向注入器的结构，其特征在于，包括叉指H型射频四极杆聚束腔组件，聚束腔组件的部分腔体插入回旋加速器的中心。

聚束腔组件外形为八边形结构，横截面最大直径不超过300毫米。

聚束腔组件包括本体、调谐器和耦合器；调谐器和耦合器设在本体上。

本体包括带有空腔的腔筒、平行设置于腔筒上的大梁、间隔设置于大梁上的多个支撑杆、设于多个支撑杆上的多个支撑环和设于多个支撑环上的四根带调制的电极。

调谐器包括多个电感性调谐器，多个电感性调谐器分布设于本体的两侧。

调谐器包括固定调谐器和可调的调谐器。

耦合器设于本体的外部，耦合器外接三英寸高频馈管至功率源。

还包括冷却组件，冷却组件可实现对聚束腔组件的冷却。

冷却组件为水冷系统。

冷却系统设于腔筒、多个支撑杆、多个支撑环、四根电极、调谐器和耦合器上，并实现对腔筒、多个支撑杆、多个支撑环、四根电极、调谐器和耦合器的冷却

在另一些实施例中，本申请的轴向注入器的结构还包括冷却组件，所述冷却组件可实现对所述聚束腔组件的冷却。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、与传统的外聚束相比，避免束流在聚束器和静电偏转器之间长距离漂移导致的束流相宽增加，尤其对于强流束，纵向空间电荷效应会导致束流相宽迅速增加，降低注入效率；

2、射频四极杆(RFQ)加速器本身的纵向聚束效果远好于传统的单间隙或双间隙聚束器，传统的聚束效率不足50％，而本申请提供的聚束效率可达到80％～100％，即最高可达100％；本发明RFQ设计包含四段，即横向匹配段，成形段，绝热聚束段和加速段，其中成形段和绝热聚束段相当于一系列的纵向聚束单元，聚束后，所有子在纵向相空间都分布在较小的相宽内(大约±20度内)。而传统的聚束器仅1-2个聚束单元，聚束后，粒子仍分布在±180度的相宽中，只是在0度附近聚集了更多的粒子。因此RFQ的聚束效率远好于传统的聚束器。

3、射频四极杆(RFQ)加速器集横向聚焦、纵向聚束和加速为一体，可以提供较高能量的离子束，因此可以省略回旋加速器注入线中的部分元件，如高压平台等；

4、另外，通过冷却组件的设置，有效保证了聚束腔组件的稳定运行，并可以使聚束腔组件在连续波模式下运行。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1本发明的轴向注入器的结构一些实施例的一侧结构示意图；和

图2本发明的轴向注入器的结构一些实施例的剖切的结构示意图。

附图中各标记表示如下：

1-腔筒，2-位置可调调谐器，3-耦合器，4-固定调谐器接口，5-真空端口，6-冷却水路，7-大梁，8-支撑杆，9-支撑环，10-电极。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

根据本申请的一些实施例，用于回旋加速器的轴向注入器的结构用于放射性同位素生产。

RFQ具有较高的聚束效率，把它用作回旋加速器的注入器，并直接插入回旋的中心，使得尺寸紧凑。RFQ尺寸要非常紧凑，根据本申请的一些实施例使用了IH结构，使得结构紧凑。

如图1和图2所示，本申请的一种用于回旋加速器的轴向注入器的结构，其包括叉指H型射频四极杆(或称叉指H型射频四极；即IH型RFQ)聚束腔组件，所述聚束腔组件的部分腔体插入回旋加速器的中心，进而形成IH型RFQ回旋加速器。IH结构的RFQ具有分路阻抗高、尺寸小的优势，因此可以直接将RFQ的一端插入回旋加速器中心区，即回旋加速器采用中心注入的方式，尽量接近静电偏转器，避免RFQ出口束流发散造成的相宽增加。本申请上述技术方案的有益效果在于：

(1)与传统的外聚束相比，避免束流在聚束器和静电偏转器之间长距离漂移导致的束流相宽增加，尤其对于强流束，纵向空间电荷效应会导致束流相宽迅速增加，降低注入效率；

(2)射频四极加速器本身的纵向聚束效果远好于传统的单间隙或双间隙聚束器，传统的聚束效率不足50％，而本申请提供的聚束效率最高可达100％；

(3)射频四极(RFQ)加速器集横向聚焦、纵向聚束和加速为一体，可以提供较高能量的离子束，因此可以省略回旋加速器注入线中的部分元件，如高压平台等。

(4)本申请在用于生产医用同位素或者癌症治疗的领域效果更为明显，通过紧凑型超导质子回旋加速器的轴向注入器的结构设计，聚束效率可达到80％～100％。提高聚束效率，不仅可以减轻离子源的压力，还能减少回旋加速器中的离子损失，是提高回旋加速器束流强度的有效手段。

如图1和图2所示，在一些实施例中，本申请的聚束腔组件外形为八边形结构，横截面最大直径不超过300毫米。横向尺寸小，因此可以将部分聚束腔组件的腔体插入回旋加速器中心，缩小聚束器和静电偏转器的漂移距离。

如图1和图2所示，聚束腔组件包括本体、调谐器和耦合器3。调谐器和耦合器3设在本体上。

如图1和图2所示，本体包括带有空腔的腔筒1、平行设置于腔筒1内的大梁7、间隔设置于大梁7上的多个支撑杆8、设于多个支撑杆8上的多个支撑环9和设于多个支撑环9内的四根带调制的电极10。平行设置的大梁7优选为两个。如图1和图2所示，在聚束腔组件的本体上还设有真空端口5，真空端口5的一端与外部的真空泵连通，另一端与腔筒1连通。真空泵工作时，可以将腔筒1抽成真空。

如图1和图2所示，调谐器包括多个电感性调谐器，多个电感性调谐器分布设于本体的两侧。

如图1和图2所示，调谐器包括固定调谐器和可调的调谐器2。固定调谐器通过固定调谐器接口4设于腔筒1上，固定调谐器接口4设于本体的侧面。这里的“可调的调谐器2”指的是位置可调的调谐器2。可调的调谐器2可实现腔体频率在线调节。

如图1和图2所示，耦合器3设于本体的外部，耦合器3外接三英寸高频馈管至功率源。功率耦合采用磁耦合的方式，耦合器3安放在腔体的外露部分，可以保障耦合器3外接三英寸高频馈管至功率源。

如图1和图2所示，本申请的一些实施例中还包括冷却组件，冷却组件可实现对聚束腔组件的冷却。优选的，冷却组件为水冷系统。水冷系统通过冷却水路6来实现。

如图1和图2所示，冷却系统设于腔筒1、多个支撑杆8、多个支撑环9、四根电极10、调谐器和耦合器3上，并实现对腔筒1、多个支撑杆8、多个支撑9、四根电极10、调谐器和耦合器3的冷却。因为聚束腔组件的腔体将运行在几千瓦到十几千瓦连续波模式下，因此良好的水冷是腔体稳定运行的保障。因此在支撑杆8、支撑环9、电极10、腔筒1、调谐器、耦合器3上设置冷却水路会有效保障系统的稳定运行。

根据本申请的一些实施例，主体结构主要由上、下大梁7、8个支撑杆、8个支撑环和4根带调制的电极10组成。腔体一共设计了5个电感性调谐器，5个电感性调谐器分布在腔筒1的两侧，其中3个电感性调谐器为通过固定调谐器接口4连接的固定的调谐器(未显示)，2个电感性调谐器为位置可调的调谐器2。位置可调的调谐器2实现腔体频率在线调节。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种用于回旋加速器的轴向注入器的结构，其特征在于，包括叉指H型射频四极杆聚束腔组件，所述聚束腔组件的部分腔体插入回旋加速器的中心。

2.根据权利要求1所述的轴向注入器的结构，其特征在于，所述聚束腔组件外形为八边形结构，横截面最大直径不超过300毫米。

3.根据权利要求1或2所述的轴向注入器的结构，其特征在于，所述聚束腔组件包括本体、调谐器和耦合器；所述调谐器和耦合器设在所述本体上。

4.根据权利要求3所述的轴向注入器的结构，其特征在于，所述本体包括带有空腔的腔筒、平行设置于腔筒上的大梁、间隔设置于大梁上的多个支撑杆、设于多个支撑杆上的多个支撑环和设于多个支撑环上的四根带调制的电极。

5.根据权利要求3所述的轴向注入器的结构，其特征在于，所述调谐器包括多个电感性调谐器，所述多个电感性调谐器分布设于所述本体的两侧。

6.根据权利要求3所述的轴向注入器的结构，其特征在于，所述调谐器包括固定调谐器和可调的调谐器。

7.根据权利要求3所述的轴向注入器的结构，其特征在于，所述耦合器设于本体的外部，所述耦合器外接三英寸高频馈管至功率源。

8.根据权利要求4所述的轴向注入器的结构，其特征在于，还包括冷却组件，所述冷却组件可实现对所述聚束腔组件的冷却。

9.根据权利要求8所述的轴向注入器的结构，其特征在于，所述冷却组件为水冷系统。

10.根据权利要求9所述的轴向注入器的结构，其特征在于，所述冷却系统设于所述腔筒、多个支撑杆、多个支撑环、四根电极、调谐器和耦合器上，并实现对所述腔筒、多个支撑杆、多个支撑环、四根电极、调谐器和耦合器的冷却。