CN116489864A - 紧凑型强流h2+超导回旋加速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器，包括强流分子束离子源、紧凑型LEBT、RFQ加速器和超导回旋加速器。所述强流分子束离子源用于产生H₂ ⁺分子束。所述强流分子束离子源的底端与所述紧凑型LEBT的顶端连通，所述紧凑型LEBT用于对所述含H₂ ⁺分子束的混合束进行筛选和聚焦。所述RFQ加速器用于将强流H₂ ⁺分子束进行预加速和纵向聚束。所述RFQ加速器的底端插入至所述超导回旋加速器并将H₂ ⁺分子束注入到回旋加速器的中心位置处，所述超导回旋加速器用于对所述H₂ ⁺分子束进行回旋加速。所述超导回旋加速器系统能够产生mA级束流强度，且束流能量在30～250MeV，结构紧凑占地面积小。

Description

紧凑型强流H2+超导回旋加速器

技术领域

本发明涉及一种紧凑型强流氢气离子(H₂ ⁺)超导回旋加速器，属于回旋加速器领域。

背景技术

回旋加速器经过近一个世纪的发展，逐步在科研和应用领域发挥着重要的作用。近十年来国际上有大量的回旋加速器应用于质子放射治疗和医用同位素生产等领域，但是传统的常温回旋加速器系统的设计规模较大，需要占用医院等部门更大的空间资源。伴随着超导磁铁技术的发展，应运而生的紧凑型超导回旋加速器以更低的功率损耗、更小的尺寸和占地面积等优势逐步成为新加速器的设计趋势。

目前国际上普遍运行的质子超导回旋加速器虽然降低了加速器尺寸，但受制于束流流强小，只能满足传统放射治疗和较少的医用同位素生产，面对不断发展的核医学领域，对于前沿的质子闪疗和批量化、规模化医用同位素生产方面，仍然存在很大的技术短板。高流强一直是制约回旋加速器发展的最大问题之一，而紧凑型超导加速器在尺寸大幅缩小的情况下会造成空间电荷效应更加明显，增加了实现高流强技术的难度，我们需要满足强流和超导两方面技术在一台回旋加速器上的结合。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器，解决目前质子回旋加速器设计规模大、引出流强低等技术短板问题，满足以批量化医用同位素生产与质子闪疗为主要目标的产业化应用需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明提供了一种紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器，包括：

强流分子束离子源，用于产生含H₂ ⁺分子束的混合束；

紧凑型LEBT，所述紧凑型LEBT的顶端与所述强流分子束离子源的底端连通，所述紧凑型LEBT用于对所述含H₂ ⁺分子束的混合束进行筛选得到H₂ ⁺分子束，以及对所述H₂ ⁺分子束进行聚焦和聚束；

RFQ加速器，所述RFQ加速器的顶端与所述紧凑型LEBT的底端连通，用于将所述H₂ ⁺分子束进行预加速和纵向聚束；

超导回旋加速器，所述RFQ加速器的底端插入至所述超导回旋加速器并将H₂ ⁺分子束注入到回旋加速器的中心位置处，所述超导回旋加速器用于对所述H₂ ⁺分子束进行回旋加速。

优选的，所述超导回旋加速器包括磁场装置和高频系统，所述磁场装置用于形成等时性磁场，所述高频系统用于为所述H₂ ⁺分子束提供加速电压。

优选的，所述高频系统包括4个双缝高频腔，4个所述双缝高频腔设置在所述超导回旋加速器的谷区，4个所述双缝高频腔沿着圆周方向均匀间隔布置。

优选的，所述还包括剥离膜，所述剥离膜设置在粒子达到引出能量的位置处，用于剥去H₂ ⁺粒子的一个电子而形成两个质子，获得双倍流强的质子束流。

优选的，还包括氦冷凝器和支架，所述氦冷凝器固定安装在所述超导回旋加速器上用于冷却所述超导回旋加速器，所述超导回旋加速器固定安装在所述支架上。

优选的，所述含H₂ ⁺分子束的混合束为10mA级。

优选的，RFQ加速器用于将所述H₂ ⁺分子束的能量提高至80keV。

优选的，所述RFQ加速器为CW型RFQ加速器。

优选的，所述超导回旋加速器的入口处设有静电反射镜，所述RFQ加速器的底端与所述静电反射镜的入口连通，并通过所述静电反射镜将束流水平注入到回旋加速器的入口处。

优选的，所述超导回旋加速器的中心位置处还设有刮束器，用于对束流进行主动刮束，控制束流的发射度和包络等参数。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1)紧凑型强流分子束离子源与紧凑型LEBT组合向RFQ加速器预注入器提供强流H₂ ⁺离子束；

2)采用紧凑型强流CW(连续波)RFQ加速器作为回旋预加速注入器，注入强流H₂ ⁺离子束，实现束流的预加速并兼顾纵向聚束，提高对回旋加速器强流H₂ ⁺离子束的耦合效率；

3)通过mA级H₂ ⁺加速，降低空间电荷效应的影响，提高回旋加速器的强流离子束加速能力与束流品质；

4)采用引出剥离靶结构，获得双倍流强的质子束。

5)产生mA级束流强度，能量在30～250MeV的紧凑型强流质子超导回旋加速器，通过采用紧凑型强流分子束离子源、紧凑LEBT、CW型(连续波)RFQ以及引出剥离靶等结构，不仅解决了目前质子回旋加速器设计规模大、引出流强低等技术短板问题，而且满足了以批量化医用同位素生产与质子闪疗为主要目标的产业化应用需求。

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是紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器的一实施例的结构示意图；

图2是超导回旋加速器的内部结构示意图；

图3为RFQ加速器与超导回旋加速器的截面视图；

附图中各标记表示如下：

1、强流分子束离子源；2、紧凑型LEBT；3、RFQ加速器；4、超导回旋加速器；5、氦冷凝器；6、支架；41、超导磁铁铁芯；42、超导线圈；43、双缝高频腔；44、剥离膜；46、静电反射镜；47、主磁场区；48-磁铁铁轭。

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。

本发明的实施例提供了一种紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器，包括强流分子束离子源、紧凑型LEBT(低能束流传输线)、RFQ加速器(射频四极场)和超导回旋加速器。所述强流分子束离子源用于产生含H₂ ⁺分子束的混合束。所述紧凑型LEBT的顶端与所述强流分子束离子源的底端连通，所述紧凑型LEBT用于对所述含H₂ ⁺分子束的混合束进入进行筛选和聚焦。所述RFQ加速器的顶端与所述紧凑型LEBT的底端连通，用于将强流H₂ ⁺分子束进行预加速和纵向聚束。所述RFQ加速器的底端插入至所述超导回旋加速器并将H₂ ⁺分子束注入到回旋加速器的中心位置处，所述超导回旋加速器用于对所述H₂ ⁺分子束进行回旋加速。

所述超导回旋加速器系统能够产生mA级束流强度，且束流能量在30～250MeV，通过采用紧凑型强流分子束离子源、紧凑型LEBT、RFQ加速器等结构，不仅解决了目前质子回旋加速器设计规模大、引出流强低等技术短板问题，而且满足了以批量化医用同位素生产与质子闪疗为主要目标的产业化应用需求。

实施例1

如图1至图3所示，所述紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器，包括支架以及固定安装在所述支架6上的强流分子束离子源1、紧凑型LEBT2、RFQ加速器3和超导回旋加速器4。所述强流分子束离子源1用于产生含H₂ ⁺分子束的混合束。所述强流分子束离子源1的底端与所述紧凑型LEBT2的顶端连通，紧凑型LEBT2用于对所述含H₂ ⁺分子束的混合束进行筛选和聚焦。所述RFQ加速器3的顶端与所述紧凑型LEBT2的底端连通，用于将强流H₂ ⁺分子束进行预加速和纵向聚束。所述RFQ加速器3的底端插入至所述超导回旋加速器4并将H₂ ⁺分子束注入到回旋加速器4的中心位置处，所述超导回旋加速器4用于对所述H₂ ⁺分子束进行回旋加速。

所述超导回旋加速器系统能够产生mA级束流强度，且束流能量在30～250MeV，通过采用紧凑型强流分子束离子源1、紧凑LEBT2、RFQ加速器3等结构，不仅解决了目前质子回旋加速器设计规模大、引出流强低等技术短板问题，而且满足了以批量化医用同位素生产与质子闪疗为主要目标的产业化应用需求。

所述强流分子束离子源1位于整个系统的顶端，垂直向下放置。将产生10mA级的H₂ ⁺分子束及其他粒子(p、H₃ ⁺等)混合束，并从下方引出H₂ ⁺分子束和其他粒子混合束。

所述紧凑型LEBT2位于所述强流分子束离子源1正下方，连接强流分子束离子源与RFQ加速器3。将对强流分子束离子源1引出的束流进行筛选，能够得到纯的H₂ ⁺分子束流；然后对束流进行聚焦和聚束，提高束流质量，并注入下方RFQ加速器3。

所述RFQ加速器3为CW型加速器，所述CW型RFQ加速器3为此加速器系统的预加速注入器，垂直置于紧凑型LEBT2下方，并有约二分之一垂直插入超导回旋加速器4上磁铁中心位置，后与超导回旋加速器4的静电反射镜连接。将强流H₂ ⁺分子束进行预加速并兼顾纵向聚束，提高对超导回旋加速器4强流H₂ ⁺离子束的耦合效率，最终产生80keV的H₂ ⁺分子束，并将束流注入到超导回旋加速器4的反射镜入口处。

所述反射镜设置在RFQ加速器3与超导回旋加速器4中平面之间，主要原理为利用静电场将垂直向下的注入束流偏转到超导回旋加速器4上下磁铁之间的中平面(束流加速和传输区域)的角向方向。

超导回旋加速器4为本系统的主加速器，位于整个装置的主体位置，其束流通道与插入式RFQ加速器3于静电反射镜处连接。

采用轴向注入的方法，将预加速的80keVH₂ ⁺分子束通过静电反射镜注入到超导回旋加速器4主磁场区47的中心平面位置。所述超导回旋加速器4的中心区还设置刮束器，对束流进行主动刮束，控制束流的发射度和包络等参数，提高强流束传输品质，减小空间电荷效应对加速和传输的影响。刮束器设置在束流运动的前几圈，具体位置根据束流传输情况而定，一般选择焊接或支撑在磁铁极面或者高频腔内表面。

如图2所示，所述超导回旋加速器包括磁场装置和高频系统，所述磁场装置用于形成等时性回旋磁场，所述高频系统用于为所述H₂ ⁺分子束提供加速电压。所述高频系统包括4个双缝高频腔43，4个所述双缝高频腔43设置在所述超导回旋加速器4的谷区。

所述磁场装置包括超导磁铁铁芯41、超导线圈42和磁铁铁轭48，所述铁芯41包括上层磁铁扇块和下层磁铁扇块。所述超导线圈42缠绕在所述上层磁铁扇块和下层磁铁扇块的外侧。所述上层磁铁扇块和下层磁铁扇块相对且间隔设置。所述上层磁铁扇块和下层磁铁扇块均包括四扇超导磁铁41，能够提供精确的等时性磁场，所述超导磁铁41并采用直边扇与螺旋扇相结合的扇块形状，提高了纵向聚焦能力并兼顾高频腔的稳定性，使强流束稳定的沿设计轨道进行传输和加速。

所述超导回旋加速器系统还包括剥离膜44，所述剥离膜44设置在粒子达到引出能量的位置处，用于剥去H₂ ⁺粒子的一个电子而形成两个质子，获得双倍流强的质子束流。采用剥离引出方式，剥离膜44放置在粒子达到引出能量的位置处，剥去H₂ ⁺粒子的一个电子而形成两个质子，获得双倍流强的质子束流，并通过引出系统传输到后续位置。

所述的紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器系统还包括氦冷凝器5，所述氦冷凝器5用于冷却所述超导回旋加速器4，所述氦冷凝器5固定安装在所述超导回旋加速器4上。

本发明设计了产生mA级束流强度，能量在30～250MeV的紧凑型强流质子超导回旋加速器，通过采用紧凑型强流分子束离子源、紧凑LEBT、CW型(连续波)RFQ以及引出剥离靶等结构，不仅解决了目前质子回旋加速器设计规模大、引出流强低等技术短板问题，而且满足了以批量化医用同位素生产与质子闪疗为主要目标的产业化应用需求。

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 (9)

1.一种紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器，其特征在于，包括：

强流分子束离子源，用于产生含H₂ ⁺分子束的混合束；

紧凑型LEBT，所述紧凑型LEBT的顶端与所述强流分子束离子源的底端连通，所述紧凑型LEBT用于对所述含H₂ ⁺分子束的混合束进行筛选得到H₂ ⁺分子束，以及对所述H₂ ⁺分子束进行聚焦和聚束；

RFQ加速器，所述RFQ加速器的顶端与所述紧凑型LEBT的底端连通，用于将所述H₂ ⁺分子束进行预加速和纵向聚束；

超导回旋加速器，所述RFQ加速器的底端插入至所述超导回旋加速器并将H₂ ⁺分子束注入到回旋加速器的中心位置处，所述超导回旋加速器用于对所述H₂ ⁺分子束进行回旋加速。

2.根据权利要求1所述的紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器，其特征在于，所述超导回旋加速器包括磁场装置和高频系统，所述磁场装置用于形成等时性磁场，所述高频系统用于为所述H₂ ⁺分子束提供加速电压。

3.根据权利要求2所述的紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器，其特征在于，所述高频系统包括4个双缝高频腔，4个所述双缝高频腔设置在所述超导回旋加速器的谷区，4个所述双缝高频腔沿着圆周方向均匀间隔布置。

4.根据权利要求1所述的紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器，其特征在于，所述还包括剥离膜，所述剥离膜设置在粒子达到引出能量的位置处，用于剥去H₂ ⁺粒子的一个电子而形成两个质子，获得双倍流强的质子束流。

5.根据权利要求9所述的紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器，其特征在于，还包括氦冷凝器和支架，所述氦冷凝器固定安装在所述超导回旋加速器上用于冷却所述超导回旋加速器，所述超导回旋加速器固定安装在所述支架上。

6.根据权利要求1所述的紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器，其特征在于，所述含H₂ ⁺分子束的混合束为10mA级。

7.根据权利要求1所述的紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器，其特征在于，所述RFQ加速器为CW型RFQ加速器。

8.根据权利要求1所述的紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器，其特征在于，所述超导回旋加速器的入口处设有静电反射镜，所述RFQ加速器的底端与所述静电反射镜的入口连通，并通过所述静电反射镜将束流水平注入到回旋加速器的入口处。

9.根据权利要求1所述的紧凑型强流H₂ ⁺超导回旋加速器，其特征在于，所述超导回旋加速器的中心位置处还设有刮束器，用于对束流进行主动刮束，控制束流的发射度和包络参数。