CN116916517A - 一种内导体截断式花瓣加速器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内导体截断式花瓣加速器及粒子加速方法，内导体截断式花瓣加速器包括粒子枪、谐振腔以及若干偏转磁铁，所述谐振腔包括束流孔、内导体以及外导体，所述内导体包括上内导体和下内导体，所述上内导体和下内导体之间设置有间隙，所述间隙的宽度和所述束流孔的孔径相同，所述花瓣加速器在次高阶谐振模式下工作。本发明将上内导体和下内导体之间设置一定的间隙，使得两者不连通，且在使用时采用次高阶谐振模式，即可达到常规花瓣加速器对粒子的加速效果，并且加速效率不受束流孔径和内导体半径Rin之间形成的几何结构的限制，可以有效提高粒子的加速效率。
Description
技术领域
本发明涉及粒子加速器领域，具体涉及一种内导体截断式花瓣加速器及粒子加速方法。
背景技术
花瓣加速器是Jacques Pottier于1989年提出的一种加速结构。加速腔是一个二分之一波长的谐振腔，粒子在谐振腔中加速之后，通过磁铁偏转，再次进入加速腔进行加速，如图1所示。花瓣加速器单个加速间隙的分流阻抗并不高，通过磁铁将粒子束偏转回加速腔中进行多次加速，总分流阻抗(与加速效率成正比)与加速次数的平方成正比，从而大大提高了加速效率，因此加速效率受加速次数的影响最大。
常规花瓣加速器的加速次数多在10次。限制加速次数继续提高的一个重要因素为束流孔径和内导体半径Rin。常规花瓣加速器的谐振腔如图2所示。为了屏蔽电磁场进入内导体中，需要保持束流孔的完整性，连接上下内导体，导致加速器结构需满足以下限制关系：/> N为加速次数。束流孔径的减小会导致粒子束流强度减小(减小束流功率)，降低加速效率。增加内导体半径会使花瓣加速器谐振腔功率损耗增加，降低加速效率。如何解决花瓣加速器中内导体半径、加速次数和束流孔径之间的限制关系是提高花瓣加速器加速的最有效手段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有花瓣加速器受束流孔径和内导体半径Rin影响而被限制加速次数。本发明的第一目的在于提供一种内导体截断式花瓣加速器，对粒子进行加速时，加速次数不受束流孔径/>和内导体半径Rin影响，因此可以大大增加花瓣加速器加速次数，提高加速器效率。
本发明通过下述技术方案实现：
一种内导体截断式花瓣加速器，包括粒子枪、谐振腔以及若干偏转磁铁，所述谐振腔包括束流孔、内导体以及外导体，所述内导体包括上内导体和下内导体，所述上内导体和下内导体之间设置有间隙，所述花瓣加速器在次高阶谐振模式下工作。
采用上述技术方案的情况下，谐振腔内的电场分布也满足加速粒子的要求，且谐振腔的品质因素、分流阻抗等参数与常规花瓣加速器工作在基础谐振模式下相当，解除了现有常规花瓣加速器的几何结构导致的限制关系：从而可以大大增加花瓣加速器的加速次数，进而提高花瓣加速器总的加速效率。
作为一种可能的设计，所述谐振腔位于所述花瓣形加速器的中心处设为同轴结构，所述粒子枪安装于所述谐振腔外侧，若干所述偏转磁铁环绕所述谐振腔分布，所述谐振腔上设有一个粒子出射口，所述粒子出射口处不安装所述偏转磁铁。
作为一种可能的设计，所述粒子枪和粒子出射口在所述谐振腔上的设置位置固定。
本发明的有益效果为：
本发明将上内导体和下内导体之间设置一定的间隙，使得两者不连通，且在使用时采用次高阶谐振模式，即可达到常规花瓣加速器对粒子的加速效果，并且加速次数不受束流孔径和内导体半径Rin之间形成的几何结构的限制，可以有效提高粒子的加速效率。加速次数不受束流孔径/>和内导体半径Rin的影响，即不受几何结构的限制关系，因此能够提高加速效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为现有常规花瓣加速器的示意图；
图2为现有常规花瓣加速器的谐振腔的示意图；
图3为本发明实施例中花瓣加速器的谐振腔的示意图；
图4为现有常规花瓣加速器的谐振腔中内导体常规使用时的状态图；
图5为本发明实施例中花瓣加速器的谐振腔中内导体在次高阶谐振模式下使用时的状态图；
图6为本发明实施例中花瓣加速器的谐振腔中内导体在基础谐振模式下使用时的状态图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-粒子枪，2-谐振腔，3-偏转磁铁，4-束流孔，5-内导体，501-上内导体，502-下内导体，6-外导体，601-上外导体，602-下外导体，7-端盖，8-间隙。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
图1示出了现有花瓣加速器的结构图，图2示出了现有花瓣加速器的谐振腔的结构图，现有花瓣加速器是在基础谐振模式上进行工作，并且谐振腔中的上内导体和下内导体是连接成一体的，并且两者连接处开设有束流孔，屏蔽电磁场进入内导体中，需要保持束流孔的完整性，连接上内导体和下内导体。为保持束流孔的完整性，上内导体和下内导体与束流空形成的几何结构关系导致加速器需满足以下限制关系：N为加速次数，/>为束流孔径，Rin为内导体半径，由此可知，限制加速次数的最主要的两个因素为束流孔径和内导体半径，具体为：束流孔径的减小会导致粒子束流强度减小(减小束流功率)，降低加速效率；增加内导体半径会使花瓣加速器谐振腔功率损耗增加，降低加速效率。
本发明发明人偶然发现将上内导体和下内导体之间设置一定宽度的空隙使得两者截断，不连接成一个整体，并且采用次高阶谐振模式，谐振腔内的电场分布也满足加速粒子的要求，且谐振腔的品质因素、分流阻抗等参数与常规花瓣加速器工作在基础谐振模式下相当。最主要是加速次数不再受束流孔径和内导体半径的影响，解除了几何结构的限制关系：从而可以大大增加花瓣加速器的加速次数，从而提高花瓣加速器总的加速效率。
本发明实施例提供一种内导体5截断式花瓣加速器，该花瓣加速器的外形结构和图1相同，花瓣加速器包括粒子枪1以及若干偏转磁铁3，区别点在于：谐振腔2的结构和图2所示的结构不同。如图3所示，前述谐振腔2包括束流孔4、内导体5以及外导体6，所述内导体5包括上内导体501和下内导体502，所述上内导体501和下内导体502之间设置有间隙8，所述间隙8的宽度和所述束流孔4的孔径相同，所述花瓣加速器在次高阶谐振模式下工作。
由于上内导体501和下内导体502之间不通过束流孔4连接成一体，因此需要有结构来固定上内导体501和下内导体502。在一种可能的实施方式中，如图3所示，所述外导体6包括上外导体601和下外导体602，上外导体601和下外导体602连接成一体且两者连接处开设有束流孔4；内导体5设置于所述外导体6内，所述外导体6内的两端分别连接有端盖7，并且端盖7同时和所述上内导体501的端部和下内导体502的端部连接。此处的连接可以是固定连接，也可以是螺纹连接。
除了谐振腔2的结构和现有花瓣加速器中谐振腔2不同以外，其余部件和连接关系两者可以相同，具体可以如下：
所述谐振腔2位于所述花瓣形加速器的中心处设为同轴结构，所述粒子枪1安装于所述谐振腔2外侧，若干所述偏转磁铁3环绕所述谐振腔2分布，所述谐振腔2上设有一个粒子出射口，所述粒子出射口处不安装所述偏转磁铁3。
所述粒子枪1和粒子出射口在所述谐振腔2上的设置位置固定。
本发明实施例还公开了基于前述内导体截断式花瓣加速器的粒子加速方法，包括：
S1.将谐振腔的谐振模式调整为次高阶谐振模式；
S2.启动电磁场；
S3.启动粒子枪发射待加速的粒子。
上述粒子加速方法操作简单，且能够实现粒子的加速速度，提高了加速效率。
需要说明的是，本发明中，所述“基础谐振模式”是指谐振腔在最低谐振频率下具有的电磁场分布。所述“次高阶谐振模式”是指仅比最低谐振频率高的谐振频率下具有的电磁场分布。
以下以只有谐振腔不同的内导体截断式花瓣加速器和现有常规花瓣加速器进行性能的比较，其中：内导体截断式花瓣加速器和常规花瓣加速器的偏转磁铁的数量均为9个，比较结果如表1所示。
表1
由表1可知，内导体截断式花瓣加速器中谐振腔内的电场分布也满足加速粒子的要求，且谐振腔的品质因素、分流阻抗等参数与常规花瓣加速器工作在基础谐振模式下相当。
其中：常规花瓣加速器的谐振腔中电场分布如图4所示；内导体截断式花瓣加速器的谐振腔在次高阶谐振模式中电场分布如图5所示；内导体截断式花瓣加速器的谐振腔在基础谐振模式中电场分布如图6所示。
由图4和5可知，内导体截断式花瓣加速器中谐振腔在次高阶谐振模式中电场分布和常规花瓣加速器的谐振腔中电场分布均满足粒子加速要求，然而内导体截断式花瓣加速器中谐振腔在基础谐振模式中电场分布不满足粒子加速要求，因此，本发明提供的内导体截断式花瓣加速器需要在次高阶谐振模式下使用。
综上所述，本发明公开的内导体截断式花瓣加速器的加速性能不受几何结构的限制(即加速次数不受束流孔半径和内导体半径的限制)，从而提高加速效率，值得推广使用。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种内导体截断式花瓣加速器，包括粒子枪、谐振腔以及若干偏转磁铁，所述谐振腔包括束流孔、内导体以及外导体，所述内导体包括上内导体和下内导体，其特征在于，所述上内导体和下内导体之间设置有间隙，所述花瓣加速器在次高阶谐振模式下工作。
2.根据权利要求1所述的内导体截断式花瓣加速器，其特征在于，所述谐振腔位于所述花瓣形加速器的中心处设为同轴结构，所述粒子枪安装于所述谐振腔外侧，若干所述偏转磁铁环绕所述谐振腔分布，所述谐振腔上设有一个粒子出射口，所述粒子出射口处不安装所述偏转磁铁。
3.根据权利要求2所述的内导体截断式花瓣加速器，其特征在于，所述粒子枪和粒子出射口在所述谐振腔上的设置位置固定。
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- 2023-07-18 CN CN202310881333.9A patent/CN116916517A/zh active Pending
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