CN117641695A - 一种漂移管直线加速器及带电粒子直线加速器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种漂移管直线加速器及带电粒子直线加速器系统，包括加速器壳体，加速器壳体两侧端板上分别设有束流入口、束流出口，加速器壳体内上、下分别设有支撑板，加速器壳体内两侧端板之间沿轴向间隔设置有多个漂移管，相邻的漂移管交替通过支撑杆固定在上、下的支撑板上，两侧端板内侧设置有中空的端部漂移管，所有相邻的漂移管之间真空密封连接有隔离管，漂移管及隔离管内部空间形成束流加速通过的加速区，加速器壳体内其余空间为非加速区，加速区连通有真空泵，加速区由真空泵维持高真空，非加速区处在大气压或干燥气体氛围。本发明中，非加速区工作在大气压条件下，加速器壳体无需考虑真空密封要求，可以做到轻量化、结构简单化。

Description

一种漂移管直线加速器及带电粒子直线加速器系统

技术领域

本发明涉及粒子加速设备技术及其应用领域，具体涉及一种加速质子、或氦粒子或重离子的漂移管直线加速器及带电粒子直线加速器系统。它可以用作质子或重离子肿瘤治疗装置的直线注入加速器或用于制造放射性核素的装置。

背景技术

一般用于肿瘤治疗的质子或重离子装置需要由粒子加速器将带电粒子加速到光速的20％至70％左右，而加速器的构成通常由直线注入加速器和同步加速器相结合，其中直线注入加速器通常由产生带电粒子的离子源(比如利用电子回旋共振原理的ECR离子源)、射频四极场直线加速器(RFQ加速器)和接在RFQ加速器后面的漂移管加速器组成。被漂移管加速器加速到注入能量的带电粒子再被中能输运线输运到同步加速器的注入口，被注入的带电粒子最终被同步加速器加速到肿瘤治疗所需要的能量。还有一种放射线核素制造用的加速器，直接利用漂移管加速器输出的带电粒子打靶产生所需要的核素。漂移管加速器是一种常用的带电粒子加速器，漂移管直线加速器通过在加速谐振腔内沿射束前进方向配置两个以上中空圆柱形状的漂移管电极来构成，对加速谐振腔内提供高频功率，也就是向加速谐振腔内馈入谐振频率的大功率微波，使漂移管电极之间产生高频电场、当带电粒子通过相邻漂移管之间的间歇时对带电粒子(例如，质子或碳离子等)沿射束前进方向进行加速。如专利文献(公告CN103026802B)所展示的内容那样，漂移管直线加速器的一种叫做变相位聚焦漂移管直线加速器(APF-IH型直线加速器)在加速带电粒子的同时，漂移管之间形成的交变电场还可以对带电粒子实施有效的输运作用，使得带电粒子在被加速的同时不至于在加速过程中过于发散而丢失。为了达到同样目的，有的漂移管直线加速器还在加速腔内适当位置布置了防止束流过度发散的聚焦四极磁铁。这两种情况下，漂移管直线加速器对带电粒子的基本加速原理是一样的。

漂移管直线加速器在运行时，需要使加速器腔体内保持高真空状态以避免出现放电和避免带电粒子束流与气体分子发生碰撞而丢失。现有的漂移管直线加速器，例如中国实用新型专利CN216982176U和CN103026802B公开的交变相位聚焦漂移管加速器，包括第一壳体、第二壳体和加速主体，其中，第一壳体通过其内周壁限定第一加速半腔，第二壳体通过其内周壁限定第二加速半腔，加速主体为板式结构一体成型的中心算盘结构，加速主体包括框架和在框架内沿轴线交替排列的漂移管和加速间隙，加速主体通过框架安装固定在第一壳体和第二壳体之间以使得第一加速半腔和第二加速半腔分别位于加速主体的相对两侧，第一加速半腔、第二加速半腔和加速间隙组合成为交变相位聚焦漂移管加速器的加速腔。加速器的整个内腔均为加速腔，加速腔容积大，在进行抽真空时，需要对整个腔体进行做功，抽真空时间长，效率低，维持整个腔体的高真空度也需要较大排气容量的真空泵。同时，为了给加速腔体提供大功率微波的功率耦合器、以及加速器控制需要的腔体微波信号拾取器、还有稳定腔体内谐振频率和电场分布的调谐器都需要兼有真空密封和高频密封结构，这种结构是耦合器等的制造工艺复杂、成本高、容易故障的主要原因，特别是调谐器需要在同时维持真空密封和高频密封的状态下调整插入加速腔体内的深度。进一步，由于整个加速腔体需要工作在高真空度条件下，按每平方厘米1kg计算，加速器腔体必须承受几十吨甚至几百吨的大气压的压力，必然导致加速腔体的壁厚在几厘米以上，所以加速器的重量很大，材料成本增加。又如中国发明专利申请CN113784495A公开的一种高梯度大强度谐波型加速器，中国发明专利CN104703380B公开的单腔多束型漂移管离子加速装置，均是在加速器腔体内直接间隔安装漂移管，整个腔体内部空间连通，均存在上述抽真空时间长、效率低、能耗高、结构复杂的问题，同时安装在加速器上的高频功率耦合器以及谐振频率和电场分布调节用的调谐器，还有信号拾取器等部件都需要同时具备真空密封和高频密封结构，以维持加速器腔体内的高真空状态以及腔体内电磁场不泄露到加速腔体外面，特别是高频功率耦合器的真空密封结构特别复杂，制造时需要高度的陶瓷金属焊接工艺和维持阻抗匹配的变径构造。同时，为了维持加速器腔体内的真空，加速器壳体通常需要数厘米厚的金属壳体来抵消内外压力差产生的压力，这导致加速器腔体笨重，而且制造成本增加。

发明内容

本发明为解决已有漂移管直线加速器的上述问题，提供一种只需要将加速器腔体中有束流通过的有加速电场的有限范围空间维持高真空，加速器腔体的其余部分可以工作在大气压的崭新的漂移管直线加速器及带电粒子直线加速器系统，具有结构简单、重量轻、可靠、维护简单、制造成本低等优点。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

一种漂移管直线加速器，包括中空的加速器壳体，加速器壳体两侧端板上分别设有束流入口、束流出口，所述加速器壳体内上、下分别设有支撑板，加速器壳体内两侧端板之间沿轴向间隔设置有多个漂移管，相邻的漂移管交替通过支撑杆固定在上、下的支撑板上，两侧端板内侧设置有中空的供束流通过的端部漂移管，所有相邻的漂移管之间真空密封连接有隔离管，所述隔离管采用绝缘、高频电磁波透过材料制成，从束流入口、入口端部漂移管、隔离管、漂移管、隔离管直到出口端部漂移管、束流出口，漂移管及隔离管内部空间形成束流加速通过的加速区，漂移管及隔离管外部与加速器壳体内壁之间形成非加速区，束流入口或束流出口外部设置真空泵，真空泵连通加速区，加速区由真空泵维持高真空，非加速区处在大气压或干燥气体氛围。

优选的，所述加速区的真空度高于10^-3Pa.

优选的，所述非加速区内充填有惰性气体。

优选的，所述隔离管采用陶瓷制成。

另一优选的，所述隔离管采用三氧化铝或三氧化二铝制成。

优选的，所述隔离管与漂移管之间通过O型密封胶圈密封连接。

进一步地，还包括至少一个高频功率耦合器，所述加速器壳体上设有贯通的耦合器连接口，高频功率耦合器高频密封安装在耦合器连接口处，与非加速区连通。

进一步地，所述高频功率耦合器包括功率耦合器外导体、功率耦合器内导体和功率耦合器耦合器环，功率耦合器内导体同轴安装在功率耦合器外导体的内腔，功率耦合器耦合器环连接功率耦合器内导体，所述功率耦合器外导体内径和功率耦合器内导体外径从入口端到出口端为阻抗均匀的同轴结构，功率耦合器内导体内表面和功率耦合器外导体外表面面之间紧密连接。

进一步地，所述加速器壳体上还设有多个信号拾取口和调谐器安装口。

一种包含上述漂移管直线加速器的带电粒子直线加速器系统，还包括离子源、RFQ直线加速器，离子源与RFQ直线加速器之间通过低能输运线管道相连，RFQ直线加速器后端通过真空束流管道连接漂移管直线加速器，RFQ直线加速器连接有射频功率源A，漂移管直线加速器连接有射频功率源B。

本发明的有益效果有：

本发明中，在漂移管直线加速器的腔体内，在每一对相邻的漂移管之间增加了绝缘但高频微波容易透过的材料构成的隔离管，隔离管也是中空构造，带电粒子束流可以从漂移管出来进入隔离管内，再进入下一个漂移管，该隔离管和漂移管之间密切相连，形成真空密封，将漂移管管道内以及隔离管管道内形成一个独立的加速区空间，该加速区空间一直连到加速腔体的束流入口和束流出口，这样漂移管以及隔离管外面和加速腔体内壁之间的空间形成一个非加速区。加速器工作时，只需要将加速区用真空泵从加速腔体的束流入口端或者束流出口端抽真空，并维持高真空度，确保加速区内带电粒子顺利加速；非加速区可以工作在大气压条件等非高真空条件下，所以加速器壳体不需要考虑压力差带来的机械变形，省去真空密封要求和真空排气要求，可以大幅度消减加速器壳体壁厚和简化加速器壳体制造工艺，做到轻量化、结构简单化；加速器壳体上必须安装的高频功率耦合器以及工作频率以及电场分布调谐器也不再需要考虑真空密封，满足高频密封即可，从而大幅度简化结构和加工成本，以及制造周期，也可方便加速器的维护修理工作，解决了已有技术的直线加速器所面临的问题，可以提供重量轻、结构简单、性能可靠、维护容易、制造容易而且低成本的漂移管直线加速器。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的某些实施例，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。

图1是本发明的漂移管直线加速器的剖视图；

图2是本发明的漂移管直线加速器的中心剖面三维结构示意图一；

图3是本发明的漂移管直线加速器的中心剖面三维结构示意图二；

图4是本发明中漂移管及隔离管的中心剖面三维结构示意图；

图5是本发明中高频功率耦合器的剖视示意图；

图6是本发明的带电粒子直线加速器系统的构成示意图；

图7是漂移管间隙的电场分布示意图。

附图标记说明如下：

0-漂移管直线加速器

1-加速器外壳

2-支撑板

3-漂移管

4-支撑杆

5-隔离管

6-加速区

7-非加速区

8-高频功率耦合器

11-束流入口

12-束流出口

13-耦合器连接口

14-信号拾取口

15-真空泵

81-功率耦合器外导体

82-功率耦合器内导体

83-功率耦合器耦合器环

100-直线加速系统

101-离子源

102-低能运输线管道

103-RFQ直线加速器

104-射频功率源A105-射频功率源B106-束流监测器

107-其它加速器或束流应用端

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

实施例一

本实施例公开一种漂移管直线加速器0，如图1-图5所示，包括中空的加速器壳体1，加速器壳体1两侧端板上分别设有束流入口11、束流出口12，所述加速器壳体1内上、下分别设有支撑板2，加速器壳体1内两侧端板之间沿轴向间隔设置有多个漂移管3，相邻的漂移管3交替通过支撑杆4固定在上、下的支撑板2上，两侧端板内侧设置有中空的供束流通过的端部漂移管，端部漂移管与漂移管3和相邻的漂移管之间由隔离管5相连，所述隔离管5采用绝缘、高频电磁波透过材料制成，隔离管5和漂移管3的连接采用真空密封连接；从束流入口11依次通过入口端部漂移管、隔离管、漂移管、隔离管直到出口端板的束流出口12，漂移管3及隔离管5内部空间形成束流加速通过的加速区6，漂移管3及隔离管5外部与加速器壳体1内壁之间形成非加速区7，束流入口11或束流出口12外部设置真空泵15，真空泵15连通加速区6，加速区6由真空泵15维持高真空，供带电粒子束正常加速，非加速区7处在大气压或干燥气体氛围。

工作时，真空泵15对加速区6进行抽真空，加速区6的真空度高于非加速区7的真空度，优选的，所述加速区6的真空度高于10^-3Pa，非加速区7的气压为大气压或干燥气体氛围。优选的，所述非加速区7内充填有惰性气体。

优选的，所述隔离管5采用陶瓷、三氧化铝或三氧化二铝制成。

进一步地，还包括至少一个高频功率耦合器8，所述加速器壳体1上设有贯通的耦合器连接口13，高频功率耦合器8高频密封安装在耦合器连接口13处，与非加速区7连通。所述高频功率耦合器8由金属材料构成，包括功率耦合器外导体81、功率耦合器内导体82和功率耦合器耦合器环83，功率耦合器内导体82同轴安装在功率耦合器外导体81的内腔，功率耦合器耦合器环83连接功率耦合器内导体82，所述功率耦合器外导体81内径和功率耦合器内导体82外径从入口端到出口端为阻抗均匀的同轴结构，功率耦合器内导体82内表面和功率耦合器外导体81外表面面之间紧密连接。同时，本发明中高频功率耦合器8没有真空密封陶瓷部件，也即功率耦合器内导体82与功率耦合器外导体81之间无需真空密封结构。

所述加速器壳体1上还设有多个信号拾取口14以及调谐器安装口。

实施例二

本实施例公开一种带电粒子直线加速器系统100，如图6所示，除包含上述漂移管直线加速器0外，还包括离子源101、RFQ直线加速器103，离子源101是一种带电粒子发生器，离子源101与RFQ直线加速器103之间通过低能输运线管道102相连，RFQ直线加速器103后端通过真空束流管道连接漂移管直线加速器0，RFQ直线加速器103连接有射频功率源A104，漂移管直线加速器0连接有射频功率源B105。应用时，本实施例的直线加速器系统100后端连接有束流监测器106，束流监测器106连接其它加速器或束流应用端107。

本发明的使用过程为：

使用时，如图6所示，将直线加速器系统的带电粒子发生器离子源101、离子源101和RFQ直线加速器103之间的低能输运线管道102、RFQ直线加速器103和漂移管直线加速器0用真空束流管道相连接，通过真空泵将整个系统的真空束流管道内以及RFQ直线加速器103腔体内、漂移管直线加速器0的加速区内抽真空，并维持真空度在直线加速器系统的工作的范围。高频功率源B105和漂移管直线加速器的功率耦合器8之间用同轴微波馈管连接，同轴微波内导体以及功率耦合器内导体都直接连接，一直到功率耦合器的耦合环，都工作在同一压力(大气压)下，加速器壳体1上安装的调谐器也只需要高频密封，不需要真空密封，所以可以容易地调节其在加速腔体内的插入深度，来调节或稳定加速器的谐振频率，加速器腔体本身的发热也可以用铺设在加速器壳体的冷却水管道容易地带走，保持加速器的谐振频率稳定在工作频率。因为只有加速区6处于高真空状态，加速器壳体2也不会因为抽真空而变形，加速器壳体2可以用较薄的无氧铜(OFCu)来制造,使用的外壳材料少、成本低、重量轻。

然后，开启各个控制系统和功率源系统，漂移管间隙的电场分布如图7所示，被RFQ直线加速器加速了的带电粒子束进入漂移管直线加速器的束流入口，在逐个通过加速区内的漂移管加速间隙，被漂移管之间的高频电场加速，最后带电粒子进入束流出口管道完成加速。需要注意的是，设置在相邻漂移管之间的隔离管的内径可以做成比漂移管外径大的尺寸，隔离管和漂移管的真空密封接口处的位置也可以安排在漂移管管径向外侧尽量靠近漂移管支撑杆的位置，这样可以使隔离管的管壁基本都处在漂移管之间的加速电场影响不到的空间位置处，因为漂移管加速器腔体内的电场分布集中在每对相邻漂移管之间的间歇附近，而其它区域是高频磁场集中的区域，这样安排的效果是，隔离管都处在电场值小或可以忽略的位置，不会出现打火。由于隔离管用高频电磁波透过特性良好的陶瓷材料构成，比如三氧化二铝陶瓷的电解质常数(ε)高达9，高频电磁波可以容易透过隔离管壁，进入加速区，在漂移管之间形成加速带电粒子需要的高频电场。隔离管和漂移管之间的真空密封可以通过如O型密封胶圈等密封结构实现，也可以用胶粘或者银条焊等方式实现，效果都一样，都可以实现本发明的效果。

本发明中，在漂移管直线加速器的腔体内，在每一对相邻的漂移管之间增加了绝缘但高频微波容易透过的材料构成的隔离管，隔离管也是中空构造，带电粒子束流可以从漂移管出来进入隔离管内，再进入下一个漂移管，该隔离管和漂移管之间密切相连，形成真空密封，将漂移管管道内以及隔离管管道内形成一个独立的加速区空间，该加速区空间一直连到加速腔体的束流入口和束流出口，这样漂移管以及隔离管外面和加速腔体内壁之间的空间形成一个非加速区。加速器工作时，只需要将加速区用真空泵从加速腔体的束流入口端或者束流出口端抽真空，并维持高真空度，确保加速区内带电粒子顺利加速；非加速区可以工作在大气压条件等非高真空条件下，所以加速器壳体不需要考虑压力差带来的机械变形，省去真空密封要求和真空排气要求，可以大幅度消减加速器壳体壁厚和简化加速器壳体制造工艺，做到轻量化、结构简单化；可以简化真空排气泵系统，减少加速器使用之前的气体清洗和抽真空的时间，降低能耗；加速器壳体上必须安装的高频功率耦合器以及工作频率以及电场分布调谐器也不再需要考虑真空密封，满足高频密封即可，从而大幅度简化结构和加工成本，以及制造周期，也可方便加速器的维护修理工作，解决了已有技术的直线加速器所面临的问题，可以提供重量轻、结构简单、性能可靠、维护容易、制造容易而且低成本的漂移管直线加速器。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种漂移管直线加速器，其特征在于：包括中空的加速器壳体(1)，加速器壳体(1)两侧端板上分别设有束流入口(11)、束流出口(12)，所述加速器壳体(1)内上、下分别设有支撑板(2)，加速器壳体(1)内两侧端板之间沿轴向间隔设置有多个漂移管(3)，相邻的漂移管(3)交替通过支撑杆(4)固定在上、下的支撑板(2)上，两侧端板内侧设置有中空的供束流通过的端部漂移管，所有相邻的漂移管(3)之间真空密封连接有隔离管(5)，所述隔离管(5)采用绝缘、高频电磁波透过材料制成，从束流入口、入口端部漂移管、隔离管、漂移管、隔离管直到出口端部漂移管、束流出口，漂移管(3)及隔离管(5)内部空间形成束流加速通过的加速区(6)，漂移管(3)及隔离管(5)外部与加速器壳体(1)内壁之间形成非加速区(7)，束流入口(11)或束流出口(12)外部设置真空泵(15)，真空泵(15)连通加速区(6)，加速区(6)由真空泵(15)维持高真空，非加速区(7)处在大气压或干燥气体氛围。

2.根据权利要求1所述的漂移管直线加速器，其特征在于：所述加速区(6)的真空度高于10^-3Pa。

3.根据权利要求1所述的漂移管直线加速器，其特征在于：所述非加速区(7)内充填有惰性气体。

4.根据权利要求1所述的漂移管直线加速器，其特征在于：所述隔离管(5)采用陶瓷制成。

5.根据权利要求1所述的漂移管直线加速器，其特征在于：所述隔离管(5)采用三氧化铝或三氧化二铝制成。

6.根据权利要求1所述的漂移管直线加速器，其特征在于：所述隔离管(5)与漂移管(3)之间通过O型密封胶圈密封连接。

7.根据权利要求1所述的漂移管直线加速器，其特征在于：还包括至少一个高频功率耦合器(8)，所述加速器壳体(1)上设有贯通的耦合器连接口(13)，高频功率耦合器(8)高频密封安装在耦合器连接口(13)处，与非加速区(7)连通。

8.根据权利要求7所述的漂移管直线加速器，其特征在于：所述高频功率耦合器(8)包括功率耦合器外导体(81)、功率耦合器内导体(82)和功率耦合器耦合器环(83)，功率耦合器内导体(82)同轴安装在功率耦合器外导体(81)的内腔，功率耦合器耦合器环(83)连接功率耦合器内导体(82)，所述功率耦合器外导体(81)内径和功率耦合器内导体(82)外径从入口端到出口端为阻抗均匀的同轴结构，功率耦合器内导体(82)内表面和功率耦合器外导体(81)外表面面之间紧密连接。

9.根据权利要求7所述的漂移管直线加速器，其特征在于：所述加速器壳体(1)上还设有多个信号拾取口(14)和调谐器安装口。

10.一种包含权利要求1-9任一项所述的漂移管直线加速器的带电粒子直线加速器系统，其特征在于：还包括离子源(101)、RFQ直线加速器(103)，离子源(101)与RFQ直线加速器(103)之间通过低能输运线管道(102)相连，RFQ直线加速器(103)后端通过真空束流管道连接漂移管直线加速器，RFQ直线加速器(103)连接有射频功率源A(104)，漂移管直线加速器连接有射频功率源B(105)。