CN1209037A - 大跨度回旋加速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回旋加速器,所述磁极、D形盒等结构和电磁参数的组合,使每圈的平均磁场低于1T,每圈能量增益高于0.3MeV。可以使粒子只要经过半圈至一圈加速就可以跨过聚焦力弱的中心区而进入叶片场的强聚焦区;也使粒子轨道的跨度增大,每圈能量增益提高,加速过程所需圈数少;又可获得高效率引出;对等时场的公差要求大大放松,因而可以降低加工制造难度和造价。

Description

大跨度回旋加速器

本发明涉及一种回旋加速器，特别是强流回旋加速器。

在科研、生产等实践中，往往需要将质子、电子、重离子等带电粒子加速到很高能量，以满足特殊需要；用于加速粒子的装置称为加速器。回旋加速器是加速器中常见的一种。现有的回旋加速器由于出于种种考虑，D形盒的数目不多于三个，D形盒电压也较小，从而使粒子运动轨道跨度(即轨道相邻两圈束流中心分开的距离)小，粒子要在聚焦力很弱的加速器中心区转很多圈，这样束流损失较大，不易达到强流，一般平均束流强度都在毫安以下。例如专利号为5463291，专利名称为“Cyclotron and associaed magnet coil and coil fabricatingprocess”的美国专利提到的一种回旋加速器，以及现有的所有回旋加速器，都无法达到很高的流强。但在很多场合下，需要强流的加速器，比如BNCT中子源用的加速器，其流强应达毫安量级以上。因此，现有回旋加速器往往不能满足实际要求。

在注入束流强度足够强的情况下，回旋加速器能够达到的极限束流强度I正比于D形盒有效高度h，俘获相宽Δ，束流每圈能量增益ΔE，加速场频率f，以及束流在中心附近前5圈轴向自由振荡频率平均值的平方υ_z ²。

I∝f·h·υ_z ²·Δ·ΔE

根据所发表的文献，目前束流最强的传统回旋加速器Cyclone30，设计参数为：f＝64.8MHz，h＝3cm，Δ＝20°，ΔE＝0.2MeV，υ_z≤0.25，所达到的束流强度为0.48mA，尚不足1mA。

本发明的目的就是为了克服现有技术的上述缺陷，提出一种引出束流强度大而且设计简单，造价低廉的新型回旋加速器。

为了实现上述目的，本发明提出的方案是：一种回旋加速器，包括高频电源1、D形盒2、磁极3、真空室4和粒子注入系统5等，其特征是：所述磁极3的叶片31的数目和有效宽度、励磁功率，D形盒2数目和有效宽度，加速场频率及D形盒电压等结构和电磁参数的组合，使每圈的平均磁场低于1T，每圈能量增益高于0.3MeV。

由于采用了这种方案，降低磁场的同时增加了每圈的能量增益，使轨道跨度大大增加，从而具有如下的优越性：1)可以使粒子只要经过半圈至一圈加速就可以跨过聚焦力弱的中心区而进入叶片场的强聚焦区，从而束流在中心区的损失可以大大减小，使俘获效率提高；2)最重要的是，本方案使粒子轨道的跨度增大，加速过程所需圈数少，从而又减少了束流在加速区的损失；在引出区，由于仍然可以保持大的轨道间距，这样可以采用强流离子源注入，宽相位俘获，而不至于使引出束与前一圈束流相重叠，既可容纳较强的束流，又可获得高效率引出；由于轨道跨度大，每圈能量增益高，加速过程中所转圈数少，束流加速相位滑动大大减小，对等时场的公差要求大大放松，因而可以降低加工制造难度和造价。

图l是一个回旋加速器的示意图；

图2是实施例1中磁极和D形盒部分的示意图。

下面结合附图并通过具体的实施例对本发明做更进一步详细的描述。

实施例1

参见图1，这是一台用于BNCT中子源的LSOC(Large SpanOrbit Cyclotron)加速器，其设计目标是：加速粒子种类：质子(H+)，束流引出能量：2.27-2.5MeV，引出束流强度：10mA，中心能量：2.38MeV，能散度：|ΔW/W|≤5％束流发射度：≤50mm·mrad。

它包括高频电源1、D形盒2、磁极3、真空室4和粒子注入系统5等，其特征是：

所述D形盒2的D形盒电压为60Kev，加速频率为30.4MHz，谐波数为4；所述磁极3的最高磁场为0.9特斯拉，引出半径处的平均磁场0.5特斯拉。显然，磁极3的平均磁场低于1T。

见图2，所述磁极3有四个叶片31，所述D形盒2也有四个，D形盒2和磁极叶片31依次间隔排列。所述磁极叶片31的有效角宽度为45°，D形盒2的有效张角也为45°。这样可以保证粒子每圈有八次加速，而且八次加速的每一次都可以实现″零相位加速″，每圈能量增益可达0.48MeV，高于0.3MeV。

所述粒子注入系统5为外部双等离子体源注入，加聚束器。也可以采用两个离子源或单离子源双注入点注入。

现有的回旋加速器在设计中的一个显著的偏见性倾向就是，为了在减小引出半径的情况下增加磁刚度，都着眼于提高磁极3间的磁场强度B，但这样一来就引起了一些其他的问题。首先，在不能实现每圈能量增益很大的情况下，磁场强度大必然造成轨道跨度小，束流损失大，从而不易实现强流；其次，还会引起磁铁饱和的问题。通常，为了避免磁铁的饱和，在四个叶片的情况下，一般其磁极叶片31的有效角宽度都远大于45°，如达到54°之多，这样带来的问题就是D形盒2的有效角宽度只好小于45°。而另一方面，为了使粒子能够被加速，需要粒子在运动中的相位配合要满足一定的要求，这就使得现有技术中多于3个D形盒的设计非常困难。这就引起了现有技术的前述缺点，即难以实现大流强。

但是，在实际中，实现大流强的意义有时远比减小引出半径重要得多。本发明正是基于这一点，才大胆提出新的设想：大大降低磁场强度B，如在本实施例中，所述磁极3的最高磁场为0.9特斯拉，引出半径处的平均磁场0.5特斯拉。由于B值的降低，从而得以减小磁极叶片31的有效角宽度到45°，进而使D形盒2的有效角宽度可达45°，使D形盒的数目可以增加到四个，粒子每旋转一圈可以得到八次加速。而且，在这种情况下的相位配合可以巧妙地实现“零相位加速”，以最小的高频功率消耗获得最大的每圈能量增益。

实施例中，零相位加速的实现是通过四倍频加速电场的配合来实现的。由于D形盒2的有效宽度为45°，在粒子运动45°角时，电场相位刚好改变180°；在粒子运动90°角时，电场相位刚好改变360°；……依次类推，保证了粒子每次到达加速间隙处都受到峰值加速电压的加速。

在现有技术的设计中，为了避免功耗过大，D形盒电压取值均较小，本发明则突破常规，增大D形盒电压，使之达60KeV以上，甚至超过100KeV或者更高，从而进一步增加了每圈的加速效果。虽然加大加速电压会导致功耗增大，但大电流必然造成大功耗，这是客观规律，况且功率的增大并未达到使本发明无法实施的程度。在本实施例中高频总功率为55KW(单粒子源时)，或90KW(双粒子源或单粒子源双注入点时)。

增加D形盒数目和增大D形盒电压结合使用或单独使用，就可以实现粒子运动轨道的“大跨度”，束流在加速器中只经过半圈加速就跨过中心区而进入强聚焦叶片区。总共只需要约5圈加速，就达到引出能量和引出半径。这时，束流的带宽大约为2cm。而引出束流带与前一圈束流带边沿之间的分开距离大到2.5cm，(跨度则大约为束宽和分开距离之和，故为4.5cm)。所以引出束流极为容易，只需经过90度方位就可把束流偏出加速器磁极。预计引出效率接近100％。最终能达到的流强在10mA以上。

为了进一步增大束流强度，本实施例中又采用了双离子源注入，注入的两束粒子在中心区是分离的，但到达引出区时，两束合为一束。这样可以使束流强度又增加60％。具体实现的方法是：注入时，使两束粒子高频相差为360°，并控制它们各自的束宽，使相位靠前的粒子束，即通过第二注入通道52注入的束流的宽度稍小：第二注入通道52的位置是相对于第一注入通道51顺束流方向转90°方位角。在第一注入通道51俘获相宽选为50度的情况下，第二注入通道52的俘获相宽为30度。假设当通过第二注入通道52注入的粒子运动4.75圈时，通过第一注入通道51注入的粒子运动5圈，则两束粒子″重合″——即：前束粒子进入后束粒子的″带宽″之内。这在普通的回旋加速器上是难以实现的，因为两束粒子在汇合时，使粒子的带宽加大，如果轨道跨度不大，就难以实现引出。因此，它的实现是有赖于″大跨度″这一显著优点的。

为了清楚起见，下面给出本实施例的更加详细的设计参数：

一：磁铁及有关束流参数：引出束流中心轨道半径：44.65cm，引出束流带宽：2.1cm，引出束与前一圈束之间的空隙：2.5cm，引出半径平均磁场：0.5T，磁极叶片数目：4，叶片有效角宽度：45°，最高磁场：0.9T，叶片峰间隙：6-8cm，谷间隙：50-70cm，磁极直径：100cm，加速器外径：160cm，磁铁高度：80cm，磁铁重量(铁重量/铜重量)：5吨/1吨，励磁功率：10Kw。

二：高频加速系统：加速场频率：30.4MHz，谐波数：4，D形盒数目：4，D形盒有效张角：45°，D形盒有效内高度：6-8cm，Dee电压：60KV，每个D形盒功率损耗：7KW，束流功率：25KW，高频总功率：55KW。

三：注入系统：外部双等离子体源注入加聚束器，注入束流强度≥30mA，注入能量：50KeV-100KeV，俘获相宽度：≥50°(+25°至-25°)。

四、引出系统：用静电偏转板引出，偏转板间隙：3cm，偏转板长度：20-25cm，偏转板电压：100KV。

五：束流强度估计

如前所述，在注入束流强度足够强的情况下，回旋加速器能够达到的极限束流强度I可以参考现有的回旋加速器作一个类比公式：

I＝I₀·(f/f₀)·(h/h₀)·(υz/υz₀)²·(Δ/Δ₀)·(ΔE/ΔE₀)其中下标“0”表示该参数为传统加速器的参数。如仍以Cyclone30的参数做对比，由于本LSOC的设计参数为：f＝30.4MHZ，h＝6-8cm，Δ＝50°，ΔE_o＝0.48MeV。特别是整个加速过程只有5圈。相当于中心区5圈υz的平均值υz≥0.6。把这些参数代入公式，可以估算出本设计LSOC有可能达到的束流强度I＝10.8mA-14.4mA。

几点说明：

1：本发明亦可加速H-离子。只要有足够强的H-离子源注入。而对于加速H-离子，本设计亦可用偏转板高效率引出。解决了没有耐强流轰击引出剥离膜的一大难题。

2：本设计平均磁场的等时性垫补要求不严格。即使不进行等时性垫补，加速过程中，束流加速相位的总滑动也不超过10°，故磁铁加工比较容易。

3：前面对流强的估算是只用一个离子源单通道注入的情形下的。当用两个离子源或者一个离子源两个通道注入时，两个通道注入的束流在达到引出圈时正好合并在同一个束流带中，既不会增大引出带的宽度，也不会减小引出圈束流带与前一圈束流带之间的分离间距。亦即不会降低引出效率。因此，在使用两个离子源或双通道注入的情况下，加速器可能达到的束流强度将增大到I＝17mA-23mA。所花的代价是高频机的总输出功率应从55Kw增加到90KW。

实施例2：

这仍是一个用于BNCT中子源的LSOC加速器，其设计目标也与实施例一基本相同：加速粒子种类：质子(H+)，束流引出能量：2.22-2.5MeV，引出束流强度：≥8mA，中心能量：2.36MeV，能散度：|ΔW/W|≤6％束流发射度：≤50mm·mrad。

本实施例的设计和实施例一有相似之处，所不同的是：叶片数和D形盒数均为3个，其有效宽度均为60°，这样每圈可获六次加速。最高磁场为1.05T，引出最大半径处平均磁场0.6T，加速场频率27.4MHz，仍为零相位加速，D形盒电压60KeV，这样，每圈能量增益为0.36MeV，轨道共6.5圈。最后，引出束宽1.74cm，引出束带与前一圈束带之间的空隙1.40cm，从而轨道最小跨度为3.14cm。

实际上，本发明最核心的思想在于″大跨度轨道″这一特征。只要束流运动圈与圈之间的轨道跨度满足如下条件，即属于本发明的思想范围内： $\mathrm{\Δ}{R}_n=R_n-R_{n-1}\≥\sqrt{1+2(E_o/W_n)}/20.....\left(\mathrm{cm}\right)$ 其中E₀是被加速粒子的静止能量，W_n是达到第n圈时的动能，n＝1，2，3，……K，K代表引出圈，R_k是引出束流中心轨道半径，W_K是引出束流的中心能量，ΔR_k是引出圈束流中心轨道与前一圈束流中心轨道之间的跨度，R_o(当n＝1时)是束流中心注入点到加速器中心的距离。目前，世界上所有的传统回旋加速器都不满足本判据。本判据适用于各种能量带叶片磁极结构的回旋加速器，包括等时性和非等时性，加速质子，H^-，氘核，D^-，以及其他重离子的回旋加速器。

Claims (9)

1、一种回旋加速器，包括高频电源(1)、D形盒(2)、磁极(3)、真空室(4)和粒子注入系统(5)等，其特征是：所述磁极(3)的叶片(31)的数目和有效宽度、励磁功率，D形盒(2)数目和有效宽度，加速场频率及D形盒电压等结构和电磁参数的组合，使每圈的平均磁场低于1T，每圈能量增益高于0.3MeV。

2、如权利要求1所述的回旋加速器，其特征是：所述D形盒(2)的D形盒电压为60KeV以上，加速频率为30.4MHz，谐波数为4；所述磁极3的最高磁场为0.9特斯拉，引出半径处的平均磁场0.5特斯拉。

3、如权利要求1或2所述的回旋加速器，其特征是：所述磁极(3)有四个叶片(31)，所述D形盒(2)也有四个，D形盒(2)和磁极叶片(31)依次间隔排列。

4、如权利要求1或2所述的回旋加速器，其特征是：所述磁极叶片(31)和D形盒(2)的有效角宽度均为45°。

5、如权利要求3所述的回旋加速器，其特征是：所述磁极叶片(31)和D形盒(2)的有效角宽度均为45°。

6、如权利要求1或2所述的回旋加速器，其特征是：所述粒子注入系统(5)为外部双等离子体源注入，加聚束器。

7、如权利要求3所述的回旋加速器，其特征是：所述粒子注入系统(5)为外部双等离子体源注入，加聚束器。

8、如权利要求4所述的回旋加速器，其特征是：所述粒子注入系统(5)为外部双等离子体源注入，加聚束器。

9、如权利要求5所述的回旋加速器，其特征是：所述粒子注入系统(5)为外部双等离子体源注入，加聚束器。

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