CN210840176U - 一种质子与负氢束流合并装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种质子与负氢束流合并装置，包括反开关磁铁、核外电子剥离器、真空室、质子束流管道、负氢束流管道、合并束流管道、质子束流、负氢束流、质子负氢混合束流、合并后质子束流；所述反开关磁铁内含有上下对称的两个磁极，磁极形状优选为对称的扇形；所述合并束流管道横向的一端与真空室束流出口处固接，另一端间隔一定距离与核外电子剥离器相邻；所述核外电子剥离器总体形状为圆盘状，该圆盘状核外电子剥离器边缘周向间隔装有若干个剥离膜，该圆盘状核外电子剥离器的剥离膜位置恰好使得混合束流沿着垂直于圆盘盘面方向从剥离膜中间通过。本实用新型采用电荷极性相反的两条束流+反开关磁铁的方法实现了将同种束流合并一起的效果。
Description
技术领域
本实用新型属于粒子加速器技术领域，尤其涉及一种质子与负氢束流合并装置。
背景技术
粒子加速器广泛应用于原子核、核工程、化学、放射生物学、放射医学、固体物理等的基础研究以及疾病的诊断和治疗、高纯物质的活化分析、某些工业产品的辐射处理、农产品及其他食品的辐射处理、模拟宇宙辐射和模拟核爆炸等领域。
在以上科研与生产中，对具备一定能量的高流强质子束流有较大需求，但受限于单台粒子加速器产生质子束流流强的限制，经常无法满足需求。目前国内将粒子加速器加速后具有相同能量的束流进行合并以提高流强还没有先例。由于受限于单台粒子加速器产生质子束流流强的限制，经常无法满足需求，因此亟待设计开发一种设备，将不同加速器产生的具有相同能量的束流进行合并，得到指定能量高流强质子束流。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术存在的问题，提出一种质子与负氢束流合并装置，目的在于解决现有技术由于不能将同种能量束流合并、从而不能满足科研和生产对于具备一定能量的高流强质子束流有较大需求的难题。
本实用新型为解决其技术问题采用以下技术方案：
一种质子与负氢束流合并装置，其特点是：包括反开关磁铁、核外电子剥离器、真空室、质子束流管道、负氢束流管道、合并束流管道、质子束流、负氢束流、质子负氢混合束流、合并后质子束流；
所述反开关磁铁内含有上下对称的两个磁极，磁极形状优选为对称的扇形；该反开关磁铁束流入口处磁极的宽度要大于束流出口处磁极的宽度，通入励磁电流后可在上下磁极间产生束流偏转所需磁场；
所述真空室固装在反开关磁铁内、且位于其上下两个磁极之间，且该真空室束流入口和出口的宽度与反开关磁铁束流入口和出口的宽度相配合，且具备一定的位置调节功能以适应束流线和磁铁位置偏差；
所述合并束流管道横向的一端与真空室束流出口处固接，另一端间隔一定距离与核外电子剥离器相邻；
所述质子束流管道和负氢束流管道位于真空室束流入口处，所述合并束流管道位于真空室束流出口处，三条束流管道都有法兰与真空室连接，且连接处具有真空密封结构；
所述核外电子剥离器总体形状为圆盘状，该圆盘状核外电子剥离器边缘周向间隔装有若干个剥离膜，该圆盘状核外电子剥离器的平面垂直于所述混合束流流向、且该圆盘状核外电子剥离器的剥离膜位置恰好使得混合束流沿着垂直于圆盘盘面方向从剥离膜中间通过。
所述三条束流管道和真空室内均为真空环境，束流可从真空环境内通过；该质子与负氢束流合并装置可将经粒子加速器加速后具有相同能量的质子与负氢束流合并为质子束流。
所述反开关磁铁和普通开关磁铁的束流入口和出口方向相反，反开关磁铁束流入口处磁极的宽度要大于束流出口处磁极的宽度；能量相同的质子束流和负氢束流从对称角度位置进入反开关磁铁上下磁极间的磁场区域，之后对称偏转，引出轨迹相同，合并为一条束流，该束流为质子负氢混合束流；反开关磁铁具有上下对称的两个磁极，磁极两侧一般为直边，束流入口端为圆弧或多段折线，束流出口端为直线。
所述反开关磁铁只需要一个方向磁场，故反开关磁铁的供电电源极性也只需一个方向。
所述核外电子剥离器当一定能量的负氢离子束流垂直通过剥离膜时，负氢离子核外的2个电子被剥离掉，负氢离子变成质子；质子负氢混合束流垂直通过剥离膜后，全部变成质子束流，使得无法测量流强的质子负氢混合束流变成可方便进行流强测量的质子束流。
所述反开关磁铁也可以将具有不同能量的1条质子束流和1条负氢束流分别从质子束流管道、负氢束流管道进入并合并为一条质子负氢混合束流，由于不同能量的两条束流在反开关磁铁磁场内的偏转半径不同，需要两条束流进入反开关磁铁的角度不同，即不对称进入反开关磁铁。
所述质子与负氢束流合并装置合并后的质子束流也可作为新的质子束流，进入下一个质子与负氢束流合并装置，与具有相同能量的另1条负氢束流合并为一条新的质子束流，以进一步提高束流强度；即多个质子与负氢束流合并装置可串联使用作为该合并装置的扩展使用方式。
本实用新型的优点效果
1、本实用新型采用电荷极性相反的两条束流+反开关磁铁的方法实现了将同种束流合并一起的效果。具体为采用电荷极性相反的两条束流产生不同的偏转半径、再将不同偏转半径束流经过反开关磁铁，使得来自不同方向的电荷极性相反的束流能够合并，从而解决了同种能量束流合并的第一个难题；还通过剥离膜将质子负氢混合束流里面的负氢离子核外电子剥离使其变成质子，将质子负氢混合束流直接变成质子束流的使用方式、将具有正负电荷的混合束流变为只有质子的单一极性的束流，从而解决了同种能量束流因为正负电荷抵消而不能测量合并后束流流强的第二个难题。本实用新型巧妙地利用电荷极性特征解决了束流合并前后两个阶段的难题：合并前，利用电荷极性相反的束流在同一磁场中偏转方向相反的性质实现束流的合并；合并后，利用剥离器将极性相反的电荷变成极性相同的电荷实现了合并后束流流强可测量。最终解决了同种能量束流合并的难题，填补了国内空白。
2、本实用新型质子与负氢束流合并后的质子束流也可作为新的质子束流，进入下一个质子与负氢束流合并装置，与具有相同能量的另1条负氢束流合并为一条新的质子束流，以进一步提高束流强度，即将多个质子与负氢束流合并装置串联使用(该串联使用方法可作为本实用新型合并装置的扩展使用方法)、串联使用中的下一级相对于上一级束流流强进一步增加，随着串联级数的增加，使得束流强度不断递增，从而最大限度地满足科研和生产的需求。
附图说明
图1本实用新型的质子与负氢束流合并装置应用方式及结构示意图。
图2本实用新型的质子与负氢束流合并装置结构示意图A。
图3本实用新型的质子与负氢束流合并装置结构示意图B。
图4本实用新型的质子与负氢束流合并装置中的反开关磁铁结构示意图。
图5本实用新型的质子与负氢束流合并装置中的反开关磁铁磁极结构示意图。
图6本实用新型的质子与负氢束流合并装置中的真空室结构示意图。
图7本实用新型的质子与负氢束流合并装置中的核外电子剥离器示意图。
图8本实用新型的质子与负氢束流合并装置中的剥离膜旋转切换盘示意图。
附图标记：1.反开关磁铁，2.核外电子剥离器，3.真空室，4.质子束流管道，5.负氢束流管道，6.合并束流管道，7.质子束流，8.负氢束流，9.质子负氢混合束流，10.合并后质子束流，101.磁极，201.剥离膜，202.剥离膜旋转切换盘。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做出进一步的解释：
本实用新型设计原理：
1、实现同种粒子束流垂直进入同一磁场时具有不同偏转半径必须是束流能量不同：正常情况下几条束流线假如粒子的种类和能量(粒子的速度)完全一样，通过同一个偏转磁铁的时候，它们的偏转半径是一样的，当它们从不同方向通过同一个偏转磁铁时不可能偏转到同一条束流线上，若要把几条束流线合并在一起，必须是不同的偏转半径。
2、电荷极性相反能够实现同等能量质子和负氢束流合并的原理：带电粒子束流在磁场中偏转，偏转半径r＝mv/Bq。质子带正电荷，负氢带负电荷，因质子质量远高于电子，可认为二者质量相同。两条束流能量和粒子质量相同，则粒子速度v相同。两条束流同时垂直进入同一个磁铁产生的磁场，磁场B相同。质子带一个正电荷，负氢带一个负电荷，二者电荷数相同。那么，由公式r＝mv/Bq得出，两条束流偏转半径r相同。但由于质子带正电荷，负氢带负电荷，二者电荷极性相反，故同等能量质子和负氢束流从同一侧垂直进入同一磁场时，两条束流偏转方向相反。所以相同能量的质子束流和负氢束流从对称的两个位置进入同一磁场区域，在两个偏转半径圆弧相切位置引出束流即可实现两条引出束流重合。
3、剥离膜创新使用原理：剥离膜通常用于将单一的负氢离子束流核外电子剥离，变成质子束流。对于用剥离膜将质子和负氢混合束流里面的负氢离子束流核外电子剥离、剥离后将质子负氢混合束流直接变成单一的质子束流的使用方式，为剥离膜的重大创新性使用。
4、反开关磁铁的创新使用原理：反开关磁铁如图4、5所示，反开关磁铁具有上下对称的两个磁极，且每个磁极为左右对称的扇形结构。反开关磁铁的磁铁主体和一般开关磁铁相同，只是束流进出方向相反，即开关磁铁反向使用的一种形式。开关磁铁的作用是将一条从入口进入的束流根据需要选择分配到某个指定的引出束流管道。开关磁铁是一条束流进入，经过开关磁铁的磁场区域偏转，对应不同磁场的大小和方向，可使束流偏转至不同引出位置，即该条束流可被切换到不同引出管道，之后进入不同束流线，开关磁铁起到束流引出方向分配的开关切换作用。而本例中所述反开关磁铁功能与之相反，束流运行的方向与开关磁铁相反，即束流进出口相反，能量相同的质子束流和负氢束流从对称角度位置进入反开关磁铁上下磁极间的磁场区域，之后对称偏转，引出轨迹相同，合并为一条束流，该束流为质子负氢混合束流。由于反开关磁铁1只需要一个方向磁场，故反开关磁铁1的供电电源极性也只需一个方向，而开关磁铁的磁场方向一般为正反两个方向。综上所述，开关磁铁是实现束流在不同束流线之间的开关切换，进入束流和引出束流均为1条；而本例所述反开关磁铁1是将其反方向使用，实现将质子束流和负氢束流合并为一条质子负氢混合束流，进入束流为2条，引出束流为1条。传统的开关磁铁使用方法无法实现以上所述的两条束流对称进入，因为传统扇形开关磁铁的入口宽度小于出口宽度，并且入口和出口均为单条束流进、单条束流出的使用方法，也即束流入口只有一条束流，但束流流出方向可以是多个方向(该多个方向束流是分时得到的)。本实用新型将扇形开关磁铁反向使用，将入口和出口对调，入口宽度大于出口宽度，因此实现了入口可以是两条束流进入单条束流流出，这种反向使用方法即所谓反开关磁铁，反开关磁铁是对开关磁铁的创新使用，二者使用目的和实现功能完全不同。
基于以上实用新型原理，本实用新型设计了一种质子与负氢束流合并装置。
一种质子与负氢束流合并装置如图1，其特征在于：包括反开关磁铁1、核外电子剥离器2、真空室3、质子束流管道4、负氢束流管道5、合并束流管道6、质子束流7、负氢束流8、质子负氢混合束流9、合并后质子束流10；
所述反开关磁铁1内含有上下对称的两个磁极，磁极形状优选为对称的扇形；该反开关磁铁1束流入口处磁极的宽度要大于束流出口处磁极的宽度，通入励磁电流后可在上下磁极间产生束流偏转所需磁场；
所述真空室3固装在反开关磁铁1内、且位于其上下两个磁极之间，且该真空室束流入口和出口的宽度与反开关磁铁1束流入口和出口的宽度相配合，且具备一定的位置调节功能以适应束流线和磁铁位置偏差；
所述合并束流管道6横向的一端与真空室3束流出口处固接，另一端间隔一定距离与核外电子剥离器2相邻；
所述质子束流管道4和负氢束流管道5位于真空室3束流入口处，所述合并束流管道6位于真空室3束流出口处，三条束流管道都有法兰与真空室3连接，且连接处具有真空密封结构；
所述核外电子剥离器2总体形状为圆盘状，该圆盘状核外电子剥离器边缘周向间隔装有若干个剥离膜，该圆盘状核外电子剥离器的平面垂直于所述混合束流9流向、且该圆盘状核外电子剥离器2的剥离膜位置恰好使得混合束流9沿着垂直于圆盘盘面方向从剥离膜中间通过。
所述三条束流管道和真空室内均为真空环境，束流可从真空环境内通过；该质子与负氢束流合并装置可将经粒子加速器加速后具有相同能量的质子与负氢束流合并为质子束流。
如图1、4、5所示，所述反开关磁铁1和普通开关磁铁的束流入口和出口方向相反，反开关磁铁1束流入口处磁极101的宽度要大于束流出口处磁极101的宽度；能量相同的质子束流和负氢束流从对称角度位置进入反开关磁铁1上下磁极101间的磁场区域，之后对称偏转，引出轨迹相同，合并为一条束流，该束流为质子负氢混合束流；反开关磁铁1具有上下对称的两个磁极101，磁极101两侧一般为直边，束流入口端为圆弧或多段折线，束流出口端为直线。
所述反开关磁铁1只需要一个方向磁场，故反开关磁铁1的供电电源极性也只需一个方向。
如图1所示，所述核外电子剥离器2当一定能量的负氢离子束流垂直通过剥离膜时，负氢离子核外的2个电子被剥离掉，负氢离子变成质子；质子负氢混合束流垂直通过剥离膜后，全部变成质子束流，使得无法测量流强的质子负氢混合束流变成可方便进行流强测量的质子束流。
所述反开关磁铁1也可以将具有不同能量的1条质子束流和1条负氢束流分别从质子束流管道、负氢束流管道进入并合并为一条质子束流，由于不同能量的两条束流在反开关磁铁1磁场内的偏转半径不同，需要两条束流进入反开关磁铁1的角度不同，即不对称进入反开关磁铁1。
所述质子与负氢束流合并装置合并后的质子束流也可作为新的质子束流，进入下一个质子与负氢束流合并装置，与具有相同能量的另1条负氢束流合并为一条新的质子束流，以进一步提高束流强度；即多个质子与负氢束流合并装置可串联使用作为该合并装置的扩展使用方式。
实施例
采用本实用新型的质子与负氢束流合并装置(如图1、2、3所示)，可将粒子加速器加速后具有相同能量的质子与负氢束流合并为质子束流。其功能实现主要过程如下：
(一)如图1、2、3所示，经粒子加速器加速后具有相同能量的1条质子束流和1条负氢束流，从对称角度位置进入反开关磁铁1磁极101对应磁场区域，之后对称偏转，引出轨迹相同，合并为一条束流，该束流为质子负氢混合束流。
(二)如图1、2、3、6，束流在真空室、质子束流管道、负氢束流管道和合并束流管道内通过，上述空间内为适合束流通过的真空环境。实际使用时，在束流管道和真空室适当位置装有真空泵，维持上述空间内的真空环境。
(三)如图1、2、7、8，质子负氢混合束流垂直通过核外电子剥离器内的剥离膜后，负氢离子核外的2个电子被剥离掉，负氢离子变成质子，使得质子负氢混合束流全部变成质子束流，实现了质子与负氢束流合并为质子束流。
补充说明：
相对于质子，电子的质量很小，此处可忽略不计，按照质子与负氢离子质量相同考虑。
调整反开关磁铁励磁电流大小，可调整质子与负氢束流偏转半径，使两条束流经过反开关磁铁后合并为具有相同轨迹的一条束流。
1条质子束流和1条负氢束流经过反开关磁铁后，合并为一条质子负氢混合束流。因为束流流强的测量是靠收集束流电荷数量，而质子与负氢电荷相反，相互抵消，无法测量质子负氢混合束流的流强，故使用核外电子剥离器将负氢离子核外的两个电子剥离掉，使负氢离子变成质子，这样质子负氢混合束流就变成了单独的质子束流，可以方便测量合并后的束流流强。核外电子剥离器内的碳剥离膜对具有较高能量的负氢离子核外两个电子剥离效率极高，接近100％。具有较高能量的质子负氢混合束流垂直通过核外电子剥离器内的剥离膜时，对束流能量的损失极小，可忽略不计。
如果想将粒子加速器加速后具有不同能量的1条质子束流和1条负氢束流合并为一条质子束流，因两条束流在反开关磁铁磁场内的偏转半径不同，需要两条束流进入反开关磁铁的角度不同，即不对称进入反开关磁铁。此时本装置可实现将具有不同能量的1条质子束流和1条负氢束流合并为一条质子束流，甚至将多条具有不同能量的质子束流和负氢束流合并为一条质子束流，为本实用新型的扩展使用方式。
本实用新型所述质子与负氢束流合并装置，可将粒子加速器加速后具有相同能量的1条质子束流和1条负氢束流合并为一条质子束流。合并后的质子束流也可作为新的质子束流，进入下一个质子与负氢束流合并装置，与具有相同能量的另1条负氢束流合并为一条新的质子束流，以进一步提高束流强度。即多个质子与负氢束流合并装置可串联使用，为本实用新型的扩展使用方式。
质子与负氢束流混合后，因质子和负氢离子尺寸相对其平均距离很小，二者结合为两个氢原子的几率很低；即便二者结合为氢原子，在氢原子通过剥离膜时，剥离膜也会将氢原子核外的电子剥离掉，使氢原子变为质子。
需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。
Claims (6)
1.一种质子与负氢束流合并装置，其特征在于：包括反开关磁铁、核外电子剥离器、真空室、质子束流管道、负氢束流管道、合并束流管道、质子束流、负氢束流、质子负氢混合束流、合并后质子束流；
所述反开关磁铁内含有上下对称的两个磁极，磁极形状为对称的扇形；该反开关磁铁束流入口处磁极的宽度要大于束流出口处磁极的宽度，通入励磁电流后可在上下磁极间产生束流偏转所需磁场；
所述真空室固装在反开关磁铁内、且位于其上下两个磁极之间，且该真空室束流入口和出口的宽度与反开关磁铁束流入口和出口的宽度相配合，且具备位置调节功能以适应束流线和磁铁位置偏差；
所述合并束流管道横向的一端与真空室束流出口处固接，另一端间隔一定距离与核外电子剥离器相邻；
所述质子束流管道和负氢束流管道位于真空室束流入口处，所述合并束流管道位于真空室束流出口处，三条束流管道都有法兰与真空室连接，且连接处具有真空密封结构；
所述核外电子剥离器总体形状为圆盘状，该圆盘状核外电子剥离器边缘周向间隔装有若干个剥离膜，该圆盘状核外电子剥离器的平面垂直于所述混合束流流向、且该圆盘状核外电子剥离器的剥离膜位置恰好使得混合束流沿着垂直于圆盘盘面方向从剥离膜中间通过；
所述三条束流管道和真空室内均为真空环境，束流可从真空环境内通过；该质子与负氢束流合并装置可将经粒子加速器加速后具有相同能量的质子与负氢束流合并为质子束流。
2.如权利要求1所述一种质子与负氢束流合并装置，其特征在于：所述反开关磁铁和普通开关磁铁的束流入口和出口方向相反，反开关磁铁束流入口处磁极的宽度要大于束流出口处磁极的宽度；能量相同的质子束流和负氢束流从对称角度位置进入反开关磁铁上下磁极间的磁场区域，之后对称偏转，引出轨迹相同，合并为一条束流，该束流为质子负氢混合束流；反开关磁铁具有上下对称的两个磁极，磁极两侧一般为直边，束流入口端为圆弧或多段折线，束流出口端为直线。
3.如权利要求2所述一种质子与负氢束流合并装置，其特征在于：所述反开关磁铁只需要一个方向磁场，故反开关磁铁的供电电源极性也只需一个方向。
4.如权利要求1所述一种质子与负氢束流合并装置，其特征在于：所述核外电子剥离器当一定能量的负氢离子束流垂直通过剥离膜时，负氢离子核外的2个电子被剥离掉，负氢离子变成质子；质子负氢混合束流垂直通过剥离膜后，全部变成质子束流，使得无法测量流强的质子负氢混合束流变成可方便进行流强测量的质子束流。
5.如权利要求1所述一种质子与负氢束流合并装置，其特征在于：所述反开关磁铁将具有不同能量的1条质子束流和1条负氢束流分别从质子束流管道、负氢束流管道进入并合并为一条质子负氢混合束流，由于不同能量的两条束流在反开关磁铁磁场内的偏转半径不同，需要两条束流进入反开关磁铁的角度不同，即不对称进入反开关磁铁。
6.如权利要求1所述一种质子与负氢束流合并装置，其特征在于：所述质子与负氢束流合并装置合并后的质子束流也可作为新的质子束流，进入下一个质子与负氢束流合并装置，与具有相同能量的另1条负氢束流合并为一条新的质子束流，以进一步提高束流强度；即多个质子与负氢束流合并装置可串联使用作为该合并装置的扩展使用方式。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201921453728.4U CN210840176U (zh) | 2019-09-03 | 2019-09-03 | 一种质子与负氢束流合并装置 |
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| CN (1) | CN210840176U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111654968A (zh) * | 2020-07-21 | 2020-09-11 | 中国原子能科学研究院 | 用于带电粒子加速器的带电粒子处理装置及加速器 |
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2019
- 2019-09-03 CN CN201921453728.4U patent/CN210840176U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111654968A (zh) * | 2020-07-21 | 2020-09-11 | 中国原子能科学研究院 | 用于带电粒子加速器的带电粒子处理装置及加速器 |
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