離子加速器注入裝置及使用方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種離子加速器注入裝置，屬于核能【技術(shù)領(lǐng)域】。一種離子加速器注入裝置，其主要特點在于包括有用于產(chǎn)生高流強(qiáng)的離子束流ECR離子源和第一螺線管與第二螺線管通過真空管道連接RFQ直線加速器和混合型離子加速裝置。RFQ直線加速器和混合型離子加速器通過法蘭連接。本發(fā)明的優(yōu)點是在強(qiáng)流離子束流的加速中，由于結(jié)構(gòu)更加緊湊，使得束流品質(zhì)更加優(yōu)良；本結(jié)構(gòu)利用混合型DTL將加速功能，橫縱向聚焦功能結(jié)合在同一個高頻結(jié)構(gòu)中，腔體分路阻抗高，高頻功耗大大的降低；利用零相位進(jìn)行加速，加速效率更高，可以有效的降低腔體的長度，提高有效加速梯度；RFQ和混合型DTL之間不需要額外的傳輸匹配段，可以降低建造成本，縮短裝置的長度。本發(fā)明主要是用于強(qiáng)流低能離子束流的加速，可用于強(qiáng)流加速器的注入器、工業(yè)加速器等應(yīng)用型加速裝置。
【專利說明】離子加速器注入裝置及使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種離子注入器裝置，屬于核能【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子、重離子在科研、工業(yè)、醫(yī)療、航天等方面的應(yīng)用越來越廣泛。高能離子束流可以開展核物理、核天體等方面的科研工作；230MeV/u-400MeV/u的離子束流在癌癥治療方面的應(yīng)用已經(jīng)被認(rèn)為是當(dāng)今國際上最有效的方法之一 ；10MeV/u的離子束流在離子注入、輻照制藥、同位素產(chǎn)生等應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。
[0003]在實施上述應(yīng)用中，離子注入器是最基本的裝置。離子注入器根據(jù)需要可以提供質(zhì)子到鈾束不同離子的加速，根據(jù)下游加速器的需求可提供lOMeV/u之內(nèi)的束流。離子注入器可以作為強(qiáng)流加速器、同步加速器、治療裝置等等應(yīng)用型加速裝置的前端加速器，也可以直接利用離子注入器進(jìn)行離子注入、輻照、中子源等工業(yè)科研應(yīng)用。
[0004]目前傳統(tǒng)的直線注入器包含離子源、低能傳輸段、高壓靜電加速器或者RFQ直線加速器、中能傳輸段、常規(guī)DTL加速器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種離子加速器注入裝置。以解決低能高流強(qiáng)的離子束流的加速，避免了現(xiàn)有技術(shù)加速效率低、高流強(qiáng)離子束流加速品質(zhì)差、元件多而造成的造價昂貴，穩(wěn)定性差等問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:一種離子加速器注入裝置，其主要特點在于包括有用于產(chǎn)生高流強(qiáng)的離子束流ECR離子源和第一螺線管與第二螺線管通過真空管道連接RFQ直線加速器和混合型離子加速裝置。RFQ直線加速器和混合型離子加速器通過法蘭連接。
[0007]ECR離子源用于產(chǎn)生高流強(qiáng)的離子束流，兩個螺線管，用于匹配離子源到RFQ直線加速器的束流，RFQ直線加速器采用變孔徑的設(shè)計使得結(jié)構(gòu)的聚焦逐漸變?nèi)鯊亩苯痈竺娴幕旌闲虳TL進(jìn)行連接，混合型DTL采用高頻電四極透鏡進(jìn)行橫縱向聚焦，加速間隙利用零度相位進(jìn)行加速，從而可以大大的提升該注入器的加速效率。
[0008]所述的離子加速器注入裝置，所述的ECR離子源，吸極引出高壓20KV-100KV，回旋頻率為 2GHz-30GHz。
[0009]所述的離子加速器注入裝置，所述的RFQ直線加速器包含真空腔桶和互為垂直的四個電極，電極的表面呈現(xiàn)波浪形狀的調(diào)制曲面；其中相對兩電極之間的距離為變間距，間距范圍為2mm-10mm。
[0010]所述的離子加速器注入裝置，所述的混合型離子加速裝置，包括有在真空腔筒內(nèi)設(shè)有互為垂直的四個T形板，多個漂移管通過漂移管支撐桿分別固連于兩個T形板之間；多個漂移管與真空腔筒在同一個中心線上；垂直高頻電四極透鏡相向設(shè)于漂移管之間，并固連于兩個垂直的T形板之間；水平高頻電四極透鏡相向設(shè)于漂移管之間，并固連于兩個水平的T形板之間。
[0011]所述的離子加速器注入裝置，所述的漂移管的長度為0.7-lOcm ;內(nèi)徑為1.5cm?5cm，相鄰兩個漂移管之間的加速間隙距離為l-5cm。
[0012]所述的離子加速器注入裝置，所述的垂直高頻電四極透鏡為中部凸起的馬鞍形，兩凸起之間的最小孔徑為1.5-4cm,所述的垂直高頻電四極透鏡長度為2cm?30cm ;7jC平高頻電四極透鏡為凹下的馬鞍形，兩凹下之間的最大孔徑為2-6cm，所述的水平高頻電四極透鏡長度為2cm?30cm。
[0013]所述的離子加速器注入裝置，所述的注入器的真空度為10-4-10_7Pa。
[0014]所述的離子加速器注入裝置，所述的RFQ直線加速器和混合型離子加速裝置工作頻率在50-500MHZ，混合型離子加速裝置的工作頻率為RFQ直線加速器的工作頻率的1_4倍。
[0015]所述的離子加速器注入裝置，RFQ直線加速器和混合型離子加速裝置之間沒有傳輸線的匹配。
[0016]一種離子加速器注入裝置的使用方法，其主要特點在于步驟為:
[0017](I)由ECR離子源產(chǎn)生離子束，在吸極引出高壓20KV-100KV下將束流引出，經(jīng)過兩個螺線管透鏡的匹配后注入到RFQ直線加速器；
[0018](2) RFQ直線加速器將離子加速到0.5-3MeV/u,然后繼續(xù)匹配到混合型離子加速裝置進(jìn)行加速；
[0019](3)混合型離子加速裝置將束流加速到4MeV/u-10MeV/u后，繼續(xù)注入強(qiáng)流加速器、同步加速器、治療裝置應(yīng)用型加速裝置進(jìn)行加速，或直接利用該束流進(jìn)行離子注入、輻照、中子源應(yīng)用。
[0020]本發(fā)明的有益效果是在強(qiáng)流離子束流的加速中，由于結(jié)構(gòu)更加緊湊，使得束流品質(zhì)更加優(yōu)良；本結(jié)構(gòu)利用混合型DTL將加速功能，橫縱向聚焦功能結(jié)合在同一個高頻結(jié)構(gòu)中，腔體分路阻抗高，高頻功耗大大的降低；利用零相位進(jìn)行加速，加速效率更高，可以有效的降低腔體的長度，提高有效加速梯度；RFQ和混合型DTL之間不需要額外的傳輸匹配段，可以降低建造成本，縮短裝置的長度。本發(fā)明主要是用于強(qiáng)流低能離子束流的加速，可用于強(qiáng)流加速器的注入器、工業(yè)加速器、治療裝置注入器等應(yīng)用型加速裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明主視示意圖；
[0022]圖2 (a)為本發(fā)明RFQ直線加速器左視示意圖；
[0023]圖2 (b)為本發(fā)明RFQ直線加速器主視示意圖；
[0024]圖3為本發(fā)明混合型離子加速器主視示意圖；
[0025]圖4為本發(fā)明混合型離子加速器A-A剖視示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0027]實施例1:見圖1，一種離子加速器注入裝置，包括有用于產(chǎn)生高流強(qiáng)的離子束流ECR離子源I和第一螺線管2與第二螺線管3通過真空管道連接RFQ直線加速器4和混合型離子加速裝置DTL5。RFQ直線加速器4和混合型離子加速器DTL5通過法蘭連接。
[0028]所述的ECR離子源1，吸極引出高壓20KV，回旋頻率為2GHz。
[0029]見圖2 (a)、圖2 (b)，所述的RFQ直線加速器4包含真空腔桶4_1和互為垂直的四個電極4-2，4-3，4-4，4-5，電極的表面呈現(xiàn)波浪形狀的調(diào)制曲面。其中相對兩電極4_2和4-4之間的距離為變間距，間距范圍為2mm-10mm ;相對兩電極4_3和4_5之間的距離為變間距，間距范圍為2mm-10mm，工作頻率為50MHz-500MHz。RFQ結(jié)構(gòu)采用四翼型高頻結(jié)構(gòu)。RFQ直線加速器結(jié)構(gòu)半徑為100mm，長度為lm。RFQ直線加速器4采用變孔徑的設(shè)計使得結(jié)構(gòu)的聚焦逐漸變?nèi)鯊亩苯痈竺娴幕旌闲虳TL進(jìn)行連接。
[0030]見圖3、圖4，所述的混合型離子加速裝置5，包括有在真空腔筒5-1內(nèi)設(shè)有互為垂直的四個T形板5-2，多個漂移管5-3通過漂移管支撐桿5-4分別固連于兩個T形板5_2之間；多個漂移管5-3與真空腔筒5-1在同一個中心線上；垂直高頻電四極透鏡5-5相向設(shè)于漂移管5-3之間，并固連于兩個垂直的T形板5-2之間；水平高頻電四極透鏡5-6相向設(shè)于漂移管5-2之間，并固連于兩個水平的T形板之間。混合型DTL離子加速裝置5采用高頻電四極透鏡進(jìn)行橫縱向聚焦，加速間隙利用零度相位進(jìn)行加速，從而可以大大的提升該注入器的加速效率。工作頻率為50ΜΗζ-500ΜΗζ?；旌闲虳TL直線加速器腔體半徑為100mm，長度為lm。
[0031]所述的離子加速器注入裝置的材料為金屬銅。
[0032]所述的離子加速器注入裝置，所述的漂移管的長度為0.7-10cm ;內(nèi)徑為L 5cmcm，相鄰兩個漂移管之間的加速間隙距離為l_5cm。
[0033]所述的離子加速器注入裝置，所述的垂直高頻電四極透鏡為中部凸起的馬鞍形，兩凸起之間的孔徑為1.5-4cm，所述的垂直高頻電四極透鏡長度為2cm?30cm ;水平高頻電四極透鏡為凹下的馬鞍形，兩凹下之間的最大孔徑為2-6cm，所述的水平高頻電四極透鏡長度為2cm?30cm。
[0034]所述的離子加速器注入裝置，所述的注入器的真空度為10-4-10_7Pa。
[0035]所述的離子加速器注入裝置，所述的RFQ直線加速器和混合型離子加速裝置8工作頻率在50-500MHZ，混合型離子加速裝置8的工作頻率為RFQ直線加速器的工作頻率。
[0036]所述的一種離子加速器注入裝置，RFQ直線加速器和混合型DTL之間沒有傳輸線的匹配。
[0037]實施例2:見圖1，一種離子加速器注入裝置，包括有用于產(chǎn)生高流強(qiáng)的離子束流ECR離子源I和第一螺線管2與第二螺線管3通過真空管道連接RFQ直線加速器4和混合型離子加速裝置DTL5。RFQ直線加速器4和混合型離子加速器DTL5通過法蘭連接。
[0038]所述的ECR離子源I，吸極引出高壓100KV，回旋頻率為30GHz。
[0039]見圖2 (a)、圖2 (b)，所述的RFQ直線加速器4包含真空腔桶4_1和互為垂直的四個電極4-2，4-3，4-4，4-5，電極的表面呈現(xiàn)波浪形狀的調(diào)制曲面。其中相對兩電極4_2和4-4之間的距離為變間距，間距范圍為2mm-10mm ;相對兩電極4_3和4_5之間的距離為變間距，間距范圍為2mm-10mm，工作頻率為500MHz。RFQ結(jié)構(gòu)采用四翼型高頻結(jié)構(gòu)。RFQ直線加速器結(jié)構(gòu)半徑為500mm，長度為5m。RFQ直線加速器4采用變孔徑的設(shè)計使得結(jié)構(gòu)的聚焦逐漸變?nèi)鯊亩苯痈竺娴幕旌闲虳TL進(jìn)行連接。
[0040]見圖3、圖4，所述的混合型離子加速裝置5，包括有在真空腔筒5-1內(nèi)設(shè)有互為垂直的四個T形板5-2，多個漂移管5-3通過漂移管支撐桿5-4分別固連于兩個T形板5_2之間；多個漂移管5-3與真空腔筒5-1在同一個中心線上；垂直高頻電四極透鏡5-5相向設(shè)于漂移管5-3之間，并固連于兩個垂直的T形板5-2之間；水平高頻電四極透鏡5-6相向設(shè)于漂移管5-2之間，并固連于兩個水平的T形板之間。混合型DTL離子加速裝置5采用高頻電四極透鏡進(jìn)行橫縱向聚焦，加速間隙利用零度相位進(jìn)行加速，從而可以大大的提升該注入器的加速效率。工作頻率為500MHz?；旌闲虳TL直線加速器腔體半徑為500mm，長度為5m ο
[0041]所述的離子加速器注入裝置的材料為金屬銅。
[0042]所述的離子加速器注入裝置，所述的漂移管的長度為0.7-lOcm ;內(nèi)徑為5cm，相鄰兩個漂移管之間的加速間隙距離為l_5cm。
[0043]所述的離子加速器注入裝置，所述的垂直高頻電四極透鏡為中部凸起的馬鞍形，兩凸起之間的孔徑為1.5-4cm，所述的垂直高頻電四極透鏡長度為30cm ;水平高頻電四極透鏡為凹下的馬鞍形，兩凹下之間的最大孔徑為6cm，所述的水平高頻電四極透鏡長度為30cmo
[0044]所述的離子加速器注入裝置，所述的注入器的真空度為10-4-10_7Pa。
[0045]所述的離子加速器注入裝置，所述的RFQ直線加速器和混合型離子加速裝置8工作頻率在50-500MHZ，混合型離子加速裝置8的工作頻率為RFQ直線加速器的工作頻率的的4倍。
[0046]所述的一種離子加速器注入裝置，RFQ直線加速器和混合型DTL之間沒有傳輸線的匹配。
[0047]實施例3:見圖1，一種離子加速器注入裝置，包括有用于產(chǎn)生高流強(qiáng)的離子束流ECR離子源I和第一螺線管2與第二螺線管3通過真空管道連接RFQ直線加速器4和混合型離子加速裝置DTL5。RFQ直線加速器4和混合型離子加速器DTL5通過法蘭連接。
[0048]所述的ECR離子源1，吸極引出高壓60KV，回旋頻率為20GHz。
[0049]見圖2 (a)、圖2 (b)，所述的RFQ直線加速器4包含真空腔桶4_1和互為垂直的四個電極4-2，4-3，4-4，4-5，電極的表面呈現(xiàn)波浪形狀的調(diào)制曲面。其中相對兩電極4_2和4-4之間的距離為變間距，間距范圍為2mm-10mm ;相對兩電極4_3和4_5之間的距離為變間距，間距范圍為2mm-10mm，工作頻率為50MHz-500MHz。RFQ結(jié)構(gòu)采用四翼型高頻結(jié)構(gòu)。RFQ直線加速器結(jié)構(gòu)半徑為300mm，長度為3m。RFQ直線加速器4采用變孔徑的設(shè)計使得結(jié)構(gòu)的聚焦逐漸變?nèi)鯊亩苯痈竺娴幕旌闲虳TL進(jìn)行連接。
[0050]見圖3、圖4，所述的混合型離子加速裝置5，包括有在真空腔筒5-1內(nèi)設(shè)有互為垂直的四個T形板5-2，多個漂移管5-3通過漂移管支撐桿5-4分別固連于兩個T形板5_2之間；多個漂移管5-3與真空腔筒5-1在同一個中心線上；垂直高頻電四極透鏡5-5相向設(shè)于漂移管5-3之間，并固連于兩個垂直的T形板5-2之間；水平高頻電四極透鏡5-6相向設(shè)于漂移管5-2之間，并固連于兩個水平的T形板之間?；旌闲虳TL離子加速裝置5采用高頻電四極透鏡進(jìn)行橫縱向聚焦，加速間隙利用零度相位進(jìn)行加速，從而可以大大的提升該注入器的加速效率。工作頻率為50ΜΗζ-500ΜΗζ?；旌闲虳TL直線加速器腔體半徑為300mm，長度為3m。
[0051]所述的離子加速器注入裝置的材料為不銹鋼鍍銅。[0052]所述的離子加速器注入裝置，所述的漂移管的長度為0.7-lOcm ;內(nèi)徑為1.5cm?5cm，相鄰兩個漂移管之間的加速間隙距離為l-5cm。
[0053]所述的離子加速器注入裝置，所述的垂直高頻電四極透鏡為中部凸起的馬鞍形，兩凸起之間的孔徑為1.5-4cm，所述的垂直高頻電四極透鏡長度為2cm?30cm ;水平高頻電四極透鏡為凹下的馬鞍形，兩凹下之間的最大孔徑為2-6cm，所述的水平高頻電四極透鏡長度為2cm?30cm。
[0054]所述的離子加速器注入裝置，所述的注入器的真空度為10-4-10_7Pa。
[0055]所述的離子加速器注入裝置，所述的RFQ直線加速器和混合型離子加速裝置8工作頻率在50-500MHZ，混合型離子加速裝置8的工作頻率為RFQ直線加速器的工作頻率或者混合型DTL的工作頻率是RFQ直線加速器的工作頻率的的2倍。
[0056]所述的一種離子加速器注入裝置，RFQ直線加速器和混合型DTL之間沒有傳輸線的匹配。
[0057]實施例4:一種離子加速器注入裝置的使用方法，其主要特點在于步驟為:
[0058](I)由ECR離子源產(chǎn)生離子束，在吸極引出高壓20KV-100KV下將束流引出，經(jīng)過兩個螺線管透鏡的匹配后注入到RFQ直線加速器；
[0059](2) RFQ直線加速器將離子加速到0.5-3MeV/u,然后繼續(xù)匹配到混合型DTL直線加速器進(jìn)行加速；
[0060](3)混合型DTL直線加速器將束流加速到4MeV/u-10MeV/u后，繼續(xù)注入強(qiáng)流加速器、同步加速器、治療裝置應(yīng)用型加速裝置進(jìn)行加速，或直接利用該束流進(jìn)行離子注入、輻照、中子源應(yīng)用。
【權(quán)利要求】
1.一種離子加速器注入裝置，其特征在于包括有用于產(chǎn)生高流強(qiáng)的離子束流ECR離子源和第一螺線管與第二螺線管通過真空管道連接RFQ直線加速器和混合型離子加速裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的離子加速器注入裝置，其特征在于所述的ECR離子源，吸極引出高壓 20KV-100KV，回旋頻率為 2GHz-30GHz。
3.如權(quán)利要求1所述的離子加速器注入裝置，其特征在于所述的RFQ直線加速器包含真空腔桶和互為垂直的四個電極，電極的表面呈現(xiàn)波浪形狀的調(diào)制曲面；其中相對兩電極之間的距離為變間距，間距范圍為2mm-10mm。
4.如權(quán)利要求1所述的離子加速器注入裝置，其特征在于所述的混合型離子加速裝置，包括有在真空腔筒內(nèi)設(shè)有互為垂直的四個T形板，多個漂移管通過漂移管支撐桿分別固連于兩個T形板之間；多個漂移管與真空腔筒在同一個中心線上；垂直高頻電四極透鏡相向設(shè)于漂移管之間，并固連于兩個垂直的T形板之間；水平高頻電四極透鏡相向設(shè)于漂移管之間，并固連于兩個水平的T形板之間。
5.如權(quán)利要求4所述的離子加速器注入裝置，其特征在于所述的漂移管的長度為0.7-10cm ;內(nèi)徑為1.5cm~5cm,相鄰兩個漂移管之間的加速間隙距離為l_5cm。
6.如權(quán)利要求3所述的離子加速器注入裝置，其特征在于所述的垂直高頻電四極透鏡為中部凸起的馬鞍形，兩凸起之間的最小孔徑為1.5-4cm，所述的垂直高頻電四極透鏡長度為2cm~30cm ;水平高頻電四極透鏡為凹下的馬鞍形,兩凹下之間的最大孔徑為2_6cm,所述的水平高頻電四極透鏡長度為2cm~30cm。
7.如權(quán)利要求1所述的離子加速器注入裝置，其特征在于所述的注入器的真空度為I (T4-1 (T7Pa。
8.如權(quán)利要求1所述的離子加速器注入裝置，其特征在于所述的RFQ直線加速器和混合型離子加速裝置工作頻率在50-500MHZ，混合型離子加速裝置的工作頻率為RFQ直線加速器的工作頻率的2倍。
9.如權(quán)利要求1所述的離子加速器注入裝置，其特征在于RFQ直線加速器和混合型離子加速裝置之間沒有傳輸線的匹配。
10.一種離子加速器注入裝置的使用方法，其特征在于步驟為: (1)由ECR離子源產(chǎn)生離子束，在吸極引出高壓20KV-100KV下將束流引出，經(jīng)過兩個螺線管透鏡的匹配后注入到RFQ直線加速器； (2)RFQ直線加速器將離子加速到0.5-3MeV/u,然后繼續(xù)匹配到混合型離子加速裝置進(jìn)行加速； (3)混合型離子加速裝置將束流加速到4MeV/U-10MeV/U后，繼續(xù)注入強(qiáng)流加速器、同步加速器、治療 裝置應(yīng)用型加速裝置進(jìn)行加速，或直接利用該束流進(jìn)行離子注入、輻照、中子源應(yīng)用。
【文檔編號】H05H7/08GK103906339SQ201310452010
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月28日
【發(fā)明者】王志軍, 何源, 劉魯北 申請人:中國科學(xué)院近代物理研究所