專利名稱：大跨度回旋加速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種回旋加速器，特別是強(qiáng)流回旋加速器。
在科研、生產(chǎn)等實踐中，往往需要將質(zhì)子、電子、重離子等帶電粒子加速到很高能量，以滿足特殊需要；用于加速粒子的裝置稱為加速器?；匦铀倨魇羌铀倨髦谐Ｒ姷囊环N。現(xiàn)有的回旋加速器由于出于種種考慮，D形盒的數(shù)目不多于三個，D形盒電壓也較小，從而使粒子運動軌道跨度(即軌道相鄰兩圈束流中心分開的距離)小，粒子要在聚焦力很弱的加速器中心區(qū)轉(zhuǎn)很多圈，這樣束流損失較大，不易達(dá)到強(qiáng)流，一般平均束流強(qiáng)度都在毫安以下。例如專利號為5463291，專利名稱為“Cyclotron and associaed magnet coil and coil fabricatingprocess”的美國專利提到的一種回旋加速器，以及現(xiàn)有的所有回旋加速器，都無法達(dá)到很高的流強(qiáng)。但在很多場合下，需要強(qiáng)流的加速器，比如BNCT中子源用的加速器，其流強(qiáng)應(yīng)達(dá)毫安量級以上。因此，現(xiàn)有回旋加速器往往不能滿足實際要求。
在注入束流強(qiáng)度足夠強(qiáng)的情況下，回旋加速器能夠達(dá)到的極限束流強(qiáng)度I正比于D形盒有效高度h，俘獲相寬Δ，束流每圈能量增益ΔE，加速場頻率f，以及束流在中心附近前5圈軸向自由振蕩頻率平均值的平方υz2。
I∝f·h·υz2·Δ·ΔE根據(jù)所發(fā)表的文獻(xiàn)，目前束流最強(qiáng)的傳統(tǒng)回旋加速器Cyclone30，設(shè)計參數(shù)為f＝64.8MHz，h＝3cm，Δ＝20°，ΔE＝0.2MeV，υz≤0.25，所達(dá)到的束流強(qiáng)度為0.48mA，尚不足1mA。
本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提出一種引出束流強(qiáng)度大而且設(shè)計簡單，造價低廉的新型回旋加速器。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的方案是一種回旋加速器，包括高頻電源1、D形盒2、磁極3、真空室4和粒子注入系統(tǒng)5等，其特征是所述磁極3的葉片31的數(shù)目和有效寬度、勵磁功率，D形盒2數(shù)目和有效寬度，加速場頻率及D形盒電壓等結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)的組合，使每圈的平均磁場低于1T，每圈能量增益高于0.3MeV。
由于采用了這種方案，降低磁場的同時增加了每圈的能量增益，使軌道跨度大大增加，從而具有如下的優(yōu)越性1)可以使粒子只要經(jīng)過半圈至一圈加速就可以跨過聚焦力弱的中心區(qū)而進(jìn)入葉片場的強(qiáng)聚焦區(qū)，從而束流在中心區(qū)的損失可以大大減小，使俘獲效率提高；2)最重要的是，本方案使粒子軌道的跨度增大，加速過程所需圈數(shù)少，從而又減少了束流在加速區(qū)的損失；在引出區(qū)，由于仍然可以保持大的軌道間距，這樣可以采用強(qiáng)流離子源注入，寬相位俘獲，而不至于使引出束與前一圈束流相重疊，既可容納較強(qiáng)的束流，又可獲得高效率引出；由于軌道跨度大，每圈能量增益高，加速過程中所轉(zhuǎn)圈數(shù)少，束流加速相位滑動大大減小，對等時場的公差要求大大放松，因而可以降低加工制造難度和造價。
圖l是一個回旋加速器的示意圖；圖2是實施例1中磁極和D形盒部分的示意圖。
下面結(jié)合附圖并通過具體的實施例對本發(fā)明做更進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
實施例1參見

圖1，這是一臺用于BNCT中子源的LSOC(Large SpanOrbit Cyclotron)加速器，其設(shè)計目標(biāo)是加速粒子種類質(zhì)子(H+)，束流引出能量2.27-2.5MeV，引出束流強(qiáng)度10mA，中心能量2.38MeV，能散度|ΔW/W|≤5％束流發(fā)射度≤50mm·mrad。
它包括高頻電源1、D形盒2、磁極3、真空室4和粒子注入系統(tǒng)5等，其特征是所述D形盒2的D形盒電壓為60Kev，加速頻率為30.4MHz，諧波數(shù)為4；所述磁極3的最高磁場為0.9特斯拉，引出半徑處的平均磁場0.5特斯拉。顯然，磁極3的平均磁場低于1T。
見圖2，所述磁極3有四個葉片31，所述D形盒2也有四個，D形盒2和磁極葉片31依次間隔排列。所述磁極葉片31的有效角寬度為45°，D形盒2的有效張角也為45°。這樣可以保證粒子每圈有八次加速，而且八次加速的每一次都可以實現(xiàn)″零相位加速″，每圈能量增益可達(dá)0.48MeV，高于0.3MeV。
所述粒子注入系統(tǒng)5為外部雙等離子體源注入，加聚束器。也可以采用兩個離子源或單離子源雙注入點注入。
現(xiàn)有的回旋加速器在設(shè)計中的一個顯著的偏見性傾向就是，為了在減小引出半徑的情況下增加磁剛度，都著眼于提高磁極3間的磁場強(qiáng)度B，但這樣一來就引起了一些其他的問題。首先，在不能實現(xiàn)每圈能量增益很大的情況下，磁場強(qiáng)度大必然造成軌道跨度小，束流損失大，從而不易實現(xiàn)強(qiáng)流；其次，還會引起磁鐵飽和的問題。通常，為了避免磁鐵的飽和，在四個葉片的情況下，一般其磁極葉片31的有效角寬度都遠(yuǎn)大于45°，如達(dá)到54°之多，這樣帶來的問題就是D形盒2的有效角寬度只好小于45°。而另一方面，為了使粒子能夠被加速，需要粒子在運動中的相位配合要滿足一定的要求，這就使得現(xiàn)有技術(shù)中多于3個D形盒的設(shè)計非常困難。這就引起了現(xiàn)有技術(shù)的前述缺點，即難以實現(xiàn)大流強(qiáng)。
但是，在實際中，實現(xiàn)大流強(qiáng)的意義有時遠(yuǎn)比減小引出半徑重要得多。本發(fā)明正是基于這一點，才大膽提出新的設(shè)想大大降低磁場強(qiáng)度B，如在本實施例中，所述磁極3的最高磁場為0.9特斯拉，引出半徑處的平均磁場0.5特斯拉。由于B值的降低，從而得以減小磁極葉片31的有效角寬度到45°，進(jìn)而使D形盒2的有效角寬度可達(dá)45°，使D形盒的數(shù)目可以增加到四個，粒子每旋轉(zhuǎn)一圈可以得到八次加速。而且，在這種情況下的相位配合可以巧妙地實現(xiàn)“零相位加速”，以最小的高頻功率消耗獲得最大的每圈能量增益。
實施例中，零相位加速的實現(xiàn)是通過四倍頻加速電場的配合來實現(xiàn)的。由于D形盒2的有效寬度為45°，在粒子運動45°角時，電場相位剛好改變180°；在粒子運動90°角時，電場相位剛好改變360°；……依次類推，保證了粒子每次到達(dá)加速間隙處都受到峰值加速電壓的加速。
在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計中，為了避免功耗過大，D形盒電壓取值均較小，本發(fā)明則突破常規(guī)，增大D形盒電壓，使之達(dá)60KeV以上，甚至超過100KeV或者更高，從而進(jìn)一步增加了每圈的加速效果。雖然加大加速電壓會導(dǎo)致功耗增大，但大電流必然造成大功耗，這是客觀規(guī)律，況且功率的增大并未達(dá)到使本發(fā)明無法實施的程度。在本實施例中高頻總功率為55KW(單粒子源時)，或90KW(雙粒子源或單粒子源雙注入點時)。
增加D形盒數(shù)目和增大D形盒電壓結(jié)合使用或單獨使用，就可以實現(xiàn)粒子運動軌道的“大跨度”，束流在加速器中只經(jīng)過半圈加速就跨過中心區(qū)而進(jìn)入強(qiáng)聚焦葉片區(qū)?？偣仓恍枰s5圈加速，就達(dá)到引出能量和引出半徑。這時，束流的帶寬大約為2cm。而引出束流帶與前一圈束流帶邊沿之間的分開距離大到2.5cm，(跨度則大約為束寬和分開距離之和，故為4.5cm)。所以引出束流極為容易，只需經(jīng)過90度方位就可把束流偏出加速器磁極。預(yù)計引出效率接近100％。最終能達(dá)到的流強(qiáng)在10mA以上。
為了進(jìn)一步增大束流強(qiáng)度，本實施例中又采用了雙離子源注入，注入的兩束粒子在中心區(qū)是分離的，但到達(dá)引出區(qū)時，兩束合為一束。這樣可以使束流強(qiáng)度又增加60％。具體實現(xiàn)的方法是注入時，使兩束粒子高頻相差為360°，并控制它們各自的束寬，使相位靠前的粒子束，即通過第二注入通道52注入的束流的寬度稍小第二注入通道52的位置是相對于第一注入通道51順束流方向轉(zhuǎn)90°方位角。在第一注入通道51俘獲相寬選為50度的情況下，第二注入通道52的俘獲相寬為30度。假設(shè)當(dāng)通過第二注入通道52注入的粒子運動4.75圈時，通過第一注入通道51注入的粒子運動5圈，則兩束粒子″重合″——即前束粒子進(jìn)入后束粒子的″帶寬″之內(nèi)。這在普通的回旋加速器上是難以實現(xiàn)的，因為兩束粒子在匯合時，使粒子的帶寬加大，如果軌道跨度不大，就難以實現(xiàn)引出。因此，它的實現(xiàn)是有賴于″大跨度″這一顯著優(yōu)點的。
為了清楚起見，下面給出本實施例的更加詳細(xì)的設(shè)計參數(shù)一磁鐵及有關(guān)束流參數(shù)引出束流中心軌道半徑44.65cm，引出束流帶寬2.1cm，引出束與前一圈束之間的空隙2.5cm，引出半徑平均磁場0.5T，磁極葉片數(shù)目4，葉片有效角寬度45°，最高磁場0.9T，葉片峰間隙6-8cm，谷間隙50-70cm，磁極直徑100cm，加速器外徑160cm，磁鐵高度80cm，磁鐵重量(鐵重量/銅重量)5噸/1噸，勵磁功率10Kw。
二高頻加速系統(tǒng)加速場頻率30.4MHz，諧波數(shù)4，D形盒數(shù)目4，D形盒有效張角45°，D形盒有效內(nèi)高度6-8cm，Dee電壓60KV，每個D形盒功率損耗7KW，束流功率25KW，高頻總功率55KW。
三注入系統(tǒng)外部雙等離子體源注入加聚束器，注入束流強(qiáng)度≥30mA，注入能量50KeV-100KeV，俘獲相寬度≥50°(+25°至-25°)。
四、引出系統(tǒng)用靜電偏轉(zhuǎn)板引出，偏轉(zhuǎn)板間隙3cm，偏轉(zhuǎn)板長度20-25cm，偏轉(zhuǎn)板電壓100KV。
五束流強(qiáng)度估計如前所述，在注入束流強(qiáng)度足夠強(qiáng)的情況下，回旋加速器能夠達(dá)到的極限束流強(qiáng)度I可以參考現(xiàn)有的回旋加速器作一個類比公式I＝I0·(f/f0)·(h/h0)·(υz/υz0)2·(Δ/Δ0)·(ΔE/ΔE0)其中下標(biāo)“0”表示該參數(shù)為傳統(tǒng)加速器的參數(shù)。如仍以Cyclone30的參數(shù)做對比，由于本LSOC的設(shè)計參數(shù)為f＝30.4MHZ，h＝6-8cm，Δ＝50°，ΔEo＝0.48MeV。特別是整個加速過程只有5圈。相當(dāng)于中心區(qū)5圈υz的平均值υz≥0.6。把這些參數(shù)代入公式，可以估算出本設(shè)計LSOC有可能達(dá)到的束流強(qiáng)度I＝10.8mA-14.4mA。
幾點說明1本發(fā)明亦可加速H-離子。只要有足夠強(qiáng)的H-離子源注入。而對于加速H-離子，本設(shè)計亦可用偏轉(zhuǎn)板高效率引出。解決了沒有耐強(qiáng)流轟擊引出剝離膜的一大難題。
2本設(shè)計平均磁場的等時性墊補(bǔ)要求不嚴(yán)格。即使不進(jìn)行等時性墊補(bǔ)，加速過程中，束流加速相位的總滑動也不超過10°，故磁鐵加工比較容易。
3前面對流強(qiáng)的估算是只用一個離子源單通道注入的情形下的。當(dāng)用兩個離子源或者一個離子源兩個通道注入時，兩個通道注入的束流在達(dá)到引出圈時正好合并在同一個束流帶中，既不會增大引出帶的寬度，也不會減小引出圈束流帶與前一圈束流帶之間的分離間距。亦即不會降低引出效率。因此，在使用兩個離子源或雙通道注入的情況下，加速器可能達(dá)到的束流強(qiáng)度將增大到I＝17mA-23mA。所花的代價是高頻機(jī)的總輸出功率應(yīng)從55Kw增加到90KW。
實施例2這仍是一個用于BNCT中子源的LSOC加速器，其設(shè)計目標(biāo)也與實施例一基本相同加速粒子種類質(zhì)子(H+)，束流引出能量2.22-2.5MeV，引出束流強(qiáng)度≥8mA，中心能量2.36MeV，能散度|ΔW/W|≤6％束流發(fā)射度≤50mm·mrad。
本實施例的設(shè)計和實施例一有相似之處，所不同的是葉片數(shù)和D形盒數(shù)均為3個，其有效寬度均為60°，這樣每圈可獲六次加速。最高磁場為1.05T，引出最大半徑處平均磁場0.6T，加速場頻率27.4MHz，仍為零相位加速，D形盒電壓60KeV，這樣，每圈能量增益為0.36MeV，軌道共6.5圈。最后，引出束寬1.74cm，引出束帶與前一圈束帶之間的空隙1.40cm，從而軌道最小跨度為3.14cm。
實際上，本發(fā)明最核心的思想在于″大跨度軌道″這一特征。只要束流運動圈與圈之間的軌道跨度滿足如下條件，即屬于本發(fā)明的思想范圍內(nèi)ΔRn=Rn-Rn-1≥1+2(Eo/Wn)/20.....(cm)]]>其中E0是被加速粒子的靜止能量，Wn是達(dá)到第n圈時的動能，n＝1，2，3，……K，K代表引出圈，Rk是引出束流中心軌道半徑，WK是引出束流的中心能量，ΔRk是引出圈束流中心軌道與前一圈束流中心軌道之間的跨度，Ro(當(dāng)n＝1時)是束流中心注入點到加速器中心的距離。目前，世界上所有的傳統(tǒng)回旋加速器都不滿足本判據(jù)。本判據(jù)適用于各種能量帶葉片磁極結(jié)構(gòu)的回旋加速器，包括等時性和非等時性，加速質(zhì)子，H-，氘核，D-，以及其他重離子的回旋加速器。
權(quán)利要求
1.一種回旋加速器，包括高頻電源(1)、D形盒(2)、磁極(3)、真空室(4)和粒子注入系統(tǒng)(5)等，其特征是所述磁極(3)的葉片(31)的數(shù)目和有效寬度、勵磁功率，D形盒(2)數(shù)目和有效寬度，加速場頻率及D形盒電壓等結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)的組合，使每圈的平均磁場低于1T，每圈能量增益高于0.3MeV。
2.如權(quán)利要求1所述的回旋加速器，其特征是所述D形盒(2)的D形盒電壓為60KeV以上，加速頻率為30.4MHz，諧波數(shù)為4；所述磁極3的最高磁場為0.9特斯拉，引出半徑處的平均磁場0.5特斯拉。
3.如權(quán)利要求1或2所述的回旋加速器，其特征是所述磁極(3)有四個葉片(31)，所述D形盒(2)也有四個，D形盒(2)和磁極葉片(31)依次間隔排列。
4.如權(quán)利要求1或2所述的回旋加速器，其特征是所述磁極葉片(31)和D形盒(2)的有效角寬度均為45°。
5.如權(quán)利要求3所述的回旋加速器，其特征是所述磁極葉片(31)和D形盒(2)的有效角寬度均為45°。
6.如權(quán)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統(tǒng)(5)為外部雙等離子體源注入，加聚束器。
7.如權(quán)利要求3所述的回旋加速器，其特征是所述粒子注入系統(tǒng)(5)為外部雙等離子體源注入，加聚束器。
8.如權(quán)利要求4所述的回旋加速器，其特征是所述粒子注入系統(tǒng)(5)為外部雙等離子體源注入，加聚束器。
9.如權(quán)利要求5所述的回旋加速器，其特征是所述粒子注入系統(tǒng)(5)為外部雙等離子體源注入，加聚束器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種回旋加速器,所述磁極、D形盒等結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)的組合,使每圈的平均磁場低于1T,每圈能量增益高于0.3MeV。可以使粒子只要經(jīng)過半圈至一圈加速就可以跨過聚焦力弱的中心區(qū)而進(jìn)入葉片場的強(qiáng)聚焦區(qū);也使粒子軌道的跨度增大,每圈能量增益提高,加速過程所需圈數(shù)少;又可獲得高效率引出;對等時場的公差要求大大放松,因而可以降低加工制造難度和造價。
文檔編號H05H13/10GK1209037SQ97115820
公開日1999年2月24日 申請日期1997年8月14日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月14日
發(fā)明者魏開煜, 馬鍾仁, 張興治 申請人:深圳奧沃國際科技發(fā)展有限公司