直接注入型離子束加速裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低能離子加速器領(lǐng)域，具體地，涉及直接注入型離子束加速裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]低能直線加速器廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)研究中。低能直線加速器指離子束從離子源引出后被加速至2~3MeV/u這一段加速結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的低能直線加速器采用靜電高壓加速器或者射頻四極加速器這兩種加速結(jié)構(gòu)。其中，靜電高壓加速器體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，射頻四極加速器造價昂貴、加速梯度較低、所需射頻功率消耗較高。而射頻四極加速器在離子束能量較低時，容易出現(xiàn)空間電荷效應(yīng)比較嚴重，聚焦困難的缺陷?，F(xiàn)在低能離子加速器領(lǐng)域缺乏一種體積小，能夠簡單方便的實現(xiàn)對低能離子束的加速，同時還能提高加速梯度且降低高頻功率功耗的低能離子加速器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是直接注入型離子束加速裝置，能夠簡單方便的加速低能離子束，同時提高加速梯度、降低高頻功率消耗。
[0004]本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是:直接注入型離子束加速裝置，包括用于產(chǎn)生離子束的離子源，用于連接離子源與加速腔的束流管道，用于加速、聚焦和傳輸?shù)湍茈x子束的交變相位聚焦的加速腔，所述加速腔為通過調(diào)整加速腔內(nèi)漂移管的位置和長度來實現(xiàn)交變相位聚焦的加速腔。
[0005]離子源用于產(chǎn)生所需要的低能離子束，離子源產(chǎn)生的離子束可以是直流的或脈沖的，低能離子束的能量范圍在40KeV/u~100KeV/u，可以不經(jīng)各種低能加速結(jié)構(gòu)的加速，直接通過束流管道接受離子源產(chǎn)生的低能離子束，直接注入到加速腔。加速腔完成對束流的聚焦、傳輸和加速，引出的離子束達到一定的能量。加速腔對束流的聚焦通過加速腔內(nèi)加速間隙的同步相位設(shè)置為正負交變來實現(xiàn)。采用交變相位使得腔內(nèi)漂移管的尺寸可以減小，從而提高分流阻抗，降低功率消耗。該方案中的加速腔可以接收一定相位寬度內(nèi)的的離子并完成加速和傳輸。
[0006]本方案中加速腔內(nèi)漂移管的位置和長度是在制作該裝置時根據(jù)實際的需要人工設(shè)定的。當(dāng)加速腔內(nèi)漂移管的位置和長度設(shè)定好以后，即可采用交變相位聚焦的方法實現(xiàn)對離子源引出的離子束直接加速、聚焦和傳輸。該方案中采用的交變相位聚焦是利用加速間隙的高頻電磁場的聚焦作用，結(jié)合強聚焦原理，實現(xiàn)了離子源引出的離子束直接加速、聚焦和傳輸，不再需要漂移管內(nèi)置四極磁鐵，與以往的靜電高壓加速器加速低能離子相比，可以極大地減小漂移管尺寸，從而提高了分路阻抗，降低了高頻功耗。由于采用強聚焦原理，加速相位正負交替排列，橫向和縱向聚焦耦合同時完成，使得相位序列需要優(yōu)選并與加速腔的加速電壓配合以保證束流能夠加速和傳輸，提高了加速梯度，降低了高頻功率消耗。本方案采用的是交變相位聚焦，即便是在離子束能量較低時，也不會出現(xiàn)空間電荷效應(yīng)比較嚴重，聚焦困難的情況發(fā)生。
[0007]進一步的，所述加速腔內(nèi)的漂移管內(nèi)無四極磁鐵?？梢詷O大地減小漂移管尺寸，從而提高了分路阻抗，降低了高頻功耗。
[0008]進一步的，所述加速腔采用IH或CH加速模式的駐波腔。用于調(diào)整加速腔內(nèi)漂移管的排列使得加速間隙內(nèi)的加速相位正負交替排列。該正負交替序列采用一定的周期結(jié)構(gòu)，其目的是同時完成離子束的橫向聚焦和縱向聚焦。
[0009]為了能夠簡單方便的加速低能離子束，減小加速器體積，所述離子源的出口法蘭與加速腔的入口法蘭相連接，且兩個法蘭之間沒有能夠?qū)崿F(xiàn)離子加速的結(jié)構(gòu)。
[0010]為了能夠簡單方便的加速低能離子束，進一步減小加速器體積，所述離子源和加速腔之間沒有加速結(jié)構(gòu)。
[0011]綜上，本發(fā)明的有益效果是:
1、本方案與現(xiàn)有加速器相比，采用交變相位聚焦，利用加速間隙的高頻電磁場的聚焦作用，結(jié)合強聚焦原理，實現(xiàn)了離子源引出的離子束直接加速、聚焦和傳輸，不再需要漂移管內(nèi)置四極磁鐵，可以極大地減小漂移管尺寸，從而提高了分路阻抗，體積小，能夠簡單方便的加速低能離子束，提高加速梯度、降低高頻功率消耗。
[0012]2、本方案采用的是交變相位聚焦，即便是在離子束能量較低時，也不會出現(xiàn)空間電荷效應(yīng)比較嚴重，聚焦困難的情況發(fā)生。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明中交變相位聚焦所要求的漂移管排列結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為質(zhì)子的交變相位序列；
圖4為質(zhì)子的橫向軌跡；
圖5為質(zhì)子的縱向軌跡。
[0014]附圖中標記及相應(yīng)的零部件名稱:1、離子源；2、束流管道；3、加速腔。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地的詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0016]實施例1:
如圖1-5所示，本發(fā)明包括用于產(chǎn)生離子束的離子源1，用于連接離子源與加速腔的束流管道2，用于加速、聚焦和傳輸?shù)湍茈x子束的交變相位聚焦的加速腔3，所述加速腔3為通過調(diào)整加速腔3內(nèi)漂移管的位置和長度來實現(xiàn)交變相位聚焦的加速腔3。
[0017]離子源用于產(chǎn)生所需要的低能離子束，離子源產(chǎn)生的離子束可以是直流的或脈沖的，低能離子束的能量范圍在40KeV/u~100KeV/u，可以不經(jīng)各種低能加速結(jié)構(gòu)的加速，直接通過束流管道接受離子源產(chǎn)生的低能離子束，直接注入到加速腔。加速腔完成對束流的聚焦、傳輸和加速，引出的離子束達到一定的能量。加速腔對束流的聚焦通過加速腔內(nèi)加速間隙的同步相位設(shè)置為正負交變來實現(xiàn)。采用交變相位使得腔內(nèi)漂移管的尺寸可以減小，從而提高分流阻抗，降低功率消耗。該方案中的加速腔可以接收一定相位寬度內(nèi)的的離子并完成加速和傳輸。本發(fā)明能夠應(yīng)用于任意離子類型的低能加速。
[0018]如圖3-5所示，以質(zhì)子加速為例，若將質(zhì)子放入該裝置進行加速，離子源產(chǎn)生所需的質(zhì)子束，束流管道使得離子源引出的束流可以直接注入進入加速腔。束流管道外可以根據(jù)需要安裝螺線管或四極磁鐵用以調(diào)整引出束流。通過加速腔對質(zhì)子加速、聚焦和傳輸，調(diào)整加速腔內(nèi)的漂移管排列和加速間隙的相位序列，計算束流的傳輸、聚焦和加速情況，最終得到優(yōu)選的漂移管排布和加速相位序列。計算得到質(zhì)子束在加速腔內(nèi)的束流軌跡，交變相位聚焦很好的實現(xiàn)了束流的橫向和縱向聚焦。從而實現(xiàn)將質(zhì)子由40KeV加速到2.5MeV。
[0019]本方案中加速腔內(nèi)漂移管的位置和長度是在制作該裝置時根據(jù)實際的需要人工設(shè)定的。當(dāng)加速腔內(nèi)漂移管的位置和長度設(shè)定好以后，即可采用交變相位聚焦的方法實現(xiàn)對離子源引出的離子束直接加速、聚焦和傳輸。該方案中采用的交變相位聚焦是利用加速間隙的高頻電磁場的聚焦作用，結(jié)合強聚焦原理，實現(xiàn)了離子源引出的離子束直接加速、聚焦和傳輸，不再需要漂移管內(nèi)置四極磁鐵，與以往的靜電高壓加速器加速低能離子相比，結(jié)構(gòu)簡單，可以極大地減小漂移管尺寸，體積小，從而提高了分路阻抗，降低了高頻功耗。由于采用強聚焦原理，加速相位正負交替排列，橫向和縱向聚焦耦合同時完成，使得相位序列需要優(yōu)選并與加速腔的加速電壓配合以保證束流能夠加速和傳輸，提高了加速梯度，降低了高頻功率消耗。本方案采用的是交變相位聚焦，即便是在離子束能量較低時，也不會出現(xiàn)空間電荷效應(yīng)比較嚴重，聚焦困難的情況發(fā)生。
[0020]實施例2:
本實施例在實施例1的基礎(chǔ)上優(yōu)選如下:加速腔3內(nèi)的漂移管內(nèi)無四極磁鐵。可以極大地減小漂移管尺寸，從而提高了分路阻抗，降低了高頻功耗。本方案中的用于連接離子源與加速腔的束流管道，可以使用外置式的螺線管或四極磁鐵調(diào)整束流的相空間分布，稱為低能傳輸段，低能傳輸段可以不使用。從而進一步縮小漂移管尺寸，提高了分路阻抗，降低了尚頻功耗。
[0021]實施例3:
本實施例在上述實施例的基礎(chǔ)上優(yōu)選如下:加速腔3采用IH或CH加速模式的駐波腔。IH加速模式為電磁模式加速的駐波腔，CH加速模式為cross bar model即十字交叉模式加速的駐波腔。該駐波腔用于調(diào)整加速腔內(nèi)漂移管的排列使得加速間隙內(nèi)的加速相位正負交替排列。該正負交替序列采用一定的周期結(jié)構(gòu)，其目的是同時完成離子束的橫向聚焦和縱向聚焦。
[0022]實施例4:
本實施例在上述實施例的基礎(chǔ)上優(yōu)選如下:為了能夠簡單方便的加速低能離子束，減小加速器體積，離子源I的出口法蘭與加速腔3的入口法蘭相連接，且兩個法蘭之間沒有能夠?qū)崿F(xiàn)離子加速的結(jié)構(gòu)。
[0023]為了能夠簡單方便的加速低能離子束，進一步減小加速器體積，所述離子源I和加速腔3之間沒有加速結(jié)構(gòu)。
[0024]本發(fā)明所提及的加速結(jié)構(gòu)的特征還在于調(diào)整加速腔內(nèi)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以提高加速場強和分路阻抗?？烧{(diào)整的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括漂移管的尺寸、支撐桿的尺寸、加速腔的內(nèi)半徑。經(jīng)過優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠盡可能的提高分路阻抗，從而降低加速腔內(nèi)的高頻功率消耗。
[0025]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.直接注入型離子束加速裝置，其特征在于，包括用于產(chǎn)生離子束的離子源(I)，用于連接離子源與加速腔的束流管道(2)，用于加速、聚焦和傳輸?shù)湍茈x子束的交變相位聚焦的加速腔(3 )，所述加速腔(3 )為通過調(diào)整加速腔(3 )內(nèi)漂移管的位置和長度來實現(xiàn)交變相位聚焦的加速腔(3)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接注入型離子束加速裝置，其特征在于，所述加速腔(3)內(nèi)的漂移管內(nèi)無四極磁鐵。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直接注入型離子束加速裝置，其特征在于，所述加速腔(3)采用IH或CH加速模式的駐波腔。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直接注入型離子束加速裝置，其特征在于，所述離子源(I)的出口法蘭與加速腔(3)的入口法蘭相連接，且兩個法蘭之間沒有能夠?qū)崿F(xiàn)離子加速的結(jié)構(gòu)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接注入型離子束加速裝置，其特征在于，所述離子源(I)和加速腔(3)之間沒有加速結(jié)構(gòu)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了直接注入型離子束加速裝置，包括用于產(chǎn)生離子束的離子源，用于連接離子源與加速腔的束流管道，用于加速、聚焦和傳輸?shù)湍茈x子束的交變相位聚焦的加速腔，所述加速腔為通過調(diào)整加速腔內(nèi)漂移管的位置和長度來實現(xiàn)交變相位聚焦的加速腔。本發(fā)明通過上述結(jié)構(gòu)，能夠簡單方便的加速低能離子束，同時提高加速梯度、降低高頻功率消耗。
【IPC分類】H05H7/22, H05H9/00
【公開號】CN105072798
【申請?zhí)枴緾N201510588035
【發(fā)明人】趙良超, 何小中, 龐健, 馬超凡
【申請人】中國工程物理研究院流體物理研究所
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年9月16日