直接注入型離子束加速裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型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(jià)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(shí)，容易出現(xiàn)空間電荷效應(yīng)比較嚴(yán)重，聚焦困難的缺陷。現(xiàn)在低能離子加速器領(lǐng)域缺乏一種體積小，能夠簡(jiǎn)單方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)低能離子束的加速，同時(shí)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。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是直接注入型離子束加速裝置，能夠簡(jiǎn)單方便的加速低能離子束，同時(shí)提高加速梯度、降低高頻功率消耗。
[0004]本實(shí)用新型解決上述問(wèn)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(guò)調(diào)整加速腔內(nèi)漂移管的位置和長(zhǎng)度來(lái)實(shí)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(guò)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(duì)束流的聚焦、傳輸和加速，引出的離子束達(dá)到一定的能量。加速腔對(duì)束流的聚焦通過(guò)加速腔內(nèi)加速間隙的同步相位設(shè)置為正負(fù)交變來(lái)實(shí)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(zhǎng)度是在制作該裝置時(shí)根據(jù)實(shí)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(zhǎng)度設(shè)定好以后，即可采用交變相位聚焦的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)的聚焦作用，結(jié)合強(qiáng)聚焦原理，實(shí)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(qiáng)聚焦原理，加速相位正負(fù)交替排列，橫向和縱向聚焦耦合同時(shí)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(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)空間電荷效應(yīng)比較嚴(yán)重，聚焦困難的情況發(fā)生。
[0007]進(jìn)一步的，所述加速腔內(nèi)的漂移管內(nèi)無(wú)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。
[0008]進(jìn)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(fù)交替排列。該正負(fù)交替序列采用一定的周期結(jié)構(gòu)，其目的是同時(shí)完成離子束的橫向聚焦和縱向聚焦。
[0009]為了能夠簡(jiǎn)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(gè)法蘭之間沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)離子加速的結(jié)構(gòu)。
[0010]為了能夠簡(jiǎn)單方便的加速低能離子束，進(jìn)一步減小加速器體積，所述離子源和加速腔之間沒(méi)有加速結(jié)構(gòu)。
[0011]綜上，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0012]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(chǎng)的聚焦作用，結(jié)合強(qiáng)聚焦原理，實(shí)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(jiǎn)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。
[0013]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(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)空間電荷效應(yīng)比較嚴(yán)重，聚焦困難的情況發(fā)生。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是本實(shí)用新型中交變相位聚焦所要求的漂移管排列結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3為質(zhì)子的交變相位序列；
[0017]圖4為質(zhì)子的橫向軌跡；
[0018]圖5為質(zhì)子的縱向軌跡。
[0019]附圖中標(biāo)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(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地的詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0021]實(shí)施例1:
[0022]如圖1-5所示，本實(shí)用新型包括用于產(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(guò)調(diào)整加速腔3內(nèi)漂移管的位置和長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)交變相位聚焦的加速腔3。
[0023]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(guò)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(duì)束流的聚焦、傳輸和加速，引出的離子束達(dá)到一定的能量。加速腔對(duì)束流的聚焦通過(guò)加速腔內(nèi)加速間隙的同步相位設(shè)置為正負(fù)交變來(lái)實(shí)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。本實(shí)用新型能夠應(yīng)用于任意離子類型的低能加速。
[0024]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(jìn)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(jìn)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(guò)加速腔對(duì)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(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)了束流的橫向和縱向聚焦。從而實(shí)現(xiàn)將質(zhì)子由40KeV加速到2.5MeV。
[0025]本方案中加速腔內(nèi)漂移管的位置和長(zhǎng)度是在制作該裝置時(shí)根據(jù)實(shí)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(zhǎng)度設(shè)定好以后，即可采用交變相位聚焦的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)的聚焦作用，結(jié)合強(qiáng)聚焦原理，實(shí)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(jiǎn)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(qiáng)聚焦原理，加速相位正負(fù)交替排列，橫向和縱向聚焦耦合同時(shí)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(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)空間電荷效應(yīng)比較嚴(yán)重，聚焦困難的情況發(fā)生。
[0026]實(shí)施例2:
[0027]本實(shí)施例在實(shí)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(wú)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。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(jìn)一步縮小漂移管尺寸，提高了分路阻抗，降低了高頻功耗。
[0028]實(shí)施例3:
[0029]本實(shí)施例在上述實(shí)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(fù)交替排列。該正負(fù)交替序列采用一定的周期結(jié)構(gòu)，其目的是同時(shí)完成離子束的橫向聚焦和縱向聚焦。
[0030]實(shí)施例4:
[0031]本實(shí)施例在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上優(yōu)選如下:為了能夠簡(jiǎn)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(gè)法蘭之間沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)離子加速的結(jié)構(gòu)。
[0032]為了能夠簡(jiǎn)單方便的加速低能離子束，進(jìn)一步減小加速器體積，所述離子源I和加速腔3之間沒(méi)有加速結(jié)構(gòu)。
[0033]本實(shí)用新型所提及的加速結(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(chǎng)強(qiáng)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(guò)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。
[0034]以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本實(shí)用新型做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化，均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(guò)調(diào)整加速腔(3 )內(nèi)漂移管的位置和長(zhǎng)度來(lái)實(shí)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(wú)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(gè)法蘭之間沒(méi)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(méi)有加速結(jié)構(gòu)。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)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(guò)調(diào)整加速腔內(nèi)漂移管的位置和長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)交變相位聚焦的加速腔。本實(shí)用新型通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，能夠簡(jiǎn)單方便的加速低能離子束，同時(shí)提高加速梯度、降低高頻功率消耗。
【IPC分類】H05H9/00, H05H7/22
【公開(kāi)號(hào)】CN204906839
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520715535
【發(fā)明人】趙良超, 何小中, 龐健, 馬超凡
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所
【公開(kāi)日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年9月16日