大跨度回旋加速器的製作方法

2023-10-08 00:29:04 4

專利名稱：大跨度回旋加速器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種回旋加速器，特別是強流回旋加速器。
在科研、生產等實踐中，往往需要將質子、電子、重離子等帶電粒子加速到很高能量，以滿足特殊需要；用於加速粒子的裝置稱為加速器。回旋加速器是加速器中常見的一種。現有的回旋加速器由於出於種種考慮，D形盒的數目不多於三個，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轉很多圈，這樣束流損失較大，不易達到強流，一般平均束流強度都在毫安以下。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，以及現有的所有回旋加速器，都無法達到很高的流強。但在很多場合下，需要強流的加速器，比如BNCT中子源用的加速器，其流強應達毫安量級以上。因此，現有回旋加速器往往不能滿足實際要求。
在注入束流強度足夠強的情況下，回旋加速器能夠達到的極限束流強度I正比於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根據所發表的文獻，目前束流最強的傳統回旋加速器Cyclone30，設計參數為f＝64.8MHz，h＝3cm，Δ＝20°，ΔE＝0.2MeV，υz≤0.25，所達到的束流強度為0.48mA，尚不足1mA。
本發明的目的就是為了克服現有技術的上述缺陷，提出一種引出束流強度大而且設計簡單，造價低廉的新型回旋加速器。
為了實現上述目的，本發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5等，其特徵是所述磁極3的葉片31的數目和有效寬度、勵磁功率，D形盒2數目和有效寬度，加速場頻率及D形盒電壓等結構和電磁參數的組合，使每圈的平均磁場低於1T，每圈能量增益高於0.3MeV。
由於採用了這種方案，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，從而具有如下的優越性1)可以使粒子只要經過半圈至一圈加速就可以跨過聚焦力弱的中心區而進入葉片場的強聚焦區，從而束流在中心區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，加速過程所需圈數少，從而又減少了束流在加速區的損失；在引出區，由於仍然可以保持大的軌道間距，這樣可以採用強流離子源注入，寬相位俘獲，而不至於使引出束與前一圈束流相重疊，既可容納較強的束流，又可獲得高效率引出；由於軌道跨度大，每圈能量增益高，加速過程中所轉圈數少，束流加速相位滑動大大減小，對等時場的公差要求大大放鬆，因而可以降低加工製造難度和造價。
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。
下面結合附圖並通過具體的實施例對本發明做更進一步詳細的描述。
實施例1參見

圖1，這是一臺用於BNCT中子源的LSOC(Large SpanOrbit Cyclotron)加速器，其設計目標是加速粒子種類質子(H+)，束流引出能量2.27-2.5MeV，引出束流強度10mA，中心能量2.38MeV，能散度|ΔW/W|≤5％束流發射度≤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5等，其特徵是所述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的平均磁場低於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″零相位加速″，每圈能量增益可達0.48MeV，高於0.3MeV。
所述粒子注入系統5為外部雙等離子體源注入，加聚束器。也可以採用兩個離子源或單離子源雙注入點注入。
現有的回旋加速器在設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，都著眼於提高磁極3間的磁場強度B，但這樣一來就引起了一些其他的問題。首先，在不能實現每圈能量增益很大的情況下，磁場強度大必然造成軌道跨度小，束流損失大，從而不易實現強流；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的有效角寬度都遠大於45°，如達到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於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，這就使得現有技術中多於3個D形盒的設計非常困難。這就引起了現有技術的前述缺點，即難以實現大流強。
但是，在實際中，實現大流強的意義有時遠比減小引出半徑重要得多。本發明正是基於這一點，才大膽提出新的設想大大降低磁場強度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。由於B值的降低，從而得以減小磁極葉片31的有效角寬度到45°，進而使D形盒2的有效角寬度可達45°，使D形盒的數目可以增加到四個，粒子每旋轉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「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，零相位加速的實現是通過四倍頻加速電場的配合來實現的。由於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加速間隙處都受到峰值加速電壓的加速。
在現有技術的設計中，為了避免功耗過大，D形盒電壓取值均較小，本發明則突破常規，增大D形盒電壓，使之達60KeV以上，甚至超過100KeV或者更高，從而進一步增加了每圈的加速效果。雖然加大加速電壓會導致功耗增大，但大電流必然造成大功耗，這是客觀規律，況且功率的增大並未達到使本發明無法實施的程度。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形盒數目和增大D形盒電壓結合使用或單獨使用，就可以實現粒子運動軌道的「大跨度」，束流在加速器中只經過半圈加速就跨過中心區而進入強聚焦葉片區。總共只需要約5圈加速，就達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，只需經過90度方位就可把束流偏出加速器磁極。預計引出效率接近100％。最終能達到的流強在10mA以上。
為了進一步增大束流強度，本實施例中又採用了雙離子源注入，注入的兩束粒子在中心區是分離的，但到達引出區時，兩束合為一束。這樣可以使束流強度又增加60％。具體實現的方法是注入時，使兩束粒子高頻相差為360°，並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的位置是相對於第一注入通道51順束流方向轉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。假設當通過第二注入通道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″——即前束粒子進入後束粒子的″帶寬″之內。這在普通的回旋加速器上是難以實現的，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，就難以實現引出。因此，它的實現是有賴於″大跨度″這一顯著優點的。
為了清楚起見，下面給出本實施例的更加詳細的設計參數一磁鐵及有關束流參數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。
二高頻加速系統加速場頻率30.4MHz，諧波數4，D形盒數目4，D形盒有效張角45°，D形盒有效內高度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。
三注入系統外部雙等離子體源注入加聚束器，注入束流強度≥30mA，注入能量50KeV-100KeV，俘獲相寬度≥50°(+25°至-25°)。
四、引出系統用靜電偏轉板引出，偏轉板間隙3cm，偏轉板長度20-25cm，偏轉板電壓100KV。
五束流強度估計如前所述，在注入束流強度足夠強的情況下，回旋加速器能夠達到的極限束流強度I可以參考現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「0」表示該參數為傳統加速器的參數。如仍以Cyclone30的參數做對比，由於本LSOC的設計參數為f＝30.4MHZ，h＝6-8cm，Δ＝50°，ΔEo＝0.48MeV。特別是整個加速過程只有5圈。相當於中心區5圈υz的平均值υz≥0.6。把這些參數代入公式，可以估算出本設計LSOC有可能達到的束流強度I＝10.8mA-14.4mA。
幾點說明1本發明亦可加速H-離子。只要有足夠強的H-離子源注入。而對於加速H-離子，本設計亦可用偏轉板高效率引出。解決了沒有耐強流轟擊引出剝離膜的一大難題。
2本設計平均磁場的等時性墊補要求不嚴格。即使不進行等時性墊補，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前面對流強的估算是只用一個離子源單通道注入的情形下的。當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到引出圈時正好合併在同一個束流帶中，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，加速器可能達到的束流強度將增大到I＝17mA-23mA。所花的代價是高頻機的總輸出功率應從55Kw增加到90KW。
實施例2這仍是一個用於BNCT中子源的LSOC加速器，其設計目標也與實施例一基本相同加速粒子種類質子(H+)，束流引出能量2.22-2.5MeV，引出束流強度≥8mA，中心能量2.36MeV，能散度|ΔW/W|≤6％束流發射度≤50mm·mrad。
本實施例的設計和實施例一有相似之處，所不同的是葉片數和D形盒數均為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。最後，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，本發明最核心的思想在於″大跨度軌道″這一特徵。只要束流運動圈與圈之間的軌道跨度滿足如下條件，即屬於本發明的思想範圍內Rn=Rn-Rn-11+2(Eo/Wn)/20.....(cm)]]>其中E0是被加速粒子的靜止能量，Wn是達到第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，世界上所有的傳統回旋加速器都不滿足本判據。本判據適用於各種能量帶葉片磁極結構的回旋加速器，包括等時性和非等時性，加速質子，H-，氘核，D-，以及其他重離子的回旋加速器。
權利要求
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(5)等，其特徵是所述磁極(3)的葉片(31)的數目和有效寬度、勵磁功率，D形盒(2)數目和有效寬度，加速場頻率及D形盒電壓等結構和電磁參數的組合，使每圈的平均磁場低於1T，每圈能量增益高於0.3MeV。
2.如權利要求1所述的回旋加速器，其特徵是所述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.如權利要求1或2所述的回旋加速器，其特徵是所述磁極(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.如權利要求1或2所述的回旋加速器，其特徵是所述磁極葉片(31)和D形盒(2)的有效角寬度均為45°。
5.如權利要求3所述的回旋加速器，其特徵是所述磁極葉片(31)和D形盒(2)的有效角寬度均為45°。
6.如權利要求1或2所述的回旋加速器，其特徵是所述粒子注入系統(5)為外部雙等離子體源注入，加聚束器。
7.如權利要求3所述的回旋加速器，其特徵是所述粒子注入系統(5)為外部雙等離子體源注入，加聚束器。
8.如權利要求4所述的回旋加速器，其特徵是所述粒子注入系統(5)為外部雙等離子體源注入，加聚束器。
9.如權利要求5所述的回旋加速器，其特徵是所述粒子注入系統(5)為外部雙等離子體源注入，加聚束器。
全文摘要
本發明涉及一種回旋加速器,所述磁極、D形盒等結構和電磁參數的組合,使每圈的平均磁場低於1T,每圈能量增益高於0.3MeV。可以使粒子只要經過半圈至一圈加速就可以跨過聚焦力弱的中心區而進入葉片場的強聚焦區;也使粒子軌道的跨度增大,每圈能量增益提高,加速過程所需圈數少;又可獲得高效率引出;對等時場的公差要求大大放鬆,因而可以降低加工製造難度和造價。
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 優先權日1997年8月14日
發明者魏開煜, 馬鍾仁, 張興治 申請人:深圳奧沃國際科技發展有限公司