本发明涉及粒子加速器相关领域，具体地，涉及一种直线加速器和一种同步加速器。
背景技术：
加速器是一种使带电粒子增加动能的装置，可用于原子核实验、放射性医学、放射性化学、放射性同位素的制造、非破坏性探伤等。目前的主流重离子质子加速器共分为三类，分别是直线加速器，回旋加速器和同步加速器。直线加速器和回旋加速器适用于中低能的质子和重离子，可用于中低能的材料辐照及离子植入等领域；同步加速器适用于较高能量的质子和重离子，一般用作癌症放疗或中高能材料辐照领域。回旋加速器由于其本身结构的限制，束流传输效率很低。直线加速器本身注入引出结构简单，传输效率接近100％，并且能够加速流强非常强的束流。同步加速器由于其原理必须有一台注入器，将束流从几个kev/u加速到几个mev/u的能量，直线加速器可以作为同步加速器的注入器。
传统的直线加速器中聚焦磁铁一般放置在高频加速腔之外，即使放置在加速腔内部也是对单个磁铁进行封装。聚焦磁铁放置在加速腔之外不利于整个直线加速器的紧凑化，且会使粒子束流纵向匹配难度加大，通常会牺牲一部分加速性能来实现束流的纵向匹配，这样一来同样能量的加速器会变得更加长，加速器占据的空间会更大，另外新增加的加速腔必须配备高频功率源和电平控制系统，从而使整个加速器的建造成本会更大。而单个封装的聚焦磁铁放置在加速腔内部不利于粒子束流在直线加速器中的横向空间匹配。如果采用腔体内置单独封装的聚焦磁铁的话，需要在高频加速腔内部放置非常多的聚焦磁铁才能够满足粒子束流横向匹配的要求。插入的磁铁会引起高频加速腔电容负载急剧增大，在这种情况下，为了达到同样的加速电场，对高频加速腔馈入的功率就会增加十几到几十倍，会使加速器的建造成本急剧增大，另外高功率引起的发热问题会使加速器的运行难度加大。
技术实现要素：
针对上述问题，有必要提出一种能够使束流在高频加速腔体内部得到加速的同时实现横向聚焦的新的加速器结构。
作为本发明的一个方面，提出了一种直线加速器，包括：
加速腔；
磁铁腔壳，位于所述加速腔内部并与所述加速腔的内壁连接；
位于所述磁铁腔壳内部的供粒子束通过的芯管，和
位于所述磁铁腔壳内部的串联连接的至少三个四极磁铁，用于对所述粒子束进行聚焦，所述至少三个四极磁铁均包括中央通孔，所述芯管穿过所述中央通孔。
在一些实施例中，所述至少三个四极磁铁包括三个四极磁铁，相邻的所述磁铁之间的极性相反。
在一些实施例中，所述磁铁腔壳内还配置有调节装置和定位装置，用于调节或锁定所述只是三个磁铁的位置。
在一些实施例中，每个磁铁均配置有磁铁线圈，所述磁铁线圈被设置为外方内圆的结构。
在一些实施例中，所述磁铁腔壳为双层结构，所述双层结构的两层之间配置有用于流通冷却水的水路。
在一些实施例中，所述直线加速器还包括支撑腔壳，所述支撑腔壳的一端与所述磁铁腔壳连接，所述支撑腔壳的另一端与所述加速腔的内壁连接。
在一些实施例中，其特征在于，所述支撑腔壳内部包括水路和电路，所述支撑腔壳中的水路与所述磁铁腔壳和磁铁线圈中的水路连通，所述电路与所述磁铁的磁铁线圈连通。
在一些实施例中，所述支撑腔壳包括圆锥形部分和圆柱形部分，所述圆锥形部分与所述磁铁腔壳连接，所述圆柱形部分与所述加速腔的内壁连接。
在一些实施例中，所述支撑腔壳通过安装法兰与所述加速腔的内壁连接，所述安装法兰包括高频密封结构和真空密封结构。
本发明的另一方面提供了一种同步加速器，其特征在于，所述同步加速器采用上述的直线加速器作为注入器。
基于上述技术方案可知，本发明至少取得了以下有益效果中的一个：
本发明提供的直线加速器和同步加速器，可使直线加速器在结构上变得更加紧凑和经济，能够使束流在高频加速腔体内部得到加速的同时实现横向聚焦，因此能明显改善和提高直线加速器装置引出的中低能粒子束流品质，进一步也能提高以该直线加速器作为注入器的同步加速器的性能。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的直线加速器的部分结构示意图；
图2为根据本发明的一个实际例子的交叉指型漂移管直线加速器的结构图示。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
图1为根据本发明的一个实施例的直线加速器的部分结构示意图。如图1所示，所述直线加速器包括：加速腔14；磁铁腔壳2，位于加速腔14内部并与加速腔14的内壁连接；位于磁铁腔壳2内部的供粒子束通过的芯管5，以及位于磁铁腔壳2内部的三个串联连接的四极磁铁1，用于对粒子束进行聚焦。三个四极磁铁1均包括中央通孔，所述芯管5穿过中央通孔。加速腔14的横截面可采用方形、方形倒圆角、圆形或椭圆形等形状。磁铁腔壳2可采用易于与加速腔装配连接的任何适当的形状，例如可采用圆柱形或方形等。虽然图1中示出了加速腔14内部放置了一个磁铁腔壳2，本发明的实施例不限于此，根据需要加速腔14内部可放置多个磁铁腔壳2，每个磁铁腔壳2封装三个磁铁。
通过上述结构，可使该直线加速器相对于现有的直线加速器在结构上更加紧凑和经济，同时，另外兼顾了直线加速腔的高频性能和束流横向聚焦能力，因此能明显改善和提高直线加速器装置引出的中低能粒子束流品质。
根据一些实施例，所述直线加速器为漂移管直线加速器。漂移管直线加速器以漂移管电极之间产生的高频电场对带电粒子沿射束前进方向进行加速。
根据一些实施例，在所述三个四极磁铁中，相邻的磁铁之间的极性相反。四极磁铁包括四个对称分布的磁极头，相邻的四极磁铁之间n极对应s极，s极对应n极。在本申请中，将共同封装在磁铁腔壳2内部的三个串联连接的四极磁铁1简称为三合一四极磁铁。为了使水平和垂直方向上相空间分布一致的离子束流在水平和垂直方向上产生相同的相移，至少需要三台四极磁铁。单独一台四极磁铁会使对称束(水平垂直相空间一致)变成非对称束，即一个方向聚焦，另一个方向散焦从而导致束流通过该四极磁铁后束流包络一大一小。两台连续的极性相反的四极磁铁也无法实现对称束匹配。所以三合一四极磁铁聚焦结构不仅在原理上具有优秀的性能，在造价上也更加经济。
现有的单台封装的四极磁铁对通过其内部的粒子束只能产生一个横向方向(如水平方向)的聚焦，在另一个方向(如垂直方向)上会产生对束流传输不利的散焦作用。这就导致在加速腔内部每一个漂移管上都需要安装四极磁铁，这样才能保证束流在传输加速过程中不至于发散而损失。这种方案的坏处包括：1、加速腔内部必须安装数量非常多的磁铁，另外每台磁铁都必须由单独的直流电源供电，这将大大增加加速器的建造成本；2、每一个漂移管由于内部安装四极磁铁会极大的增加加速腔的高频功率损耗，从而大大增加加速器的运行成本，也会同时增加加速腔的冷却难度。进一步而言，采用一系列的单台封装的四极磁铁会使粒子束在漂移管加速间隙中始终处于不对称的空间分布，其在轴对称的加速电场中会产生耦合现象，从而导致束流的等效发射度增大。
单台四极磁铁对束流水平和垂直方向上产生相移不同，而采用相邻极性相反的四极磁铁可对束流在水平和垂直方向上产生相同相移。因此，本发明实施例中的高频加速腔内置三合一四极磁铁结构可以将粒子束流在水平和垂直方向同时聚焦，从而使得束流在加速间隙中始终处于轴对称分布，其在轴对称的加速电场中可以避免耦合现象的发生。另外采用本发明实施例中的聚焦结构，可以使束流的水平和垂直方向的相移足够大，这样就能避免在加速腔中放置过多的聚焦结构，从而减小高频加速腔损耗的功率。
根据一些实施例，所述磁铁腔壳2内还配置有调节装置和定位装置，用于调节或锁定所述三个磁铁的位置。例如，如图1所示，可以包括纵向调节机构6、横向调节机构7和磁铁间距调节机构8。
具体地，纵向调节机构6和横向调节机构7用于磁铁1与磁铁腔壳2之间的纵向定位支撑和横向定位支撑，磁铁间距调节机构8用于磁铁1之间同轴度及间距的控制。例如，若磁铁腔壳2的内径与磁铁1的外径一致，磁铁1与磁铁腔壳2的横向调节机构7可通过磁铁1的圆周轮廓与磁铁腔壳2的圆周轮廓嵌套配合实现；若磁铁腔壳2的内径大于磁铁1的外径，横向调节机构7可通过磁铁腔壳2内层上的v型槽与磁铁1铁轭上加工的a型凸台(尖部削平)配合实现。端部磁铁1与磁铁腔壳2的纵向调节机构6可通过磁铁腔壳2内层的空心圆柱结构和端部磁铁1上加工的圆柱结构实现。磁铁1之间同轴通过四根两头带螺纹的圆柱杆插入各磁铁1的圆柱形孔来实现，特定长度的圆柱套用来控制磁铁1的间距，最后用螺帽固定圆柱杆的两头。磁铁铁轭结构的加工精度要求0.02mm，调节装置和定位装置通过装配过程中测量及修正，最终要求磁铁装配精度(包含所有磁铁的位置和间距)达到0.05mm。
根据一些实施例，所述三个磁铁1均配置有磁铁线圈4，所述磁铁线圈4可以被设置为外方内圆的结构，以实现通电的同时可通冷却水对磁铁线圈进行冷却。
如图1所示，所述磁铁腔壳2可以为双层结构，所述双层结构的两层之间配置有用于流通冷却水的水路3，以带走磁铁腔壳2外表面上高频电磁场产生的热量。并且，不必占用磁铁腔壳2内的额外空间。
根据一些实施例，所述直线加速器还包括支撑腔壳，支撑腔壳的一端与磁铁腔壳2连通，另一端与加速腔14的内壁连接。优选地，如图1所示，支撑腔壳包括圆锥形部分9和圆柱形部分10，圆锥形部分9与磁铁腔壳2连接，圆柱形部分10与加速腔14的内壁连接。外部水路12和外部水/电路13自支撑腔壳引入，外部水路12与磁铁腔壳2中的水路3连通，外部水/电路13与磁铁线圈4连通。优选地，支撑腔壳通过安装法兰11与加速腔14的内壁连接，安装法兰11包括高频密封结构和真空密封结构。
本发明的实施例中，每台四极磁铁1都需要通电和通冷却水，这些水路和电路都需要从磁铁腔壳2壳体中引出到加速腔14体的外部，这就需要有一个通道，本发明结构中磁铁腔壳2壳体的支撑结构既可以实现支撑的作用，同时可作为水路和电路的引出通道。磁铁线圈4采用外方内圆的中空结构的无氧铜材质，在通电的同时可通入去离子水对磁铁线圈4进行冷却。为了尽可能的利用磁铁腔壳2壳体内部的空间，四极磁铁1的铁轭在横向一般会占满壳体的空间，这样壳体也用作磁铁横向定位。磁铁线圈4出线只能从相邻磁铁1的间隙中引出。这样壳体支撑结构的圆柱直径要覆盖两个相邻磁铁间隙的范围。但是壳体支撑结构直径过大不利于漂移管直线加速器的高频性能，所以首先采用圆锥形部分9将大直径转成较小的直径，再用较小的直径的圆柱形部分10延长到加速腔14的外壳，通过安装法兰11与加速腔14外壳密封连接。
通过以上设置，漂移管直线加速器的高频加速腔的功耗会很低，因为其不会明显增加漂移管之间的电容。这样漂移管直线加速器功耗可控制在100kw以内；经过上述的水冷结构设计后，加速器可工作在连续波模式。相比其他类型功耗在1mw以上的漂移管直线加速器只能工作在低占空比的脉冲模式下，采用本发明的漂移管直线加速器的平均粒子束流的流强会大得多。
此外，采用高频加速腔体内置高梯度(高磁场强度)三合一四极磁铁可同时在其入口和出口处实现对称束到对称束的匹配。水平和垂直方向的包络始终一致的粒子束流可以称为对称束，对称束在轴对称的高频电磁场中加速传输过程中感受到的电场始终也是对称的，束流的传输行为也会保持这种对称性。如果不采用本发明对漂移管直线加速器中的束流进行横向聚焦，束流在加速间隙中只能形成不对称的包络，即水平垂直包络相差很大，束流感受到的轴对称性的电场会对不对称分布的束流产生非线性作用力，从而使得束流的品质变差。
如图2所示，图2为根据本发明的一个实际例子的交叉指(ih)型漂移管直线加速器的部分剖开结构的图示。在加速腔14中，以漂移管15电极之间产生的高频电场对带电粒子沿射束前进方向进行加速，并在磁铁腔壳2中进行焦距。
因此，将上述结构应用于ih(interdigitalh-typestructure)或ch(cross-barh-typestructure)型漂移管直线加速器时，不仅使漂移管直线加速器的长度明显减小，还能够使该漂移管直线加速器的动力学方案更加优秀，因为通过以上设置可以使束流的纵向发射度增长最小化。
本发明的另一方面提供了一种采用上述的直线加速器作为注入器的同步加速器。应用本发明提供的直线加速器来作为同步加速器的注入器，能够大大增加同步加速器注入束流的流强及束流品质。
本发明实施例提供的直线加速器和同步加速器，可使直线加速器在结构上变得更加紧凑和经济，同时能明显改善和提高直线加速器装置引出的中低能粒子束流品质，进一步也能提高以该直线加速器作为注入器的同步加速器的性能；本发明可应用于基础核物理应用研究、医用加速器装置、航天和工业辐照领域，另外也为核物理、原子分子物理实验研究提供更强有力的手段。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。