一种低能重离子加速器及加速方法与流程

1.本发明涉及加速器领域，具体而言，涉及一种低能重离子加速器及加速方法。


背景技术：

2.一般而言，低能离子加速器是指将离子源引出的数十kev离子束加速至近mev/u的装置。离子加速器利用电场加速质子、重离子等带电粒子束，此处的电场可以是直流高压电场、射频高压电场，也可以是脉冲高压电场。采用最多的是直流高压电场和射频高压电场，如静电加速器、倍压加速器等采用直流高压电场加速离子；回旋加速器、射频直线加速器等则采用射频电场加速离子；如直线感应重离子加速器、感应同步加速器等则采用脉冲高压电场加速离子。无论采用何种电场加速，使带电粒子束无损失地(或者较低损失)加速至终能量，并确保满足应用需求的束流参数是加速器技术研究的核心。
3.由于刚从离子源引出的低能离子束(通常为数十kev)，具有离子飞行速度低(低β)，离子的渡越时间长，且在一些特殊场合还会出现荷质比(e/u)差异大的特点。因此，现有的加速器很难兼具低能离子束这些特点来满足加速效率、束流传输效率等方面的要求。
4.有鉴于此，特提出本申请。


技术实现要素：

5.本发明的第一个目的在于提供一种低能重离子加速器，该加速器通过对离子的每个运动阶段实现对应的逐级加载，使离子束始终处于加速相位，进而来满足更高的加速效率和束流传输效率的要求；
6.本发明的第二个目的在于提供一种低能重离子加速方法，该方法通过对每级加速腔按时序加载电压，从而逐级形成电场，能够对恰好进入场域内的离子进行直接加速，最终实现对重离子高效率、全离子、高束流能量的加速目的。
7.本发明的实施例是这样实现的：
8.第一方面，一种低能重离子加速器，包括带有时序控制功能的脉冲功率源以及多个连续设置的加速单元，加速单元具有加速腔，所有加速腔相互连通并形成离子的加速传输通道；沿加速传输通道的行进方向，脉冲功率源可根据相应时序控制对所有加速单元逐级加载电压并在对应加速腔内形成电场，以使刚好运动至该形成电场的加速腔内的离子进行加速，并实现该离子在加速传输通道内的逐级加速。即表示刚好运动至形成加速电场的加速腔内的离子，在该加速电场作用下被加速，以此方式来最终实现该离子在加速传输通道的逐级加速的目的。
9.可选地，所有加速单元逐级串联设置，以使加速传输通道为直线型布局。其中，加速腔采用柱状腔，所有柱状腔构成加速段，即加速传输通道；该加速段轴线上未布局无场漂移管，且采用脉冲电压供电，并且加速单元逐级串联，使该加速段具有更高的平均加速梯度，可达10mv/m量级，从而可使整个离子加速器特别紧凑小巧。
10.可选地，加速单元包括两个导体以及设置在两个导体之间的绝缘体，绝缘体内形
成加速腔，导体均具有接入至加速腔内的导电端，脉冲功率源通过高压馈电电缆与两个导体作为正负极连接，以使两个导体能够在加速腔内形成与行进方向相同方向的电场。
11.可选地，相邻的加速腔中，相互靠近的导体串联设置，高压馈电电缆上套设有径向隔离磁芯；加速传输通道的末端设置有轴向隔离磁芯。
12.可选地，相邻的加速腔中，相互靠近的导体一体设置。
13.可选地，导体与绝缘体均为同轴设置的环状结构，绝缘体的内孔形成加速腔，绝缘体外套设有匹配电阻环。
14.可选地，匹配电阻环处设置有隔绝介质层，以使匹配电阻环及所有加速单元处于绝缘保护状态，尤其是加速单元外部处于绝缘介质中。
15.可选地，隔绝介质为绝缘气体或绝缘油液体。
16.另一方面，一种低能重离子加速方法，采用上述的低能重离子加速器，其具体加速步骤在于：
17.将脉冲功率源按照一定时序控制对所有加速单元逐级加载电压，并在对应加速单元的加速腔内形成电场，以使刚好运动至该形成电场的加速腔内的离子得到加速。
18.可选地，脉冲功率源的时序控制是指：根据待加速的离子束的能量、种类以及整个加速传输通道的结构长度，预测离子束到达的位置和时刻，从而计算出离子束何时到达下一个加速腔，最终实现脉冲功率源按照一定时序控制加载电压。
19.本发明实施例的有益效果是：
20.本发明实施例提供的加速器通过设置构建连续的加速单元，每个加速单元均能通过脉冲功率源进行电压加载，可根据离子束的相应参数预设出每个加速单元内何时进行电压加载，从而与刚好进入该加速单元处的离子进行即时且有效地加速，最终实现离子束在整个加速传输通道内的逐级加速，相较于现有的加速方式，加速效率及束流传输效率可以达到更高的要求；且具有加速全离子的功能，加速器体积重量也十分紧凑轻便；
21.本发明实施例提供的加速方法，可基于上述加速器实现，通过一定时序控制来逐级驱动加速腔并形成电场，以使刚好运动至该形成电场的加速腔内的离子得到有效地逐级加速，其中，预设的时序控制能够根据需求进行调整，从而能够确保不和荷质比离子加速过程的兼容性，并且脉冲功率源加载的电压幅值也可相应调节，具备了高束团能量的条件，从而为实现离子高加速效率与高束流传输效率的要求提供的控制基础。
22.总体而言，本发明实施例提供的加速器及加速方法对待加速离子种类的兼容性强，可以通过控制输出高压脉冲的时序实现任意离子束的加速，使离子束始终处于加速相位；并且可根据实际应用需要，通过控制加速电压幅值或控制加载功率的数目，实现束流能量的调节。因此，基于该方案的低能重离子加速器是一个具有离子兼容性强、加速效率和平均加速梯度高、束团参数调节能力强、布局十分紧凑的加速器装置。能为离子束分析、低能核物理等应用研究提供参数范围更广、离子种类更多、使用更加便捷的目标离子束。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这
些附图获得其他相关的附图。
24.图1为本发明实施例提供的加速器的结构示意图；
25.图2为本发明实施例提供的加速方法的原理图。
26.图标：1
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加速单元；2
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加速传输通道；3
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离子源；4
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离子束；5
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电场；6
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高压馈电电缆；7
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径向隔离磁芯；8
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轴向隔离磁芯；9
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分析磁铁；11
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导体；12
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绝缘体；13
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加速腔；14
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匹配电阻环；15
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隔绝介质层；61
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皮线；62
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芯线。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
28.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
29.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。
31.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.实施例
33.请参阅图1和图2，本实施例提供的低能重离子加速器包括带有时序控制功能的脉冲功率源(未图示)以及多个连续设置的加速单元1，每个加速单元1均具有加速腔13，所有加速腔13相互连通并形成离子的加速传输通道2，即表示离子束4由离子源3生成后能够在加速传输通道2内进行加速移动，附图中虚线表示离子束4或离子的远动轨迹。沿该加速传输通道2的行进方向，脉冲功率源可根据相应时序控制对所有加速单元1逐级加载电压并在对应加速腔13内形成电场5，以使刚好运动至该形成电场5的加速腔13内的离子进行加速，从而实现该离子在加速传输通道2内的逐级加速。即表示刚好运动至形成(加速)电场5的加速腔13内的离子，在该(加速)电场5作用下被加速，以此方式来最终实现该离子在加速传输通道2的逐级加速的目的。
34.可以看出，脉冲功率源可根据提前预设的时序控制电路来输出脉冲电压，从而在每个加速单元1的加速腔13内均能独立形成电场5，并且所有加速腔13形成电场5的次序是依照加速传输通道2的行进方向逐级加载形成，使得离子束4中的离子能够每次刚好进入至一个加速腔13内，此处的电场5刚好形成并对进入的离子进行加速，由此实现该离子在加速
传输通道2内的逐级加速。当然，此处的刚好进入加速腔13便形成加载电场5进行加速的过程依赖于时序控制的精确度，在脉冲同步加速过程中，可以根据离子束4的不同荷质比、不同的初始能量和逾期在需要提前计算出运动模型，从而达到时序控制的高精确度，后续针对加速方法会进行相应描述，此处不再详细展开。
35.通过以上设计可看出，该加速器对离子束4的加速过程不是所有功率源输出脉冲电压的叠加，而是所加速离子束4的逐级能量的叠加，这与直流高压加速器加速离子束4的过程存在明显的区别。而在传统技术中，低能离子加速器多采用直流(静电)加速器，这是因为对低β离子而言，直流高压加速是一种比较高效、可靠、全离子的加速方式，这也就是目前在一些大型加速器中仍旧采用静电加速器作为注入器的重要原因。但直流高压加速器受绝缘限制，通常体积庞大、笨重，如美国橡树林国家实验室安装的25urc折叠串列加速器，钢桶直径约10m、高约30m、重达400t；又如美国的等离子体研究装置dcx
‑
2用一台700kv倍压加速器作为氢离子注入器，其直流负载能力达1a，考虑到人身安全，其使用安全距离需数米外。因此，传统的直流高压加速器受体积的限制导致其应用受限，并且直流高压加速器受直流高压击穿的影响，其平均加速梯度约为0.5～2mv/m。因此，本实施例提供的加速器相较于直流高压加速器具有较多优势，其内不存在特高电压，与直流高压加速器相比整体电压等级降低很多，对工作人员的人身安全保障要求降低很多，同时对加速器占地要求也降低很多，且采用脉冲同步加速技术，可以实现mev级的桌面离子加速器。
36.此外，本实施例提供的加速器的脉冲同步加速原理与直线射频加速器的射频同步加速原理和感应同步原理具有一定类似性，即离子束4传输到哪里，脉冲电压就在相应的加速间隙建立加速电场5，达到加速离子束的目的。而常规设计的低能射频直线加速器，由于离子飞行速度低，离子的渡越时间长，很难实现渡越时间与加速结构的匹配，容易出现离子加速效率低的问题，特别是考虑到射频加速器的高频损耗问题，其离子的有效加速效率更低。
37.本实施例提供的加速器可以使离子束4在整个运动过程中均能感受到加速电场的存在，由于采用低压同步控制技术来控制脉冲电压的输出时间，脉冲同步直线加速器就能够很方便地解决射频加速器的加速相位与离子渡越时间不匹配的问题，提高加速器的加速效率，同时也规避射频功率源高频损耗及由此带来的技术和工程问题。高的渡越时间因子(接近1)，由于采用的是高压脉冲按时序顺序加载的方式，不存在射频加速器的加速相位与离子渡越时间不匹配的问题。
38.在本实施例中，所有加速单元1逐级串联设置，以使所述加速传输通道2为直线型布局，即所有加速腔13形成的加速传输通道2为直线型轨道。此处的直线型轨道指能够提供离子束4进行在一定(宽度)幅度内的直线运动轨迹空间，即表示该直线型轨道内具有直线型空间，尤其是该直线型空间(用于离子束4穿过)位于直线型轨道内的中部，其两侧是否均匀笔直不影响离子束4的运动轨迹。同时采用直线型轨道更能凸显本加速器的加速效果与效率，可使在离子束始终较为充分且及时地处于加速相位中，尤其是适用于低能量的离子束4进行加速。作为优选地，所述加速腔13为柱状腔，该柱状腔可以是正棱柱、圆柱或者具有中轴线的其他型体形状，能够使得加速腔13内为离子束4的运动轨迹提供均匀等宽的空间，不会出现对离子束4加速时造成过大影响。所有柱状腔构成加速段，即加速传输通道2该加速段轴线上未布局无场漂移管，且采用脉冲电压供电，并且加速单元逐级串联，使该加速段
具有更高的平均加速梯度，可达10mv/m量级，从而可使整个离子加速器特别紧凑小巧。
39.加速单元1主要用于形成加速腔13，并能在加速腔13内顺利形成加速电场，从而对离子束4进行直线加速，为了满足加速单元1具有结构紧凑、高加速效率的优点，本实施例中，所述加速单元1包括两个导体11以及设置在两个导体11之间的绝缘体12，绝缘体12起支撑和阻隔作用，其内形成加速腔13，可维持加速腔13的正常形成，每个导体11均具有接入至加速腔13内的导电端，所述脉冲功率源通过高压馈电电缆6与两个导体11作为正负极连接，以使两个导体11能够在加速腔13内形成与离子束4行进方向相同方向的电场5。即表示两个导体11与脉冲功率源接通后并分别作为正负极，能够在加速腔13形成用于加速离子束4的电场5，从而使得运动至对应加速腔13内的离子能够在形成电场5的作用下实现即时有效加速，最终实现离子束4在整个加速传输通道2内的逐级加速目的。通过以上设计，不仅能够使得本实施例的加速器具有结构紧凑以及高加速效率的优点，而且可以根据实际应用需要，通过控制加速电压幅值或控制加载功率源的数目，实现束流能量的调节，从而达到束团能量调节方便的目的。
40.为了进一步实现离子束4在相邻加速腔13之间能够更加趋近于甚至实现无缝加速，相邻的加速腔13中，相互靠近的导体11串联设置，串联设置即表示不同单元的相邻导体11直接靠近串接，从而使得相邻形成的电场5之间足够靠近，减小离子束4在相邻电场5之间间隙的过渡距离，达到进一步提高离子加速效率的目的。作为优选地，相邻的加速腔13中，相互靠近的导体11一体设置，即表示采用直接一体串接的形式，当不同单元相互靠近的导体11串接或者一体设置时，会出现相邻加速单元1的对应导体11共用电极的情况，此时需在高压馈电电缆6上套设径向隔离磁芯7，径向隔离隔离磁芯7看做是一个大电感，阻止泄漏电流流过，来保证电场5的顺利建立；同样地，加速传输通道2的末端设置有轴向隔离磁芯8，同样是为了确保整个末端电场的顺利建立。其中，隔离磁芯的具体组成可以是铁氧体，也可以是非晶材料磁芯。
41.具体地，以起始端的两个加速单元1为例，分别命名为单元a和单元b，单元a中，靠近起始端的导体11作为零电位电极，远离起始端的导体11作为负高压电极；单元b中，靠近起始端的导体11作为悬浮电位地电极，其与单元a中的负高压电极共用一个电极，如果不套设径向隔离磁芯7，就会出现脉冲功率源工作时提供的电流从单元b悬浮地电位电极的流向单元a的负高压电极(可以把这个电流理解为旁路电流或者泄漏电流)，如果流向旁路的泄漏电流过大，就不能顺利在单元b中建立加速的电场5。单元b中，远离起始端的导体11作为负高压电极，其与后一个加速单元1的悬浮电位地电极共用一个电极，此处连接的高压馈电电缆6同样需要套设径向隔离磁芯7，其中，高压馈电电缆6的皮线61连接在对应加速单元1中，靠近起始端的共用电极上，高压馈电电缆6的芯线62则连接在远离起始端的共用电极上。通过以上设计，可以真正实现所有电场5的串接形式甚至趋近于无缝衔接的过程(如果电极足够小，电场5理论上能够实现无缝衔接)，从而达到离子束4始终处于加速相位并达到高加速效率的目的。
42.考虑到实现离子束4高平均加速梯度的目的，导体11与绝缘体12均为同轴设置的环状结构，绝缘体12的内孔形成所述加速腔13，通过该设计，能够在加速腔13内的环向四周均形成电场5，使得每个加速单元1中，两导体11与绝缘体12的设计形式等同于二极管型加速结构，尤其是可以做到垂直于加速腔13轴线方向的平板电极结构，当然，在其余实施例
中，该平板电极结构的法线与加速腔13轴线方向之间也可以存在一定夹角。回到本实施例中，单极性电压脉冲的二极管型加速结构，间隙加速的电场5可以大于10mv/m，且理论上无需漂移管，由于该加速器采用的是单极性脉冲电场加速离子，与直流电场加速离子相比，对加速器绝缘支撑要求降低(绝缘支撑在脉冲电压的击穿场强大于在直流电压的击穿场强)；此外，与射频电场加速离子相比，规避了高频功率损耗的问题，因此，本实施例提供的加速器，平均加速梯度可以做到更高。
43.采用上述环形的导体11，即环形的二极管型加速结构，不仅能够同时建立轴向电场5加速离子束，还能建立径向电场聚焦离子束4，逐级的二极管型加速结构串接，内部抽真空，能够构成离子束4的加速、传输和聚焦通道，并且束流输运无需外加磁场。通过改变多个二极管型加速腔内电极形状(电极组)来加速和聚焦离子，可以实现低能离子束4的稳定输运。在此串接的二极管型加速结构的基础上，在高压馈电电缆6上套设径向隔离磁芯7，能够减小泄漏电流，确保每级加速腔的加速电场的建立，从而实现高效率、高梯度加速目的。将该设计的加速器用于离子束4分析时，测量便捷且灵敏度高；且该加速器提供的脉冲束流本身就是一个持续时间可控的微束团，一方面适合离子束4分析中飞行时间法的使用，另一方面还可以提高离子束4分析的灵敏度。
44.在本实施例中，所述绝缘体12外套设有匹配电阻环14，能够对脉冲高压的输出阻抗进行匹配消除，从而避免脉冲电压的输出波形的畸变现象。所述匹配电阻环14处设置有隔绝介质层15，即整个匹配电阻环14浸没至隔绝介质层15中，隔绝介质层15可以是绝缘气体或者绝缘油液体，此处可采用变压器油，以使匹配电阻环14及加速单元1均处于真空绝缘状态，能够防止加速单元1外界面沿面闪络。此外，在末端加速单元1处设置有轴向隔离磁芯8和分析磁铁9，如上所述，轴向隔离磁芯8用于确保后续电场5的顺利建立，分析磁铁9可对获得加速的离子束4进行筛选，结合其它方法，可以测量离子束4的能量，也可以把离子束4传输到需用的地方。
45.通过上述设计，本实施例提供的加速器兼有直流型加速器和射频型加速器的优点，如包含直流型高压加速器的优点：全离子加速、高渡越时间因子、电聚焦的特点；也包含rfq的优点：高加速梯度、无需外加聚焦磁场；同时还具有外围系统简单紧凑，可以实现桌面加速装置的优势。低能重离子由于速度低、空间电荷效应强、加速过程中速度变化范围大、待加速离子荷质比差异大等特点，导致对现有低能重离子加速方案在加速效率、束流传输效率、离子种类兼容性以及加速梯度等方面提出严峻挑战。采用本实施例的加速器方案，兼有连续组装的二极管型加速、聚焦结构，可通过全过程预测离子空间位置、速度信息，控制二极管加速结构上的加速电场5建立时序，使离子束4始终处于加速场中，实现对低能重离子高梯度、高效率加速。
46.本实施例还提供了一种低能重离子加速方法，该加速方法可基于上述加速器实现，当然，也可通过构建与上述加速器关键特征的其余加速器来实现低能重离子的加速，具体的，将脉冲功率源按照一定时序控制对所有加速单元1逐级加载电压，并在对应加速单元1的加速腔13内形成电场5，以使刚好运动至该形成电场5的加速腔13内的离子得到加速，最终实现离子束4的逐级加速。请再次参阅图2，其加速原理为经离子源3引出的离子束4在t
a
时刻到达加速腔a时，由脉冲功率源输出的脉冲高压a同步加载至该加速腔a，离子束4在加速电场e
a
的作用下获得加速；当离子束在t
b
时刻到达加速腔b时，由脉冲高压b建立的加速电
场e
b
再次加速离子束4，由此来实现离子束4始终处于加速相位并实现逐级加速的目的。需要说明的是，加速单元1的组建构成也可通过其余方式实现，只要在本申请的发明目的与原则范围内的等同替换，均可适用该加速方法进行加速，只是本实施例提供的加速器为发明人优化或者常用的加速器方案，并不阻碍他人基于该发明构思采用等同替换手段来实现相应的加速目的。
47.所述脉冲功率源的时序控制是指：根据待加速的离子束4的能量、种类以及整个加速传输通道2的结构长度，预测离子束4到达的位置，从而计算出离子束4何时到达下一个加速腔13，最终实现脉冲功率源按照一定时序控制加载电压。即表示，在脉冲同步加速过程中，可以根据离子束4的不同荷质比、不同的初始能量和预期在加速传输通道2获得的能量增益，设置不同的脉冲电压加载时序(该时序由设置为脉冲功率源内时序控制电路实现，此为目前相对成熟的手段，在此不做过多赘述)，实现对任意离子束4的高效加速，全过程预测目标离子的速度、空间位置、时刻与加速场的时空关系，依靠时间同步(控制电场5建立的时序)，实现脉冲加速电场5的建立与脉冲离子束4的空间位置同步，使离子束4始终处于加速相位，进而实现高效率加速。
48.进一步地，脉冲功率源的每个脉冲电压输出到加速腔13上的功率可以看作是恒定的，根据离子束4的能量，种类以及加速结构的长度来预测离子束4到达得位置，判断离子束4是否达到下一个加速腔13，如到达则通过调节相应加速腔13对应的脉冲功率源的时序，来建立该加速腔13的加速电场5，加速离子束4。需要说明的是，离子束4通过该加速腔13前，该加速腔13的电场5一直维持，待离子束4通过，电场5完结。由于脉冲电压不算是完全的方波，同时邻近加速腔13也会产生电场影响该加速腔13的电场5，还有其他很多因素都会影响加速腔13的电场5。因此及时使电场5完结，能够减小相邻电场5之间的影响，从而确保离子束4走到哪里，哪里就建立加速电场5，加速离子束4，通过则完结。通过以上控制设计，对待加速离子种类的兼容性更高，即对离子的初始速度、荷质比几乎无特定选择，可以通过控制输出高压脉冲的时序实现任意离子束4的加速，包括离子束、高电荷态重离子束和团簇离子束等。
49.综上所述，本实施例提供的加速器及加速方法能够实现对低能重离子进行高效率加速的方案，可解决低能、不同荷质比的离子束4(尤其是多电荷态重离子)在低能段加速中存在的问题，实现对重离子高效率、全离子、高梯度加速，为离子束分析、核物理等应用研究提供范围更广的目标参数离子束，也为高能离子同步回旋加速器的低能离子注入器提供一个崭新的解决方案，推动低能离子(特别是重离子)加速技术的发展。
50.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应当注意，在附图中所图示的结构或部件不一定按比例绘制，同时本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述，以避免不必要地限制本发明。