一种适用于高功率束流的薄膜降能器

1.本实用新型属于粒子加速器领域，具体涉及一种适用于高功率束流的薄膜降能器。


背景技术：

2.在粒子加速器领域，特别是引出束流能量固定的回旋加速器领域，为了满足不同的应用需求，往往需要采用能量选择系统对粒子束流的能量进行调节，束流能量选择系统中最为核心的部件就是降能器，其主要作用是调节束流的能量，目前世界上所涉及的降能器主要应用在癌症、肿瘤治疗等医用治疗系统，例如，瑞士psi、比利时iba、日本住友公司均采用类似的多楔型结构降能系统，如图1所示。这种降能器由两块包含若干楔形体的石墨块构成，两块石墨快可相对移动，从而改变束流路径上的石墨厚度，达到改变束流能量的目的；通过降能器后的束流流强基本不变，而束流品质，发射度与散射角要变大，这种降能器可以在80
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100ms内使束流路径上的石墨厚度改变5mm，适用于快速点扫描治疗和移动靶体用的体积重复扫描法，但是这种降能器仅适用于低流强、高能量的质子及重离子，粒子单核能一般在100mev以上束流的能量调节，并不适用于对加速器引出的能量较低的粒子束流的能量调节，例如：在乏燃料辐照萃取实验中需将加速器引出的30mev的束流能量降低到萃取实验能量要求4
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7mev。
3.土耳其原子能研究院质子加速器设施研发室(taea paf)建造的真空完全自动化辐照系统，可使流强低至皮安量级的质子束流能量在2
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30mev之间进行调节，其中的能量降低系统可让从回旋加速器引出的能量在15
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30mev之间的质子束流能量降低至2mev，如图2所示。该系统包括一个用来作为束流垃圾桶并测量质子束流强的法拉第杯，5个箔片夹持器可容纳不同厚度和材料的准直器和薄膜，以获得特定的束流能量，铝支架上箔的有效面积为16cm2，系统易于安装和更换，五个箔片夹持器和法拉第杯可以通过独立控制的气动活塞拔出或推进到束流传输路径上，但是降能器只适用于流强低至皮安的束流的能量调节，适用范围窄；随着流强增大，沉积在降能器薄膜中的热功率越大，薄膜就无法正常工作，进而导致降能器无法工作；所以现在急需开发出一种能够对高流强束流进行调节，且适用范围宽的降能器。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种适用于高功率束流的薄膜降能器，尤其适用于百瓦量级功率束流，以解决在现有技术的降能器中，随着流强增大，降能器热负载过大无法正常工作等问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
6.一种适用于高功率束流的薄膜降能器，包括真空管，位于所述真空管内部、且内部中空的铜底座，环绕安装在所述铜底座内部的冷却水装置，设置在铜底座内部的薄膜，和设置在所述真空管管壁上、支撑固定所述铜底座的支撑基座，所述铜底座与所述真空管同轴
设置。
7.优选的，所述冷却水装置包括环绕在所述铜底座壁内部的环绕水管、和与所述环绕水管连通的进水管和出水管，所述进水管和水管另一端穿过所述支撑基座延伸至所述真空管外。
8.优选的，所述铜底座中空的部分为“t”形中空结构，所述“t”形中空结构包括上中空结构和下中空结构，所述薄膜设置在上中空结构中。
9.优选的，所述薄膜通过螺套压盖固定安装在所述铜底座内部。
10.优选的，所述螺套压盖包括同轴连接的上盖和下盖、以及贯穿所述上盖和下盖中心的通孔。
11.优选的，所述上盖半径大于上中空结构的半径，所述下盖半径与上中空结构的半径相同，所述通孔半径与下中空结构半径相同。
12.优选的，所述螺套压盖与所述薄膜之间设置有垫片，所述垫片为环形结构，且其内半径小于或等于下中空结构半径。
13.优选的，所述薄膜为金刚石薄膜。
14.优选的，所述支撑基座由铜或铜合金制成。
15.优选的，所述真空管两端连接有法兰。
16.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
17.1、本实用新型通过在设置铜底座内部设置冷却水装置，能够跟设置在铜底座内的薄膜进行热交换，吸收沉积在薄膜中的热量，降低薄膜的热负载，使薄膜能够正常工作，进而保证在高功率束流下降能器的正常使用；
18.2、本实用新型通过在铜底座上设置与其形状相适配的螺套压盖，并通过螺套压盖将薄膜固定压紧在铜底座的内壁上，保证了薄膜与铜底座内壁紧密接触，也方便人工更换薄膜；
19.3、本实用新型通过采用各项性能优异的金刚石薄膜，使得从降能器中引出的束流传输更加稳定，束流发射度增长更小，束流散角变化更小，束流能量更集中，能散更小；
20.4、本实用新型通过在螺套压盖与薄膜之间设置垫片，避免因螺套压盖的挤压造成薄膜的损坏，对薄膜起到保护作用；
21.5、本实用新型通过在真空管两端设置法兰，便于将降能器进行真空密封，也方便与其他装置连接并保证和人工更换薄膜。
附图说明
22.图1为现有技术中的多楔型结构降能系统结构示意图；
23.图2为现有技术中的真空完全自动化辐照系统中的能量降低系统结构示意图；
24.图3为一种适用于高功率束流的薄膜降能器的纵截面剖视图；
25.图4为一种适用于高功率束流的薄膜降能器的纵横截面剖视图；
26.图5为一种适用于高功率束流的薄膜降能器的冷却水装置示意图；
27.图6为一种适用于高功率束流的薄膜降能器的铜底座示意图；
28.图7为一种适用于高功率束流的薄膜降能器的螺套压盖示意图；
29.图8为一种适用于高功率束流的薄膜降能器的外部结构示意图；
30.附图标记：1
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真空管、2
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铜底座、3
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冷却水装置、4
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薄膜、5
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支撑基座、6
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环绕水管、7
‑
进水管、8
‑
出水管、9
‑“
t”形中空结构、10
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螺套压盖、11
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上盖、12
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下盖、13
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通孔、14
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法兰。
具体实施方式
31.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
32.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。
33.在本实用新型的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
34.此外，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
36.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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实用新型中的具体含义。
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的特征可以相互结合。
38.本技术提供了一种适用于高功率束流的薄膜降能器一个实施例，具体请参阅图3和图4；
39.本实施例中一种适用于高功率束流的薄膜降能器，包括真空管1，位于所述真空管1内部、且内部中空的铜底座2，环绕安装在所述铜底座2内部的冷却水装置3，设置在铜底座2内部的薄膜4，和设置在所述真空管1管壁上、支撑固定所述铜底座2的支撑基座5，所述铜底座2与所述真空管1同轴设置。
40.需要说明的是：在应用过程中，束流在回旋加速器引出通过导向磁铁、快阀、真空泵到达降能器中，束流与铜底座2内的薄膜4发生相互作用从而降低能量，由于束流功率较大，导致薄膜4产生温度效应，薄膜4的热功率增大，这时环绕安装在铜底座2内部的冷却水装置3则会对薄膜4进行冷却处理，使其保持室温，薄膜4得以实现热平衡，进而保证降能器正常工作。
41.以上为本技术实施例提供的一种适用于高功率束流的薄膜降能器的实施例一，以下为本技术实施例提供的一种适用于高功率束流的薄膜降能器的实施例二，具体请参阅图3
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图8：
42.本实施例中一种适用于高功率束流的薄膜降能器，包括真空管1，位于所述真空管1内部、且内部中空的铜底座2，环绕安装在所述铜底座2内部的冷却水装置3，设置在铜底座2内部的薄膜4，和设置在所述真空管1管壁上、支撑固定所述铜底座2的支撑基座5，所述铜底座2与所述真空管1同轴设置。
43.其中，所述支撑基座5的结构可为长方体结构、圆柱体结构或其他能够起到方便支撑固定作用的结构，具体结构可根据实际情况设置，图4和图6中的支撑基座5为空心圆柱体，且支撑基座5外径与铜底座2高度相同；所述支撑基座5一端与铜底座2连接，另一端可贯穿真空管1管壁、或者与真空管1内壁连接，图1中支撑基座5一端与铜底座2连接，另一端贯穿真空管1管壁。
44.其中，所述支撑基座5由铜或铜合金制成。
45.如图5所示，所述冷却水装置3包括环绕在所述铜底座2壁内部的环绕水管6、和与所述环绕水管6连通的进水管7和出水管8，所述进水管7和出水管8另一端穿过所述支撑基座5延伸至真空管1外。
46.其中，所述进水管7和出水管8在未使用时，位于真空管1外的一端需要进行真空密封；冷却水装置3在实际使用过程中通常设置在所述铜底座2中心位置，使得对流换热保持均匀，在随着功率改变薄膜4上温度改变，冷却水装置3也可根据实际情况设置在中心位置、或靠近薄膜4设置、或远离薄膜4设置。
47.所述冷却水装置3的原理为：冷却水从进水管7通入铜底座2壁内部的环绕水管6中，并与铜底座2和薄膜4进行热交换，降低薄膜4和铜底座2的温度，并将吸收热量后的冷却水从出水管8排出，保证降能器的正常工作。
48.如图6和图7所示，所述铜底座2中空的部分为“t”形中空结构9，所述“t”形中空结构9包括上中空结构和下中空结构，所述薄膜4设置在上中空结构中，所述薄膜4通过螺套压盖10固定安装在所述铜底座2内部，所述螺套压盖10包括同轴连接的上盖11和下盖12、以及贯穿所述上盖11和下盖12中心的通孔13，所述上盖11半径大于上中空结构的半径，所述下盖12半径与上中空结构的半径相同，所述通孔13半径与下中空结构半径相同。
49.其中，上中空结构的半径大于下中空结构的半径，两者交界处形成一个台阶方便薄膜4放置在上中空结构的底部下中空结构的顶部，然后将螺套压盖10插入上中空结构中压住薄膜4保证其与铜底座2的内壁紧密接触；螺套压盖10分为上盖11和下盖12，其横截面也应该呈“t”字形结构，上盖11可用过螺钉等可拆卸的连接方式与铜底座2的上表面固定连接，具体的连接方式可根据实际情况设置；
50.为了避免螺套压盖10对薄膜4造成损伤，所述螺套压盖10与所述薄膜4之间设置有垫片(图中未示)，所述垫片为环形结构，且其内半径小于或等于下中空结构半径。
51.束流从加速器中引出后，通过导向磁铁、快阀、真空泵到达降能器，首先进入铜底座2的下中空结构中，然后到达薄膜4处与薄膜4相互作用进行降能，降能后的束流最终从螺套压盖10的通孔13内流出。
52.由于束流能量降低的越多，需要薄膜4材料越厚，散射角增大，散射角增大引起发
射度增长，为了使降能后的束流传输更加稳定，束流发射度增长更小，束流散角变化更小，束流能量更集中，能散更小，将所述薄膜4设置为金刚石薄膜，金刚石薄膜各项性能优异，且厚度较小，更有利于安装在狭小的真空管1中。
53.如图8所示，所述真空管1两端连接有法兰14，法兰14用于将真空管1与其他真空管1、波纹管的连接，并且可隔离降能器，保证真空密封，方便人工更换降能器内的薄膜4。
54.实施例3
55.将本实用新型应用在基于cs
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30回旋加速器α束流的乏燃料辐照萃取实验，该辐射萃取实验需要将加速器引出能量为30mev、流强为20μa、发射度35mm.mrad的α束流的能量降低到4
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7mev，实用新型人该范围下对本实用新型所述降能器的各部件进行了具体设计：
56.在本实施例中，真空管1的壁厚为10mm、外半径为80mm、内半径为75mm，铜底座2为外半径为35mm、高为20mm为圆柱形结构，铜底座2内部的“t”形中空结构9的上中空结构半径为20mm、上中空结构半径为10mm，上中空结构高度为4mm，金刚石薄膜的半径为20mm、厚度为209μm，螺套压盖10的上盖11半径为35mm、下盖12半径为20mm、通孔13半径为10mm，环绕水管6、进水管7和出水管8的直径均为5mm，与真空管1连接的法兰14根据gb/9119
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2000国家法兰14标准，采用面平焊钢制法兰1416pn1.0 mpa(10bar)；
57.计算分析α束流经过金刚石薄膜后束流发射度的变化，横向尺寸的sigma x＝1.67mm，横向散射角sigma x'＝16.56mrad，纵向能散fwhm＝1.16mev，sigma e＝0.5mev；
58.α束流从cs
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30回旋加速器引出通过导向磁铁、快阀、真空泵到达降能器，束流的束斑大小约10mm，继续通过降能器中的金刚石薄膜，α束流与金刚石薄膜发生相互作用从而降低其能量，由于束流功率较大，导致金刚石薄膜产生温度效应，向进水管7内通入冷却水并流至环绕水管6中与铜底座2和金刚石薄膜进行热交换，进而达到对金刚石薄膜进行冷却处理达到热平衡的目的，热平衡后金刚石薄膜中心最高温度接近300℃，具有良好的导热性，足以保证降能器的正常工作。