用于加速负氢、H₂⁺的紧凑型回旋加速器的制作方法

专利名称：用于加速负氢、H₂⁺的紧凑型回旋加速器的制作方法
技术领域：
本发明涉及回旋加速器，具体涉及一种用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器。
背景技术：
回旋加速器是一种利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加 速的装置，其基本结构包括磁铁系统、离子源、注入系统和引出系统。目前，紧凑型回旋加速器在科研、生物医学方面得到了广泛的应用，但是这些加速 器普遍存在流强小的问题，而且只能加速单一类型的粒子，如负氢粒子，因此，无法满足需 大流强的科研、生物医学实验研究，例如硼中子俘获治疗(BNCT)技术。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种能够用于加速负氢、H2+的紧凑 型回旋加速器，从而可以得到强流质子束，实现一器多用的效果。为实现上述目的，本发明的技术方案如下一种用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋 加速器，包括磁铁系统、注入系统、高频系统以及引出系统，其中，所述的注入系统分别与负 氢离子源和H2+离子源连接，负氢粒子和H2+粒子在加速过程中共用同一个注入系统、磁铁系 统、高频系统和引出系统。进一步，如上所述的用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器，其中，所述的高频系 统的高频频率是固定的，负氢粒子和H2+粒子在紧凑型回旋加速器的旋转频率比为2 1， 谐波加速模式比为1 2。进一步，如上所述的用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器，其中，所述的磁铁系 统包括四个磁极，磁极呈直边扇形结构，相邻的两个磁极之间形成扇形谷区。更进一步，如上所述的用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器，其中，所述的磁铁 系统的磁极扇角为52°，磁极半径为60cm ；加速负氢粒子和H2+粒子的峰区、谷区场分别为 1. 90特斯拉、0. 40特斯拉。进一步，如上所述的用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器，其中，所述的负氢离 子源和H2+离子源引出的粒子能量比选择为2 1。进一步，如上所述的用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器，其中，所述的注入系 统与磁铁系统同轴设置，负氢粒子和H2+粒子分别从磁铁系统的轴向注入。进一步，如上所述的用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器，其中，所述的引出系 统通过相同的剥离靶将负氢粒子和H2+粒子剥离引出。本发明的有益效果如下本发明既可加速负氢粒子，又可加速H2+粒子，两种粒子 的引出都是采用剥离引出的方式，当引出H2+粒子时，H2+粒子变成2个H+粒子，引出束流强 度增加一倍，引出粒子能量减半，这样可以得到强流质子束，实现一器多用的效果。


图1为本发明用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器的结构示意图；图2为本发明磁铁系统的扇形磁铁和高频腔的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明所提供的紧凑型加速器的主要结构组成包括磁铁系统5、负氢离子源3、H2+离子源4、注入系统2、高频系统和引出系统1，负氢粒子和H2+粒子在加速过程 中共用同一个注入系统2、磁铁系统5、高频系统和引出系统1。注入系统2与磁铁系统5同 轴设置，负氢粒子和H2+粒子分别从磁铁系统5的轴向注入。两种粒子的引出都是采用剥离 引出的方式。高频系统主要包含高频发射机和高频腔8 (如图2所示)，高频腔8安装在主 磁铁谷区7上，高频发射机为高频腔8提供高频电压，功能与主磁铁电源一样，粒子经过高 频腔8时可以获得能量得到加速。例如，在加速20MeV/A的负氢粒子和加速5MeV/A的H2+粒子的回旋加速器中，因为 20MeV/A的负氢粒子的磁钢度为0. 649539T. m, 5MeV/A的H2+粒子0. 646701T. m,为此，选用 的磁铁系统5的结构如图2所示，包括四个磁极，磁极6呈直边扇形结构，相邻的两个磁极 之间形成扇形谷区7，磁极扇角为52°，磁极半径为60cm ；加速负氢粒子和H2+粒子的峰区、 谷区场分别为1.901~(特斯拉)、0.401~(特斯拉)。选择负氢粒子和H2+粒子的旋转频率分 别为 17. 2MHz和 8. 6MHz，谐波模式分别为2和4。谐波模式为2和4表示在加速器中 粒子旋转的频率是高频频率的1/2和1/4。对于一台紧凑型回旋加速器来说，高频腔8的结 构无法变化，高频的频率是固定的。负氢和H2+粒子的能量分别选择40KeV和20KeV (负氢和H2+离子的能量比为 2 1)，注入系统元件的参数可以保持不变，这样注入系统的传送矩阵保持不变，这是因为 注入系统各元件的传输矩阵只与加速粒子的磁钢度和元件的长度有关。因此，本发明中注 入系统2、引出系统1和高频系统的结构与加速单一类型粒子的加速器中注入系统、引出系 统和高频系统的结构相同。如四极透镜的传输矩阵为<formula>formula see original document page 4</formula>，其中的L为四极透镜的长度，K2=Moj-,Q为磁场梯度，为常数，B P为粒子的磁钢度，μ C1为真空导磁率，为常
数。四极透镜为注入系统元件，其功能是对束流进行聚焦，改善束流品质。偏转板的功能是将垂直的束流转变为水平运动的束流，偏转板的电压与粒子的动 能成正比，即在注入40KeV的负氢粒子时，偏转板的电压为8千伏，则在注入20KeV的H2+粒 子时，偏转板的电压为4千伏(偏转板高度A = 2T/qV, T为粒子动能，V为偏转板电压，q为 电荷数)。磁铁系统产生的磁场也随粒子的不同而发生方向上的变化。也就是说，通过改变 主磁铁电源的方向来改变磁场的方向。最后通过相同的剥离靶将负氢和H2+粒子剥离，引出H+，不同能量的H+离子通过引出系统1的通道引出。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
一种用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器，包括磁铁系统、注入系统、高频系统以及引出系统，其特征在于所述的注入系统分别与负氢离子源和H2+离子源连接，负氢粒子和H2+粒子在加速过程中共用同一个注入系统、磁铁系统、高频系统和引出系统。
2.如权利要求1所述的用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器，其特征在于所述的 高频系统的高频频率是固定的，负氢粒子和H2+粒子在紧凑型回旋加速器的旋转频率比为 2 1，谐波加速模式比为1 2。
3.如权利要求1所述的用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器，其特征在于所述的 磁铁系统包括四个磁极，磁极呈直边扇形结构，相邻的两个磁极之间形成扇形谷区。
4.如权利要求3所述的用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器，其特征在于所述的 磁铁系统的磁极扇角为52°，磁极半径为60cm ；加速负氢粒子和H2+粒子的峰区、谷区场分 别为1.90特斯拉、0. 40特斯拉。
5.如权利要求1或2或3或4所述的用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器，其特征 在于所述的负氢离子源和H2+离子源引出的粒子的能量比选择为2 1。
6.如权利要求1或2或3或4所述的用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器，其特征 在于所述的注入系统与磁铁系统同轴设置，负氢粒子和H2+粒子分别从磁铁系统的轴向注 入。
7.如权利要求1或2或3或4所述的用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器，其特征 在于所述的引出系统通过相同的剥离靶将负氢粒子和H2+粒子剥离引出。
全文摘要
本发明涉及一种用于加速负氢、H2+的紧凑型回旋加速器，包括磁铁系统、注入系统、高频系统以及引出系统，所述的注入系统分别与负氢离子源和H2+离子源连接，负氢粒子和H2+粒子在加速过程中共用同一个注入系统、磁铁系统、高频系统和引出系统。本发明既可加速负氢粒子，又可加速H2+粒子，两种粒子的引出都是采用剥离引出的方式，当加速H2+粒子时，H2+粒子通过剥离变成2个H+离子，引出束流增加一倍，粒子能量减半，这样可以得到强流质子束，实现一器多用的效果。
文档编号H05H13/00GK101827489SQ201010178600
公开日2010年9月8日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者姚红娟, 张天爵, 王川, 钟俊晴 申请人:中国原子能科学研究院