专利名称：介质壁加速器加速单元的制作方法
技术领域：
本发明为一种强流粒子加速器，特别是加速束流强，加速梯度高的介质壁加速 器加速单元。
背景技术：
加速器技术经过百多年的发展，有了长足的进步。各种结构的加速器在国民经 济发展、科学研究、医疗卫生、国防建设等领域内发挥着十分重要的作用。但是目前的 加速器都有着其不足之处，或者束流强度小，或者加速梯度低，或者造价昂贵，动辄数 十亿、甚至数百亿元人民币。目前，比较成熟的强流加速器是直线感应加速器。直线感应加速器的每个加速 单元内侧装有多块铁氧体，高压脉冲输入时，在铁氧体内形成电场，而在其次级产生加 速电压，对经过的粒子加速。其工作过程可用“变压器模型”来描述在加速腔中，脉 冲功率系统的馈入电流沿着加速腔的端面流入，并经过加速管道流向加速腔的另一个端 面，这个路径形成了变压器的单匝初级绕组，加速腔内的铁氧体材料相当于变压器的磁 芯材料，而粒子束流相当于变压器的单匝次级绕组。加速腔相当于一个1 1的变压器。 这样的加速单元串接起来，粒子束依次经过各个变压器，能量便逐步升高到预定值。这种结构决定了直线感应加速器存在以下几个问题。首先，粒子只有在加速腔端面的加速间隙之间(相邻两加速单元之间的间隙) 内才能够得到加速，在加速腔内部粒子处于自由漂移的状态，无法得到加速。这就使得 直线感应加速器的加速梯度很低，每个加速单元的加速梯度高在0.5-0.75MeV/m左右。 一台20MeV直线感应加速器一般由近百个加速单元串接起来，每个加速单元长度约0.5 米，所以占地宽。其次，为了获得一定电压幅度和脉冲宽度、即一定“伏一秒数”的加速电压脉 冲，需要使用大量昂贵的铁氧体材料，加速电压幅度越高、脉冲宽度越宽，需要的铁氧 体材料就越多。在目前的实际工程中，铁氧体材料所占的经费比重是各部分最大的，所 以直线感应加速器造价昂贵。另外，使用铁氧体材料还会带来一个问题，即铁氧体的复位问题。直线感应加 速器的工作过程，实际上是一个铁氧体磁化的过程，在加速过程结束后，铁氧体实际上 已处于磁化饱和的状态；那么，为了进行下一次的加速过程，需要首先进行退磁，即铁 氧体的复位。所以，必须要有一套复杂的复位装置与之配套。由于铁氧体必须有复位过 程，直线感应加速器很难工作在高重复频率之下，一般的工作方式均为单次脉冲。因此，由于加速原理的限制，上述加速器体积大、造价高，结构复杂，运行维 护困难。介质壁加速器是近年来新提出来的一种新型的强流加速器概念，具有加速束流 强，加速梯度高、结构简单，造价较低的特点。这种加速器既可加速电子、质子，也可 以加速带电重粒子(例如碳粒子、钾粒子等)，可用于闪光X光照相、质子照相、核电站核废料转化与处理、质子(或C12粒子)治疗癌症等领域。然而，国内外对这种加速器的 研究还很少，更没有相关工程结构方面的研究。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种加速束流强、加速梯度 高、结构简单、造价较低的介质壁加速器加速单元。采用该加速单元制造的介质壁加速 器可以加速带电重粒子(例如碳粒子、钾粒子等)，可用于闪光X光照相，质子照相，核 电站核废料转化与处理，质子(或C12粒子)治疗癌症等，且体积小，长度仅3-5米。本发明的解决方案是一种介质壁加速器加速单元，包括密封筒体，筒体中间 的加速管道，加速管道中间形成贯通的加速通道，及安装在筒体内、位于加速管道外侧 的加速脉冲形成装置以及吸收、阻止电磁干扰装置，其中粒子加速通道为真空通道，加 速管道与筒体之间的空间注入耐高压绝缘介质，其特点是加速管道为绝缘介质束管道， 加速脉冲形成装置包括至少两块介质绝缘平板，每块介质绝缘平板上镀有金属电极，中 间两介质绝缘平板之间设有高压输入端，高压输入端与其中一介质绝缘平板的金属电极 之间接有半导体光导开关。本发明的工作机理是通过高压输入端将电压加到两介质绝缘平板中间时，在 两板中产生的电场大小相等、方向相反，带电粒子不能被加速。被加速粒子注入加速通 道时，半导体光导开关闭合，便会在两介质绝缘平板间产生一个加速电压脉冲，粒子束 经过时，便被加速而增加能量，加速脉冲幅值为所加的电压值。在医用治疗癌症的质子 加速中，要求质子束流强度约IA ；而在核电站核废料处理与转化的加速器中，要求束流 强约10-100A。这两种用途的技术要求，本发明的解决方案均能满足。本发明的解决方案中，介质绝缘平板可采用微波介质陶瓷板，其相对介电常 数、相对磁导率、介质损耗因子等性能指标较好。本发明的解决方案中，介质绝缘平板采用叠加的四块介质绝缘平板构成，每块 介质绝缘平板上均镀有金属电极，高压输入端设在中间两块介质绝缘平板之间，半导体 光导开关连接在高压输入端与其中一块介质绝缘平板的金属电极之间。四块介质绝缘平 板的外层两块绝缘平板的特征阻抗为中间两块介质绝缘平板特征阻抗的一半时，效果最佳。本发明的解决方案中，安置在绝缘介质束管道外侧的介质绝缘平板相对于被加 速粒子为两组对称安置。这是为了在高梯度绝缘介质束输运管道中形成对称的加速电 场，使束流不致发生偏转现象，同时对束流产生聚焦作用。本发明的解决方案中，吸收、阻止电磁干扰装置为固定在筒体侧壁的绝缘层和 绝缘层内侧的吸波体。加速单元中放置吸收电磁辐射吸波体的目的是吸收带电粒子在加 速过程中辐射的电磁波，降低加速单元的横向阻抗，防止发生束流加速过程中的不稳定 效应，尤其是束崩溃(BeamBreak-Up)效应。绝缘层置于加速单元内的密封筒体与吸波 体之间，防止吸波层与密封筒体电磁串扰。吸波体采用铁氧体效果较好。本发明的解决方案中，在筒体上设有抽气孔，抽气孔通向加速通道，用以对加 速通道抽真空，避免加速粒子束与残存气体分子碰撞而引起散射，甚至引起加速不稳 定。筒体上设有注气孔，注气孔通向介质束管道与筒体之间形成的空间，以注入一定压力的耐高电压绝缘介质，如纯氮气、氩气或氮一氟混合气体，以利内部器件承受脉冲高 电压。也可以充绝缘油代替气体。本发明的解决方案中，在筒体上设有光纤入口，光纤入口的光纤通到半导体光 导开关的激发端，用以激发半导体光导开关导通。本发明的解决方案中，在筒体上设有测量孔，测量孔内设置有加速电压脉冲、 束流大小和束心位置探测设备，其位于吸波体内侧。测量均采用非接触方法，即不截断 束流传输，不直接接触带高电压的部件。诸如D-dot、B-dot罗科夫斯基(Rogouski)线 圈及电容探针等方法。这些方法基本原理如下第一、电容探针法在带脉冲高压的金属电极附近，放置一个金属薄片，与被测对象间构成一个小 电容，高压脉冲经此电容耦合到金属片上，测量该片上微弱的电压信号，便可反推出高 压电极上的电压。第二、D-dot方法其原理是束流外围设四个类似电容探针的金属片，测量束流电荷在金属片上产 生的电位移矢量大小，进而推算出束流质心位置。第三、B-dot方法该方法是在束流外围设置微型电感线圈，束流传输中所产生的变化磁场，会在 电感中感应出电流或电压，测量该信号、可以反推出束流大小。第四、罗科夫斯基线圈法在加速单元金属外壳内壁设置线圈，也可以测量束流大小，其原理类似B-dot 法。在介质壁加速器中，每个加速单元的长度仅数毫米，相应测量设备的尺寸，要 比传统加速器中所使用的小很多，测量的信号也低得多。筒体设有观察孔，观察孔外设置光电观察设备，观察孔通到筒体与介质束管道 之间形成的空间，用以分析加速器内部工作情况。本发明的解决方案中，半导体光导开关为SiC半导体光导开关。本发明的优点本发明加速脉冲形成装置包括至少两块介质绝缘平板，每块介 质绝缘平板上镀有金属电极，中间两介质绝缘平板之间设有高压输入端，高压输入端与 其中一介质绝缘平板的金属电极之间接有半导体光导开关。通过高压输入端将电压加到 两介质绝缘平板中间时，在两板中产生的电场大小相等、方向相反，带电粒子不能被加 速。被加速粒子注入加速通道时，半导体光导开关闭合，便会在两介质绝缘平板间产生 一个加速电压脉冲，粒子束经过时，便被加速而增加能量，加速脉冲幅值为所加的电压 值。在医用治疗癌症的质子加速中，要求质子束流强度约IA ；而在核电站核废料处理与 转化的加速器中，要求束流强约10-100A。这两种用途的技术要求，本发明的解决方案 均能满足。本发明具有加速束流强，达10kA，加速梯度高、达lOOMeV/m，结构简单， 体积小，长度仅3-5米，造价为直线感应加速器的1/10。这种加速器既可加速电子、质 子，也可以加速带电重粒子(例如碳粒子、钾粒子等)，可用于闪光X光照相、质子照 相、核电站核废料转化与处理、质子(或C12粒子)治疗癌症等领域。
图1为本发明结构示意图；图2为本发明叠加的四块介质绝缘平板结构示意图；图3为本发明介质绝缘平板工作原理图；图4为本发明叠加的四块介质绝缘平板工作原理图；图5为本发明脉冲对比图。图6为本发明介质绝缘平板上镀有金属电极结构示意图；
具体实施例方式本发明实施例如图所示图1中绝缘介质束管道1在筒体6中间，绝缘介质束管 道1中间形成贯通的加速通道7，绝缘介质束管道1外侧安装对称两组介质绝缘平板4， 介质绝缘平板4采用微波介质陶瓷板，微波介质陶瓷板4上镀有金属电极13，高压输入 端3加在金属电极13上，在筒体6侧壁安有绝缘层12，绝缘层12内侧安有吸波体5，吸 波体5采用铁氧体，在筒体6上设有抽气孔8，抽气孔8通向加速通道7，在筒体6上设 有注气孔10，注气孔10通向介质束管道1与筒体6之间形成的空间，在筒体6上设有光 纤入口 14，光纤入口 14的光纤通到半导体光导开关2的激发端，在筒体6上设有测量孔 9，测量孔9内设置有加速电压脉冲、束流大小和束心位置探测设备，其位于铁氧体5内 侧，在筒体6上设有观察孔11，观察孔11外设置光电观察设备。加速通道7由抽真空装 置通过抽气孔8抽真空。介质束管道1与筒体6之间形成的空间通过注气孔10注入耐高 电压绝缘气体，如纯氮气、氩气或氮一氟混合气体，以利内部器件承受脉冲高电压。图2中介质绝缘平板4采用微波介质陶瓷板，微波介质陶瓷板4为叠加的四块， 其中外层两块微波介质陶瓷板4的厚度为中间两块介质绝缘平板4厚度的一半，高压输入 端3加在中间两块介质绝缘平板4之间，在高压输入端3与其中一块介质绝缘平板4的金 属电极13之间连有半导体光导开关2，半导体光导开关2采用SiC半导体光导开关。其 工作原理如图3:介质壁加速器中使用的脉冲形成线是双平板形成线，当电压Vtl加到两 介质绝缘平板4中间时，在两板中产生的电场大小相等、方向相反，带电粒子不能被加 速。而半导体光导开关2闭合后，便会在介质绝缘平板4间产生一个加速电压脉冲，粒 子束经过时，便被加速而增加能量，加速脉冲幅值为V”若单个平板厚度为d，电极宽 度为w，长度为L，则单板的特性阻抗为=(W〉d)
Cd +w) V ε ^Jsr其中ε。，μ。-分别是真空中介电常数和磁导率，ε τ平板材料的相对介电常 数，平板材料的相对磁导率为1。双平板线的特性阻抗为2&。当Α，B点接入外接负载电阻R = 2Ζ0时，形成线产生的脉冲电压幅度为Vtl，宽度为
此时，形成线中电场强度为
权利要求
1.一种介质壁加速器加速单元，包括密封筒体(6)，筒体(6)中间的加速管道(1)， 加速管道(1)中间形成贯通的加速通道(7)，及安装在筒体(6)内、位于加速管道(1)外 侧的加速脉冲形成装置以及吸收、阻止电磁干扰装置，其中粒子加速通道(7)为真空通 道，加速管道(1)与筒体(6)之间的空间注入耐高压绝缘介质，其特征在于加速管道(1) 为绝缘介质束管道，加速脉冲形成装置包括至少两块介质绝缘平板(4)，每块介质绝缘平 板(4)上镀有金属电极(13)，中间两介质绝缘平板(4)之间设有高压输入端(3)，高压输 入端(3)与其中一介质绝缘平板(4)的金属电极(13)之间接有半导体光导开关(2)。
2.根据权利要求1所述的介质壁加速器加速单元，其特征在于介质绝缘平板(4)为微 波介质陶瓷板。
3.根据权利要求1所述的介质壁加速器加速单元，其特征在于介质绝缘平板(4)为叠 加的四块介质绝缘平板(4)构成，每块介质绝缘平板(4)上均镀有金属电极(13)，高压 输入端(3)设在中间两块介质绝缘平板(4)之间，半导体光导开关(2)连接在高压输入端 (3)与其中一块介质绝缘平板(4)的金属电极(13)之间，四块介质绝缘平板(4)中外层两 块介质绝缘平板(4)的特征阻抗为中间两块介质绝缘平板(4)特征阻抗的一半。
4.根据权利要求1所述的介质壁加速器加速单元，其特征在于安置在绝缘介质束管道 (1)外侧的介质绝缘平板(4)相对于被加速粒子为两组对称安置。
5.根据权利要求1所述的介质壁加速器加速单元，其特征在于吸收、阻止电磁干扰装 置为固定在筒体(6)侧壁的绝缘层(12)和绝缘层(12)内侧的吸波体(5)。
6.根据权利要求1所述的介质壁加速器加速单元，其特征在于吸波体(5)为铁氧体。
7.根据权利要求1所述的介质壁加速器加速单元，其特征在于在筒体(6)上设有抽气 孔(8)，抽气孔(8)通向加速通道(7)，筒体(6)设有注气孔(10)，注气孔(10)通向介质 束管道(1)与筒体(6)之间形成的空间。
8.根据权利要求1所述的介质壁加速器加速单元，其特征在于在筒体(6)上设有光纤 入口(14)，光纤入口(14)的光纤通到半导体光导开关(2)的激发端。
9.根据权利要求1所述的介质壁加速器加速单元，其特征在于在筒体(6)上设有测量 孔(9)，测量孔(9)内设置有加速电压脉冲、束流大小和束心位置探测设备，其位于吸波 体(5)内侧，筒体(6)设有观察孔(11)，观察孔(11)外设置光电观察设备。
10.根据权利要求1所述的介质壁加速器加速单元，其特征在于半导体光导开关(2) 为SiC半导体光导开关。全文摘要
本发明为一介质壁加速器加速单元。包括密封筒体，加速管道，加速通道，加速管道外侧安装在筒体内的加速脉冲形成装置以及吸收、阻止电磁干扰装置，其加速管道为绝缘介质束管道，加速脉冲形成装置包括至少两块介质绝缘平板，每块介质绝缘平板上镀有金属电极，中间两介质绝缘平板之间设有高压输入端，高压输入端与其中一介质绝缘平板的金属电极之间接有半导体光导开关。本发明具有加速束流强，达10kA，加速梯度高、达100MeV/m，结构简单，长度仅3-5米，造价为直线感应加速器的1/10。可加速电子、质子，也可以加速带电重粒子，可用于闪光X光照相、质子照相、核电站核废料转化与处理、质子(或C12粒子)治疗癌症等领域。
文档编号H05H7/22GK102014569SQ20101029148
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月15日 优先权日2009年9月24日
发明者罗安雄 申请人:四川省科学城久远磁性材料有限责任公司