一种混合型离子加速装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种离子加速设备【技术领域】，尤其是涉及一种混合型离子加速装置。包括腔体，所述的腔体内同一中心线设置射频四极场和漂移管两部分，射频四极场和漂移管对接处对应设置有地基板，所述的腔体内上下对称设置有两个T形板，腔体两端设置有端板；所述的射频四极场包括两组杆型电极，相邻两组杆型电极通过电极支架和电极支架支撑杆安装在T形板上，电极支架与杆型电极之间设置有电极支撑接触部件，所述的漂移管为多段式结构，每段漂移管分别通过漂移管支撑杆安装在T形板上，相邻漂移管之间的间隙为交互相位聚束结构方式，漂移管支撑杆为交叉指H型设计。本发明节省了大量空间和成本，而且更紧经济、更实用。其具有高传输效率、高梯度加速能力，高电力加速效率。
【专利说明】一种混合型离子加速装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种离子加速设备【技术领域】，尤其是涉及一种混合型离子加速装置。
【背景技术】
[0002]射频四极场(RFQ)加速器是1969年由苏联科学家提出，1984年由美国科学家加速大电流成功而闻名于世，得到普及。RFQ有四个、两组对称的电极。RFQ的每组电极具有相同的电势和电压，且两组的电势和电压正好相反。这就使得RFQ能在加速粒子(两组电极共同作用)的同时也能对粒子起到聚束的作用(单组电极)。但是RFQ加速结构的电力加速效率很低，且因为RFQ的腔体频率限制，使得RFQ在使用上有很大限制。
[0003]漂移管(DT)型加速器从1932年诞生起，就成为目前最主流的常温加速器结构。其加速原理是注入的带电粒子经过设计好的漂移管间隙时，漂移管间隙正好是正的电场，因此带电粒子能在场方向上被加速；经过半个高频周期，漂移管间隙的电场变为负电场时，粒子正好进入漂移管内部，因为电磁屏蔽效应，所以带电粒子不会感受到负电场而被减速；同样经过下半个高频周期进入下一个漂移管间隙时，漂移管间隙中电场又变为正电场，因此带电粒子在整个结构中呈加速趋势。交叉指H型加速结构具有很高的电力加速效率，但是在低光速领域(粒子速度较低时)因为空间电荷效应而使得束流容易扩散，束流光晕较大。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有技术的缺陷而提供一种混合型离子加速装置，其通过把射频四极场和漂移管两种加速结构合并到一个交叉指H型的加速腔体内，同时具有射频四极场的高传输效率、漂移管结构的高梯度加速能力，以及交叉指H型加速器的高功率加速效率，从而解决了现有技术的问题。
[0005]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:所述的一种混合型离子加速装置，其特点是包括腔体，所述的腔体内同一中心线设置射频四极场段和漂移管段两部分，射频四极场段和漂移管段的对接处对应设置有地基板，所述的腔体内上下对称设置有两个T形板，腔体两端设置有端板；所述的射频四极场段包括两组射频四极场杆型电极，射频四极场杆型电极通过射频四极场电极支架和射频四极场电极支架支撑杆安装在T形板上，射频四极场电极支架与射频四极场杆型电极之间设置有电极支撑接触部件；所述的漂移管段为多个漂移管电极式结构，每个漂移管电极分别通过漂移管支撑杆安装在T形板上，相邻漂移管电极之间的间隙为交互相位聚束结构方式，漂移管支撑杆为交叉指H型设计。
[0006]所述的地基板、射频四极场杆型电极和漂移管电极为同中心线设置，地基板与射频四极场杆型电极和漂移管电极相邻处均设置有间隙，地基板通过地基板支撑杆安装在腔体外壁上，地基板支撑杆与射频四极场电极支架支撑杆和漂移管支撑杆为垂直设置。
[0007]所述的射频四极场段中相邻的两个射频四极场杆型电极支架分别通过电极支撑接触部件固定连接水平方向杆型电极和垂直方向杆型电极。
[0008]所述的射频四极场电极支架支撑杆和漂移管支撑杆的个数根据腔体程度和功率计算确定，相邻的射频四极场电极支架支撑杆和漂移管支撑杆呈交叉指H型结构。
[0009]所述的射频四极场杆型电极在腔体做连续波运行或者做高占空比运行时，或者由发热计算运行时因馈入功率而引起的热变形能引起腔体频率失谐时，射频四极场杆型电极内部设置冷却回路，冷却回路为直线型结构，射频四极场杆型电极的冷却回路通过电极支撑接触部件及T型板和整个冷却系统连为一体。
[0010]所述的地基板为圆形电极，当腔体做连续波运行或者做高占空比运行时，或者由发热计算运行时因馈入功率而引起的热变形能引起腔体频率失谐时，地基板内部设计冷却回路，冷却回路为掏空水路再焊接密封设计，冷却回路通过地基板支撑杆和整个冷却系统连为一体。
[0011]所述的漂移管电极为圆形电极，当腔体做连续波运行或者做高占空比运行时，或者由发热计算运行时因馈入功率而引起的热变形能引起腔体频率失谐时，漂移管内部设计冷却回路，冷却回路为掏空水路再焊接密封设计，冷却回路通过漂移管电极支撑杆以及T型板和整个冷却系统连为一体。
[0012]漂移管段的束流聚焦方式为交互相位聚束方式。若根据计算，交互相位聚焦方式不能满足束流聚束时，可以通过在漂移管内部设置永久磁铁的方式来对束流进行聚束。
[0013]所述的射频四极场电极支架支撑杆、漂移管支撑杆和地基板支撑杆中设置有冷却回路，冷却回路为掏空支撑杆中心部设计，冷却回路通过腔体外壁和整个系统的冷却回路连为一体。
[0014]所述的腔体为真空腔筒，其真空度为10_4_10_7Pa。
[0015]一种采用所述的混合型离子加速装置用于重粒子癌症治疗，其特点是在所述的腔体采用激光离子源，混合型离子加速装置与现有的轨道偏转磁铁、同步环上的加速腔体和同步环上的偏转磁铁共同构成同步环型加速器一起作为重粒子癌症治疗设施，具有设施更简单，束流强度更强，造价更低的优点。
[0016]本发明的有益效果:所述的一种混合型离子加速装置，极大的发挥了 RFQ的漂移管对束流的加速和聚束效应，并且因为采用混合型结构而使得整个腔体消耗很少的功率就能把束流加速到更高的能量。本发明节省了大量空间和成本，而且更紧经济、更实用。其具有高传输效率、高梯度加速能力，高电力加速效率。主要是用于强流低能离子束流的加速和强流加速器的注入器等应用型加速装置。其在更短的距离内加速更强的束流、把束流加速到更高的能量且使之具有更好的光晕效应。当所述的腔体作为重粒子癌症治疗设施的注入器使用时，能省去现有的、能引起束流极大损耗以及引起光晕极大扩散的剥离膜系统，也能省去现有且复杂的多圈注入系统，因此能极大的缩小同步环的束流孔径和同步环上所有的电磁铁的尺寸，进而能极大的降低整个重粒子癌症治疗设施的工程造价和工期，造福人类社会。
【专利附图】
【附图说明】
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[0017]图1本发明的结构原理示意图；
[0018]图2本发明图1中A处结构放大示意图；
[0019]图3本发明用于重粒子癌症治疗原理示意图；
[0020]图4本发明用于治疗人头部肿瘤示意图。
[0021]图中所示:1.腔体，2.射频四极场段，3.漂移管段，4.地基板，5.T形板，6.端板，7.射频四极场杆型电极，7-1:水平方向杆型电极，7-2:垂直方向杆型电极，8.射频四极场电极支架，9.射频四极场电极支架支撑杆，10.电极支撑接触部件，11.漂移管型电极，12.漂移管支撑杆，13.间隙，14.地基板支撑杆，15.激光离子源，16.同步环型加速器，17.轨道偏转磁铁，18.同步环上的加速腔体，19.同步环上的偏转磁铁，20.混合型加速器，21.质子，22.中子靶，23.电磁泵，24.热交换器，25.中子生成部，26.控制系统，27.中子，28.治疗辐射系统，29.肿瘤，30.人体，31.剂量测量装置。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图来详细说明本发明。
[0023]如图1和2所示，所述的一种混合型离子加速装置，包括腔体1，所述的腔体内同一中心线设置射频四极场段2和漂移管段3两部分，射频四极场段2和漂移管段3的对接处对应设置有地基板4，所述的腔体I内上下对称设置有两个T形板5，腔体I两端设置有端板6 ;所述的射频四极场段2包括两组射频四极场杆型电极7，射频四极场杆型电极7通过射频四极场电极支架8和射频四极场电极支架支撑杆9安装在T形板5上，射频四极场电极支架8与射频四极场杆型电极7之间设置有电极支撑接触部件10 ;所述的漂移管段3为多个漂移管电极11式结构，每个漂移管电极11分别通过漂移管支撑杆12安装在T形板5上，相邻漂移管电极11之间的间隙13为交互相位聚束结构方式。
[0024]所述的地基板4、射频四极场杆型电极7和漂移管电极11为同中心线设置，地基板4与射频四极场杆型电极7和漂移管电极11相邻处均设置有间隙，地基板4通过地基板支撑杆14安装在腔体I外壁上，地基板支撑杆14与射频四极场电极支架支撑杆9和漂过移管支撑杆12为垂直设置。
[0025]所述的射频四极场段2中相邻的两个射频四极场杆型电极支架8分别通电极支撑接触部件10固定连接水平方向杆型电极7-1和垂直方向杆型电极7-2。
[0026]所述的射频四极场电极支架支撑杆9和漂移管支撑杆12的个数根据腔体程度和功率计算确定，相邻的射频四极场电极支架支撑杆9和漂移管支撑杆12呈交叉指H型结构。
[0027]所述的射频四极场杆型电极7在腔体做连续波运行或者做高占空比运行时，或者由发热计算运行时因馈入功率而引起的热变形能引起腔体频率失谐时，射频四极场杆型电极7内部设置冷却回路，冷却回路为直线型结构，射频四极场杆型电极7的冷却回路通过电极支撑接触部件及T型板和整个冷却系统连为一体。
[0028]所述的地基板4为圆形电极，当腔体I做连续波运行或者做高占空比运行时，或者由发热计算运行时因馈入功率而引起的热变形能引起腔体频率失谐时，地基板内部设计冷却回路，冷却回路为掏空水路再焊接密封设计，冷却回路通过地基板支撑杆和整个冷却系统连为一体。
[0029]所述的漂移管电极11为圆形电极，当腔体I做连续波运行或者做高占空比运行时，或者由发热计算运行时因馈入功率而引起的热变形能引起腔体频率失谐时，漂移管内部设计冷却回路，冷却回路为掏空水路再焊接密封设计，冷却回路通过漂移管电极支撑杆以及T型板和整个冷却系统连为一体。
[0030]漂移管段3的束流聚焦方式为交互相位聚束方式。若根据计算，交互相位聚焦方式不能满足束流聚束时，可以通过在漂移管内部设置永久磁铁的方式来对束流进行聚束。
[0031]所述的射频四极场电极支架支撑杆9、漂移管支撑杆12和地基板支撑杆14中设置有冷却回路，冷却回路为掏空支撑杆中心部设计，冷却回路通过腔体外壁和整个系统的冷却回路连为一体。
[0032]所述的腔体I为真空腔筒，其真空度为10-4-10_7Pa。
[0033]如图3所示，一种采用所述的混合型离子加速装置用于重粒子癌症治疗，其特点是在所述的腔体采用激光离子源15，混合型离子加速装置与现有的轨道偏转磁铁17、同步环上的加速腔体18和同步环上的偏转磁铁19共同构成同步环型加速器16 —起作为重粒子癌症治疗设施，具有设施更简单，束流强度更强，造价更低的优点。现有的同步环型重离子癌症治疗设施都是加速C4+粒子，然后经过碳素剥离膜剥离后，多圈注入同步环，然后再由同步环加速C6+粒子到300?400MeV (Mega-Electron Voltage)后再福射人体患部进行癌症治疗。但是一般的ECR(Electron Cyclotron Resonance)离子源只能产生数十到数百微安的C4+粒子，而且在经过碳素剥离膜时要想得到95%以上的C6+转换率，必须加速C4+粒子到6-8MeV，这就使得注入器本身非常巨大、复杂。又因为使用ECR离子源的注入器得到的粒子数远远小于癌症治疗所需的粒子数，因此都必须使用复杂的多圈注入法来得到必须的粒子数。而使用激光离子源和混合型加速器的新的注入器，因为一次激光等离子体注入的C6+粒子数远远大于癌症治疗所需的粒子数，所以对束流质量损害很大的碳素剥离膜和复杂的多圈注入系统都可以省去。同时，因为省去了多圈注入系统，所以同步环上的磁铁的束流孔径都可以做的很小，从而大幅减小同步环上的磁铁尺寸，大幅降低同步环的造价。混合腔型加速器的使用能极大的简化注入器和同步环本身，是重离子癌症治疗的重大突破，是加速器民用化最为期待的产品。
[0034]如图4所示，使用混合型加速器的BNCT(Boron Neutron Cancer Therapy)示意图，图中显示的是治疗人头部肿瘤示意图。
[0035]使用混合型加速器加速必要数量的质子到必要的能量，质子束在通过锂靶时发生核反应，放射出中子，和使用反应堆的BNCT不同，通过加速器产生的中子可以不经过中子减速器就可以直接照射患者的肿瘤患部。因为癌细胞对Boron元素有嗜好性，可以通过提前给患者喂服Boron化合物而使癌细胞吸附Boron元素，又因为Boron元素的中子反应面积较大，因此质子打靶产生的中子在照射人体时多数只和癌细胞中的Boron元素反应，进而达到只杀死癌细胞的功效。
[0036]使用混合型加速器的BNCT治疗法是粒子尺度的选择，精确度极高，癌症复发率极小。而使用混合型加速器可以达到节省投资、节省空间的目的，非常容易普及，是不可多得的值得期待的、优秀的加速器民用化产品。
[0037]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。
【权利要求】
1.一种混合型离子加速装置，其特征是包括腔体，所述的腔体内同一中心线设置射频四极场段和漂移管段两部分，射频四极场段和漂移管段的对接处对应设置有地基板，所述的腔体内上下对称设置有两个T形板，腔体两端设置有端板；所述的射频四极场段包括两组射频四极场杆型电极，射频四极场杆型电极通过射频四极场电极支架和射频四极场电极支架支撑杆安装在T形板上，射频四极场电极支架与射频四极场杆型电极之间设置有电极支撑接触部件；所述的漂移管段为多个漂移管电极式结构，每个漂移管电极分别通过漂移管支撑杆安装在T形板上，相邻漂移管电极之间的间隙为交互相位聚束结构方式，漂移管支撑杆为交叉指H型设计。
2.如权利要求1所述的一种混合型离子加速装置，其特征在于:所述的地基板、射频四极场杆型电极和漂移管电极为同中心线设置，地基板与射频四极场杆型电极和漂移管电极相邻处均设置有间隙，地基板通过地基板支撑杆安装在腔体外壁上，地基板支撑杆与射频四极场电极支架支撑杆和漂移管支撑杆为垂直设置。
3.如权利要求1所述的一种混合型离子加速装置，其特征在于:所述的射频四极场段中相邻的两个射频四极场杆型电极支架分别通过电极支撑接触部件固定连接水平方向杆型电极和垂直方向杆型电极。
4.如权利要求1所述的一种混合型离子加速装置，其特征在于:所述的射频四极场电极支架支撑杆和漂移管支撑杆的个数根据腔体程度和功率计算确定，相邻的射频四极场电极支架支撑杆和漂移管支撑杆呈交叉指H型结构。
5.如权利要求1所述的一种混合型离子加速装置，其特征在于:所述的射频四极场杆型电极在腔体做连续波运行或者做高占空比运行时，或者由发热计算运行时因馈入功率而引起的热变形能引起腔体频率失谐时，射频四极场杆型电极内部设置冷却回路，冷却回路为直线型结构，射频四极场杆型电极的冷却回路通过电极支撑接触部件及T型板和整个冷却系统连为一体。
6.如权利要求1所述的一种混合型离子加速装置，其特征在于:所述的地基板为圆形电极，当腔体做连续波运行或者做高占空比运行时，或者由发热计算运行时因馈入功率而引起的热变形能引起腔体频率失谐时，地基板内部设计冷却回路，冷却回路为掏空水路再焊接密封设计，冷却回路通过地基板支撑杆和整个冷却系统连为一体。
7.如权利要求1所述的一种混合型离子加速装置，其特征在于:所述的漂移管电极为圆形电极，当腔体做连续波运行或者做高占空比运行时，或者由发热计算运行时因馈入功率而引起的热变形能引起腔体频率失谐时，漂移管内部设计冷却回路，冷却回路为掏空水路再焊接密封设计，冷却回路通过漂移管电极支撑杆以及T型板和整个冷却系统连为一体。
8.如权利要求1所述的一种混合型离子加速装置，其特征在于:所述的漂移管段的束流聚焦方式为交互相位聚束方式，当根据计算，交互相位聚焦方式不能满足束流聚束时，通过在漂移管内部设置永久磁铁的方式来对束流进行聚束。
9.如权利要求1所述的一种混合型离子加速装置，其特征在于:所述的射频四极场电极支架支撑杆、漂移管支撑杆和地基板支撑杆中设置有冷却回路，冷却回路为掏空支撑杆中心部设计，冷却回路通过腔体外壁和整个系统的冷却回路连为一体；所述的腔体为真空腔筒，其真空度为10-4-l(TPa。
10.一种采用权利要求1所述的一种混合型离子加速装置用于重粒子癌症治疗，其特征是在所述的腔体采用激光离子源，混合型离子加速装置与现有的轨道偏转磁铁、同步环上的加速腔体和同步环上的偏转磁铁共同构成同步环型加速器一起作为重粒子癌症治疗设施。
【文档编号】H05H7/22GK104470191SQ201410772795
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月13日 优先权日:2014年12月13日
【发明者】卢亮, 孙列鹏, 张周礼, 施龙波, 赵红卫 申请人:中国科学院近代物理研究所