一种激光加速质子束的束流收集装置

1.本发明涉及粒子加速技术领域，特别是涉及一种激光加速质子束的束流收集装置。


背景技术：

2.粒子加速器不仅为医学、生物学和高能物理等学科研究提供了巨大帮助，而且已经被广泛实际应用于化工、农业生产、医疗卫生等各个领域。但由于受到器件击穿阈值的限制，传统射频直线加速器的加速梯度往往难以超过100mv/m。
3.随着高功率激光技术的不断进步，激光等离子体加速凭借比传统加速器大三个量级的加速梯度，极大地缩小了加速器的空间尺寸和节约了经济成本。截至目前，激光加速已经成功获得能量7.8gev的准单能电子束和最高能量为93mev的质子束。这种激光加速粒子束，尤其是离子束，已经成为癌症治疗、激发x射线、核聚变探测等应用的研究热点。在目前的激光和靶的技术条件下，靶背鞘层场加速是激光离子加速需要考虑的主要方向。靶背鞘层场加速质子束具有源尺寸小、脉冲短、散角大、能谱宽等特征。其中散角大的特点使得大部分质子在传输一段距离后无法进入目标点，这成为了它走向应用的主要障碍。因此需要利用束流收集系统进行粒子的高效率收集和传输；能谱宽意味着这一系统需要有调节不同目标收集能量的能力。
4.束流收集系统中使用的主流传输元件有永磁四极透镜、脉冲螺线管和电磁四极透镜。其中永磁四极透镜聚焦能力强、体积小、造价低，但磁场大小不可变；脉冲螺线管可以轴对称聚焦，但供电系统复杂、价格贵；电磁四极透镜可以方便地通过电流调节磁场，但磁场梯度不高、体积较大。目前，多条由不同研究机构建造的束流收集系统已经被报道：比如以四个永磁四极透镜作为主体的欧洲极端光学装置、以双脉冲螺线管为主体的德国亥姆霍兹重离子研究中心、以三元电磁四极透镜组(三个两两磁场相反的电磁四极磁铁)为主体的北京大学激光等离子体实验室。但由于各传输元件自身具有的缺点，这些由单一元件种类构建的收集系统很难同时具有高传输效率、强能量调节能力和经济性。
5.另一方面，为了在质子过于发散之前将其导入束流收集系统，需要尽可能地减小质子源到束流收集系统入口的距离，但由于激光加速实验系统中，在质子源后方还要摆放很多必要的探测设备，如用于聚焦激光的相机、用于诊断质子束的辐射变色膜片、微通道板等，因此不能简单地把束流收集系统固定安装在离质子源很近的地方，这很大程度上限制了它的收集能力。
6.综上，现有激光加速质子束的束流收集系统的缺陷是十分明显的：受到各传输元件的空间体积、聚焦能力和孔径大小的约束，系统的传输效率和能量调节能力往往无法兼得；更有很多工程上的问题使得大散角的质子根本无法进入收集系统，带来了固有的束流损失。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种激光加速质子束的束流收集装置，以解决上述现有技术存在的问题，同时实现高传输效率和较好的能量调节能力。
8.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
9.本发明提供了一种激光加速质子束的束流收集装置，包括第一支架、三元电磁四极透镜组和第二支架，所述三元电磁四极透镜组固设在第一支架上，所述第二支架与所述三元电磁四极透镜组的壳体转动连接，所述第二支架上设置有永磁四极磁铁组、第一转动轴和与所述第一转动轴平行的第二转动轴，所述永磁四极磁铁组包括固设在第一保护壳中的第一永磁四极磁铁和固设在第二保护壳中的第二永磁四极磁铁，所述第一保护壳与所述第一转动轴螺纹连接，所述第二保护壳滑动套设在所述第一转动轴上，所述第一保护壳滑动套设在所述第二转动轴上，所述第二保护壳与所述第二转动轴螺纹连接；所述第二支架上还设置有能够驱动所述第一转动轴转动的第一驱动装置和能够驱动所述第二转动轴转动的第二驱动装置。
10.优选的，还包括转动调节机构，所述转动调节机构包括第三转动轴、转轮、主动锥齿轮、从动锥齿轮和连接架，所述第三转动轴通过轴承与所述第一支架转动配合，所述转轮固定套设在所述第三转动轴上，所述主动锥齿轮与所述第三转动轴传动连接，所述转轮上固设有手柄，所述从动锥齿轮与所述主动锥齿轮啮合，所述从动锥齿轮与所述连接架固连，所述连接架与所述第二支架固连；所述三元电磁四极透镜组的壳体的顶端和底端分别固设有一个竖直的固定轴，两个所述固定轴同轴且分别通过轴承与所述第二支架转动配合，所述从动锥齿轮与所述固定轴同轴。
11.优选的，所述第二支架上固设有与所述固定轴同轴的第一齿轮，所述三元电磁四极透镜组的壳体上固设有限位架，所述限位架上转动设置有与所述第一齿轮啮合的第二齿轮，所述第二齿轮上设置有第一刻度线，所述限位架上设置有第二刻度线，当所述第一刻度线与所述第二刻度线共线时所述永磁四极磁铁组与所述三元电磁四极透镜组同轴。
12.优选的，所述第二支架对应两个所述固定轴分别设置有一个悬臂，所述第二支架通过悬臂与所述固定轴转动连接，所述悬臂通过轴承与对应的所述固定轴转动配合。
13.优选的，所述第一驱动机构采用电机，所述第一驱动机构的输出轴上固设有第三齿轮，所述第一转动轴上固设有与所述第三齿轮啮合的第四齿轮。
14.优选的，所述第二驱动机构采用电机，所述第二驱动机构的输出轴上固设有第五齿轮，所述第二转动轴上固设有与所述第五齿轮啮合的第六齿轮。
15.优选的，所述第三转动轴上固设有主动链轮，所述主动锥齿轮固设在第四转动轴上，所述第四转动轴通过轴承与所述第一支架转动配合，所述第四转动轴上固设有从动链轮，所述主动链轮与所述从动链轮上绕有链条。
16.优选的，所述第一支架包括托板和竖直板，所述竖直板的底端与所述托板固连。
17.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
18.本发明的激光加速质子束的束流收集装置，能够同时实现高传输效率和较好的能量调节能力。本发明将永磁四极透镜组与三元电磁四极透镜组结合，通过同时调节永磁四极透镜间的相对距离和三元电磁四极透镜组的电流大小，使得这一束流收集系统具有很高的能量可调性；其次，由于永磁四极透镜具有100t/m量级的高磁场梯度，并且体积小、可以
用于真空，这意味着它可以非常靠近激光加速质子源，从而收集到更多的大散角质子束，实现良好的收集和传输效率；最后，通过永磁四极磁铁组整体移动系统的巧妙机械结构设计，使得永磁四极磁铁组部分能在非工作时间撤出质子源后方空间，从而灵活地与其他实验元件交替使用，因此系统的关键工程问题得到了解决。并且这种解决方法具有普适性，可以广泛适用于激光加速质子束的各种实验体系或实际应用设备中。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
20.图1为本发明激光加速质子束的束流收集装置第一视角的结构示意图；
21.图2为本发明激光加速质子束的束流收集装置第二视角的结构示意图；
22.图3为本发明激光加速质子束的束流收集装置第三视角的结构示意图；
23.图4为本发明激光加速质子束的束流收集装置的部分剖视图；
24.其中：100、激光加速质子束的束流收集装置；1、第一支架；101、托板；102、竖直板；2、三元电磁四极透镜组；3、第二支架；4、悬臂；5、第一保护壳；6、第二保护壳；7、第一驱动装置；8、第三齿轮；9、第四齿轮；10、第二驱动装置；11、第五齿轮；12、第六齿轮；13、转轮；14、手柄；15、从动链轮；16、第四转动轴；17、主动锥齿轮；18、从动锥齿轮；19、连接架；20、固定轴；21、第一齿轮；22、限位架；23、第二齿轮；24、第一转动轴；25、第二转动轴；26、主动链轮；27、第三转动轴；28、第一螺纹段；29、第二螺纹段。
具体实施方式
25.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的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。
26.本发明的目的是提供一种激光加速质子束的束流收集装置，以解决上述现有技术存在的问题，同时实现高传输效率和较好的能量调节能力。
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
28.如图1至图4所示：本实施例提供了一种激光加速质子束的束流收集装置100，包括第一支架1、三元电磁四极透镜组2和第二支架3，三元电磁四极透镜组2固设在第一支架1上，第一支架1包括托板101和竖直板102，竖直板102的底端与托板101固连。第二支架3与三元电磁四极透镜组2的壳体转动连接，通过转动调节机构能够调节第二支架3相对三元电磁四极透镜组2的壳体转动。
29.于本实施例中，三元电磁四极透镜组2的壳体的顶端和底端分别固设有一个竖直的固定轴20，两个固定轴20同轴且分别通过轴承与第二支架3转动配合；具体的，第二支架3对应两个固定轴20分别设置有一个悬臂4，第二支架3通过悬臂4与固定轴20转动连接，悬臂
4通过轴承与对应的固定轴20转动配合。
30.转动调节机构包括第三转动轴27、转轮13、主动锥齿轮17、从动锥齿轮18和连接架19，第三转动轴27通过轴承与第一支架1转动配合，转轮13固定套设在第三转动轴27上，主动锥齿轮17与第三转动轴27传动连接；具体的，第三转动轴27上固设有主动链轮26，主动锥齿轮17固设在第四转动轴16上，第四转动轴16通过轴承与第一支架1转动配合，第四转动轴16上固设有从动链轮15，主动链轮26与从动链轮15上绕有链条。转轮13上固设有手柄14，从动锥齿轮18与主动锥齿轮17啮合，从动锥齿轮18与连接架19固连，连接架19与第二支架3上的下方的悬臂4固连；从动锥齿轮18与固定轴20同轴。
31.通过手柄14转动转轮13，转轮13带动第三转动轴27和主动链轮26转动，主动链轮26通过链条带动从动链轮15转动，从动链轮15带动第四转动轴16和主动锥齿轮17转动，主动锥齿轮17带动从动锥齿轮18转动，从动锥齿轮18带动连接架19转动，连接架19带动第二支架3相对固定轴20转动。
32.于本实施例中，在第二支架3上设置有永磁四极磁铁组、第一转动轴24和与第一转动轴24平行的第二转动轴25，永磁四极磁铁组包括固设在第一保护壳5中的第一永磁四极磁铁和固设在第二保护壳6中的第二永磁四极磁铁，第一保护壳5与第一转动轴24上的第一螺纹段28螺纹连接，第二保护壳6滑动套设在第一转动轴24上，第一保护壳5滑动套设在第二转动轴25上，第二保护壳6与第二转动轴25上的第二螺纹段29螺纹连接；第二支架3上还设置有能够驱动第一转动轴24转动的第一驱动装置7和能够驱动第二转动轴25转动的第二驱动装置10。
33.第一驱动机构采用电机，第一驱动机构的输出轴上固设有第三齿轮8，第一转动轴24上固设有与第三齿轮8啮合的第四齿轮9。第二驱动机构采用电机，第二驱动机构的输出轴上固设有第五齿轮11，第二转动轴25上固设有与第五齿轮11啮合的第六齿轮12。
34.第二支架3上固设有与固定轴20同轴的第一齿轮21，三元电磁四极透镜组2的壳体上固设有限位架22，限位架22上转动设置有与第一齿轮21啮合的第二齿轮23，第二齿轮23上设置有第一刻度线，限位架22上设置有第二刻度线，当第一刻度线与第二刻度线共线时永磁四极磁铁组与三元电磁四极透镜组2同轴。
35.本实施例激光加速质子束的束流收集装置100的具体工作原理如下：
36.(1)磁场环境由永磁四极透镜组和三元电磁四极透镜组2配合提供。装置工作时，通过转动调节机构将永磁四极磁铁组绕固定轴20转动到与质子中心传播方向和并与三元电磁四极透镜组2同轴，通过观察第一刻度线与第二刻度线是否共线来判断永磁四极磁铁组与三元电磁四极透镜组2是否同轴。激光加速产生质子束后，质子束经过厘米长度的漂浮段，再依次穿过第一永磁四极磁铁、第二永磁四极磁铁和三元电磁四极透镜组2组的中心孔，并在中心孔中四极磁场的作用下聚焦或发散，最后在目标位置汇聚成一个高束流密度的小束斑；其传输矩阵可被描述为：
[0037][0038]
其中r0和r0'分别为经过磁场作用后质子的横向离轴距离和散角，r0和r0'分别为质子的初始横向离轴距离和散角(对于激光加速质子束，其初始离轴距离和初始散角大小
均呈高斯分布)，聚焦常数k为磁场梯度，m为质子质量，γ为洛伦兹因子，β＝v/c，β为粒子的无量纲速率，v为粒子速率，c为光速，因此k和磁场梯度及质子能量有关。需要说明的是，对于一个确定的激光加速质子源，质子的速度(即粒子速率)或者说能量分布是已知的。
[0039]
本实施例中，所使用的第一永磁四极磁铁和第二永磁四极磁铁采用halbach结构，磁场梯度分别为200t/m和120t/m。所使用的三元电磁四极透镜组23(三个两两磁场相反的电磁四极磁铁)的最高磁场梯度分别为50t/m、25t/m和25t/m。
[0040]
在这样的参数条件下，对于某一目标能量的质子，最高的收集效率对应着最优的束流收集元件参数，包括第一永磁四极磁铁和第二永磁四极磁铁位置和三元电磁四极透镜组2的实际磁场梯度。第一永磁四极磁铁和第二永磁四极磁铁的位置通过前述的第一驱动装置7和第二驱动装置10控制，其中第一驱动装置7用于控制调节质子源到第一永磁四极磁铁的距离，第二驱动装置10用于控制调节第二永磁四极磁铁的位置，实现对第一永磁四极磁铁与第二永磁四极磁铁的间距的条件。于本实施例中，位置分辨率达到3微米；三元电磁四极透镜组2的实际磁场梯度可通过电流在0到最高磁场梯度间调节。
[0041]
假设要将质子束收集到的目标位置是距离束流收集系统出口的2.45m处，定义系统对于目标收集能量的质子的收集效率为：
[0042][0043]
其中n(e)为目标位置横向离轴距离小于1cm的目标能量质子数目，n0(e)为该能量的初始质子数目的比值。对于本实施例中的参数，激光加速质子束的束流收集装置100可以使2～10mev内质子束的收集角度达到
±
100mrad，系统收集效率达到40％到60％。
[0044]
(2)系统不工作时，通过转动调节机构将永磁四极磁铁组绕固定轴20转动到三元电磁四极透镜组2的一旁，本实施例中第二支架3的旋转角度为90
°
。此时质子源后方空间被腾出，可以放置激光加速实验或应用所需的其他设备。
[0045]
本实施例的激光加速质子束的束流收集装置100，利用永磁四极透镜组和三元电磁四极透镜组的组合，并结合精巧灵活的转动调节机构的设计，体积小、成本低，实现了一定能量范围内质子束的高收集效率和中心收集能量可调；有效解决了空间限制这一关键工程难点，能够实现永磁四极磁铁组的整体移动，可以与其他实验元件交替使用质子源后方空间。
[0046]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0047]
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。