专利名称：带电粒子生成器的制作方法
带电粒子生成器本发明涉及包括多个带电粒子束生成器単元的带电粒子束生成器。特别地，本发明涉及用于生成高能、高电流质子束的设备。带电粒子束生成器是众所周知的。他们通常包括可以提供想要的离子或带电亚原子粒子的带电粒子源。注入器用于从由源产生的带电粒子形成带电粒子束。使用加速器将带电粒子加速到想要的能量，并将其经由传输线传输到目标。加速器可以形成带电粒子束，或可以接收已形成的带电粒子束。以该方式处理许多不同类型的带电粒子，从诸如电子和质子的亚原子粒子到诸如在生物样品分析中发现的重有机离子和如基本粒子(B+、Ga+)的光离子。由于改进的高能量、高电流的质子束的源的需要的存在，因此质子束是本发明特别感兴趣的。虽然能够生成高能量、高电流的质子束，但是目前的努力已经产生了受困于可靠性问题的设备。如果能够提供一种设备，其能够提供稳定且可靠的高能量、高电流的质子束，则很多技术领域将从中受益。 例如，将受益于这样的质子束的ー个应用是加速器驱动的次临界反应堆。加速器驱动的次临界反应堆也已知为能量放大器，这是因为核反应堆所产生的能量的一小部分被反馈回以给提供质子束的粒子加速器供电。在传统的能量生产核反应堆中，裂变过程是至关重要的，从而裂变本身产生维持反应所需的中子。按照定义，次临界反应需要中子的馈送以维持裂变过程。提供中子源的ー种方式是通过散裂。高能质子束用于将质子流传输到通常包含在燃料棒中的散裂目标。散裂看到质子撞击目标，使得目标核弹出包括所需的中子流的颗粒。然而，裂变反应敏感于质子束的传输，从而甚至质子束中短时间的缺失(dropout)也会破坏中子产生，这足以使裂变反应停止。因此，目前的努力由于质子束生成器的前述不可靠性而仅获得了有限的成功。意识到的是，相对于传统的产生能量的核反应堆，可靠的加速器驱动的次临界反应堆将提供许多好处。例如，可以使用核燃料的更大的选择从而可以使用比铀和钚更有利的燃料。有希望的候选者是钍。钍不是裂变材料，但它能产生裂变物质从而能够根据以下反应转变为裂变233U 232Th+n — 233Th — 233Pa+ β ニ233U+ β ^钍由于它相对于铀(和钚)具有很多优点而受到了很大关注，其优点例如为I.在地壳中，钍的储藏量是铀的三倍。2.在地壳中发现的钍不要求像铀那样昂贵的浓缩方式。结果，可以使用纯钍燃料棒，然后在发生散裂时将其转换成钍/铀混合物。3.钍的反应方案几乎不生产钚，因而使其成为不扩散核燃料源的好的候选者。4.产生的放射性废料的存在时间很短，使得处置问题变得很容易。为与加速器驱动的次临界反应堆一起使用而提出的粒子加速器能够常采用若干传统方案中的ー个。在一个示例中，源给注入器提供离子，并且注入器将负氢(H—)离子注入到直线加速器(Iinac)中。该直线加速器对离子进行加速，然后将离子注入到同步加速器中。在注入吋，从每个IT离子剥离两个电子以生产质子。在同步加速器中，质子能量被再次升高到想要的束能量。同步加速器也可以用于积累质子以到达想要的束流。质子然后被从同步加速器取出并且引导到反应器，在反应器处，质子被击入散裂靶中以产生将能够产生裂变物质的钍转变为裂变铀的中子。本发明的目标在于改进当前加速器设计以产生可以产生可靠的高能、高电流粒子束的适合于与加速器驱动的次临界反应堆一起使用的粒子加速器。在这种背景下，并且根据第一方面，本发明提供了ー种使用质子束生成器生成复合质子束的方法，该质子束生成器包括η个质子束生成器単元，其中η至少为2。在η个质子束生成器単元中的每ー个质子束生成器単元中，Η_源用于生成离子束，该离子被剥离为质子并且质子束被加速并且然后被引导到公共束线。因此η个质子束在进入束线时被合并以形成复合质子束。提供多个质子束生成器单元增加了可靠性，即任何一个质子束生成器単元的故障不会导致离子束的完全故障。此外，如下面更详细地描述的，可以对剩余的质子束生成器单元进行进一歩有利的修改以补偿一个单元的失去。此外，本发明的布置允许使单个质子束 生成器停止使用以进行维修等等，并且在该情况下仍然能够提供复合束。可以以不同的方式合并η个质子束来形成复合质子束。例如，该η个质子束可以被脉冲化，从而它们包括由一个或多个质子群组成的离散脉冲。这些质子的脉冲可以以它们在同一时间到达散裂靶的方式合并到单个通道中。或者，脉冲可以顺序地合并在公共束线中以在时间上分离地到达靶。η个质子束中的质子脉冲可以具有基本上公共的重复频率，即所有的质子束具有隔开相同时间长度的质子脉冲。质子脉冲可以交织，从而复合质子束中的质子脉冲均等地隔开。以该方式，复合质子束形成为具有是η个质子束的重复频率的η倍的重复频率。η个质子束中的每ー个质子束可以具有基本上相同的束电流。如果η个质子束生成器単元中的一个质子束生成器単元停止产生质子束，例如由于故障或由于停止以进行维修而停止产生质子束，则本发明的方法可以进一歩包括以(η-1)/η的倍数增大剩余的η-1个质子束中的质子脉冲的重复频率。以该方式，可以保持束流和复合质子束的规律性，即没有由于丢失质子脉冲而产生“缺失”。或者，该方法可能进一歩包括以ηパη-I)的倍数增大剩余的η-1个质子束中的束电流。同样地，这虽然没有弥补丢失的离子脉冲但是保持了束电流。当然，可以使用这两种技术的组合，即重复频率的增大和束电流的増大。结果，优选的是，使质子束生成器単元对于正常方法中的工作来说是被高估的(over-rated),从而它们能够在单元中的一个或多个没有传输质子束时更努力地エ作。例如，n+1个加速器可以同时工作，并且使用仅允许η个脉冲通过的斩波器。如果ー个机器不工作或者停止以进行维修，则不会产生可察觉的变化。质子束生成器単元的数目取决于靶处的束功率需求。可以预计的是，数目为范围3到7中的数字。每个质子束生成器単元的组成也可以改变。例如，可以使用多于ー个的离子源，例如可以包括备用离子源。可以使用各种手段来加速质子束。直线加速器、回旋加速器、同步减速器和固定场交变梯度加速器(FFAG)都是可以使用的。也可以使用組合。例如，直线加速器可以用来加速H-离子束，并且在剥离之后，质子束可以在诸如同步加速器或FFAG的环形加速器中进ー步加速。FFAG由于其运行速度和其可靠性而在目前受到青睐。
可以使用两阶段FFAG，例如在第一 FFAG中执行ー个加速阶段之后进行在第二FFAG中的又一加速阶段。FFAG环能够堆叠在彼此的顶部或者，如果半径适当地不同，则同心地进行布置。两个FFAG的重复频率可以不同。例如，较高的重复频率可用于较低能量的FFAG以减少空间电荷效应来自较低能量的FFAG的多个填充然后可用于利用质子填充较高能量的FFAG。在考虑的实施方式中，使用负氢离子源来生成离子束，直线加速器加速该离子束，之后进行剥离并且在FFAG中进行进一歩的加速并且在更高能量的FFAG中进行再进ー步的加速。例如，直线加速器可以将H-束加速到大约40MeV，较低能量的FFAG可以将质子束加速到大约200MeV，并且较高能量的FFAG可以将质子束加速到大约lGeV。可选地，质子束电流可以为大约10/n mA以提供IOmA和1(MW的复合质子束。、
本发明还扩展到在加速器驱动的次临界反应堆中产生电力的方法。该方法包括根据上述方法中的任何ー个使用质子束生成器来生成复合质子束。该复合质子束然后被引导到包含散裂靶、核燃料的反应堆，从而质子束撞击散裂靶。散裂产生了行进到核燃料中的中子。可选地，核燃料是钍，并且中子使得能够产生分裂物质的钍转变为裂变铀。优选的是，反应堆所产生的能量被反馈回以给离子束生成器供电。根据另ー个方面，本发明提供了一种用于生成复合质子束并且将其传输到靶的设备。该设备包括基本上彼此相同的η个质子束生成器単元。η个质子束生成器単元中的每个质子束生成器単元包括用于生成に离子的负氢离子源。Η_直线加速器的初始阶段可以将离子形成为束。可以从每个离子剥离两个电子以产生质子，并且质子束可以然后被加速到其最終能量。该设备进ー步包括光学系统，其布置为接收来自η个质子束生成器単元的η个质子束，并将该η个质子束合并以形成复合质子束。合并技术是众所周知的并且例如在CERN质子同步加速助推器处已经使用了很多年。η个质子束生成器単元中的每个质子束生成器単元的质子加速器可以包括直线加速器、回旋加速器、同步加速器或FFAG。可选地，可以使用环形加速器的线性对。FFAG是特别优选的。优选地，η个质子束生成器単元中的每个质子束生成器単元的!1_离子加速器包括直线加速器，其提供第一加速阶段并且之后提供第二加速阶段。也能够通过ー对FFAG来提供第二加速阶段。如上所述的设备还可以包括布置为实施上述方法中的任一个的控制器。本发明还扩展到加速器驱动的次临界反应堆，其包括用于将质子束提供到散裂靶的上述设备中的任ー个。散裂靶位于反应堆堆芯内并且邻近于接收在散裂期间产生的中子的燃料。例如，散裂靶可以设置在燃料棒内。将參考附图
借助于示例描述本发明的优选实施方式，在附图中图I是根据本发明的第一实施例的包括粒子加速器的靶和质子束生成器的示意图；图2是根据本发明的第二实施例的包括粒子加速器的加速器驱动的次临界反应堆的示意图；图3是图2的加速器驱动的次临界反应堆的简化透视图；以及图4是图3的加速器单元中的一个的简化透视图。
本发明提供了一种质子束生成器，其使用多个粒子加速器来生成并加速多个质子束，该多个质子束然后被使得一起形成复合质子束。图I示出了这样的质子束生成器10的示例，该质子束生成器10在该示例中包括三个粒子加速器単元12。三个加速器単元12具有对应的设计，并且产生大致相同的质子束。如下地形成每个加速器単元12。通过诸如潘宁源或者电子回旋加速器谐振(ECR)源的离子源14来提供负氢离子。由离子源14生成的离子经由低能量束传输系统(图I中未示出)传输到直线加速器16。直线加速器用于加速离子，从而增大它们的能量和动量。准直线(图I中未示出)将加速后的离子束从直线加速器16转移到环形加速器18 (在该实施方式中为FFAG)。在进入FFAG 18时，从每个负氢离子剥离两个电子以产生质子。质子暂时地存储在FFAG 18中，并且来自直线加速器16的进ー步的质子积累作为质子的脉冲。FFAG 18进一歩增大质子的能量和动量。在该实施方式中，FFAG 18用于将质子束的能量提高到想要 的最终值。每个FFAG 18内的质子的脉冲由适当的提取系统(未示出)提取并沿着束线向下发送到磁偏束器(kicker)系统20，该磁偏束器将质子脉冲合并为单个流。磁偏束器系统20可以合并质子脉冲以形成单个大的质子脉冲，或者可以将质子脉冲顺序地合并为一列质子脉冲。可以通过在适合的时间从FFAG 18提取质子脉冲从而这些质子脉冲以适合的时间间隔到达合并磁偏束器系统20来形成适当地隔开的质子脉冲列。以高重复频率脉冲质子的产生，从而产生几乎连续的质子脉冲束。通过磁偏束器系统20产生的复合质子束被沿着又一束线向下发送到靶22。如将了解的是，靶22可采取多种形式。质子束生成器10可连续运行，以将稳定的质子脉冲流提供到靶22。例如，一旦已经从FFAG 18提取了质子脉冲，则离子源14可以用于为直线加速器16提供又ー组被剥离、加速和用于填充FFAG 18的H—离子以形成下ー质子脉冲等等。H—离子源14可以打开或关闭。或者，离子源14可以保持开启，但它产生的离子可以被选择性地发送到FFAG 18或不发送到FFAG 18。例如，束斩波器可以用于在FFAG 18不被填充时将离子偏转离开朝向直线加速器16的路径。在又一布置方案中，离子源14和直线加速器16用于持续地为FFAG 18提供粒子，并定期提取FFAG 18中积累的质子。图2和3示出了根据本发明的实施方式的包括加速器复合体30的加速器驱动的次临界反应堆。加速器复合体30用来生成和加速引导到反应堆复合体60的质子束。在该实施方式中，反应堆复合体60的燃料是钍，其通过利用质子束的适合的靶的散裂转化为铀。将在详细描述加速器复合体30之后在下面描述反应堆复合体60。在优选实施方式中，加速器复合体30包括七个加速器単元32，但是为了简便起见，在图2和3中仅示出了单元32中的三个单元。图4示出了加速器单元32中的ー个加速器単元的更详细的视图，将理解的是，加速器単元32共享共同的设计。每个加速器単元32如下所示。加速器単元32容纳在针对加速器単元32产生的辐射提供适合的屏蔽的防护墙34内。在一对离子源36中产生负氢离子。虽然两个离子源36都持续运行，但是单个离子源36仅给注入器提供一次离子。如果需要的话，两个离子源36都能够用于给注入器提供离子。为每个加速器単元32提供两个离子源36能够防止ー个离子源36出现故障的情况下的中断，并且还允许ー个或多个离子源36停止运行以进行维修。正在运行的离子源36持续运行以提供具有大约3mA的平均电流的稳定的H_离子流。来自离子 源36的束线允许选择来自离子源36中的一个或两个的离子。在正常操作中，离子继续到准备用于加速的束的射频四极(RFQ) 38。来自RFQ 38的11_离子通过束斩波器，该束斩波器在束中产生间隙或者可选地可以用于丢弃所有离子使得没有离子发送到下游。直线加速器40将离子加速到适合于注入到FFAG 44中的能量。使用任何传统的手段从每个离子剥离两个电子。由此产生的质子传输到包括ー对FFAG的两级加速器42。较低能量的FFAG 44布置在较大半径的较高能量的FFAG 46中。由于FFAG是众所周知的，因此这里不进行详细介绍。如果环具有不同半径，则布局能够看到束线从直线加速器40通过较高能量的FFAG 46下面以将离子引导到较低能量的FFAG 44中。质子然后在较低能量的FFAG 44周围加速以提供动量和能量的増大。质子然后被经由束线45转移到较高能量的FFAG 46。质子的能量随着在第二 FFAG 46中循环而増大，并且质子束的能量增大到其最终值lGeV。IGeV质子束然后被从较高能量的FFAG 46沿着束线47引导到交织沿着束线47接收的质子束的多路复用器50。在毫秒数量级的时间内完成生成质子、填充较高能量的FFAG46和提取质子的每个循环。加速器复合体30在控制器52的控制下进行操作。可以提供单个控制器52来控制所有加速器単元32，或者每个加速器単元32可以有自己的专用控制器52。除了发出信号以实现对加速器单元32的控制之外，控制器52接收来自布置在加速器复合体30周围的监视器的信号。因此，可以形成反馈环路以优化加速器复合体30的性能并且可以包括安全停止以例如响应于检测到的故障关掉离子源32或关闭加速器単元32中的ー个或所有。通过箭头53表示控制器52的双向通信。控制器52还协调从较高能量的FFAG 46提取质子脉冲，从而质子脉冲以所需的规律地隔开的间隔到达多路复用器50。下面，将提供更进一歩的细节。可以看出，多路复用器50位于反应堆复合体60内以靠近反应堆堆芯62。由多路复用器50产生的交织的质子束沿着束线55行进到反应堆堆芯62。可以在反应堆堆芯62的上游使用扩散器以扩散质子束，从而减少传输到靶的峰功率密度。反应器复合体60包含在保护墙64内，并且反应堆堆芯62可以进一歩被保护在圆顶66内。由于用于钍燃料反应堆的设计是已知的，因此反应堆堆芯62可以是传统的。例如，反应堆堆芯62可以包含具有包封在钍层内的诸如铅或铅-铋共晶的散裂靶的内核的棒，其中钍层将在反应过程中燃烧以提供包括能够产生分裂物质的钍和裂变铀的混合物，所有这些都包含在适当的缓和剂的包层内。束线55在反应堆复合体60操作并且产生电カ时始终将质子束引导到棒内的散裂靶杆。已经发现的是，每隔若干毫秒的质子脉冲的重复周期近似足以使裂变反应不间断的连续波。裂变反应堆产生的热使水变热，并在热交換器68中产生蒸汽。在热交換器68中产生的蒸汽驱动连接到公共轴的汽轮70。轴的旋转使得在发电机72中产生电力。由发电机72产生的电カ被提供到电网74。如将了解的，这是传统的布置方案，并且因此将不进行详细描述。
反应器复合体60在控制器76的控制下进行操作。控制器76发送和接收信号(如图2中的箭头77所示)以确保反应堆复合体60的安全操作。控制器52和76可以合并为ー个单元。另外，反应堆堆芯62内的传感器将信号馈送到加速器复合体控制器62从而产生所要求的质子束。在该实施方式中，反应堆堆芯62的温度被监测并用作到控制器52的主反馈信号。因此，反应堆堆芯温度的变化用来调整由加速器复合体30传输的质子束的特性。例如，温度増大可以表示裂变反应的临界増大，并且可以通过控制器52来命令质子束流的对应減少。通过发电机単元72产生的电カ的一小部分被馈送给为加速器复合体30提供功率的电源54。由于加速器复合体30必须处于运行中以提供质子束来初始化反应堆堆芯62中的反应，因此电源54也具有到电网74的连接，从而在反应堆复合体60产生电力之前可以传输所要求的功率。在该实施方式中，产生了包括重复周期为Ims的质子脉冲流的质子束，即质子束具有每隔Ims的质子脉冲以产生几乎连续的波。考虑加速器复合体32具有η个加速器单元32的一般情况，控制器52每隔n ms从任何特定的较高能量的FFAG 46提取质子脉冲，并且在从ー个较高能量的FFAG 46提取之后并且在从下ー较高能量的FFAG 46提取之前停止Ims以实现想要的IkHz重复频率。质子束具有IOmA的电流和IGeV的能量，并且因此传输10丽的功率。为了实现IOmA的束电流，要求下述质子流N总，
权利要求
1.ー种使用质子束生成器生成复合质子束的方法，所述质子束生成器包括η个质子束生成器単元，其中η至少为2， 所述方法包括在所述η个质子束生成器単元中的每ー个质子束生成器単元中，使用负氢离子源来生成负氢离子束，对所述负氢离子进行剥离以产生质子束，加速所述质子束并且将所述质子束引导到公共点，并且 所述方法进ー步包括在所述公共点合并由所述η个质子束生成器単元提供的所述η个质子束以形成所述复合质子束。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述η个质子束被脉冲化，并且合并所述η个质子束使得质子脉冲被交织。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述η个质子束中的所述质子脉冲具有基本上相同的重复频率，并且所述质子脉冲被交织为连续的质子脉冲之间的间隔相等，从而提供具有所述η个质子束的重复频率的η倍的重复频率的所述复合质子束。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，当所述η个质子束生成器単元中的一个质子束生成器単元停止生成质子束时，所述方法进ー步包括以ηパη-I)的倍数增大剩余的η-I个质子束中的所述质子脉冲的所述重复频率。
5.根据权利要求3所述的方法，所述方法包括将所述η个质子束生成为具有基本上相等的束电流，并且其中，当所述η个质子束生成器単元中的一个质子束生成器単元停止生成质子束时，所述方法进ー步包括以ηパη-I)的倍数增大剩余的η-I个质子束中的所述束电流。
6.ー种在加速器驱动的次临界反应堆中产生电力的方法，所述方法包括根据前述权利要求中的任一项所述的方法使用质子束生成器来生成复合质子束；将所述复合质子束引导到包含散裂靶和核燃料的反应堆，使得所述质子束撞击所述散裂靶，从而引起了行进到所述核燃料中的中子的散裂，确保的裂变用于生成电力。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述核燃料是钍，并且散裂中子使得所述钍转变为裂变铀。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，其中，由所述反应堆生成的能量被馈送回以给所述质子束生成器供电。
9.一种用于生成复合质子束并且将所述复合质子束传输到靶的设备，所述设备包括相同的η个质子束生成器単元，所述η个质子束生成器単元中的每个质子束生成器単元包括用于生成负氢离子的离子源、布置为剥离所述负氢离子以形成质子束的剥离器、布置为加速所述质子束的加速器，并且其中，所述设备被布置为合并所述η个质子束以形成所述复合质子束。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述η个质子束生成器単元中的每个质子束生成器単元的所述加速器包括直线加速器、回旋加速器、同步加速器或固定场交变梯度加速器。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的设备，其中，所述η个质子束生成器単元中的每个质子束生成器単元的所述加速器包括环形加速器。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的设备，其中，所述η个质子束生成器単元中的每个质子束生成器単元的所述加速器包括第一加速阶段，该第一加速阶段后跟着提供第ニ加速阶段的环形加速器。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的设备，所述设备进ー步包括布置为实施根据权利要求I至5中的任一项所述的方法的控制器。
14.ー种加速器驱动的次临界反应堆，所述加速器驱动的次临界反应堆包括用于将质子束提供到位于反应堆堆芯内的散裂靶的根据权利要求9至13中的任一项所述的设备，所述反应堆堆芯进ー步包括布置为接收在散裂过程中产生的中子的燃料。
15.根据权利要求14所述的反应堆，其中，所述燃料包括钍。
全文摘要
本发明涉及一种带电粒子束生成器，其包括多个带电粒子束生成器单元。特别地，本发明涉及用于生成例如在加速器驱动的次临界反应堆中使用的高能、高电流质子束。本发明提供了一种使用包括多个质子束生成器单元的质子束生成器生成复合质子束的方法。在每个单元中使用负氢离子源来生成负氢离子束。在每个单元中，负氢离子被剥离以产生质子束，该质子束被加速并且引导到公共点，在该公共点，质子束被合并以形成复合质子束。
文档编号H05H7/06GK102668723SQ201080058295
公开日2012年9月12日 申请日期2010年12月21日 优先权日2009年12月21日
发明者B·穆拉托里, C·皮奥尔, N·布里斯, R·西文斯基, S·史密斯, 町田真嗣 申请人:科学技术设备委员会