束流分束装置、系统、方法及应用与流程

1.本发明涉及一种束流分束装置、系统、方法及应用，具体涉及一种提高强流束利用效率的快速束流分束装置、束流分束系统、束流分配方法及应用，属于粒子加速器束流调制技术领域。


背景技术：

2.粒子加速器可以产生高能强流的粒子束，用来进行科学物理实验研究及同位素生产、核孔膜制造、材料辐照、中子源、缪子束产生、粒子治癌等一系列工业应用。不同的实验终端或应用终端对束流的流强、脉冲长度、重复频率和能量有着不同的要求。而随着高功率强流粒子加速器的发展，粒子加速器可以引出的束流流强远远高于单个终端的需求，如果可以在不同能量上将束流根据终端需求通过分束装置引出一部分，并进一步通过分束装置分配到多个终端，将极大提高强流束的利用效率。
3.束流重复频率高，束团间距小，只有纳秒量级；且束流能量高，磁刚度大，很难在短的漂移距离内分开。现有技术中缺乏一种快速、紧凑、高效的束流分束装置，能够在紧凑空间内对束团间隔在纳秒量级的束流进行有效分束，实现单束团的筛选，且保证束流的动力学品质不受影响，从而满足多个终端同时供束的需求。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明提供一种束流分束装置、系统、方法及应用，该装置通过一种快速束流分束装置，将加速器产生的强流束根据不同物理实验或工业应用的需求，在不同能量上将束流引出，并调制成不同的时间结构和空间分布，同时给多个不同的应用终端提供束流，解决了现有技术无法在紧凑空间内对束流间隔在纳秒量级的高重复频率、高能、强流束流进行有效分束和单束团筛选的问题。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
6.本发明第一方面提供一种束流分束装置，其特征在于，包括：
7.依次串联的射频偏转腔、第一束流管道(漂移段1)、四极铁、第二束流管道(漂移段2)以及切割磁铁，所述射频偏转腔包括外导体和设置在所述外导体内的内导体，所述外导体上设置有束流通道，所述内导体用于对所述束流通道流出的束流施加横向电场和横向磁场，以产生横向动量。
8.所述的射频谐振腔偏转腔，优选地，所述外导体为两端开口的中空筒状结构，所述外导体内设置有沿其轴向方向分别从两开口端向筒内延伸的内导体，所述外导体和所述内导体通过端盖连接，所述内导体为一端开口的中空筒状结构，两所述内导体的封闭端相互靠近且之间留有空隙，与所述外导体轴向垂直的方向上对称设置有贯穿其筒壁的所述束流通道。
9.本发明第二方面提供一种束流分束系统，包括上述束流分束装置，所述束流分束系统包括若干依次交替串联的所述束流分束装置和加速模块或减速模块，所述加速模块或
减速模块用于对所述束流分束装置输送的束流进行加速或减速，使其达到实验终端或应用终端的能量需求。
10.所述的束流分束系统，优选地，每个所述束流分束装置上设置有至少一个次级分束装置，所述次级分束装置与所述束流分束装置的组成结构相同，用于进一步对所述束流分束装置输送的束流进行再次分束，使其达到实验终端或应用终端的需求。
11.所述的束流分束系统，优选地，所述次级分束装置包括单组分束装置或多组并联分束装置，所述单组分束装置用于将束流分成两束或三束，所述多组并联分束装置用于将束流分成三束以上。
12.所述的束流分束系统，优选地，还包括离子源和射频四极场加速器，所述离子源产生的束流，通过所述射频四极场加速器后进入依次交替串联的所述束流分束装置和所述加速模块或减速模块。
13.本发明第三方面提供一种束流分配方法，采用上述的束流分束系统，具体包括：
14.所述离子源产生的束流，通过所述射频四极场加速器后，被调制成若干微束团，这些微束团进入依次交替串联的所述束流分束装置和所述加速模块或减速模块；
15.束团在所述束流分束装置和所述加速模块或减速模块中完成分束和加速后进入不同的终端，以满足不同实验终端或应用终端的需求。
16.所述的束流分配方法，优选地，束团经过所述束流分束装置时，在所述射频偏转腔内的横向电场和横向磁场的共同作用下产生横向动量，通过调整所述射频偏转腔的频率以及束团相对于腔体的相位，调节单个束团横向动量的大小和方向，用于将束团引出或分束；
17.从射频偏转腔出来的尚未分开的束团进入所述第一束流管道(漂移段1)，束团向不同方向漂移，未受偏转的束团继续沿着初始轨迹运动，束团的横向间距得到初步分离，未引出的束团进入所述四极铁，所述四极铁对束团进行聚焦和扩大束流的分离；
18.束团从所述四极铁进入所述第二束流管道(漂移段2)，束团横向间距进一步扩大，最后再经过切割磁铁，进入到不同的束流管道，完成分束。
19.所述的束流分配方法，优选地，从所述束流分束装置引出的束流，通过所述次级分束装置可进一步分束，实现多终端的同时供束。
20.本发明第四方面提供一种上述束流分配方法在医疗粒子加速器、同位素生产加速器、核孔膜生产加速器、材料辐照加速器、缪子产生加速器、中子源或同时为多个不同的应用终端提供束流中的应用。
21.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
22.1、本发明可以对束流间隔在ns级的高能强流束进行有效分束，实现单束团的筛选，且保证束流的动力学品质不受影响。
23.2、本发明将加速器产生的高能强流束根据不同的工业和科研需求，在不同能量上通过快速的分束装置引出部分束流进行应用和实验，并通过进一步的次级分束装置将引出束流根据各实验终端或应用终端的需求分配到各个终端，满足多实验终端或多应用终端同时使用束流的需求，将极大地提高强流束流的利用效率。
24.3、本发明中束流分束装置和次级分束装置的核心是一种紧凑高效稳定的射频谐振腔，在同样的腔体频率下，腔体的尺寸更小，可以有效降低整个分束装置的空间尺寸；其分路阻抗更高，可在同等的腔耗下给通过腔体的束团提供更大的横向动量，从而缩短整个
分束装置的纵向长度；且其内外导体互相支撑，使得其应对外界的温度、压力、洛伦兹力等干扰时腔体的变形更小，腔体频率更稳定，分束更稳定，束团的品质更好。
25.4、本发明在中高能段实现束流任意时间结构的整形和分束，并实现单束团的筛选，提高强流束流的利用效率，同时满足多个不同终端同时供束的需求。
26.5、本发明的射频谐振结构，高效紧凑、分束效率高、结构稳定性好。
附图说明
27.图1为本发明实施例1提供的一种紧凑高效的束流分束装置示意图及束流经过分束装置前后束流轨道的变化示意图；
28.图2为本发明实施例2提供的粒子加速器上不同能量的束流通过分束装置引出并进一步分束和分配到各个终端的示意图；
29.图3为本发明实施例1提供的紧凑高效的束流分束装置中的核心组件射频偏转腔的示意图；
30.图4为本发明实施例2提供的调整腔体频率和束流相对于腔体的相位将初始束流平均分为两束的示意图；
31.图5为本发明实施例2提供的调整腔体频率和束流相对于腔体的相位将初始束流不平均分为三束的示意图；
32.图6为本发明实施例2提供的多级分束装置联合分束示意图；
33.图7为本发明实施例2提供的另外一种多级分束装置联合分束示意图
34.图中各标记如下：
[0035]1‑
外导体；2
‑
内导体；3
‑
束流通道；4
‑
端盖。
具体实施方式
[0036]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域普通人员在没有做出创造性劳动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。
[0037]
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“上”、“下”、“左右”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
[0038]
当前粒子加速器的束流引出和分束技术有以下几种：
[0039]
1)针对各个终端的需求，分别调节加速器的束流参数，单次只满足一个终端的需求，束流在不同终端的切换由偏转磁铁完成。以a，b两个终端为例，现有的技术方案，通常是先根据a的束流需求，调制加速器的束流参数，然后将束流通过偏转磁铁引出到a终端。等a终端的辐照完成后，再根据b终端的束流需求，调整加速器的束流参数，再将束流通过偏转
磁铁引出到b终端。这种方案的一个缺点就是束流的利用效率较低，尤其是很多物理实验需要的束流仅仅是加速器所能提供束流的1/10乃至更低，比如利用飞行时间法测量中子能谱时，需要把微束的间距从纳秒量级扩大到微秒量级，实现微束的百里挑一，此时束流的浪费现象就更加显著。
[0040]
2)在中高能通过射频谐振腔段对束流进行分束，同时满足多个终端的需求。缺点一是分束效率低，需要经过几十到上百米的漂移才能将束流分开；二是在对质子和重离子进行分束时，腔体尺寸大，机械性能差，运行时受外部压力，温度和洛伦兹力的影响较大，束流品质差；三是束流引出能量比较单一，不能满足多种不同能量的需求。
[0041]
本发明公开的束流分束装置和束流分配方法，从离子源产生的束流，通过射频四极场加速器(rfq)后，被调制成一个一个的微束团，这些微束团进入一系列的加速模块或减速模块受到逐级加速或减速。束流经历的加速模块或减速模块越多，其能量越高或越低。在每一段加速模块或减速模块后都有束流引出装置，可根据不同实验终端和应用终端的能量需求，选择在不同的加速模块或减速模块后进行分束引出。束流分束装置的组成为射频谐振腔—第一束流管道(漂移段1)—四极铁—第二束流管道(漂移段2)—切割磁铁。束流通过分束装置时，首先经过一套射频偏转腔，在腔内横向电场和横向磁场的共同作用下产生横向的动量。通过调整腔体的频率和束团相对于腔体的相位，可以调节单个束团横向动量的大小和方向。该偏转力可用作将部分束流从主束线上引出，也可用于对引出的束流进行分束。从射频偏转腔出来后，束流进入一段真空的第一束流管道(漂移段1)，在横向动量的作用下，束团开始向不同的方向漂移，而前面在射频偏转腔中没受到横向偏转作用的束团则继续沿着初始轨迹运动。经过漂移段1后，束团的横向间距得到了初步的分离，需要引出的束团已经偏离了原始束流轨道。随后束流进入一组四极磁铁，四极磁铁一方面可以对束团进行聚焦，降低其横向发射度，另一方面可以进一步扩大束团的分离。束流从四极铁出来后，再次经过一段第二真空管道的漂移(漂移段2)，束团的横向间距进一步扩大。最后再经过一组切割磁铁，进入到不同的束流管道，完成分束。
[0042]
实施例1
[0043]
本实施例提供一种束流分束装置，下面对其结构进行详细描述。
[0044]
参考图1，该束流分束装置包括：射频谐振腔；漂移段1；四极铁；漂移段2和切割磁铁，这些部件依次串联在一起。
[0045]
射频偏转腔采用的是双四分之一波长腔结构，由外导体1，内导体2，端盖4和束流管道3组成。在同样的腔体频率下，双四分之一波长腔的尺寸更小，可以有效降低整个分束装置的空间尺寸；其分路阻抗更高，可在同等的腔耗下给通过腔体的束流提供更大的横向动量，从而缩短整个分束装置的纵向长度；且其内外导体互相支撑，使得其应对外界的温度、压力、洛伦兹力等干扰时腔体的变形更小，腔体频率更稳定，分束更稳定，束流的品质更好。本发明首次将这种射频偏转腔结构用于分束，适用于高流强的加速器中的多能量引出和多终端供束，极大地降低了分束系统的空间尺寸和系统冗余度，且能够有效降低工程造价，对于实际的工业应用具有重要意义。
[0046]
漂移段1为一段真空的束流管道，从腔体出来的束团，在横向动量的作用下，在漂移管中逐渐分离开。漂移管的尺寸需要考虑束团分离后的束流包络。
[0047]
四极铁主要发挥两个作用，一个是对束团进行横向的聚焦，提升束流的品质；另一
方面是进一步扩大束团的分离。
[0048]
漂移段2为一段真空的束流管道，从四极铁出来的束流，经过进一步的漂移，束团间距进一步增大。这一段束团的分离比在第一段漂移管里面要大很多，漂移管的尺寸也需要做对应的增大。从漂移管2出来的束流，其束团的分离需要达到切割磁铁的接受的分离间距。
[0049]
从切割磁铁出来后，被分离的束流将沿着新的束流管道前行，去往终端或再次进行进一步的分束。
[0050]
本发明的束流分束装置可用于直线加速器和环形加速器的束流引出和调制。
[0051]
根据各终端不同的束流需求，在不同能量上将加速器的束流引出并分配到各终端；
[0052]
射频偏转腔可通过常温射频结构来实现，也可通过超导射频结构来实现，取决于束流能量和分束角度。
[0053]
偏转腔以ns级上升沿和下降沿实现快分束，在分束的同时不影响相邻束团的品质。
[0054]
实施例2
[0055]
实施例2提供一种束流分配方法，采用实施例1提供的一种束流分束装置，该方法包括以下步骤：
[0056]
步骤a：从离子源产生的束流，通过射频四极场加速器后，被调制成一个一个的微束团，这些微束团进入加速模块或减速模块(加速模块或减速模块1，加速模块或减速模块2，...,加速模块或减速模块n)受到逐级加速。在每个加速模块或减速模块后都有分束装置(分束装置1，分束装置2，...分束装置(n 1))和次级分束装置(分束装置1
‑
1，分束装置1
‑
2，...分束装置n
‑
2)，实现多个不同终端(终端1
‑1‑
1，终端1
‑1‑
2，...终端(n 1)
‑
3)的同时供束。束流经历的加速模块或减速模块越多，其能量越高或越低。根据不同实验终端和应用终端的能量需求，可选择在不同的加速模块或减速模块后进行分束引出。
[0057]
步骤b：束流通过分束装置时，首先经过一套射频偏转腔，在腔内横向电场和横向磁场的共同作用下产生横向的动量。通过调整腔体的频率和束流相对于腔体的相位，可以调节单个束团横向动量的大小和方向。该偏转力可用作将部分束团从主束线上引出，也可用于对引出的束流进行分束。从射频偏转腔出来后，束流进入一段真空的束流管道(漂移段1)，在横向动量的作用下，束团开始向不同的方向漂移，而前面在射频谐振腔中没受到横向偏转作用的束团则继续沿着初始轨迹运动。经过漂移段1后，束团的横向间距得到了初步的分离，需要引出的束团已经偏离了原始束流轨道。随后束流进入一组四极磁铁，四极磁铁一方面可以对束团进行聚焦，降低其横向发射度，另一方面可以进一步扩大束团的分离。从四极铁出来后，束流再次经过一段真空管道(漂移段2)的漂移，束团的横向间距进一步扩大。最后再经过一组切割磁铁，进入到不同的束流管道，完成分束。
[0058]
步骤c：从原始束流轨道上引出的束流进入束流管道后，可进一步通过次级的分束装置来实现进一步的分束，实现多终端的同时供束。
[0059]
步骤d:分束装置的核心是射频偏转腔，通过调节腔体的频率可获得不同的分束效果，既可以得到平均的分束，也可以得到不平均的分束组合。
[0060]
步骤e：通过单组分束装置，最多可以有效将束流分成三束。要得到更多的束线，可
通过多组分束装置联合起来实现。例如，通过3种类型共计7套分束装置，可以获得8路平均束流(如图7所示)；通过两种类型共计4套分束装置，可以获得9路平均束流(如图6所示)。通过对束流的相位进行更加复杂的调整和采用更多的腔型，可以得到更加复杂的束线。
[0061]
实施例3
[0062]
实施例3提供一种束流分配方法的应用，采用实施例2提供的束流分配方法，该应用包括一些内容：
[0063]
不同的工业应用和物理实验对束流能量的需求各不相同，且现代强流高功率粒子加速器可提供的束流流强要远远高于单个工业应用的需求，如果可以根据不能的工业和科研需求，在不同能量上通过快速的分束装置引出部分束流进行应用和实验，并通过进一步的分束装置实现多终端的同时供束，将极大地提高强流束流地利用效率。
[0064]
该束流分配方法可应用于医疗粒子加速器，同位素生产加速器，核孔膜生产加速器，材料辐照加速器，缪子产生加速器，中子源等，同时为多个不同的应用终端提供束流。
[0065]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。