一种多方向带电粒子束流转向装置

1.本发明涉及带电粒子传输技术领域，尤其涉及一种多方向带电粒子束流转向装置。


背景技术：

2.带电粒子束流转向装置广泛应用于粒子加速器和粒子转输领域。在加速器中带电粒子束流的传输过程中要经常对其进行转向，在粒子应用终端前要对带电粒子束流进行分束，都需要带电粒子束流转向装置得以实现。
3.带电粒子束流转向装置有三大类，磁场粒子束流转向器、电场粒子束流转向器和电磁场粒子束流转向器。磁场粒子束流转向器利用运动中带电粒子束流受垂直于磁场方向的洛伦兹力作用，进而改变束流运动方向的装置。电场粒子束流转向器利用带电粒子束流受库仑力作用，进而改变束流运动方向的装置。电磁场粒子束流转向器是同时利用磁场和电场对粒子运动进行作用的装置。
4.常见的电场粒子束流转向器主要有两种形式，即平行板电极电场粒子束流转向器和弧形电极电场粒子束流转向器。
5.平行板电极电场粒子束流转向器的工作原理如图1所示，带电粒子束流通过一对平行的带有不同电位的电极，带电粒子受垂直于平行板的库仑力作用，进而改变束流运动方向。该类型装置的优势在于结构简单，缺点在于因平行板的结构过于简单，不能形成复杂电场，不能多方向地改变带电粒子束流运动轨迹，例如90度转向。如要实现多方向的多方向地改变带电粒子束流运动，必须在空间上多维度地增加多组平行板电极，并且设计模拟分析工作十分困难，也增加结构的复杂性。
6.弧形电极电场粒子束流转向器的工作原理如图2所示，根据带电粒子束流需求转向角度而设计特定的弧形电极组组成特定电场，利用弧形电场线引导带电粒子束流的运动。该装置的优点是可以根据需求而设计特定的弧形电极，缺点是弧形电极结构的束流分析难以模拟，并且相应的修正电极较多，造成转向系统比较复杂。而且该方案对加工技术和装配精度的要求很高，装置的经济成本也很高。


技术实现要素：

7.基于上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、加工方便、使用效率高、分析模拟方便，能够为带电粒子束流传输提供多方向转向的装置。
8.一种多方向带电粒子束流转向装置，包括：
9.真空腔体，横截面为正八面体结构；
10.真空腔体的每一侧面外部均安装一真空连接窗口，真空连接窗口作为带电粒子束流出入真空腔体的通道；
11.所述真空腔体内部均匀设置八组电极柱，电极柱分别连接一高压电源装置；由所述电极柱在所述真空腔体内产生供所述带电粒子束流转向的综合电场区；
12.每个真空连接窗口同轴安装一辅助电极，辅助电极深入综合电场区，辅助电极用于引导带电粒子束流按照辅助电极的轴线方向进入真空腔体内，从而切入综合电场区；辅助电极还用于引导带电粒子束流按照辅助电极的轴线方向从真空腔体内出去；
13.相邻两个电极柱对称分布于一辅助电极的两侧。
14.进一步的，真空腔体的上表面设置高压真空穿通件；
15.真空腔体的上方设置高压电源装置，电极柱分别通过对应的高压真空穿通件与高压电源装置连接；
16.高压电源装置分别高压电源装置分别为电极柱提供不同组合的直流电压实现带电粒子束流分别朝向0度、45度、90度、-45度和-90度的转向。
17.进一步的，真空腔体底部设置有陶瓷支撑件，用于支撑电极柱。
18.进一步的，真空腔体的下方设置有：
19.涡轮分子泵，用于从真空腔体中抽出气体；
20.真空规管，用于检测真空腔体的真空状态。
21.进一步的，辅助电极为空心圆筒状。
22.进一步的，电极柱为圆柱电极。
23.进一步的，带电粒子束流的能量范围为0.5-10qkev。
24.进一步的，高压电源2提供的直流电压的范围为0-10kv。
25.进一步的，真空连接窗口采用刀口密封方式密封，密封介质为无氧铜圈。
26.本发明的有益技术效果在于：采用电极柱的结构、正八面体真空腔体结构、内部对称化设计，增加结构加工的简单性，易于提高机械加工精度；带电粒子可以八个真空连接窗口中的任意一个窗口进出该装置，增加装置使用上的便利性；对带电粒子束流提供达五个方向的转向选择，增加带电粒子束流的使用效率。
附图说明
27.图1为现有技术平行板电极电场粒子束流转向器的工作原理示意图；
28.图2为现有技术弧形偏转电极组成的电场粒子束流四极偏转器的工作原理示意图；
29.图3为本发明一种多方向带电粒子束流转向装置的示意图；
30.图4为本发明一种多方向带电粒子束流转向装置的内部结构俯视示意图；
31.图5为本发明一种多方向带电粒子束流转向装置的6kev的正离子束流实现0度转向示意图；
32.图6为本发明一种多方向带电粒子束流转向装置的6kev的正离子束流实现45度转向示意图；
33.图7为本发明一种多方向带电粒子束流转向装置的6kev的正离子束流实现90度转向示意图；
34.图8为本发明一种多方向带电粒子束流转向装置的6kev的正离子束流实现-45度转向示意图；
35.图9为本发明一种多方向带电粒子束流转向装置的6kev的正离子束流实现-90度转向示意图；
36.其中标号：a为真空连接窗口，b为辅助电极，c为电极柱，d为陶瓷支撑件，e为高压真空穿通件，f为高压电源装置，g为真空腔体，h为真空规管，i为涡轮分子泵，字母后的数字代表同一结构部件的编组序号。
具体实施方式
37.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作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。
38.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
40.参见图3-4，本发明提供一种多方向带电粒子束流转向装置，包括：
41.真空腔体g，横截面为正八面体结构；真空腔体g为一体式设计，将辅助电极b和电极柱c隔离于大气环境，该真空腔体g整体真空漏率为1e-7pa.l/s；
42.真空腔体g的每一侧面外部均安装一真空连接窗口a，真空连接窗口a作为带电粒子束流出入真空腔体g的通道；真空连接窗口a，共有八组，均匀集成分布于真空腔体g外侧；该真空连接窗口a可用于连接带电粒子束流产生装置、带电粒子束流传输装置、带电粒子束流的测量装置和带电粒子束流应用终端等。
43.所述真空腔体g内部均匀设置八组电极柱c，电极柱c分别连接一高压电源装置；由所述电极柱c在所述真空腔体g内产生供所述带电粒子束流转向的综合电场区；
44.每个真空连接窗口a同轴安装一辅助电极b，辅助电极b深入综合电场区，辅助电极b用于引导带电粒子束流按照辅助电极b的轴线方向进入真空腔体内，从而切入综合电场区；辅助电极b还用于引导带电粒子束流按照辅助电极b的轴线方向从真空腔体g内出去；
45.相邻两个电极柱c对称分布于一辅助电极的两侧。
46.进一步的，真空腔体g的上表面设置高压真空穿通件e；高压真空穿通件e，分别连接电极柱c，起到电位真空连接的功能；
47.真空腔体g的上方设置高压电源装置f，电极柱c分别通过对应的高压真空穿通件e与高压电源装置f连接；高压电源装置f，为商业通用产品，可提供八路直流稳压电源给八组电极柱c。
48.高压电源装置f分别为电极柱c提供不同组合的直流电压实现带电粒子束流分别朝向0度、45度、90度、-45度和-90度的转向。
49.进一步的，真空腔体g底部设置有陶瓷支撑件d，用于支撑电极柱c。
50.进一步的，真空腔体g的下方设置有：
51.涡轮分子泵i，用于从真空腔体中抽出气体；整个真空腔体的真空性能优于1e-6pa。
52.真空规管h，用于检测真空腔体的真空状态。
53.进一步的，辅助电极b为空心圆筒状。辅助电极b的内外径大小、整体长度和伸入到电极柱c形成的综合电场区的位置经过了束流光学模拟设计。可以调节通过真空连接窗口a
后的带电粒子束流的运行轨迹，让该运动轨迹切入到两组电极柱c之间，让带电粒子束流束流在未进入综合电场区之前不受电极柱c的影响，提高了电极柱c的工作效率。
54.进一步的，电极柱c为圆柱电极。区别于平行板和弧形束流转向系统，电极柱的外径和高度是经过束流光学模拟设计，适用于0.5至10qkev的能量范围的粒子束流偏转，q为带电粒子价态。通过对八组电极柱c施加不同组合的直流电压，可以让不同能量的带电粒子束流实现0度、45度、90度、-45度和-90度五个方向的偏转。
55.进一步的，高压电源装置f提供的直流电压的范围为0-10kv。
56.本发明的带电粒子束流转向装置属于电场粒子束流转向器的一种。具体应用举例，建立带电粒子束流转向装置后，例如选择真空连接窗口a1连接带电粒子源，其余各真空连接窗口根据实际需要连接各个带电粒子束流探测和应用终端。依次启动维持真空条件的涡轮分子泵，和监控真空性能的真空规管，待系统真空达到1e-5pa，本发明装置可以开始工作。
57.下述以能量为6kev的正离子束流为例，通过本发明的带电粒子束流转向装置，让该带电粒子束流依次实现0度、45度、90度、-45度和-90度五个方向的转向。
58.0度转向时：如图5所示，能量为6kev的正离子束流从真空连接窗口a1入射带电粒子束流转向装置，经过辅助电极b1引导正离子束流路径，进入电极柱的综合电场区0度转向，经过辅助电极b5再次引导正离子束流路径，最后从真空连接窗口a5离开，实现0度转向。此时，本发明的带电粒子束流转向装置内部各电极柱由高压电源提供电压电位如下：真空腔体及八组辅助电极接地，电位为0v；电极柱c1电位为0v；电极柱c2电位为0v；电极柱c3电位为0v；电极柱c4电位为0v；电极柱c5电位为0v；电极柱c6电位为0v；电极柱c7电位为0v；电极柱c8电位为0v。
59.45度转向时：如图6所示，能量为6kev的正离子束流从真空连接窗口a1入射带电粒子束流转向装置，经过辅助电极b1引导路径，进入电极柱转向45度，经过辅助电极b6再引导路径，最后从真空连接窗口a6离开带电粒子束流转向装置，实现45度转向。此时，本发明的带电粒子束流转向装置内部各电极柱由高压电源提供电压电位如下：真空腔体及八组辅助电极接地，电位为0v；电极柱c1电位为1350v；电极柱c2电位为1850v；电极柱c3电位为2350v；电极柱c4电位为1850v；电极柱c5电位为1350v；电极柱c6电位为-1350v；电极柱c7电位为-1850v；电极柱c8电位为-1350v。
60.90度转向时：如图7所示，能量为6kev的正离子束流从真空连接窗口a1入射带电粒子束流转向装置，经过辅助电极b1引导路径，进入电极柱综合电场区转向90度，经过辅助电极b7再次引导路径，最后从真空连接窗口a7离开带电粒子束流转向装置，实现90度转向。此时，本发明的带电粒子束流转向装置内部各电极柱由高压电源提供电压电位如下：真空腔体及八组辅助电极接地，电位为0v；电极柱c1电位为3100v；电极柱c2电位为4100v；电极柱c3电位为5100v；电极柱c4电位为5100v；电极柱c5电位为4100v；电极柱c6电位为3100v；电极柱c7电位为-3100v；电极柱c8电位为-3100v。
[0061]-45度转向时：如图8所示，能量为6kev的正离子束流从真空连接窗口a1入射带电粒子束流转向装置，经过辅助电极b1引导路径，进入电极柱综合电场区转向-45度，经过辅助电极b5再次引导路径，最后从真空连接窗口a4离开带电粒子束流转向装置，实现-45度转向。此时，本发明的带电粒子束流转向装置内部各电极柱由高压电源提供电压电位如下：真
空腔体及八组辅助电极接地，电位为0v；电极柱c1电位为-1350v；电极柱c2电位为-1850v；电极柱c3电位为-1350v；电极柱c4电位为1350v；电极柱c5电位为1850v；电极柱c6电位为2350v；电极柱c7电位为1850v；电极柱c8电位为1350v。
[0062]-90度转向时：如图9所示，能量为6kev的正离子束流从真空连接窗口a1入射带电粒子束流转向装置，经过辅助电极b1引导路径，进入电极柱综合电场区转向-90度，经过辅助电极b3再次引导路径，最后从真空连接窗口a3离开带电粒子束流转向装置，实现-90度转向。此时，本发明的带电粒子束流转向装置内部各电极柱由高压电源提供电压电位如下：真空腔体及八组辅助电极接地，电位为0v；电极柱c1电位为-3100v；电极柱c2电位为-3100v；电极柱c3电位为3100v；电极柱c4电位为4100v；电极柱c5电位为5100v；电极柱c6电位为5100v；电极柱c7电位为4100v；电极柱c8电位为3100v。
[0063]
本发明提供的多方向带电粒子束流转向装置，可实现在带电粒子应用系统中的粒子束流转向和分束等功能，因此可用于如回旋粒子加速器系统中端的束流转向装置、直线粒子加速器系统中端的分束装置和粒子医疗装置中端的束流传输装置等。
[0064]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。