一种全永磁电子回旋共振离子源的模块化方法及装置

1.本发明涉及一种离子加速器离子源技术领域，特别是关于一种全永磁电子回旋共振离子源的模块化方法及装置。


背景技术：

2.传统全永磁离子源在研发时，需要根据性能设计对应的磁场，再根据所需磁场设计对应的磁环机械规格，再根据机械图纸进行后续的采购生产加工等步骤。使用这种传统研发思路虽然也能成功研制出所需性能的离子源，但是每台离子源的研发都需要重新设计并计算制造，这也造成了研发资源的浪费。如果能将离子源分解为不同种类的模块，在生产时只生产模块，再根据所需离子源的性能要求将不同规格的模块组装成为一台完整的离子源磁体，则从研发生产到成品的时间成本和经济成本都将大大降低。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的是提供一种全永磁电子回旋共振离子源的模块化方法及装置，其解决了全永磁电子回旋共振离子源研发制造过程中“一台离子源一种设计，一台离子源一种规格”的问题，并降低成本。
4.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种全永磁电子回旋共振离子源的模块化方法，其包括：由第一轴向磁体、第二轴向磁体和径向磁体构成离子源磁体，且径向磁体位于第一轴向磁体与第二轴向磁体之间，离子源整体内半径为r0；第一轴向磁体与第二轴向磁体为相反的磁化方向，采用不同半径大小、不同轴向厚度并能提供轴向磁场的磁环组合构成第一轴向磁体，以及第二轴向磁体；将第一轴向磁体和第二轴向磁体按照轴向厚度分割成多组，分割的组数为轴向厚度d的n倍，其中n为整数；径向磁体采用三种周向磁块数量的halbach结构，并按照轴向厚度分割成多组，分割的组数为轴向厚度d的n倍；对径向磁体、第一轴向磁体和第二轴向磁体均沿角向分割为12的n倍个磁块；根据离子源性能需求，将第一轴向磁体和第二轴向磁体以及径向磁体，根据轴向厚度d的n倍排列组合构成一台完整的离子源磁体。
5.进一步，第一轴向磁体a和第二轴向磁体b分别根据半径进行设置；第一轴向磁体a和第二轴向磁体b对应的半径分别为r0 r,r0 2r以及r0 3r，r为磁环的径向厚度。
6.进一步，径向磁体c采用的三种周向磁块数量分别为为12块、24块或36块。
7.进一步，提供轴向磁场的磁环按照轴向厚度d≤50mm进行分割，则轴向磁铁的轴向厚度为d的倍数。
8.进一步，提供轴向磁场的磁环按照径向厚度r≤50mm进行分割，则轴向磁铁的径向厚度为r的倍数。
9.进一步，离子源整体内半径为：50mm≥r0≥20mm。
10.进一步，对于轻离子以及低电荷态多离子，则磁体外径为r0 50mm；对于从轻离子到较重的离子以及中等及较高电荷态离子，选择磁体外径为r0 50 50mm；对于重离子的高
电荷态离子，选择磁体外径为r0 50 50 50mm。
11.一种全永磁电子回旋共振离子源的模块化装置，其包括：第一轴向磁体、第二轴向磁体和径向磁体；由第一轴向磁体、第二轴向磁体和径向磁体构成离子源磁体，且径向磁体位于第一轴向磁体与第二轴向磁体之间；第一轴向磁体与第二轴向磁体为相反的磁化方向，采用不同半径大小、不同轴向厚度并能提供轴向磁场的磁环组合构成第一轴向磁体，以及第二轴向磁体；第一轴向磁体和第二轴向磁体按照轴向厚度分割成多组，分割的组数为轴向厚度d的n倍，其中n为整数；径向磁体采用三种周向磁块数量的halbach结构，并按照轴向厚度分割成多组，分割的组数为轴向厚度d的n倍；对径向磁体、第一轴向磁体和第二轴向磁体均沿角向分割为12的n倍个磁块；根据离子源性能需求，将第一轴向磁体和第二轴向磁体以及径向磁体，根据轴向厚度d的n倍排列组合构成一台完整的离子源磁体。
12.进一步，提供轴向磁场的磁环按照轴向厚度d≤50mm进行分割，则轴向磁铁的轴向厚度为d的倍数。
13.进一步，提供轴向磁场的磁环按照径向厚度r≤50mm进行分割，则轴向磁铁的径向厚度为r的倍数。
14.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
15.1、本发明可以简化不同性能离子源的设计流程，将不同性能的离子源磁体分割为标准的模块，通过模块的排列组合即可形成一台完整的离子源磁体。
16.2、本发明采用的模块化设计尤其适用于商品化大批量生产，只需生产标准化的模块和子模块，可以大大的降低研发成本。
17.3、本发明制作的离子源适用于从2.45ghz-18ghz的全永磁电子回旋共振离子源，适用于诸如离子线肿瘤治疗、材料辐照等大多数离子加速器。
附图说明
18.图1是本发明一实施例中离子源结构示意图；
19.图2a是本发明一实施例中第一轴向磁体单组径向排列示意图；
20.图2b是本发明一实施例中第一轴向磁体单组轴向剖面示意图；
21.图3是本发明一实施例中第二轴向磁体单组径向排列示意图；
22.图4a是本发明一实施例中第一轴向磁体径向双组排列示意图；
23.图4b是本发明一实施例中第一轴向磁体轴向单组、径向双组排列剖面示意图；
24.图4c是本发明一实施例中第一轴向磁体轴向双组、径向双组排列剖面示意图；
25.图5是本发明一实施例中第二轴向磁体径向双组排列示意图；
26.图6a是本发明一实施例中第一轴向磁体径向三组排列示意图；
27.图6b是本发明一实施例中第一轴向磁体轴向单组、径向三组排列剖面示意图；
28.图6c是本发明一实施例中第一轴向磁体轴向双组、径向三组排列剖面示意图；
29.图6d是本发明一实施例中第一轴向磁体轴向三组、径向三组排列剖面示意图；
30.图7是本发明一实施例中第二轴向磁体径向三组排列示意图，该第二轴向磁体可按照图6b、6c、6d的形式进行组合；
31.图8a是本发明一实施例中径向磁体轴向三组排列剖面示意图；
32.图8b是本发明一实施例中径向磁体径向排列示意图。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
35.为了解决全永磁电子回旋共振离子源研发制造过程中“一台离子源一种设计，一台离子源一种规格”的问题，本发明提供的模块化的全永磁电子回旋共振离子源，将传统的低电荷态、中等电荷态以及较高电荷态的全永磁电子回旋共振离子源分解为若干模块。通过模块不同形式的组合，即可形成一台完整的适于产生低电荷态、中等电荷态以及高电荷态的离子源磁体。电子回旋共振离子源磁场由轴向磁场和径向多极磁场产生。根据产生磁场的材料分类，可将离子源磁体分为电磁线圈和永磁环。不论轴向磁场还是径向磁场，不论是线包还是永磁环，一个较大的线包或永磁环总能分解为2个或两个以上线包或永磁环组合的形式。本发明以模块的形式将全永磁电子回旋共振离子源分解，在制造时，只需要大量生产模块，而后根据所需离子源性能要求拼装为不同离子源成品。
36.在本发明的一个实施例中，提供一种全永磁电子回旋共振离子源的模块化方法。
37.本实施例中，该方法包括以下步骤：
38.1)将离子源磁体分为两大类：轴向磁体和径向磁体；由第一轴向磁体a、第二轴向磁体b和径向磁体c构成离子源磁体，且径向磁体c位于第一轴向磁体a与第二轴向磁体b之间，离子源整体内半径为r0，如图1所示；
39.2)轴向磁体模块分类。第一轴向磁体a与第二轴向磁体b为相反的磁化方向，采用三种不同半径大小和三种不同轴向厚度并能提供轴向磁场的磁环组合构成第一轴向磁体a，以及第二轴向磁体b；第一轴向磁体a磁化方向可以旋转180度，同理第二轴向磁体b也相应旋转180度并与第一轴向磁体a磁化方向相反；
40.3)将第一轴向磁体a和第二轴向磁体b按照轴向厚度分割成多组，分割的组数为轴向厚度d的n倍，其中n为整数；优选的，1≤n≤3；
41.4)径向磁体c采用三种周向磁块数量的halbach结构，并按照轴向厚度分割成多组，分割的组数为轴向厚度d的n倍；
42.5)对径向磁体c、第一轴向磁体a和第二轴向磁体b均沿角向分割为12的n倍个磁块；
43.6)根据离子源性能需求，将第一轴向磁体a和第二轴向磁体b以及径向磁体c，根据轴向厚度d的n倍排列组合构成一台完整的离子源磁体。
44.上述步骤2)中，对于第一轴向磁体a和第二轴向磁体b，按照其半径大小可分为1a，2a和3a三种磁环规格，以及对应有1b，2b和3b三种磁环规格，对应的半径分别为r0 r,r0 2r以及r0 3r，r为磁环的径向厚度，如图2a至图7所示。
45.各种规格磁环的划分方法包括但不限于充磁方向竖直向上或向下按照其轴向厚
度进行分割。
46.上述步骤4)中，如图8a、图8b所示，径向磁体c采用的三种周向磁块数量分别为12块、24块或36块。优选的，径向磁体c使用径向六极磁场。
47.上述实施例中，提供轴向磁场的磁环按照轴向厚度d≤50mm进行分割，则轴向磁铁的轴向厚度为d的倍数。
48.上述实施例中，提供轴向磁场的磁环按照径向厚度r≤50mm进行分割，则轴向磁铁的径向厚度为r的倍数。通常，对于工作频率为2.45ghz-18ghz的离子源，其轴向磁铁的径向厚度最大不超过250mm，即5个径向模块的叠加。
49.上述步骤5)中，对于轴向磁体，沿角向将其分割为12、24或36的个磁块；对于径向磁体，沿角向将其分割为12的n倍个磁块。
50.上述实施例中，离子源整体内半径为：50mm≥r0≥20mm。对于轻离子以及低电荷态多离子，则磁体外径为r0 50mm；对于从轻离子到较重的离子以及中等及较高电荷态离子，选择磁体外径为r0 50 50mm；对于重离子的高电荷态离子，选择磁体外径为r0 50 50 50mm。通过本发明的模块环形分割，可以根据离子源所需性能在半径方向嵌套不超过3r磁环。
51.上述实施例中，根据目前市场现有充磁机和永磁材料供应商生产磁材料的规格，可按照轴向厚度不大于50mm进行轴向磁环分割，轴向厚度≤50mm的，不再进行轴向切割；对于50mm≤轴向厚度≤100mm，可在轴向将其分割为两组磁环叠加的形式；轴向厚度＞100mm的，按d≤50mm的倍数进行轴向分割。通常，对于2.45ghz-18ghz的离子源，其轴向永磁铁的轴向厚度不超过150mm。这样一来，对轴向磁场性能需求较低的轻离子和低电荷态离子源，一层轴向厚度为d的模块即可满足需求；同理，2d轴向模块叠加代表从轻离子到较重离子的中等电荷态及较高电荷态的离子源，而3d轴向模块叠加则代表较重离子的高电荷态离子源。
52.综上，利用本发明制作的全永磁电子回旋共振离子源磁体可大大节约成本，精简生产环节，尤其适用于商业用离子加速器使用，如离子线肿瘤治疗、材料辐照等。
53.在本发明一实施例中，提供一种全永磁电子回旋共振离子源的模块化装置，其包括：第一轴向磁体、第二轴向磁体和径向磁体；
54.由第一轴向磁体、第二轴向磁体和径向磁体构成离子源磁体，且径向磁体位于第一轴向磁体与第二轴向磁体之间；
55.第一轴向磁体与第二轴向磁体为相反的磁化方向，采用不同半径大小、不同轴向厚度并能提供轴向磁场的磁环组合构成第一轴向磁体，以及第二轴向磁体；
56.第一轴向磁体和第二轴向磁体按照轴向厚度分割成多组，分割的组数为轴向厚度d的n倍，其中n为整数；
57.径向磁体采用三种周向磁块数量的halbach结构，并按照轴向厚度分割成多组，分割的组数为轴向厚度d的n倍；
58.对径向磁体、第一轴向磁体和第二轴向磁体均沿角向分割为12的n倍个磁块；
59.根据离子源性能需求，将第一轴向磁体和第二轴向磁体以及径向磁体，根据轴向厚度d的n倍排列组合构成一台完整的离子源磁体。
60.上述实施例中，提供轴向磁场的磁环按照轴向厚度d≤50mm进行分割，则轴向磁铁
的轴向厚度为d的倍数。
61.上述实施例中，提供轴向磁场的磁环按照径向厚度r≤50mm进行分割，则轴向磁铁的径向厚度为r的倍数。
62.本实施例提供的装置是基于上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
63.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。