双束加速器及基于其的束流加速方法

技术领域

本发明涉及加速器技术领域，尤其涉及一种双束加速器及基于其的束流加速方法。

背景技术

离子直线加速器指利用一系列射频腔体产生的高频电磁场进行加速的装置。其在无损检测、离子注入、医疗卫生、癌症治疗、同位素生产、基础科学研究等领域有着广泛的应用。

在实施上述应用中，直线加速器是最基本的装置。离子直线加速器根据需要可以提供质子到铀束不同离子的加速，为终端提供不同能量和不同流强的离子束。由于加速装置的造价昂贵，如何提高束流的利用率成为一个热点。

于是，正负离子束同时加速的概念被提出来。1972年开始运行的Los AlamosNeutron Science Center(LANSCE)加速器装置,由美国Los Alamos国家实验室提出并建造，该直线加速器能分别为多个终端提供1.25mA质子束流和70μA负氢束流。加速器配备了两个独立的质子和负氢束注入器。每个注入器都有一个cockcroft-walton型倍压加速器和一个离子源，可以产生带正电荷的质子或带负电荷的氢离子，最终能量为750keV。由两个独立的束线传输分别传输质子和负氢束流，并在201.25MHz漂移管直线加速器(DTL)的入口处合并。经过DTL加速束流能量达到100MeV。在DTL之后，过渡区束线将100MeV的质子束引出至同位素生产设备(IPF)，而负氢束在805MHz耦合腔直线加速器(CCL)中加速到最终能量800MeV，并分别传输至四个终端。从束流强度的层面来看，该装置所加速的正负离子流强较低，空间电荷效应较低。从时间结构来看，由于其终端较多，需要在低能段对束流时间结构进行调制，该加速器并未在微束团层面进行正负离子束的同时加速与传输。

北京大学重离子物理研究所于1993年提出了使用RFQ加速器同时加速同荷质比正负离子束的设想，并利用现有RFQ进行实验研究。该实验在弱流条件下，将不同流强的正负氧离子分别单独以及同时注入进RFQ中进行加速。实验通过对比不同实验条件下RFQ加速器的传输效率，验证RFQ同时加速正负离子束的可行性。相比于分别单独注入，对于同时注入正负离子各自加速流强和传输效率都较单独加速时较低。但是此时加速器出口处束流总流强远大于单独加速时的值。因此，验证了用RFQ加速器同时加速同荷质比正负离子，将提高RFQ的利用效率。

韩国提出的多用途装置KOMAC,计划采用双束加速方案。KOMAC装置计划建造一台高流强质子/负氢直线加速器，且最终能提供1GeV的连续波质子束，流强为20mA，且能够分别在100MeV和260MeV处提取负氢束。

上述的加速器主要是采用偶数倍频的射频频率选择。为了实现两种束流的同时加速，在频率升高的时候采用由二极磁铁和四极磁铁构成的传输线，利用其传输路径的不同来使得正负束流产生180度的相位差，实现在下一频率的加速结构中共同加速。由于相位匹配段的存在，一是造成了系统的复杂性升高；二是该方法通过距离实现相位的的控制，对硬件的加工精度要求很高；三是由于相位匹配段存在较长的偏转段弱聚焦段，对束流品质造成很大的恶化，这种技术路线不能满足毫安量级的连续波束流的高功率加速器应用需求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种双束加速器及基于其的束流加速方法，旨在通过采用正负离子双源同时注入，其束流加速系统基于RFQ加速器频率的奇数倍频率，实现正负两个束团可以持续地感受到加速电场，保证后续加速持续进行，从而可以省略相位匹配段。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种双束加速器，包括：正离子源系统和负离子源系统，所述正离子源系统与所述负离子源系统被配置为分别产生正离子束流和负离子束流；RFQ加速器，与所述正离子源系统和负离子源系统连接，所述RFQ加速器被配置为将所述正离子束流和负离子束流生成相位差为180度的正负离子束团；以及束流加速系统，设置在所述RFQ加速器下游而适于被注入相位差为180度的所述正负离子束团，所述束流加速系统的高频加速结构的工作频率被配置为所述RFQ加速器工作频率的奇数倍。

根据本发明的一些实施例，所述双束加速器还包括设置在所述正离子源系统及所述负离子源系统与所述RFQ加速器之间的低能传输线，所述低能传输线包括靠近所述正离子源系统及所述负离子源系统设置的双向二极磁铁、及设置在双向二极磁铁后续位置的多个螺线管或多个四极磁铁；所述正离子源系统及所述负离子源系统分别包括设置在各自出口的螺线管。

根据本发明的一些实施例，所述正离子源系统出口处螺线管被配置为将正离子束流匹配到所述低能传输线的双向二极磁铁，所述负离子源系统出口处螺线管被配置为将负离子束流匹配到所述低能传输线的双向二极磁铁；所述低能传输线被配置为将正负离子束流融合到同一个束流轨道上；多个所述螺线管和多个所述四极磁铁被配置为将正负离子束流同时匹配到所述RFQ加速器中。

根据本发明的一些实施例，所述RFQ加速器的工作频率为50～1000MHz，正离子束流与负离子束流具有相同的出口能量，设计为1-5MeV；所述RFQ加速器被配置为利用射频加速场实现正负离子束流的同时加速，并在纵向空间实现分离形成相位差为180度的正负离子束团。

根据本发明的一些实施例，所述双束加速器还包括设置在所述RFQ与所述束流加速系统之间的中能传输段，所述中能传输段包括至少两个聚束腔体，所述聚束腔体的工作频率和所述RFQ加速器的工作频率相同，而对正负离子束流进行纵向操纵匹配到下游的束流加速系统中；所述中能传输段设置多个四极磁铁将自所述RFQ加速器注入的正负离子束团横向匹配成对称束流或者反对称束流注入到下游的束流加速系统中。

根据本发明的一些实施例，所述束流加速系统包括低能加速段，所述低能加速段采用常温或者超导加速结构，所述低能加速段的高频加速结构的工作频率与所述RFQ加速器的工作频率相同。

根据本发明的一些实施例，所述低能加速段的高频加速结构被配置为半波长腔体或者常温DTL腔体。

根据本发明的一些实施例，所述低能加速段出口处的束流能量为10-50MeV。

根据本发明的一些实施例，所述低能加速段设置有三向二极磁铁进行束流的偏转，或者直筒传输束流进入后续位置的装置。

根据本发明的一些实施例，所述束流加速系统还包括设置在所述低能加速段下游的中能加速段，所述中能加速段的高频加速结构的工作频率是所述RFQ加速器的工作频率的三倍。

根据本发明的一些实施例，所述中能加速段采用常温或者超导加速结构。

根据本发明的一些实施例，所述中能加速段的高频加速结构被配置为轮辐型腔体或者常温SCDTL或者CH腔体。

根据本发明的一些实施例，所述中能加速段通过相位扫描技术使得正负离子束团同时被加速。

根据本发明的一些实施例，所述中能加速段出口处的束流能量为50-500MeV。

根据本发明的一些实施例，所述束流加速系统还包括设置在所述中能加速段下游的高能加速段，所述高能加速段的高频加速结构的工作频率是所述RFQ加速器的工作频率的五倍。

根据本发明的一些实施例，所述高能加速段采用常温或者超导加速结构，所述高能加速段的高频加速结构被配置为椭球腔体或者常温CCL或者BTW腔体。

根据本发明的一些实施例，所述高能加速段通过相位扫描技术使得正负离子束团同时被加速。

根据本发明的一些实施例，所述高能加速段出口处的束流能量为500-2000MeV。

根据本发明的一些实施例，所述高能加速段设置有三向二极磁铁进行束流的偏转，或者直筒传输束流进入后续位置的装置。

根据本发明的一些实施例，所述束流加速系统还包括设置在所述束流加速系统下游的高能传输终端，所述高能传输终端包括一系列四极透镜和一个双向二极磁铁组成，以将正负束流团同时送到不同的终端。

根据本发明的一些实施例，所述双束加速器在完成加速为高功率终端提供束流时，采用剥离技术将负离子剥离为正离子使束流强度翻倍，以满足终端高功率的应用需求。

一种基于上述任一所述双束加速器的束流加速方法，所述束流加速方法包括在射频工作频率升高的时候，采用奇数倍射频工作频率实现正负离子束的同时工作在加速聚焦相位，实现双束的同时加速传输。

本发明由于采取以上技术方案，其具有至少以下优点：

1、本发明首次提出利用奇数倍频率进行正负束流的同时加速，省略了相位匹配段，可以缩短加速器的总长，结合负离子剥离技术，可以将终端束流的流强提高两倍；也可利用不同的离子源产生不同流强的正负离子束流，然后进行同时加速，可以满足终端对高功率和低功率束流的同时应用；

2、在高能加速段采用双向二极磁铁，可以很方便的实现正负离子束流的自动分离，满足终端对正负离子束流的独立应用；

3、在加速器驱动嬗变研究等高功率装置应用中，采用超导加速结构进行连续波正负离子束流的加速，可以将束流的功率提高两倍。

附图说明

图1是本发明一些实施例的双束加速器的结构示意图。

附图中标记：

1、正离子源系统；

2、负离子源系统；

3、低能传输线；

4、RFQ加速器；

5、中能传输段；

6、低能加速段；

7、中能加速段；

8、高能加速段；

9、高能传输终端。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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，本领域普通技术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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”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系统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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“装配”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明第一方面提供一种双束加速器，包括正离子源系统、负离子源系统、RFQ加速器以及束流加速系统，旨在通过采用正负离子双源同时注入，其束流加速系统基于RFQ加速器频率的奇数倍频率，实现正负两个束团可以持续地感受到加速电场，保证后续加速持续进行，从而可以省略相位匹配段。

下面，结合附图对本发明实施例提供的液态药剂转移与配制装置进行详细的说明。

根据本发明实施例的双束加速器，包括：正离子源系统1、负离子源系统1、RFQ加速器4以及束流加速系统。正离子源系统1与负离子源系统1被配置为分别产生正离子束流和负离子束流，并同时地分别输入正离子束流和负离子束流至RFQ加速器4，RFQ加速器4被配置为产生相位差为180度的正负离子束团；设置在RFQ加速器4下游而适于被注入相位差为180度的正负离子束团，束流加速系统的高频结构的高频频率被配置为RFQ加速器4工作频率的奇数倍。

上述实施例中的双束加速器，可以达成至少以下的有益效果：

1、本发明首次提出利用奇数倍频率进行正负束流的同时加速，省略了相位匹配段，可以缩短加速器的总长，结合负离子剥离技术，可以将终端束流的流强提高两倍；也可利用不同的离子源产生不同流强的正负离子束流，然后进行同时加速，可以满足终端对高功率和低功率束流的同时应用；

2、在高能加速段8采用双向二极磁铁，可以很方便的实现正负离子束流的自动分离，满足终端对正负离子束流的独立应用；

3、在加速器驱动嬗变研究等高功率装置应用中，采用超导加速结构进行连续波正负离子束流的加速，可以将束流的功率提高两倍。

需要说明的是，正离子源系统1以及负离子源系统1可以用于产生相同能量(大约10-150keV)的正负离子束流，也可以用于产生不同能量的正负离子束流。可以理解地，当正离子源系统1与负离子源系统1产生不同流强的正负离子束流，然后进行同时加速，可以满足终端对高功率和低功率束流的同时应用。

在某些实施例中，双束加速器还包括设置在正离子源系统1及负离子源系统1与RFQ加速器4之间的低能传输线3，低能传输线3包括靠近正离子源系统1及负离子源系统1设置的双向二极磁铁、及设置在双向二极磁铁后续位置的多个螺线管或多个四极磁铁；正离子源系统1及负离子源系统1分别包括设置在各自出口的螺线管。在图1所示的实施例中，多个螺线管或者多个四极磁铁依次串联地设置在双向二极磁铁的后续位置。

可选地，低能传输线3包括的螺线管设置为4个或者5个。

在某些实施例中，正离子源系统1出口处螺线管被配置为将正离子束流匹配到低能传输线3的双向二极磁铁，负离子源系统1出口处螺线管被配置为将负离子束流匹配到低能传输线3的双向二极磁铁；低能传输线3被配置为将正负离子束流融合到同一个束流轨道上；多个螺线管和多个四极磁铁被配置为将正负离子束流同时匹配到下游的RFQ加速器4中。

在某些实施例中，RFQ加速器4的工作频率为50～1000MHz，正离子束流与负离子束流具有相同的出口能量，设计为1-5MeV。

进一步地，RFQ加速器4被配置为利用射频加速场实现正负离子束流的同时加速，并在纵向空间实现分离形成相位差为180度的正负离子束团。

在某些实施例中，双束加速器还包括设置在RFQ与束流加速系统之间的中能传输段5，中能传输段5包括至少两个聚束腔体，聚束腔体的工作频率和RFQ加速器4的工作频率相同，而对正负离子束流进行纵向操纵匹配到下游的束流加速系统中(例如在图1所示的实施例中，匹配到下游的低能加速段6具有的加速腔体中)。

可选地，中能传输段5包括的聚束腔体为2个或者3个。

在某些实施例中，中能传输段5设置多个四极磁铁将自RFQ加速器4注入的正负离子束团横向匹配成对称束流或者反对称束流注入到下游的束流加速系统中。

在某些实施例中，束流加速系统包括低能加速段6，低能加速段6采用常温或者超导加速结构，低能加速段6的高频加速结构的工作频率与RFQ加速器4的工作频率相同。

在某些实施例中，低能加速段6的高频加速结构被配置为半波长腔体或者常温DTL腔体。需要说明的是，在其他实施例中，低能加速段6的高频也可以被配置为其他类型的装置或者结构。

在某些实施例中，低能加速段6出口处的束流能量为10-50MeV。

在某些实施例中，低能加速段6设置有三向二极磁铁进行束流的偏转，或者直筒传输束流进入后续位置的装置，例如，在图1所示的实施例中，将束流传输进入位于低能加速段6后续位置的中能加速段7。

在某些实施例中，束流加速系统还包括设置在低能加速段6下游的中能加速段7，中能加速段7的高频加速结构的工作频率是RFQ加速器4的工作频率的三倍。

在某些实施例中，中能加速段7采用常温或者超导加速结构。

在某些实施例中，中能加速段7的高频加速结构被配置为轮辐型腔体或者常温SCDTL或者CH腔体。需要说明的是，在其他实施例中，中能加速段7的高频加速结构也可以被配置为其他类型的装置或者结构。

在某些实施例中，中能加速段7通过相位扫描技术使得正负离子束团在三倍频腔体内同时被加速。

在某些实施例中，中能加速段7出口处的束流能量为50-500MeV。

在某些实施例中，束流加速系统还包括设置在中能加速段7下游的高能加速段8，高能加速段8的高频结构的高频频率是RFQ加速器4的工作频率的五倍。

在某些实施例中，高能加速段8采用常温或者超导加速结构，高能加速段8的高频结构被配置为椭球q腔体或者常温CCL或者BTW腔体。需要说明的是，在其他实施例中，高能加速段8的高频也可以被配置为其他类型的装置或者结构。

在某些实施例中，高能加速段8通过相位扫描技术使得正负离子束团在五倍频腔体内同时被加速。

在某些实施例中，高能加速段8出口处的束流能量为500-2000MeV。

在某些实施例中，高能加速段8设置有三向二极磁铁进行束流的偏转，或者直筒传输束流进入后续位置的装置，例如，在图1所示的实施例中，将束流传输进入位于束流加速系统下游的高能传输终端9。

在某些实施例中，束流加速系统还包括设置在束流加速系统下游的高能传输终端9，高能传输终端9包括一系列四极透镜和一个双向二极磁铁组成，以将正负束流团同时送到不同的终端。具体地，采用双向二极磁铁实现正负离子束流的空间分离，满足不同终端对正负离子束流的应用。

在某些实施例中，双束加速器在完成加速为高功率终端提供束流时，采用剥离技术将负离子剥离为正离子使束流强度翻倍，以满足终端高功率的应用需求。

值得指出的是，本发明实施例提供的双束加速器可用于癌症治疗装置，将终端的束流效率提高两倍，满足不同的治疗终端的需求；也可以传输高功率的离子束流，满足高中子通量的需求，相比单束流加速装置大大的解决的设备建造成本。

本发明第二方面还提供一种基于上述任一双束加速器的束流加速方法，该束流加速方法包括在射频工作频率升高的时候，采用奇数倍射频工作频率实现正负离子束的同时工作在加速聚焦相位，实现双束的同时加速传输。

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。