一種強(qiáng)流四極透鏡離子加速管的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種強(qiáng)流四極透鏡離子加速管，所述加速管用于靜電高壓型離子加速器。本實(shí)用新型的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每個(gè)強(qiáng)流四極透鏡離子加速管模塊的加速電壓250kV左右，一定數(shù)量的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管模塊串聯(lián)起來，可以得到所需要的超高加速電壓。強(qiáng)流四極透鏡離子加速管模塊分為高梯度加速區(qū)和電四極透鏡聚焦區(qū)，用來消除離子束自身空間電荷效應(yīng)產(chǎn)生的發(fā)散。同時(shí)，強(qiáng)流四極透鏡離子加速管模塊還具有二次粒子強(qiáng)抑制結(jié)構(gòu)，能有效防止“全電壓效應(yīng)”的出現(xiàn)。本實(shí)用新型的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管可以得到端電壓超過5MV，流強(qiáng)超過10mA的直流離子束，適合在離子注入、離子束治療腫瘤、核孔膜生產(chǎn)、中子照相等領(lǐng)域應(yīng)用。
【專利說明】
一種強(qiáng)流四極透鏡離子加速管
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于核技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種強(qiáng)流四極透鏡離子加速管?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]高能強(qiáng)流離子束在材料改性、腫瘤治療以及物理實(shí)驗(yàn)方面有著非常廣泛的應(yīng)用前景，目前，一種方式是采用射頻離子加速器，能提供能量超過3MeV，束流強(qiáng)度度超過1mA的強(qiáng)流離子束，但是，技術(shù)難度高，產(chǎn)生的離子束能散大；另外一種方式是采用高壓靜電型離子加速器，離子束能散較小，整機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率高，運(yùn)行費(fèi)用低，適合商業(yè)化應(yīng)用，但是，在束流強(qiáng)度超過1mA時(shí)，端電壓比較低，在1MV以下。《400 kV強(qiáng)流中子發(fā)生器的物理設(shè)計(jì)》(核心期刊《原子能科學(xué)技術(shù)》，2012年12月，第46卷第12期)公開了一種高壓靜電型離子加速器，可以輸出束流強(qiáng)度高達(dá)百毫安級(jí)別的離子束，其端電壓在1MV以下?！段覈?guó)高壓加速器技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展》(2004年，粒子加速器學(xué)會(huì)第七屆全國(guó)會(huì)員代表大會(huì)暨學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì))公開了端電壓超過5MV的高壓靜電型離子加速器，但是束流強(qiáng)度不高，在300uA以內(nèi)。
[0003]目前，缺少結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以用于超過5MV端電壓，束流強(qiáng)度超過10mA的高壓靜電型離子加速管。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種強(qiáng)流四極透鏡離子加速管。
[0005]本實(shí)用新型的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管，其特點(diǎn)是，所述的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管包括入口聚焦加速電極I，入口聚焦加速電極n，中間加速電極I，中間加速電極n，出口散焦加速電極I，出口散焦加速電極n，入口阻止電極，電四極透鏡，出口阻止電極;離子束在入口沿軸線注入，在聚焦加速電極I和入口聚焦加速電極n區(qū)間獲得電場(chǎng)加速和聚焦， 之后進(jìn)入中間加速電極I和中間加速電極n獲得電場(chǎng)加速，之后進(jìn)入出口散焦加速電極I和出口散焦加速電極n獲得電場(chǎng)加速和散焦，然后，離子束通過入口阻止電極，進(jìn)入電四極透鏡，最后，尚子束從出口阻止電極輸出；
[0006]所述的入口聚焦加速電極I的入口段是傾斜a角的圓錐形表面，入口的孔徑為dl，a 角的范圍是20°?40°，中間段是等直段，等直段的孔徑為d2,出口段是圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，出口段的內(nèi)徑為d3，dl〈d3〈d2;[〇〇〇7] 所述的入口聚焦加速電極II為中心開直徑d4的圓孔平板，d3〈d4;
[0008]所述的中間加速電極I為中心開直徑d5的圓孔平板，中間加速電極n為中心開直徑d6的圓孔平板，d4〈d5，d5=d6;
[0009]所述的出口散焦加速電極I與入口聚焦加速電極n的結(jié)構(gòu)一致，與入口聚焦加速電極n呈鏡像對(duì)稱布置，d7=d4;[〇〇1〇] 所述的出口散焦加速電極n與入口聚焦加速電極I的結(jié)構(gòu)一致，與入口聚焦加速電極I呈鏡像對(duì)稱布置，d8=d3，d9=d2，dl0=dl。
[0011] 所述的入口阻止電極和出口阻止電極具有相同的電位，電位低于電四極透鏡的中性電位。
[0012]所述電四極透鏡的中性電位與出口散焦加速電極n的電位相同。
[0013]所述的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管為兩節(jié)以上的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管組合。
[0014]所述電四極透鏡在相鄰的兩節(jié)強(qiáng)流四極透鏡離子加速管中的聚焦方向和散焦方向相反。
[0015]所述的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管的外部工作環(huán)境是5-8個(gè)大氣壓下的SF6氣體。
[0016]本實(shí)用新型的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管總體結(jié)構(gòu)分為兩大區(qū)域:高梯度加速區(qū)、 電四極透鏡強(qiáng)聚焦區(qū)。加速管外側(cè)均勻分布的、電壓梯度比較低的電極片，從加速管兩端沿中軸線向中部壓縮，在中間段形成高梯度加速區(qū)，同時(shí)在加速管的兩端留出了沒有加速電場(chǎng)的電四極透鏡強(qiáng)聚焦區(qū)。高梯度加速區(qū)具有一定的聚焦能力，可以部分抵消強(qiáng)流離子束的空間電荷效應(yīng)，在完成加速強(qiáng)流離子束的同時(shí)，也能對(duì)強(qiáng)流離子束部分聚焦，保證強(qiáng)流離子束的順利傳輸。在電四極透鏡強(qiáng)聚焦區(qū)，電四極透鏡產(chǎn)生強(qiáng)聚焦力，可以克服強(qiáng)流離子束產(chǎn)生的強(qiáng)烈空間電荷效應(yīng)，得到良好聚焦的強(qiáng)流離子束。高梯度加速區(qū)包括入口聚焦加速電極1、入口聚焦加速電極n、中間加速電極1、中間加速電極n、出口散焦加速電極1、出口散焦加速電極n;入口聚焦加速電極I的入口段是傾斜a角圓錐形表面，入口的孔徑為dl，a 角的范圍是20°?40°，中間段是內(nèi)凹的圓筒表面，中間段的孔徑為d2,出口段是圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，出口段的孔徑為d3，dl<d3〈d2，入口聚焦加速電極II的孔徑為d4，d3〈d4，入口聚焦加速電極I和入口聚焦加速電極n —起，在入口處形成強(qiáng)烈內(nèi)凹的聚焦電場(chǎng)，離子束獲得加速和強(qiáng)聚焦。出口散焦加速電極I與入口聚焦加速電極n的結(jié)構(gòu)一致，呈鏡像對(duì)稱布置，d7=d4， 出口散焦加速電極n與入口聚焦加速電極I的結(jié)構(gòu)一致，呈鏡像對(duì)稱布置，d8=d3，d9=d2， d 1=d l，出口散焦加速電極i和出口散焦加速電極n —起，在出口處形成強(qiáng)烈外凸的散焦電場(chǎng)，離子束獲得加速和強(qiáng)散焦。入口強(qiáng)聚焦和出口強(qiáng)散焦的組合效果是形成強(qiáng)聚焦特性。由于進(jìn)出口兩端的電極片靠近離子束運(yùn)行軌道，容易受到雜散離子的轟擊，產(chǎn)生二次粒子，因此，進(jìn)出口兩端的電極片上傾斜的表面和圓弧形的表面，形成局部?jī)A斜電場(chǎng)，對(duì)附近電極片上產(chǎn)生的二次粒子斜向加速，使其很快偏離中心軌道，轟擊到其他電極片上，不能形成長(zhǎng)距離的傳輸和加速，抑制了形成級(jí)聯(lián)碰撞通道的途徑，從而避免加速管發(fā)生“全電壓效應(yīng)”。 中間加速電極I和中間加速電極n僅對(duì)離子束加速，其開孔孔徑比進(jìn)出口處的電極片上的孔徑大很多，可免受過多雜散離子轟擊。電四極透鏡強(qiáng)聚焦區(qū)由入口阻止電極、出口阻止電極和電四極透鏡構(gòu)成，電四極透鏡的中性電位與高梯度加速區(qū)的出口散焦加速電極n相同，入口阻止電極和出口阻止電極的電位比電四極透鏡的中性電位低。電四極透鏡強(qiáng)聚焦區(qū)產(chǎn)生的二次電子在電四極透鏡的作用下，很快偏轉(zhuǎn)到電極上，個(gè)別遺漏的二次電子，也會(huì)被入口抑制電極的負(fù)電位阻止，不能進(jìn)入高梯度加速區(qū)。本實(shí)用新型強(qiáng)流四極透鏡離子加速管，至少需要兩節(jié)強(qiáng)流四極透鏡離子加速管組合起來一起使用，相鄰的兩節(jié)強(qiáng)流四極透鏡離子加速管中電四極透鏡的聚焦方向和散焦方向剛好相反，兩節(jié)強(qiáng)流四極透鏡離子加速管組合起來，在y方向和z方向都能形成強(qiáng)聚焦力，有效地克服強(qiáng)流離子束的空間電荷效應(yīng)， 保證順利加速和傳輸超過10mA的強(qiáng)流離子束。強(qiáng)流四極透鏡離子加速管之間用連接法蘭連接，屏蔽電極用來保護(hù)絕緣支撐環(huán)不受雜散粒子的轟擊，入口阻止電極和出口阻止電極的負(fù)電位由阻止電極高壓接線柱引入，電四極透鏡的聚焦電位由電四極透鏡高壓接線柱引入。
[0017]本實(shí)用新型的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管，多節(jié)強(qiáng)流四極透鏡離子加速管串聯(lián)起來，可以獲得端電壓超過5MV，束流強(qiáng)度超過10mA的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管?！靖綀D說明】

[0018]圖1為本實(shí)用新型的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管示意圖；
[0019]圖中，1.入口聚焦加速電極I 2.入口聚焦加速電極n 3.中間加速電極I 4.中間加速電極n 5.出口散焦加速電極I 6.出口散焦加速電極n 7.入口阻止電極8.電四極透鏡9.出口阻止電極10.連接法蘭11.屏蔽電極12.絕緣支撐環(huán)13.阻止電極高壓接線柱 14.電四極透鏡高壓接線柱?！揪唧w實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本實(shí)用新型。[0021 ]如圖1所示，本實(shí)用新型的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管包括入口聚焦加速電極II，入口聚焦加速電極n 2，中間加速電極13，中間加速電極n 4,出口散焦加速電極15，出口散焦加速電極116,入口阻止電極7,電四極透鏡8,出口阻止電極9;離子束在入口沿軸線注入，在聚焦加速電極II和入口聚焦加速電極112區(qū)間獲得電場(chǎng)加速和聚焦，之后進(jìn)入中間加速電極13和中間加速電極n 4獲得電場(chǎng)加速，之后進(jìn)入出口散焦加速電極15和出口散焦加速電極n 6獲得電場(chǎng)加速和散焦，然后，離子束通過入口阻止電極7,進(jìn)入電四極透鏡8,最后，離子束從出口阻止電極9輸出；[〇〇22]所述的入口聚焦加速電極II的入口段是傾斜a角的圓錐形表面，入口的孔徑為dl， a角的范圍是20°?40°，中間段是等直段，等直段的孔徑為d2,出口段是圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，出口段的內(nèi)徑為d3，dl〈d3〈d2;
[0023] 所述的入口聚焦加速電極n 2為中心開直徑d4的圓孔平板，d3〈d4;[〇〇24] 所述的中間加速電極13為中心開直徑d5的圓孔平板，中間加速電極II 4為中心開直徑d6的圓孔平板，d4〈d5，d5=d6;
[0025] 所述的出口散焦加速電極15與入口聚焦加速電極II 2的結(jié)構(gòu)一致，與入口聚焦加速電極II 2呈鏡像對(duì)稱布置，d7=d4;
[0026] 所述的出口散焦加速電極n 6與入口聚焦加速電極11的結(jié)構(gòu)一致，與入口聚焦加速電極II呈鏡像對(duì)稱布置，d8=d3，d9=d2，dl0=dl。
[0027] 所述的入口阻止電極7和出口阻止電極9具有相同的電位，電位低于電四極透鏡8 的中性電位。
[0028]所述電四極透鏡8的中性電位與出口散焦加速電極II 6的電位相同。
[0029]所述的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管為兩節(jié)以上的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管組合。
[0030]所述電四極透鏡8在相鄰的兩節(jié)強(qiáng)流四極透鏡離子加速管中的聚焦方向和散焦方向相反。
[0031]所述的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管的外部工作環(huán)境是5-8個(gè)大氣壓下的SF6氣體。 [〇〇32]圖中的X、Y、Z為坐標(biāo)系。
[0033] 實(shí)施例1[〇〇34]被加速傳輸?shù)碾x子束為氘離子束，束流強(qiáng)度10mA，每節(jié)加速管模塊兩端電壓250kV，長(zhǎng)度200mm，平均加速梯度1.25MV/m，陶瓷絕緣環(huán)13級(jí)，外部工作環(huán)境為0.6MPa的高壓SF6氣體，入口聚焦加速電極II和出口散焦加速電極116的孔徑為30mm，入口加速聚焦電極II 2和出口散焦加速電極15的孔徑為50mm，中間加速電極13和中間加速電極II 4的孔徑為 70mm，漂移管8長(zhǎng)度80mm，阻止電極7和阻止電極9的電位相同，比漂移管8的電位低21^。20節(jié)相同的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管組裝在一起，相鄰的兩個(gè)強(qiáng)流四極透鏡離子加速管中的電四極透鏡8的聚焦方向和散焦方向相反，形成長(zhǎng)度為4米，總加速電壓為5MV的超高壓強(qiáng)流離子加速管，輸出能量5MeV，束流強(qiáng)度10mA，束流截面直徑小于10mm的氘離子束。
[0035] 實(shí)施例2[〇〇36]被加速傳輸?shù)碾x子束為質(zhì)子束，束流強(qiáng)度20mA，每節(jié)加速管模塊兩端電壓250kV， 長(zhǎng)度200mm，平均加速梯度1.25MV/m，陶瓷絕緣環(huán)13級(jí)，外部工作環(huán)境為0.6MPa的高壓SF6氣體，入口聚焦加速電極11和出口散焦加速電極II 6的孔徑為30mm，入口加速聚焦電極II 2和出口散焦加速電極15的孔徑為50mm，中間加速電極13和中間加速電極II4的孔徑為70mm，漂移管8長(zhǎng)度80mm，阻止電極7和阻止電極9的電位相同，比漂移管8的電位低21^。36節(jié)相同的加速管組裝在一起，相鄰的兩個(gè)強(qiáng)流四極透鏡離子加速管中的電四極透鏡8的聚焦方向和散焦方向相反，形成長(zhǎng)度為7.2米，總加速電壓為8MV的超高壓強(qiáng)流離子加速管，輸出能量 8MeV，束流強(qiáng)度20mA，束流截面直徑小于10mm的質(zhì)子束。
[0037]最后應(yīng)說明的是，以上【具體實(shí)施方式】?jī)H用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解， 可以對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種強(qiáng)流四極透鏡離子加速管，其特征在于:所述的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管包括 入口聚焦加速電極1(1)，入口聚焦加速電極n (2)，中間加速電極1(3)，中間加速電極n (4)，出口散焦加速電極1(5)，出口散焦加速電極n (6)，入口阻止電極(7)，電四極透鏡(8)， 出口阻止電極(9);離子束在入口沿軸線注入，在聚焦加速電極1(1)和入口聚焦加速電極n (2)區(qū)間獲得電場(chǎng)加速和聚焦，之后進(jìn)入中間加速電極1(3)和中間加速電極n (4)獲得電場(chǎng) 加速，之后進(jìn)入出口散焦加速電極1(5)和出口散焦加速電極n (6)獲得電場(chǎng)加速和散焦，然 后，離子束通過入口阻止電極(7)，進(jìn)入電四極透鏡(8)，最后，離子束從出口阻止電極(9)輸 出；所述的入口聚焦加速電極1(1)的入口段是傾斜a角的圓錐形表面，入口的孔徑為dl，a 角的范圍是20°?40°，中間段是等直段，等直段的孔徑為d2,出口段是圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，出口段 的內(nèi)徑為d3，dl〈d3〈d2;所述的入口聚焦加速電極II (2)為中心開直徑d4的圓孔平板，d3〈d4;所述的中間加速電極1(3)為中心開直徑d5的圓孔平板，中間加速電極n (4)為中心開 直徑d6的圓孔平板，d4〈d5，d5=d6;所述的出口散焦加速電極1(5)與入口聚焦加速電極n(2)的結(jié)構(gòu)一致，與入口聚焦加 速電極11(2)呈鏡像對(duì)稱布置，d7=d4;所述的出口散焦加速電極n (6)與入口聚焦加速電極I(1)的結(jié)構(gòu)一致，與入口聚焦加 速電極I (1)呈鏡像對(duì)稱布置，d8=d3，d9=d2，dl0=dl。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管，其特征在于:所述的入口阻止電極 (7)和出口阻止電極(9)具有相同的電位，電位低于電四極透鏡(8)的中性電位。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管，其特征在于:所述電四極透鏡(8) 的中性電位與出口散焦加速電極n (6 )的電位相同。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管，其特征在于:所述的強(qiáng)流四極透鏡 離子加速管為兩節(jié)以上的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管組合。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)流四極透鏡離子加速管，其特征在于，所述電四極透鏡(8) 在相鄰的兩節(jié)強(qiáng)流四極透鏡離子加速管中的聚焦方向和散焦方向相反。
【文檔編號(hào)】H05H7/12GK205726638SQ201620546123
【公開日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年6月7日
【發(fā)明人】何小海, 李彥, 薛小明, 婁本超, 李小飛, 唐君, 牟云峰, 胡永宏
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所