一种粒子加速器能量选择与分析系统技术方案

本发明专利技术涉及一种粒子加速器能量选择与分析系统，该系统由一个降能器、两个能量分析狭缝、两块二极磁铁、若干四极磁铁和一个束流强度探测器组成。两个能量分析狭缝位于第一块二极磁铁两侧，通过调节四极磁铁的强度，令粒子通过两个能量分析狭缝间的传输段时，其位置变化与粒子的初始散角无关；两块二极磁铁呈45度对称放置；降能器有若干档位，可将入射粒子能量调节至应用所需范围。能量分析狭缝宽度可调，可通过调节两个能量分析狭缝的宽度实现能量的精确选择。本发明专利技术基于固定能量加速器实现了特定能量的选择与分析，以及能量分辨率和束流强度的动态调节，在需要能量精确可调的粒子加速器领域有广泛的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种粒子加速器能量选择与分析系统
本专利技术属于粒子加速器
，具体涉及一种粒子加速器的能量选择与分析系统。
技术介绍
在粒子加速器
，回旋加速器和直线加速器引出的粒子能量通常是固定的，同步加速器往往也有一个最低引出能量，而物理实验或其他应用中常常希望引出的粒子能量和束流强度是可调的，而且能量分散性要尽可能小，即能量精度尽可能高。为改变粒子能量，常采用一种利用粒子与物质相互作用损失能量原理实现的被动降能装置。当粒子通过这种被动降能装置时，虽然实现了能量调节，但很多束流参数也会变差。例如，束流的强度会降低，束流的能量分散性会增加，束流的发射度也会增大。当用户(如物理实验或放射性治疗等应用中)对束流有很高的能量精度要求时，为调节这些束流参数以满足用户需要，特别是控制束流能量的分散性，实现能量的精确选择，需要建立一种束流能量选择与分析系统。国家专利技术专利CN106211535A提出了一种有效控制降能器后质子束流发射度的装置和方法，该装置由两个圆孔型准直器和一个转盘式降能器组成，优点是结构比较紧凑，但由于准直孔直径是固定的，无法灵活调节所需的能量分散度。国家专利技术专利CN107018619A提出了一种紧凑型质子束流能量和能散度控制结构，该结构的核心是一个能量选择狭缝，通过调节狭缝的孔径控制能量分散度。该方法的缺点是没有对经过降能器的束斑横向尺寸进行控制，无法确定狭缝处的束流宽度，而且进入该结构的粒子散角也会影响狭缝处的束斑横向尺寸，因此这种方法无法直接通过狭缝宽度得出所需的能量分辨率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一个能量分析精度精确可调的粒子加速器能量选择与分析系统。束流能量分析系统通常由能量分析狭缝和分析磁铁等元件构成。根据束流传输理论，粒子从一个位置传输到另外一个位置，其水平方向的位置关系为：x2＝R11x1+R12x′1+Dδ(1)其中，其中x1和x2是两个纵向位置处粒子的横向坐标，x1′是第一个位置处粒子在水平方向(X方向)上的散角，R11和R12为从第一个位置到第二个位置之间的2×2传输矩阵的元素，D为第一个位置到第二个位置的色散函数(即6×6传输矩阵中的R16)，δ为粒子相对中心能量的动量分散(与能量分散一一对应)。若在上述两个位置放置两个能量分析狭缝，并且通过优化两个能量分析狭缝间几块四极磁铁的强度和位置，使得R12＝0，从而消除散角的影响。此时，能量选择系统的分辨率δ可以写成：在上式中，R11和D取决于两个狭缝间四极铁和二极铁的位置和强度，在设计确定后一般是不变的。x1取决于第一个狭缝的宽度，x2取决于第二个狭缝的宽度。因此，只要调节两个狭缝的宽度就可直接得到所需的能量分辨率。在实际调束工作中一般是通过固定x1，调节x2实现的。为了提高能量分析系统的分辨率(即减小上式中的δ)，一方面需要减小第二能量分析狭缝的宽度，另外一方面应尽量将第二能量分析狭缝置于色散较大的地方。但同时也应该注意到，狭缝宽度越小，经过狭缝后损失的粒子就会越多。因此，在能量分析狭缝后通常需要接一个束流强度探测器。在选择狭缝宽度时，既要考虑到应用对于束流能量分散度的要求，也要考虑到应用对于束流流强的要求，在二者之间寻求平衡。本专利技术在国家专利技术专利CN107018619A基础上增加了一个能量分析狭缝，将两个能量分析狭缝分别置于第一块二极磁铁两侧。第一个能量分析狭缝位于降能器之后、第一块二极磁铁之前，用于限定束斑横向尺寸；第二个能量分析狭缝位于两块二极磁铁之间，通过调节第二个能量分析狭缝宽度选择通过的粒子能量分散度。本专利技术的技术解决方案是提供一种粒子加速器能量选择与分析系统，其特殊之处在于：包括通过真空束流管路依次连接的降能器、第一能量分析狭缝、第一块二极磁铁、第二能量分析狭缝、束流强度探测器及第二块二极磁铁；还包括位于第一能量分析狭缝与第一块二极磁铁输入端、第一块二极磁铁输出端与第二能量分析狭缝之间的四极磁铁及位于束流强度探测器与第二块二极磁铁之间的若干块四极磁铁；上述第一块二极磁铁及第二块二极磁铁呈45°对称设置；上述第一能量分析狭缝及第二能量分析狭缝均为宽度可调的束流狭缝，所述降能器用于将加速器出射粒子的能量调节至设定范围；上述第一能量分析狭缝及第二能量分析狭缝均为宽度可调的束流狭缝，用于限制通过第一能量分析狭缝及第二能量分析狭缝的粒子的数量、散角及横向宽度；上述四极磁铁调整粒子运动以中心轨道为轴心聚焦或散焦；上述第一块二极磁铁及第二块二极磁铁用于将带电粒子偏转一定角度，并且使能量不同的粒子因偏转半径不同而在横向上分离；上述束流强度探测器用与测量加速器束流强度。通过调节二极磁铁上下游的若干四极磁铁的强度，令两个能量分析狭缝间的2×2传输矩阵R中的R12＝0，此时粒子通过两个能量分析狭缝间的传输段时，其位置变化与粒子的初始散角无关，仅取决于入射粒子的初始位置和能量分散度。两个能量分析狭缝分别位于第一块二极磁铁的两侧。其中，第一个能量分析狭缝位于降能器之后、第一块二极磁铁之前，用于限定束斑横向尺寸。第二个能量分析狭缝位于两块二极磁铁之间，通过调节第二个能量分析狭缝的宽度可选择通过的粒子能量分散度，实现能量的精确选择。优选地，上述降能器包括旋转驱动机构、真空腔体及位于真空腔体内部的降能转盘；旋转驱动机构的驱动轴穿过真空腔体与降能转盘连接；上述降能转盘包括旋转盘及位于旋转盘上厚度不同的若干降能块，各降能块位于同一圆周上；上述真空腔体上设有进口束流管道及出口束流管道，加速器出射的粒子束流从进口束流管道进入真空腔体，垂直穿过降能转盘上的降能块后，通过出口束流管道出射；上述旋转驱动机构包括伺服电机、减速机及磁流体密封传动装置；伺服电机的输出轴接减速机的输入轴，减速机的输出轴通过联轴器与磁流体密封传动装置的中心轴连接，磁流体密封传动装置的中心轴穿过真空腔体与降能转盘连接；磁流体密封传动装置为真空室中导入旋转运动并实现真空密封。优选地，旋转盘上沿同一圆周开有N个孔位，N-1个降能块以可拆卸的方式分别固定于孔位内。优选地，上述真空腔体上设有更换窗、观察窗及抽真空管道，更换窗与真空腔体法兰连接；上述降能器还包括支撑底座，真空腔体位于支撑底座上；真空腔体为圆柱形腔，端面可拆卸。优选地，第一能量分析狭缝及第二能量分析狭缝均包括真空腔室、位于真空腔室内的左右两块石墨块及位于真空腔室外的两套驱动机构；上述真空腔室的前后端与真空束流管路连通；两套驱动机构均包括电机、传动机构及推进杆，上述推进杆穿过真空腔室分别与左右两块石墨块连接；左右两块石墨块在束流方向前后错位；电机通过各自的传动机构带动推进杆，使得左右两块石墨块沿与束流垂直的方向运动；左右两块石墨块上分别连接有信号引出线，两条信号引出线穿过真空腔室引出；优选地，上述真空腔室包括纵向管状真空腔体、两段横向管状真空腔体及两段波纹管；上述纵向管状真空腔体的两端与真空束流管道连通；两段横向管状真空腔体的一端分别固定在纵向管状真空腔体的管壁相对位置处，并与纵向管状真空腔体相连通；两段横向管状真空腔体的另一端开有能够使推进杆穿过的开孔；两段波纹管的一端分别与两段横向管状真空腔体连接并通过横向管状腔体上的开孔与横向管状腔体连通，两段波纹管的另一端密封并与传动机构连接。优选地，第一能量分析狭缝及第二能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粒子加速器能量选择与分析系统，其特征在于：包括通过真空束流管路依次连接的降能器、第一能量分析狭缝、第一块二极磁铁、第二能量分析狭缝、束流强度探测器及第二块二极磁铁；还包括位于第一能量分析狭缝与第一块二极磁铁输入端、第一块二极磁铁输出端与第二能量分析狭缝之间的四极磁铁及位于束流强度探测器与第二块二极磁铁之间的四极磁铁；所述第一块二极磁铁及第二块二极磁铁呈45°对称设置；所述第一能量分析狭缝及第二能量分析狭缝均为宽度可调的束流狭缝；第一能量分析狭缝及第二能量分析狭缝间的2×2传输矩阵R中的R12＝0。

【技术特征摘要】
1.一种粒子加速器能量选择与分析系统，其特征在于：包括通过真空束流管路依次连接的降能器、第一能量分析狭缝、第一块二极磁铁、第二能量分析狭缝、束流强度探测器及第二块二极磁铁；还包括位于第一能量分析狭缝与第一块二极磁铁输入端、第一块二极磁铁输出端与第二能量分析狭缝之间的四极磁铁及位于束流强度探测器与第二块二极磁铁之间的四极磁铁；所述第一块二极磁铁及第二块二极磁铁呈45°对称设置；所述第一能量分析狭缝及第二能量分析狭缝均为宽度可调的束流狭缝；第一能量分析狭缝及第二能量分析狭缝间的2×2传输矩阵R中的R12＝0。2.根据权利要求1所述的粒子加速器能量选择与分析系统，其特征在于：所述降能器包括旋转驱动机构、真空腔体及位于真空腔体内部的降能转盘；旋转驱动机构的驱动轴穿过真空腔体与降能转盘连接；所述降能转盘包括旋转盘及位于旋转盘上厚度不同的若干降能块，各降能块位于同一圆周上；所述真空腔体上设有进口束流管道及出口束流管道，加速器出射的束流从进口束流管道进入真空腔体，垂直穿过降能转盘上的降能块后，通过出口束流管道出射；所述旋转驱动机构包括伺服电机、减速机及磁流体密封传动装置；伺服电机的输出轴接减速机的输入轴，减速机的输出轴通过联轴器与磁流体密封传动装置的中心轴连接，磁流体密封传动装置的中心轴穿过真空腔体与降能转盘连接；磁流体密封传动装置为真空室中导入旋转运动并实现真空密封。3.根据权利要求2所述的粒子加速器能量选择与分析系统，其特征在于：旋转盘上沿同一圆周开有N个孔位，N-1个降能块以可拆卸的方式分别固定于孔位内。4.根据权利要求3所述的粒子加速器能量选择与分析系统，其特征在于：所述真空腔体上设有更换窗、观察窗及抽真空管道，更换窗与真空腔体法兰连接；所述降能器还包括支撑底座，真空腔体位于支撑底座上；真空腔体为圆柱形腔，端面可拆卸。5.根据权利要求1-4任一所述的粒子加速器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王忠明，闫逸花，杨业，屈二渊，王敏文，王迪，陈伟，邱孟通，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61