连续波慢引出同步加速器制造技术

本发明专利技术提供一种连续波慢引出同步加速器，用于同步加速重离子和/或质子的多个磁铁，所述多个磁铁包括二极磁铁、四极磁铁和六极磁铁，其中，二极磁铁用于离子束流的弯转，四极磁铁用于离子束流的聚焦，六极磁铁用于慢引出时相空间的匹配；每一磁铁均配置有至少一功率单元，与磁铁电性相连，所述功率单元包括：电压源和储能电容；电压源连接至储能电容的两端，用于为所述储能电容充电；所述多个功率单元串并联连接后与磁铁电性连接，提供磁铁所需电流波形脉冲上升段所需的能量。应用该项发明专利技术，不再需要从电网抽取正反向大脉冲功率，只需要正向恒定功率，对电网无干扰，提高束流稳定性的同时减小了配电容量需求。

【技术实现步骤摘要】
连续波慢引出同步加速器
本专利技术涉及同步加速器领域，进一步涉及一种连续波同步加速器。
技术介绍
由于质子束和重离子束对生物体的照射具有倒转的深度剂量分布、较小的侧向散射、较高的相对生物学效应和低的氧增比等特点，使得质子和重离子治癌成为当今国际上先进有效的癌症放射治疗方法；质子束和重离子还能够模拟外太空的辐射环境，是用来进行航天单粒子效应和仪器抗辐射检测的有效方法；质子和重离子还是进行特殊材料辐照、离子植入等应用的有力手段；也应用于核物理、原子物理实验研究。目前的主流重离子质子加速器共分成三类，分别是直线加速器，回旋加速器和同步加速器。采用直线加速器可以提供连续束流，但是造价远高于另外两种加速器并且能量几乎无法改变，一般只在低能段使用；回旋加速器可以提供连续束流，但很难改变引出能量，并且高能量回旋加速器加工难度和造价急剧增加，一般也只在低能段使用；常规的同步加速器可以根据终端的需要迅速的变换引出束流的能量，中高能量段性价比高，是该能量段的主流加速器，但由于磁场上升和下降时间长，引出束流占空比小，无法提供连续束流。传统同步加速器电源直接将电网电能转换后加载到磁铁上，受限于配电成本，一般主磁场以1T/s以下甚至是0.5T/s以下的速度变化，慢引出同步加速器一个运行周期内大部分时间用于磁场上升下降，引出束流占空比低。例如甘肃省武威市的癌症治疗装置HIMM，一个运行周期需要7.5秒，其中慢引出时间只有3s，剩余时间均用于磁场上升和下降，引出束流占空比只有40％，效率较低，如图1中曲线所示。同时磁场上升过程中需从电网抽取功率，下降过程中需要向电网返回功率，引发电网波动，影响其他设备的正常运行。需要指出的是，尽管如中国散裂中子源(CSNS)采用怀特谐振磁铁电源，磁场上升速率可以达到40T/s，但该电源只能按照固定的频率、幅度振荡，也就是只适合固定离子种类固定能量的束流加速，不适合癌症治疗和辐照这种需要改变束流种类、改变能量的场合。磁场上升或下降过程中，真空室内的涡流会产生磁场，叠加在主磁场中，干扰束流正常运行。目前国际上采用的是薄壁真空室加筋方案，薄壁真空室(如德国GSI采用的厚度仅为0.3mm的304不锈钢)可以增大电阻，减小涡流。但是由于薄壁真空室机械强度无法承受大气压力，因此在垂直于真空室方向焊接了加强筋。为了减小磁气隙，筋高越小越好，但对筋机械强度要求较高，目前GSI筋材料采用的是P506特种钢材。由于目前世界上仅少数公司掌握该钢材炼制配方，且需求量小，一般公司没有研发意向，导致该材料采购价格高，难度大。另外薄壁真空室与加强筋的焊接采用钎焊，对于较长的管道需要庞大的钎焊真空炉，同时钎焊材料也推高了产品成本。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种连续波同步加速器，以至少部分解决以上所述的技术问题。(二)技术方案根据本专利技术的一方面，提供一种连续波慢引出同步加速器，包括：用于同步加速重离子和/或质子的多个磁铁，所述多个磁铁包括二极磁铁、四极磁铁和六极磁铁，其中，二极磁铁用于离子束流的弯转，四极磁铁用于离子束流的聚焦，六极磁铁用于慢引出时相空间的匹配；每一磁铁均配置有至少一功率单元，与磁铁电性相连，所述功率单元包括：电压源和储能电容；电压源用于为所述储能电容充电；所述多个功率单元串并联连接后与磁铁电性连接，提供磁铁所需电流波形脉冲上升段所需的能量。在进一步的实施方案中，所述电压源包括高压源，所述高压源连接至所述储能电容两端，用于给所述储能电容供电。在进一步的实施方案中，所述功率单元还包括切换开关，切换开关用于控制储能电容与H桥变换器之间的通断。在进一步的实施方案中，还包括H桥变换器，设置于电压源和磁铁之间，通过占空比控制实现对电流的控制。在进一步的实施方案中，还包括控制部分，分别与各功率单元连接，用于向各功率单元输出脉宽占空比PMW控制信号。在进一步的实施方案中，所述多个功率单元为并联和/或者串联，并联和/或者串联后，连接至磁铁负载两端。在进一步的实施方案中，还包括为供束流通过的管道结构的真空室；其中，所述管道结构包括：钢管，其具有内管壁；陶瓷内衬骨架，设置与所述内管壁接触，以支撑所述钢管；各磁铁上都设置有孔洞，真空室从各孔洞穿过磁铁，带电离子在真空室中运动，经过磁铁时，受到磁场作用，发生弯转或者聚焦。在进一步的实施方案中，所述陶瓷内衬骨架为多个，间隔设置于所述内管壁延伸方向上。在进一步的实施方案中，所述陶瓷内衬骨架为陶瓷环，其与内管壁截面形状相适应。在进一步的实施方案中，所述钢管的管道截面为圆形、跑道形或椭圆形；优选的钢管的管壁厚0.1-1mm。在进一步的实施方案中，所述钢管材料为奥氏体不锈钢；所述陶瓷内衬骨架材料为氧化铝陶瓷或氧化锆增韧陶瓷。在进一步的实施方案中，还包括慢引出激励组件，用于引出加速后的重离子和/或质子。(三)有益效果采用全电容储能的磁铁电源，能量主要在磁铁和储能电容之间转移，转移速度可以很快，主磁场上升速度可以达到15T/s以上，磁场上升和下降时间均可控制在0.1s以内，运行模式更加高效，慢引出束流占空比可以达到93％以上，得到连续束流。传统磁铁电源不具备储能作用，只是将能量在磁铁和电网之间搬运，在磁场上升阶段，从电网抽取大量能量，在磁铁下降阶段，将大量能量返回电网。由于电网上不止有同步加速器电源，还有其他用电设备，比如直线加速器、回旋加速器、直流模式的同步加速器等，电网的波动会影响这些设备电源的输出电流和电压，从而影响束流质量和实验测量精度。全电容储能电源只从电网中抽取少许能量用于补充磁铁、IGBT等发热能损，而且可以通过优化电网侧IGBT控制策略，实现从电网恒功率抽取电能，完全消除对电网的影响。应用本专利技术的加速器，不仅使同步加速器保持常规的同步加速器可以灵活调节引出束流的能量、中高能量段性价比高的优点，还获得了直线加速器和回旋加速器可以提供连续束的优点，成为癌症治疗、材料辐照、航空航天研究等领域应用和实验加速器的最佳选择。附图说明图1现有技术的同步加速器ramping(二极磁铁磁场运行)曲线；图2为本专利技术实施例的同步加速器ramping(二极磁铁磁场运行)曲线；图3为本专利技术实施例的同步加速器布局示意图；图4为快循环脉冲工作波形图；图5为本专利技术实施例的多支路并联原理图；图6为本专利技术实施例的支路内单元功率模块串联原理图；图7为本专利技术实施例的单元功率模块工作原理图；图8A为本专利技术实施例管道结构主视剖面图；图8B为沿图8A中A-A剖线的剖面示意图；图9为本专利技术实施例的整套加速器装置布局示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术解决了常规慢引出同步加速器引出束流占空比低的关键技术难题，将束流占空比指标提高一倍以上，为基于质子重离子的癌症治疗、材料辐照、航空航天研究提供一套可以提供宽能量、大剂量率、高占空比的连续波慢引出重离子或质子同步加速器。本专利技术实施例提供的一种连续波慢引出同步加速器，包括：用于同步加速重离子和/或质子的多个磁铁，所述多个磁铁包括二极磁铁、四极磁铁和六极磁铁，其中，二极磁铁用于离子束流的弯转，四极磁铁用于离子束流的聚焦，六极磁铁用于慢引出时相空间的匹配；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连续波慢引出同步加速器，其特征在于包括：用于同步加速重离子和/或质子的多个磁铁，所述多个磁铁包括二极磁铁、四极磁铁和六极磁铁，其中，二极磁铁用于离子束流的弯转，四极磁铁用于离子束流的聚焦，六极磁铁用于慢引出时相空间的匹配；每一磁铁均配置有一个电源，每一电源包括多个功率单元，与磁铁电性相连，所述功率单元包括：电压源和储能电容；电压源用于为所述储能电容充电；多个所述功率单元串联和/或并联连接后与磁铁电性连接，提供磁铁所需电流波形脉冲上升段所需的能量。

【技术特征摘要】
1.一种连续波慢引出同步加速器，其特征在于包括：用于同步加速重离子和/或质子的多个磁铁，所述多个磁铁包括二极磁铁、四极磁铁和六极磁铁，其中，二极磁铁用于离子束流的弯转，四极磁铁用于离子束流的聚焦，六极磁铁用于慢引出时相空间的匹配；每一磁铁均配置有一个电源，每一电源包括多个功率单元，与磁铁电性相连，所述功率单元包括：电压源和储能电容；电压源用于为所述储能电容充电；多个所述功率单元串联和/或并联连接后与磁铁电性连接，提供磁铁所需电流波形脉冲上升段所需的能量。2.根据权利要求1所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于，所述电压源包括高压源，所述高压源连接至所述储能电容两端，用于给所述储能电容供电。3.根据权利要求2所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于还包括H桥变换器，设置于电压源和磁铁之间，通过占空比控制实现对电流的控制。4.根据权利要求3所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于，所述切换开关用于控制储能电容与H桥变换器之间的通断。5.根据权利要求1所述的连续波慢引出同步加速器，其特征在于，还包括控制部分，分别与各功率单元连接，用于向各功率单元输出脉宽占空比PMW控制信号。6.根据权利要求1所述的连续波慢引出同步加速...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建成，申国栋，夏佳文，高大庆，杨伟顺，吴凤军，詹文龙，石健，阮爽，盛丽娜，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62