【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种超高频高峰值流强的直线加速器，属于加速器领域。
技术介绍
1、现有同位素生产装置的直线加速器技术主要分为超导直线加速器和常温直线加速器。对于超导直线加速器，其加速梯度高，平均流强可以到数十ma级，能量连续可调，但由于达到超导态，引入了低温恒温器，总体上长度长，加速质子束流到20mev，需要直线加速器的长度约15-18m，而且低温恒温器系统成本巨大。对于常温直线加速器，虽然其平均流强也可以到数个ma级，但由于工作频率低，加速梯度低，通常为2-3mv/m，加速质子束流到20-30mev，需要直线加速器长度为12-18m，而且低工作频率会使得腔体的横向尺寸大，制造成本高。
2、常规放疗装置主要通过电离辐射对癌细胞造成损伤，进而使得癌细胞死亡。然而，放疗也会对肿瘤周围的正常组织造成急性和慢性毒性。这些辐射诱发的毒性限制了递送至肿瘤的辐射剂量，从而限制了放疗对肿瘤的局控效果。同时，由于常规放疗装置的剂量率通常小于0.05gy/s，放疗需要在几周内分几次长时间的照射。而闪光放疗是指利用超高剂量率照射所产生的对正常组织有保护作用的机制进行的放射治疗。目前研究中剂量率大都在40gy/s以上，照射时间一般小于1s，远远超过常规剂量率0.05gy/s。
3、闪光放疗用加速器目前主要包括同步加速器，回旋加速器和同步回旋加速器。目前还没有基于直线加速器的闪光放疗装置。直线加速器可提供每个脉冲的能量都是不同的，而且束流发射度小，其在闪光放疗上具有天然的巨大优势。然而，目前的离子直线加速器大多采用数十到数百兆赫兹低
4、综上，无论对于同位素生产或是闪光放疗装置，综合考虑成本和效果，都亟需一种流强高、传输效率高和发射度小的高工作频率直线加速器。
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种超高频高峰值流强的直线加速器，该直线加速器具有成本低、长度短、横向尺寸小、峰值束流强度高等优点，可提供不同能量的质子束流，分别用于同位素生产和质子闪光放疗，可以提高同位素生产效率和闪光放疗的剂量率，也可在秒量级提供千个不同能量的束团，有利于提高癌症放疗的精准性。
2、为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
3、一种超高频高峰值流强的直线加速器，包括依次相连的离子源系统、真空泵室和rfq加速器；所述离子源系统包括回旋共振管、等离子体弧腔、永磁约束磁铁和下游腔室；
4、所述回旋共振管通过波导系统与所述等离子体弧腔的入口端相连，用于输出预设等级和频率的激励信号，以激励等离子体产生；
5、所述等离子体弧腔通过陶瓷窗与所述下游腔室相连，且所述等离子体弧腔的出口端设置有弧腔电极，用于配合设置在所述下游腔室内的引出电极对等离子体引出口的电场分布进行优化调试，使得在靠近轴向处形成径向镜面电势区；
6、所述永磁约束磁铁套设在所述等离子体弧腔外部，用于实现所述等离子体弧腔的中心区为磁场阱，使得等离子体束流能够约束在磁场阱区；
7、所述引出电极用于降低径向非线性场对等离子体束流的作用，输出低发射度高峰值流强的等离子体束流；
8、所述等离子体弧腔的入口端还设置有进气孔，用于向等离子体弧腔内注入氢气；
9、所述rfq加速器与所述真空泵室相连，用于对低发射度高峰值流强的等离子体束流进行加速，输出超高频高峰值流强的等离子体束流。
10、进一步，所述回旋共振管采用输出谐振频率为28ghz、输出功率范围为5～15kw的回旋共振管。
11、进一步，所述弧腔电极采用喇叭状结构，且喇叭状广口端通过螺纹与所述等离子体弧腔相连，喇叭状窄口端与所述引出电极间隔预设距离，使得在靠近轴向处形成镜面电势区。
12、进一步，所述弧腔电极喇叭状窄口端的孔径范围为2.5～6.5mm。
13、进一步，所述引出电极采用球面引出极头，所述球面引出极头一端设置为球形凹槽，孔径为1.5～2.5mm之间，另一端设置为矩形凹槽，并通过凹槽内设置的螺纹结构依次与腔室连接杆、出口法兰、真空管道相连，所述真空管道另一端与第一低能传输线相连。
14、进一步，所述离子源系统与所述真空泵室之间、所述真空泵室与所述rfq加速器之间分别通过第一低能传输线和第二低能传输线连接，且所述第一低能传输线和第二低能传输线均采用双电磁螺线管，所述第一低能传输线和第二低能传输线之间的漂移距离为1～2倍磁铁有效长度。
15、进一步，所述第一低能传输线的前后两端、第二低能传输线的前后两端均设置有限束光阑，且所述第二低能传输线的后端还设置有限束锥；各所述限束光阑和限束锥共同实现所述离子源系统输出的离子束流与所述rfq加速器的匹配。
16、进一步，所述rfq加速器的工作频率为714mhz-1000mhz，采用的电极平均半径为1.5～1.7mm。
17、进一步，所述rfq加速器的入口端350～500mm处，还套设有用于增加横向聚焦的螺线管。
18、进一步，所述直线加速器还包括高能加速器，所述高能加速器采用ih-dtl加速器、scdtl加速器、btw加速器或者ccl加速器中的任意一种。
19、本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
20、1、峰值流强高，传输效率高。本专利技术通过对离子源系统、低能传输线以及rfq加速器的合理设计，使得本专利技术提出的超高频高峰值流强的直线加速器可提供峰值强度5-10ma的束流，平均流强为5-10μa，占空比0.1％，峰值和平均强度均是现有的5-10倍，可以提高同位素生成装置的生成效率，也可以提高最大质子闪光放疗的剂量率到300-400gy/s。
21、2、可在ms量级进行束流能量调节，秒量级内提供千个不同能量的束团，可以用于提高癌症放疗的精准性。
22、3、加速梯度高，加速器长度短。高频直线加速器加速束流到20-30mev，长度约为8-13m，是现有常温加速器约30％，加速束流到230mev，长度约20-25m，满足医院安装长度要求。
23、4、横向尺寸小，加工成本低。由于工作频率提高，横向尺寸降低为50％，降低了加速器加工制造成本。
24、因此，本专利技术可以广泛应用于加速器领域。
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1.一种超高频高峰值流强的直线加速器，包括依次相连的离子源系统、真空泵室和RFQ加速器；其特征在于，所述离子源系统包括回旋共振管、等离子体弧腔、永磁约束磁铁和下游腔室；
2.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述回旋共振管采用输出谐振频率为28GHz、输出功率范围为5～15kW的回旋共振管。
3.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述弧腔电极采用喇叭状结构，且喇叭状广口端通过螺纹与所述等离子体弧腔相连，喇叭状窄口端与所述引出电极间隔预设距离，使得在靠近轴向处形成镜面电势区。
4.如权利要求3所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述弧腔电极喇叭状窄口端的孔径范围为2.5～6.5mm。
5.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述引出电极采用球面引出极头，所述球面引出极头一端设置为球形凹槽，孔径为1.5～2.5mm之间，另一端设置为矩形凹槽，并通过所述矩形凹槽内设置的螺纹结构依次与腔室连接杆、出口法兰、真空管道相连，所述真空管道另一端
6.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述离子源系统与所述真空泵室之间、所述真空泵室与所述RFQ加速器之间分别通过第一低能传输线和第二低能传输线连接，且所述第一低能传输线和第二低能传输线均采用双电磁螺线管，所述第一低能传输线和第二低能传输线之间的漂移距离为1～2倍磁铁有效长度。
7.如权利要求6所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述第一低能传输线的前后两端、第二低能传输线的前后两端均设置有限束光阑，且所述第二低能传输线的后端还设置有限束锥；各所述限束光阑和限束锥共同实现所述离子源系统输出的离子束流与所述RFQ加速器的匹配。
8.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述RFQ加速器的工作频率为714MHz-1000MHz，采用的电极平均半径为1.5～1.7mm。
9.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述RFQ加速器的入口端350～500mm处，还套设有用于增加横向聚焦的螺线管。
10.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述直线加速器还包括高能加速器，所述高能加速器采用IH-DTL加速器、SCDTL加速器、BTW加速器或者CCL加速器中的任意一种。
...【技术特征摘要】
1.一种超高频高峰值流强的直线加速器，包括依次相连的离子源系统、真空泵室和rfq加速器；其特征在于，所述离子源系统包括回旋共振管、等离子体弧腔、永磁约束磁铁和下游腔室；
2.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述回旋共振管采用输出谐振频率为28ghz、输出功率范围为5～15kw的回旋共振管。
3.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述弧腔电极采用喇叭状结构，且喇叭状广口端通过螺纹与所述等离子体弧腔相连，喇叭状窄口端与所述引出电极间隔预设距离，使得在靠近轴向处形成镜面电势区。
4.如权利要求3所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述弧腔电极喇叭状窄口端的孔径范围为2.5～6.5mm。
5.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述引出电极采用球面引出极头，所述球面引出极头一端设置为球形凹槽，孔径为1.5～2.5mm之间，另一端设置为矩形凹槽，并通过所述矩形凹槽内设置的螺纹结构依次与腔室连接杆、出口法兰、真空管道相连，所述真空管道另一端与第一低能传输线相连。
6.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：何源，窦为平，王志军，金晓凤，陈伟龙，李晨星，施龙波，黄玉璐，黎晓晓，黄燃，
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：
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