回旋加速器内刚性离子源的位置调节机构及其调节方法
阅读说明：本技术 回旋加速器内刚性离子源的位置调节机构及其调节方法 (Position adjusting mechanism and method for rigid ion source in cyclotron ) 是由 赵良超 何小中 马超凡 龙全红 杨兴林 李洪 于 2019-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种回旋加速器内刚性离子源的位置调节机构,支撑架中设置有导轨一,支撑架外部安装有驱动装置一,驱动装置一连接有传动装置一,传动装置一与导轨一连接；支撑架固定有用于与加速器外壳固定的法兰一,导轨一上连接有导轨二,导轨二上设置有法兰二和驱动装置二,驱动装置二连接有传动装置二,传动装置二与法兰二连接,法兰二的移动方向与导轨一的移动方向垂直。本发明安装在真空外,其体积尺寸不受加速器内部空间的限制,可以实现复杂而精确的多维运动控制。安装在真空外,其轴承、丝杠、导轨的润滑不再受无油的限制。其传动机构、驱动电机、信号线、电源线等均在加速器外部,选型及设计不再被真空条件限制。(The invention discloses a position adjusting mechanism of a rigid ion source in a cyclotron, wherein a first guide rail is arranged in a support frame, a first driving device is arranged outside the support frame, the first driving device is connected with a first transmission device, and the first transmission device is connected with the first guide rail; the supporting frame is fixedly provided with a first flange used for being fixed with an accelerator shell, the first guide rail is connected with a second guide rail, the second guide rail is provided with a second flange and a second driving device, the second driving device is connected with the second flange, and the moving direction of the second flange is perpendicular to that of the first guide rail. The invention is installed outside vacuum, the volume size is not limited by the inner space of the accelerator, and the complex and accurate multidimensional motion control can be realized. The bearing, the lead screw and the guide rail are not limited by oil when the bearing, the lead screw and the guide rail are installed outside vacuum. The transmission mechanism, the driving motor, the signal wire, the power wire and the like are all arranged outside the accelerator, and the type selection and the design are not limited by the vacuum condition any more.)
技术领域
本发明涉及回旋加速器技术领域，具体涉及一种回旋加速器内刚性离子源的位置调节机构及其调节方法。
背景技术
回旋加速器在加速带电粒子时，其带点粒子束流有外部产生式和内部产生式，即外离子源和内离子源。相比于外离子源，采用内离子源的回旋加速器整体结构更加紧凑，设备构成相对简单，制造成本和维护成本均远低于外离子源。
内离子源需要定期维修并拆装，其相对位置不易固定。而加速器对内离子源的位置极为敏感，通常需要相应的位置调节机构作在线调整。内离子源所在的环境为加速器内部，通常都存在较高的辐射剂量，不便于进入加速器内部完成相应的操作。开启并举升加速器也会造成其它不利的影响。
为了实现离子源位置的调节，通常在加速器内部、离子源放电室附件安装位置调节机构，同时将离子源通过螺钉等方式固定在该调节机构上。同时离子源还需要外接水电气等管道，因此离子源整体是柔性的，可以进行一定程度的弯曲、拉伸等，是现在位置调节机构带动离子源移动时离子源不损坏。
这种结构存在两个显著的缺点：一是离子源固定在加速器内部的位移平台上，要拆卸离子源必须打开加速器，进入其内部拆卸。人员需要承受的辐射剂量，拆卸所需时间也比较长。二是加速器内部空间狭小，不便于多维位移控制台的安装。安装在加速器内部，位移的行程也受加速器内部空间的限制，不便于大范围调节。因此设计者们考虑是否可以对离子源进行刚性设计，但是刚性离子源设计出来后，如何这种刚性离子源的位置进行调节，是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有柔性离子源位于加速器内部，人员拆卸时耗时长，同时辐射危害大，并且加速器内部空间狭小，使得调节范围小，位移的行程也受限制，不便于大范围调节，使得调节精度低，从而提供了一种回旋加速器内刚性离子源的位置调节机构及其调节方法，该调节机构及其调节方法结合刚性离子源而安装在加速器外部，保证了其位移的精确性，真空外安装固定，使其可以不受加速器状态的限制快速拆卸，调节机构的体积尺寸不受加速器内部空间的限制，可以实现复杂而精确的多维运动控制。
本发明通过下述技术方案实现：回旋加速器内刚性离子源的位置调节机构，包括支撑架，所述支撑架中设置有导轨一，支撑架外部安装有驱动装置一，且驱动装置一连接有传动装置一，传动装置一与导轨一连接，驱动装置一能够通过传动装置一带动导轨一沿着其轴线方向移动；所述支撑架固定有用于与加速器外壳固定的法兰一，导轨一上连接有导轨二，导轨二上设置有法兰二和驱动装置二，导轨二设置在法兰一和法兰二之间，驱动装置二连接有传动装置二，传动装置二与法兰二连接，且驱动装置二能够通过传动装置二带动法兰二沿着导轨二移动，且法兰二的移动方向与导轨一的移动方向垂直。
目前通常采用柔性离子源，固定在真空内。离子源固定在加速器内部的位移平台上，需要打开加速器完成离子源的拆卸，整个拆卸过程耗时长，人员需要承受长时间的辐射剂量，这对人员的身体造成危害。同时由于制造工艺以及空间格局的设计，加速器内部的空间尺寸不会太大，但是离子源又需要进行移动来调整位置，这种结构和功能需求就导致离子源的位移的行程受到限制，不便于大范围调节。同时安装的位移平台只能是限定的，无法进行多维调节，造成了调节的精度很低，位移平台及其附属的所有机构均安装在加速器内部，既受空间的限制，也要承受真空、强磁场、射频电场的限制，多为分离式，结构复杂，一维运动控制，且行程有限，为了解决上述问题，设计者设想将离子源设计为刚性离子源，将离子源安装在真空的加速器外，实现在真空外驱动，其刚性保证了其位移的精确性，真空外安装固定，使其可以不受加速器状态的限制快速拆卸，刚性离子源的实现方式可以但不限于使用支撑板，那么调节刚性离子源位置的调节机构也需要重新设计，为此，本方案设计了一种回旋加速器内刚性离子源的位置调节机构，其包括支撑架，在支撑架中设置有导轨一，支撑架外部安装有驱动装置一，且驱动装置一连接有传动装置一，传动装置一与导轨一连接，驱动装置一能够通过传动装置一带动导轨一沿着其轴线方向移动；还在支撑架固定有用于与加速器外壳固定的法兰一，导轨一上连接有导轨二，导轨二上设置有法兰二和驱动装置二，驱动装置二连接有传动装置二，传动装置二与法兰二连接，且驱动装置二能够通过传动装置二带动法兰二沿着导轨二移动，且法兰二的移动方向与导轨一的移动方向垂直。本方案结合刚性离子源调节位置的需要，利用驱动装置来实现多维调节，其中驱动装置一作为大范围调整使用，驱动装置二作为小范围调整，并且两个调整方向垂直设置，使得调整时能够满足需求。本方案安装在真空外，其体积尺寸不受加速器内部空间的限制，可以实现复杂而精确的多维运动控制。安装在真空外，其运动部件的润滑不再受无油的限制，可以采用各种润滑方式。安装在真空外，其部件均在加速器外部，选型及设计不再被真空条件限制。从而使得部件的选择多样性增加，能够提高使用寿命和降低成本。
为了保证回旋加速器内部的真空环境，不因与外部的离子源连接而破坏真空，所以在导轨二和法兰一之间设置有波纹管，且波纹管的两端分别与导轨二和法兰一无缝连接。波纹管是指用可折叠皱纹片沿折叠伸缩方向连接成的管状弹性敏感元件。波纹管在仪器仪表中应用广泛，主要用途是作为压力测量仪表的测量元件，将压力转换成位移或力。波纹管管壁较薄，灵敏度较高，测量范围为数十帕至数十兆帕。本方案利用现有波纹管的结构，在导轨二随着导轨一进行移动时实现形变，保证导轨二和法兰一之间不会出现缝隙而导致加速器内部真空环境变化。
为了使得结构紧凑同时保证移动时不会出现干涉，将导轨二、法兰一、法兰二和波纹管均设置在支撑架外部。
传动装置一优选为丝杠一，丝杠一的一端与驱动装置一连接，另一端穿过导轨一后***支撑架中，且丝杠一能够绕着自身轴线转动，丝杠一的尺寸较长，来实现较大范围的调整；传动装置二优选为丝杠二，丝杠二的一端与驱动装置二连接，另一端与法兰二连接，且丝杠二能够绕着自身轴线转动，丝杠二的尺寸较短，作为微调使用。通过丝杠调整，既保证调整动作的平稳性，也保证调整的精确性。
为了使得法兰二能够在导轨二形成连接与移动功能，在导轨二中设置有导向槽，法兰二上凸出形成导向块，导向块***导向槽中并且能够沿着导向槽移动，这样在不调整时，法兰二受到导向槽和导向块的配合，自身重力方向与移动方向垂直，形成平稳，所以需要将导向槽和丝杠二平行设置。
回旋加速器内刚性离子源的位置调节方法，包括以下步骤：
(1)启动驱动装置一，带动传动装置一转动，使得导轨一沿着传动装置一的轴线方向移动；
(2)导轨一带动导轨二沿着传动装置一的轴线方向移动，使得波纹管压缩或者延长，达到需要位置后关闭驱动装置一；
(3)启动驱动装置二，带动传动装置二转动，使得法兰二沿着传动装置二的轴线方向移动，导向块沿着导向槽移动，达到需要位置后关闭驱动装置二。
通过本方法，能够对刚性离子源进行移动，离子源在加速器内部不再需要固定，离子源的拆卸也不需要打开加速器完成，简化了离子源的安装拆卸过程，降低了工作人员所承受的辐射剂量。同时驱动平台安装在真空外，不再受加速器内部空间的限制，可以方便而精确地实现二维调节，降低了系统复杂度，也提升了可靠性。其移动方式能够实现多向，从而进行复杂而精确的多维运动控制，使得移动更加精确，离子源产生的离子束满足要求。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
(1)本发明针对的刚性离子源，安装在真空外，由真空外位移台驱动，其刚性保证了其位移的精确性，真空外安装固定，使其可以不受加速器状态的限制快速拆卸。刚性离子源的实现方式可以但不限于使用支撑板。
(2)本发明采用的位置调节机构，安装在真空外，其体积尺寸不受加速器内部空间的限制，可以实现复杂而精确的多维运动控制。安装在真空外，其轴承、丝杠、导轨的润滑不再受无油的限制，可以采用各种润滑方式。安装在真空外，其传动机构、驱动电机、信号线、电源线等均在加速器外部，选型及设计不再被真空条件限制。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的后视图；
图3为整体安装示意图；
图4为图3的局部示意图；
图5为刚性离子源的结构示意图；
图6为图5的侧视图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-驱动装置一，2-传动装置一，3-导轨一，4-波纹管，5-法兰一，6-导轨二，7-传动装置二，8-驱动装置二，9-法兰二，10-支撑架，11-安装架。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1和图2所示，专用于回旋加速器内刚性离子源的位置调节机构，回旋加速器是指采用内离子源的回旋加速器，离子束在加速器内部产生。采用内部中空并且两侧有开口的支撑架10，支撑架10外部安装有驱动装置一1，驱动装置一1采用电机，在支撑架10的空腔中设置有导轨一3，驱动装置一1和导轨一3的连接通过传动装置一2来实现，传动装置一2优选为丝杠一，丝杠一的一端与驱动装置一1连接，另一端穿过导轨一3，丝杠一上套有轴承后***支撑架10中，这样丝杠一在驱动装置一1带动时能够绕着自身轴线转动。导轨一3起着类似螺母副作用，将丝杠一的转动转换为水平移动，这样驱动装置一1能够通过丝杠一带动导轨一3沿着其轴线方向移动。还在支撑架10固定有用于与加速器外壳固定的法兰一5，导轨一3上连接有导轨二6，导轨二6上设置有法兰二9和驱动装置二8，驱动装置二8也采用电机，驱动装置二8通过安装架11与导轨二6固定，刚性离子源安装在法兰二9上，导轨二设置在法兰一5和法兰二9之间，驱动装置二8连接有传动装置二7，传动装置二7为丝杠二，丝杠二的一端与驱动装置二8连接，另一端与法兰二9连接，丝杠二能够绕着自身轴线转动，驱动装置二8能够通过丝杠二带动法兰二9沿着导轨二6移动，具体地讲，导轨二6中设置有导向槽，法兰二6上凸出形成导向块，导向块***导向槽中并且能够沿着导向槽移动，导向槽和丝杠二平行设置。为了实现移动的多维性，法兰二9的移动方向与导轨一3的移动方向垂直，同时还在导轨二6和法兰一5之间设置有波纹管4，且波纹管4的两端分别与导轨二6和法兰一5无缝连接。为了实现结构紧凑以及防止出现运动的干涉，将导轨二6、法兰一5、法兰二9和波纹管4均设置在支撑架10外部。具体调节方法是通过驱动装置一1带动丝杠一转动，使得套在丝杠一上的导轨一3沿着丝杠一的轴线方向移动，由于导轨一3和导轨二6固定，从而带动导轨二6沿着丝杠一的轴线方向移动，即使得波纹管4压缩或者延长，形成该方向上刚性离子源位置的调整，而通过驱动装置二8带动丝杠二转动，使得套在丝杠二上的法兰二6沿着丝杠二的轴线方向移动，此时导轨二6不移动作为定位，仅仅是法兰二6通过导向块***导向槽中并且沿着导向槽移动，实现微调。本方案针对的离子源是刚性的，而不是柔性的。刚性条件保证了在加速器外驱动离子源能够实现离子源在加速器内部的精确位移。
本发明安装在加速器外表面或真空室的外表面，可以实现一维、二维、三维、多维的运动控制，采用波纹管结构实现真空条件下的多个维度控制。刚性离子源***加速器内部后，安装在真空外位移台的外侧，在加速器内部可以设置或者不设置导向装置。
由于回旋加速器的原理限制，离子源的放电室位于加速器中心附近，且放电室的位置、角度等相对于加速器需要精确定位并可以在一定范围内调节。加速器内部为真空结构，真空由真空室(加速器磁铁也作为真空室的组成部分)阻隔大气。
一个具体的内离子源回旋加速器所使用的内离子源实施例如图5和图6所示。由放电室、水电气管线、刚性加强结构(可以但不限于支撑板、支撑块)。在该结构中，离子源通过固定法兰固定在位置调节机构上，调节机构的两侧各有一个法兰，
如图1和图2所示，一端与离子源固定，另一端与加速器(如安装在真空室的外壁上)固定。当位置调节机构不工作时，离子源远离放电室的一端就与加速器相对固定。虽然离子源较长，但采用了刚性加强结构使其具有足够的刚性，这样虽然只有一端固定，但离子源整***置(特别是放电室的位置)已被精确固定。当位置调节机构工作室，其驱动离子源远离放电室的一端沿某个或多个方向运动，刚性结构保证了放电室也跟随精确移动。从而实现了离子源位置的固定和调节。
该位置调节机构能够完成两个方向的运动控制，两个电机分别驱动两个方向上的丝杠运动，带动负载(离子源)运动，使用导轨严格控制运动时的变形量实现精度控制。调节机构使用金属波纹管可以拉伸、压缩、扭曲，实现在负载运动时的真空密封。
图3和图4给出了刚性离子源及位置调节机构在加速器上的安装实例。安装在真空外的位置调节机构同时作为一个过渡机构实现了离子源与加速器的定位安装。安装完成后，所有的部件均在真空室外部可见。拆卸离子源只需要取下离子源固定法兰上的6颗螺钉将离子源抽出即可。安装则仅需***离子源并拧紧6颗螺钉即可。全部过程不需要打开加速器。
本发明包含刚性离子源结构和真空外的二维驱动平台。其中真空外二维驱动平台安装在加速器或加速器真空室的外侧，刚性离子源安装在该位移平台上并由该平台驱动完成离子源在引出平面上的二维运动。由于采用了刚性离子源，真空外的驱动可以精确传递到加速器中心，实现离子源在加速器内部位置的精确控制。采用这样的机构后，离子源在加速器内部不再需要固定，离子源的拆卸也不需要打开加速器完成，简化了离子源的安装拆卸过程，降低了工作人员所承受的辐射剂量。同时驱动平台安装在真空外，不再受加速器内部空间的限制，可以方便而精确地实现二维调节，降低了系统复杂度，也提升了可靠性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。