阅读说明：本技术 一种接近圆形的可调整束流狭缝装置 (Adjustable beam slit device close to circular shape ) 是由 黄鹏 宋国芳 安世忠 李鹏展 侯世刚 曹磊 于 2019-11-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种接近圆形的可调整束流狭缝装置,该束流狭缝装置可用于直流束流切割装置、且安装在直流束流切割装置的束流切割器极板之后,也可安装在加速器束流传输系统中；所述可调整束流狭缝装置包括狭缝头部的两个直角开口大小相同、相对而设的直角挡块、一个同时驱动狭缝头部两个直角挡块的驱动机构、及位置检测反馈装置；所述同时驱动狭缝头部两个直角挡块的驱动机构由狭缝端PLC控制器控制,整个装置通过狭缝端PLC控制器集成到加速器控制系统中。本发明实现了束流脉宽连续变化的过程中,束流狭缝始终接近圆形,从而最大限度地保证了束流的聚集效果,使得束流通过狭缝时被分散掉的束流达到最小,提高了束流流强和传输的束流品质。(The invention discloses a nearly circular adjustable beam slit device, which can be used for a direct current beam cutting device, is arranged behind a beam cutter polar plate of the direct current beam cutting device, and can also be arranged in an accelerator beam transmission system; the adjustable beam slit device comprises two right-angle stop blocks which are opposite and have the same size on the slit head, a driving mechanism for simultaneously driving the two right-angle stop blocks on the slit head, and a position detection feedback device; the driving mechanism for simultaneously driving the two right-angle stop blocks at the head of the slit is controlled by the slit end PLC controller, and the whole device is integrated into an accelerator control system through the slit end PLC controller. The invention realizes that the beam slit is always close to a circle in the process of continuously changing the beam pulse width, thereby ensuring the beam aggregation effect to the maximum extent, minimizing the beam scattered when the beam passes through the slit, and improving the beam intensity and the transmitted beam quality.)

一种接近圆形的可调整束流狭缝装置

技术领域

本发明属于回旋加速器领域，具体涉及一种接近圆形的可调整束流狭缝装置。

背景技术

束流脉冲化系统中，利用束流切割器可以将连续的直流束形成具有超短时间结构和宽度的脉冲束，这种基于超短时间结构脉冲束在核数据测量、核物理试验等研究等领域均有非常重要的应用。可调整束流狭缝装置是束流脉冲化系统必不可少的装置之一。同时，束流狭缝装置在加速器领域的束流流强和截面的控制和调节方面也获得了广泛的应用，特别是在质子治疗的束流精确传输过程和某些对束流形状和流强要求非常严格的特定实验中。

现有技术已经存在应用于束流切割器的束流狭缝装置，如图1所示，束流从左侧的极板进入到右侧束流狭缝装置的过程既是脉冲束流产生的过程：束流通过左下方极板处时受到加载在极板处的横向交变电场，在交变电场的作用下沿着束流传输方向发生周期性的偏转，图1右侧显示的选束狭缝装置在两个电机的驱动下通过远程控制狭缝的开口大小而产生脉冲束流，同时可调整获得的脉冲束流脉宽。图1右图为束流选束装置，右侧一排黑点为束流的方向，上下头部挡块为两块方板，束流从上下两块方板中间的缝隙穿过，电机带动各自方板相向而行或者相背而行，从而改变脉冲束流的宽度。

以上图1右侧束流选束装置存在的问题是：两块方板之间缝隙为条状，而良好的束流品质需要束流截面积为圆形，这样才能够保证粒子束团进入加速器加速时尽可能少的打在加速器上而造成束流损失，降低加速器的工作效率。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种接近圆形的可调整束流狭缝装置，目的在于解决现有技术选束装置的长条形状的束流条缝使得脉冲束流通过狭缝时束团被分散、粒子进入加速器后束流损失的问题。

本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：

一种接近圆形的可调整束流狭缝装置，该束流狭缝装置可用于直流束流切割装置、且安装在直流束流切割装置的束流切割器极板之后，也可安装在加速器束流传输系统中；其特征在于：所述可调整束流狭缝装置包括狭缝头部的两个直角开口大小相同、相对而设的直角挡块、一个同时驱动狭缝头部两个直角挡块的驱动机构、及位置检测反馈装置；所述同时驱动狭缝头部两个直角挡块的驱动机构由狭缝端PLC控制器控制，整个可调整束流狭缝装置通过狭缝端PLC控制器集成到加速器控制系统中、再由加速器的总控PLC进行远程控制。

所述狭缝头部的两个直角挡块采用前后紧贴安装的形式，两个直角挡块形状相同、均为直角开口形状，且开口部分相向安装从而形成正方形开口以接近圆形；在束流切割极板交变电场作用下，束流产生位置上的偏转、只有偏转角度小的粒子束流能够通过两个狭缝直角挡块的开口，从而实现从直流束到脉冲束的转换，并且，脉冲束流的最终脉冲宽度和通过狭缝头部的粒子总数通过调节狭缝头部的两个直角挡块开口的尺寸来实现；所述可调整束流狭缝装置使得束流穿过狭缝头部接近圆形开口时，束流聚焦效果更好、且所述可调整束流狭缝装置能够动态改变或调整狭缝头部接近圆形的开口大小。

所述驱动机构和位置检测反馈装置包括一个带电磁制动的步进电机、电机驱动器以及一套传动装置、还包括用作位置反馈用的电位器；所述传动装置包含双向丝杠、该双向丝杠用于带动狭缝头部的两个直角挡块相向运动、还包括两个行程限位保护开关；所述步进电机通过传动装置驱动狭缝头部的两个直角挡块同步运动，且通过行程限位保护开关限制狭缝头部的两个直角挡块的运动范围；所述位置检测反馈装置用于将狭缝头部位置信息反馈给狭缝端PLC控制系统进行狭缝位置的闭环控制。

所述位置检测反馈装置采用直线电位器反馈狭缝头部位置信息，所述可调整束流狭缝装置的定位精度在0.1mm之内；所述狭缝头部方形开口最大尺寸为30×30mm，最窄能够完全关闭；所述狭缝头部的两个直角挡块前后紧贴安装且要求间隙尽可能小、尽可能彼此紧贴且无摩擦，最大间隙要求不能超过1mm；所述狭缝头部直角挡块材料为T2紫铜，其它零部件材料无特殊要求；密封处可以采用橡胶密封，使用氟橡胶密封圈，也可以是金属密封。

本发明优点效果

1、本发明通过采用两个狭缝直角挡块90°开口相向安装、且前后紧贴安装、且前后最大间隙要求不能超过1mm、通过电机带动双向丝杠、双向丝杠带动两个狭缝直角挡块相向运动、通过行程开关限制两个狭缝直角挡块的运动位置使得两个狭缝直角挡块的开口尺寸最大设置为30×30mm，最窄能够完全关闭，实现了束流脉宽连续变化的过程中，束流狭缝始终接近圆形，从而最大限度地保证了束流的聚集效果，使得束流通过狭缝时被分散掉的束流达到最小，提高了束流流强和传输的束流品质。

2、本发明解决了本领域长期以来的技术难题，即束流狭缝从来都是线条形状、致使束流通过狭缝时其本身圆形截面上绝大部分束流被挡块拦截掉浪费掉的难题。本发明打破了人们***面上用两种运动方向布设束流狭缝的宽与窄、导致长期以来只有一种线条形状的狭缝；本发明用三维空间的两个平面组合构成一个近似平面、采用两个开口直角形构成一个与圆形最接近的图形，从而解决了本领域长期以来圆形束流狭缝无法实现的技术难题、取得了预料不到的效果，产生了从量变到质变的飞跃。

3、本发明巧妙地将双向丝杠和电机相结合，实现一部电机带动狭缝头部的两个直角挡块作同步运动，相比现有技术采用两个电机分别带动一个挡块运动的方法，不仅节省了一个电机、也节省和该电机配套的电机驱动器、机械传动装置、还节省了控制两个电机同步运动的控制机构，最终，将束流狭缝装置整体体积缩小了近三分之二、有效简化了安装和维护，取得了预料不到的效果。

附图说明

图1为现有技术束流切割装置示意图；

图2为本发明束流狭缝装置应用效果示意图；

图2a为图2的A区放大图；

图2b为图2的局部放大图；

图中，1：馈入端口；2：耦合环2；3：螺线管线圈；4：屏蔽外壳；5：同轴馈管；6：真空电极；7、8：切割极板；9：切割极板外壳；10：电容微调板；11：可调整束流狭缝装置；11-1：双向丝杠；11-2：直角挡块；11-3：电机；11-4：电机驱动器；11-5：电位器；11-6-1：行程限位保护开关；11-6-2：行程限位保护开关；11-7：圆孔盖板。

具体实施方式

本发明设计原理

1、圆形束流狭缝的设计难点。由于束流横截面形状是圆形的，因此理想情况是将束流狭缝形状也设计为圆形，但束流选束装置不仅让束流通过、还需要动态变化束流缝隙的大小、以产生不同宽度的脉宽，如果设计为圆孔狭缝，当加大脉宽需要扩大圆孔时，由于圆孔狭缝为紫铜部件、紫铜部件没有弹性不能伸缩，就需要将原有的紫铜圆孔狭缝沿着圆周分成几份然后布设到增大的圆周上，可以想象，原有的弧度不适用新的弧度，放大后的束流狭缝形状将不再保持圆形。正因为圆形束流狭缝难以实现，所以，现有技术均采用两个长方体铜板作为挡板、长方体铜板之间的狭缝作为束流选择狭缝，采用长方体铜板作为束流挡板是因为制作容易，工艺简单，所以被普遍采用。但是长方体铜板挡板形成的条状束流狭缝使得经过狭缝的束流截面比较发散，这样在束流进入加速器加速时损失的束流太多，降低加速器效率。

2、方形束流狭缝最接近圆形。比起其它形状，当狭缝缝隙扩大后仍然能够保持与圆形最为接近的只有方形狭缝孔道。所述方形孔道由两个相向而设带有直角形状的直角挡板对接而成，采用双向丝杠分别连接两个直角挡板，当需要缩小方孔时，双向丝杠带动两个直角挡板相向、交错而行，当需要扩大方孔时，双向丝杠带动两个直角挡板背道而行直至开口尺寸达到30×30mm为止，这个过程通过行程开关11-6-1、11-6-2进行控制，这样，不论方孔扩大还是缩小，方形狭缝始终保持正方形的形状，也就是始终保持最接近圆形的形状。

基于以上发明原理，本发明设计了一种接近圆形的可调整束流狭缝装置。

一种接近圆形的可调整束流狭缝装置如图2所示，该束流狭缝装置可用于直流束流切割装置、且安装在直流束流切割装置的束流切割器极板之后；其特征在于：如图2a、2b所示，所述可调整束流狭缝装置包括狭缝头部的两个直角开口大小相同、相对而设的直角挡块11-2、一个同时驱动狭缝头部两个直角挡块的驱动机构、及位置检测反馈装置；所述同时驱动狭缝头部两个直角挡块的驱动机构由狭缝端PLC控制器控制，整个可调整束流狭缝装置通过狭缝端PLC控制器集成到加速器控制系统中、再由加速器的总控PLC进行控制。

如图2、2a、2b所示，所述狭缝头部的两个直角挡块11-2采用前后紧贴安装的形式，两个直角挡块11-2形状相同、均为直角开口形状，且开口部分相向安装从而形成正方形开口以接近圆形；在束流切割极板交变电场作用下，束流产生位置上的偏转、只有偏转角度小的粒子束流能够通过两个狭缝直角挡块的开口，从而实现从直流束到脉冲束的转换，并且，脉冲束流的最终脉冲宽度和通过狭缝头部的粒子总数通过调节狭缝头部的两个直角挡块开口的尺寸来实现；所述可调整束流狭缝装置使得束流穿过狭缝头部接近圆形开口时，束流聚焦效果更好、且所述可调整束流狭缝装置能够动态改变或调整狭缝头部接近圆形的开口大小。

如图2a所示，所述驱动机构和位置检测反馈装置包括一个带电磁制动的步进电机11-3、电机驱动器11-4以及一套传动装置、还包括用作位置反馈用的电位器11-5；所述传动装置包含双向丝杠11-1、该双向丝杠11-1用于带动狭缝头部的两个直角挡块11-2相向运动或相反、还包括两个行程限位保护开关(11-6-1、11-6-2)；所述步进电机11-3通过传动装置驱动狭缝头部的两个直角挡块11-2同步运动，且通过行程限位保护开关(11-6-1、11-6-2)限制狭缝头部的两个直角挡块的运动范围；所述位置检测反馈装置用于将狭缝头部位置信息反馈给狭缝端PLC控制系统进行狭缝位置的闭环控制。

所述位置检测反馈装置采用直线电位器反馈狭缝头部位置信息，所述可调整束流狭缝装置的定位精度在0.1mm之内；所述狭缝头部方形开口最大尺寸为30×30mm，最窄能够完全关闭；所述狭缝头部的两个直角挡块前后紧贴安装且要求间隙尽可能小、尽可能彼此紧贴且无摩擦，最大间隙要求不能超过1mm；所述狭缝头部直角挡块材料为T2紫铜，其它零部件材料无特殊要求；密封处可以采用橡胶密封，使用氟橡胶密封圈，也可以是金属密封。

直流束流切割装置如图2所示，该切割装置包括螺旋谐振器、束流切割极板装置、选束狭缝系统；所述的螺旋谐振器用于为束流切割极板提供高频电压、所述束流切割极板装置用于提供束流通过和束流偏转的交变电场、所述选束狭缝装置用于和切割极板相配合对束流进行切割以产生相应脉冲宽度的脉冲束流；所述的谐振器为小型谐振器、且该小型谐振器为带有精确固定螺旋谐振器固有频率的电容微调极板；所述选束狭缝系统束流穿过的截面积为能够使束流聚焦效果更好、且能够动态改变形状大小的的近似圆形的截面积。

本发明专利申请的一种接近圆形的可调整束流狭缝装置，不但可以应用在将直流束流形成脉冲束的系统中，也可以应用在加速器相关的束流传输过程的束流流强和束流截面的调节和控制，还可以应用在实验过程中对束流的自动调节过程中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。