交叉指型漂移管直线加速器及直线加速器系统
阅读说明：本技术 交叉指型漂移管直线加速器及直线加速器系统 (Interdigital drift tube linear accelerator and linear accelerator system ) 是由 邢庆子 马鹏飞 郑曙昕 于旭东 杜畅通 张化一 王学武 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种交叉指型漂移管直线加速器,包括：真空射频谐振腔,该真空射频谐振腔沿入射粒子束前进方向划分为若干交替的纵向加速段和横向聚焦段,且在腔体内壁上沿腔体横截面直径对称地设有一对脊结构；以及多个漂移管,该漂移管沿真空射频谐振腔中心轴线布置在腔体内部,并且依次交替地通过支撑杆与不同脊结构固接,各漂移管的轴线与真空射频谐振腔的中心轴线重合；纵向加速段中的漂移管为无磁漂移管,横向聚焦段内的漂移管为磁铁漂移管,且每个内部沿轴向设有单个梯度可调四极磁铁,各个梯度可调四极磁铁的磁中心轴线均与磁铁漂移管机械中心轴线重合,相邻各梯度可调四极磁铁以聚焦-散焦形式交替布置。本发明还涉及一种直线加速器系统。(The invention relates to an interdigital drift tube linear accelerator, which comprises: the vacuum radio frequency resonant cavity is divided into a plurality of alternate longitudinal acceleration sections and transverse focusing sections along the advancing direction of an incident particle beam, and a pair of ridge structures are symmetrically arranged on the inner wall of the cavity along the diameter of the cross section of the cavity; the drift tubes are arranged in the cavity along the central axis of the vacuum radio-frequency resonant cavity and are sequentially and alternately fixedly connected with different ridge structures through supporting rods, and the axis of each drift tube is superposed with the central axis of the vacuum radio-frequency resonant cavity; the drift tube in the longitudinal acceleration section is a non-magnetic drift tube, the drift tube in the transverse focusing section is a magnet drift tube, a single gradient adjustable quadrupole magnet is axially arranged in each drift tube, the magnetic central axis of each gradient adjustable quadrupole magnet is coincided with the mechanical central axis of the magnet drift tube, and adjacent gradient adjustable quadrupole magnets are alternately arranged in a focusing-defocusing mode. The invention also relates to a linear accelerator system.)
技术领域
本发明涉及一种交叉指型漂移管直线加速器。本发明还涉及一种直线加速器系统。
背景技术
漂移管直线加速器通过在圆柱形谐振腔内沿射束前进方向配置两个以上中空圆柱形状的漂移管电极来构成。对圆柱形谐振腔内提供高频功率，以漂移管电极之间产生的高频电场对带电粒子(例如，质子或碳离子等)沿射束前进方向进行加速。将漂移管电极的配置设计成当高频电场的朝向与正离子射束前进方向相反时，带电粒子正好运动于漂移管电极之内，避免受到电场的减速。
在圆柱形谐振腔内产生的电磁场模式有TM模式(在圆柱形谐振腔的轴向产生电场)和TE模式(在圆柱形谐振腔的轴向产生磁场)。
采用TM模式的漂移管直线加速器例如阿尔瓦雷茨(Alvarez)型漂移管直线加速器。在阿尔瓦雷茨型漂移管直线加速器中，由于圆柱形谐振腔内的电磁场模式被直接用于在漂移管电极之间产生的加速电场或聚焦电场，因此，漂移管电极以从圆柱形谐振腔垂下的方式被同侧的杆状部支撑。
采用TE模式的漂移管直线加速器则例如交叉指(IH：interdigital-H)型漂移管直线加速器等。在交叉指型漂移管直线加速器中，由于圆柱形谐振腔内的电磁场模式无法被直接用于加速电场或聚焦电场，因此将支撑漂移管电极的杆状部在圆柱形谐振腔的上下(或左右)交叉配置，从而利用支撑漂移管电极的结构在漂移管电极之间间接地产生加速电场或聚焦电场。
也就是说，TE模式的漂移管直线加速器中，由于磁场沿束线方向，因而射频功率不直接产生沿束线方向的电场，而是在相对的两个脊结构及其相连的支撑杆上产生相反的电势，漂移管交替地与两个脊结构相连，相邻的两个漂移管之间存在电势差，从而形成加速电场。
若对这些谐振腔的内部引入特定频率的高频功率，则会引起谐振而在漂移管电极之间产生电场。由在漂移管电极之间产生的此电场使粒子越过漂移管电极之间时不断被加速。
粒子束是带电粒子的集合体，随着粒子束沿前进方向前进，其在径向和前进方向都发生扩散，特别是由于径向的发散会与真空管的管壁碰撞造成粒子束的损失。为解决该发散问题，需要横向聚焦和纵向聚束。在纵向的聚束根据自动稳相原理，选择合适的加速相位(一般选择-30°左右)就可实现：在横向的聚焦则需要引入额外的四极磁铁。
交叉指型漂移管直线加速器主要有两种：KONUS(Kombinierte Null GradStrukture：组合0相位加速结构)漂移管直线加速器(Tiede R,Ratzinger U, Podlech H,et al.KONUS beam dynamics designs using H mode cavities[J].Hadron Beam,2008,1:2013.)和APF(Alternating Phase Focusing，交变相位聚焦)-IH漂移管直线加速器(Iwata Y,Yamada S,Murakami T,et al. Alternating phase focused IH DTL for aninjector of heavy ion medical accelerators[J].Nuclear Instruments and Methodsin Physics Research Section A: Accelerators,Spectrometers,Detectors andAssociated Equipment,2006,569 (3):685 696.)。
目前的KONUS漂移管直线加速器和APF-IH漂移管直线加速器都是采用交叉指型结构的TE模式漂移管加速器，主要的区别在于聚焦结构和束流动力学的设计上。KONUS漂移管直线加速器将加速器腔体从束流动力学上分为三个部分，将粒子束的加速、横向聚焦和纵向聚束分离开，在不同的真空腔体区域实现不同的功能。在目前的KONUS漂移管直线加速器腔内，每个磁铁漂移管需要有3个四极磁铁。如果加速器内部需要安装四极磁铁，则至少需要三个四极磁铁。相比而言，APF-IH漂移管直线加速器则是通过设计漂移管的安装位置、采用真空腔体内部的电磁场实现粒子束的横向聚焦，不再需要额外的磁铁进行聚焦，但需要通过在各个间隙处交替地选择正负同步相位而实现的射频加速场来提供横向聚焦和散焦功能。这需要复杂的相位设计和控制且间隙的电场能提供的横向聚焦力比磁铁能提供的横向聚焦力弱，这就限制了APF-IH漂移管直线加速器所允许的束流流强上限。
无论是采用目前的KONUS漂移管直线加速器还是APF-IH漂移管直线加速器，均需要在前级加速器对离子源产生的离子(质子或重离子)进行预加速之后，用两个以上的四极磁铁先进行束流匹配聚焦，以满足KONUS漂移管直线加速器或APF-IH漂移管直线加速器的入射条件(接受条件)。
因此，希望能够显著改善现有的交叉指型漂移管直线加速器的横向和纵向接受度。
同时，希望能够实现一种结构更加紧凑的带有交叉指型漂移管直线加速器的直线加速器系统，以尽量缩短交叉指型漂移管直线加速器与其前级加速器间的束流匹配的距离。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种交叉指型漂移管直线加速器，其特征在于，所述交叉指型漂移管直线加速器包括：真空射频谐振腔，所述真空射频谐振腔沿入射粒子束前进方向划分为若干交替的纵向加速段和横向聚焦段，且在该真空射频谐振腔的腔体内壁上沿腔体横截面直径对称地设有一对脊结构；以及多个漂移管，所述漂移管沿所述真空射频谐振腔的中心轴线布置在该真空射频谐振腔的腔体内部，并且依次交替地通过支撑杆与不同的所述脊结构固接，各所述漂移管的轴线与所述真空射频谐振腔的中心轴线重合；其中，所述纵向加速段中的所述漂移管为无磁漂移管，所述横向聚焦段内的所述漂移管为磁铁漂移管，且每个所述磁铁漂移管内部沿该磁铁漂移管轴向设有单个梯度可调四极磁铁，各个所述梯度可调四极磁铁的磁中心轴线均与所述磁铁漂移管的机械中心轴线重合，其中，相邻的各所述磁铁漂移管的所述梯度可调四极磁铁以交替的聚焦、散焦形式布置。应当理解，本发明意义下的“以交替的聚焦、散焦形式布置”不仅包括例如相邻的两个磁铁漂移管的梯度可调四极磁铁按照聚焦-散焦布置，或连续的四个磁铁漂移管的梯度可调四极磁铁按照聚焦-散焦-聚焦-散焦形式布置，也包括连续的四个磁铁漂移管的梯度可调四极磁铁按照聚焦-聚焦-散焦-散焦形式布置。在最后一种布置形式中，尽管存在“聚焦-聚焦”的磁铁布置，但由于也存在“聚焦-散焦”，也总体上认为这种“聚焦-聚焦-散焦-散焦”形式的布置属于本发明意义下的“以交替的聚焦、散焦形式布置”。交替的聚焦、散焦布置的有益效果在于改善了束流的控制，以及有利于实现紧凑型匹配段。本领域技术人员通过阅读本发明能够理解，适当地交替布置磁铁漂移管的梯度可调四极磁铁的聚焦、散焦都可以达到上述有益效果，因而磁铁漂移管的梯度可调四极磁铁的交替的聚焦、散焦形式并不局限于上面列举的几种布置，也不局限于两个、四个或偶数个磁铁漂移管的梯度可调四极磁铁。
本发明不同于现有的KONUS漂移管直线加速器或APF-IH型漂移管直线加速器,在每个所述磁铁漂移管内部沿该磁铁漂移管轴向有且仅有唯一一个梯度可调四极磁铁，并通过将相邻的各磁铁漂移管的梯度可调四极磁铁以交替的聚焦、散焦形式布置而实现良好的聚焦效果。
根据本发明的一种优选实施形式，横向聚焦段内的磁铁漂移管内的梯度可调四极磁铁是梯度可调电磁四极磁铁。但替代的是，亦可以考虑采用梯度可调永磁四极磁铁作为横向聚焦段内的磁铁漂移管内的梯度可调四极磁铁。
脊结构沿腔体横截面直径对称地布置，通过支撑管与漂移管相互电连接。两个脊结构及其相连的支撑杆上产生相反的电势，从而在漂移管之间形成加速电场。有利的是，脊结构对称地布置在真空射频谐振腔的腔体内壁的上下两侧或左右两侧。
纵向加速段和横向聚焦段间隔布置，在真空射频谐振腔中根据需要可以布置若干对纵向加速段和横向聚焦段。在根据本发明的一种优选实施形式中，纵向加速段总是位于横向聚焦段的上游。或者，在替代的实施形式中，纵向加速段总是位于横向聚焦段的下游。
无磁漂移管借助第一支撑杆沿入射粒子束前进方向交替地布置在不同的所述脊结构上。磁铁漂移管借助第二支撑杆沿入射粒子束前进方向交替地布置在不同的所述脊结构上。优选的是，横向聚焦段内的磁铁漂移管内的梯度可调四极磁铁是梯度可调电磁四极磁铁。此时，在所述磁铁漂移管的第二支撑杆中安装有为电磁四极磁铁供电所需要的导线及冷却用的水路。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种直线加速器系统，该直线加速器系统包括：上述的交叉指型漂移管直线加速器，以及束流匹配段，所述束流匹配段布置在交叉指型漂移管直线加速器的上游，具有用于进行所述交叉指型漂移管直线加速器与前级加速器的束流匹配的单个梯度可调四极磁铁。
现有交叉指型漂移管直线加速器通常采用3个四极磁铁实现与前级加速器的束流匹配。但在本发明中，得益于加速器内部相邻的各磁铁漂移管的梯度可调四极磁铁采用聚焦、散焦交替布置的形式(例如相邻的两个磁铁漂移管的梯度可调四极磁铁按照聚焦-散焦布置，或连续的四个磁铁漂移管的梯度可调四极磁铁按照聚焦-散焦-聚焦-散焦形式布置，或连续的四个磁铁漂移管的梯度可调四极磁铁按照聚焦-聚焦-散焦-散焦形式布置)，本发明的束流匹配段只需要1个聚焦或者散焦的四极磁铁即可实现束流匹配。若加速器内部第一个磁铁漂移管的梯度可调四极磁铁为聚焦的四极磁铁，则束流匹配段的单个梯度可调四极磁铁选用散焦四极磁铁；若加速器内部第一个磁铁漂移管的梯度可调四极磁铁为散焦的四极磁铁，则束流匹配段的单个梯度可调四极磁铁选用聚焦的四极磁铁。通过紧凑型束流匹配段可以显著减小交叉指型漂移管直线加速器与前级加速器的距离，从而降低整个直线加速器的长度。
本发明创新性地提出了一种不同于现有的KONUS漂移管直线加速器或APF-IH漂移管直线加速器的新型交叉指型漂移管直线加速器。相对于 KONUS漂移管直线加速器，本发明中的漂移管直线加速器腔内每个磁铁漂移管中仅含一个四极磁铁，降低了漂移管的重量。相对于漂移管直线加速器腔内没有磁铁的APF-IH漂移管直线加速器，本发明中的漂移管直线加速器无需复杂的射频电场设计和控制。
本发明的漂移管直线加速器可用于加速较高流强、不同荷质比粒子。
附图说明
下面结合附图阐释本发明的实施例。在附图中：
图1是根据本发明的采用梯度可调四极磁铁的漂移管直线加速器沿轴线的剖面结构示意图；
图2是根据本发明的采用梯度可调四极磁铁的漂移管直线加速器的沿图1中剖面线F-F’的横截面示意图；
图3是根据本发明的直线加速器系统，其中采用单个梯度可调四极磁铁对交叉指型漂移管直线加速器与前级加速器进行束流匹配；
图4示出了根据本发明的直线加速器系统中束流在交叉指型漂移管直线加速器C及其束流匹配段D中的99％包络图，其中，梯度可调四极磁铁以聚焦-散焦的形式交替布置，实线为x方向包络，虚线为y方向包络，其中图中第一个梯度可调四极磁铁为束流匹配段D的四极磁铁。
具体实施方式
下面结合附图详细解释本发明。
图1和图2分别是根据本发明的采用梯度可调四极磁铁的漂移管直线加速器沿轴线的剖面结构示意图和横截面示意图。
交叉指型漂移管直线加速器包括真空射频谐振腔1和多个漂移管。在该真空射频谐振腔腔体的上下侧对称设有一对脊结构2。漂移管沿所述真空射频谐振腔1的中心轴线布置在该真空射频谐振腔1的腔体内部，并且依次交替地通过支撑杆与不同的所述脊结构2固接。各所述漂移管的轴线与所述真空射频谐振腔1的中心轴线重合。纵向加速段A内相邻的无磁漂移管3分别通过第一支撑杆4与不同的脊结构2固接：横向聚焦段B内的磁铁漂移管5通过第二支撑杆6与不同的脊结构2固接，每个磁铁漂移管5只含有唯一一个梯度可调四极磁铁7，且相邻的磁铁漂移管5内部的梯度可调四极磁铁7 沿该束流轴向以聚焦一散焦(FD)形式布置的，各梯度可调四极磁铁7的磁中心轴线均与所属的磁铁漂移管5的机械中心轴线重合。粒子在图面上自左侧射入、从右侧离开交叉指型漂移管直线加速器，在纵向加速段A的无磁漂移管3中通过适当选择加速相位实现纵向聚焦，而在横向聚焦段B的磁铁漂移管5中则利用梯度可调四极磁铁7实现横向聚焦。
图3是根据本发明的直线加速器系统，包括交叉指型漂移管直线加速器 C及其束流匹配段D。在束流匹配段D上游的是前级加速器E。在束流匹配段D中，仅采用了一个梯度可调四极磁铁8用于对交叉指型漂移管直线加速器与前级加速器进行束流匹配，因而形成了紧凑型束流匹配段。
图4示出了根据本发明的直线加速器系统中束流在交叉指型漂移管直线加速器C及其束流匹配段D中的99％包络图，实线为x方向包络，虚线为y方向包络，图中左侧第一个梯度可调四极磁铁为束流匹配段D的梯度可调四极磁铁，可看到其整体匹配的效果比较好(明显好于每个磁铁漂移管需要三块四极磁铁的KONUS型)，且包络也比较小。束流匹配段的长度也相较现有技术下的其它选择明显更短。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但是本领域的普通技术人员可以理解：在不背离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换、变型以及任意组合，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
附图标记列表
1 真空射频谐振腔
2 脊结构
3 无磁漂移管
4 第一支撑杆
5 磁铁漂移管
6 第二支撑杆
7 梯度可调四极磁铁
8 梯度可调四极磁铁
A 纵向加速段
B 横向聚焦段
C 交叉指型漂移管直线加速器
D 束流匹配段
E 前级加速器。
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