CN111654968A - 用于带电粒子加速器的带电粒子处理装置及加速器 - Google Patents

用于带电粒子加速器的带电粒子处理装置及加速器 Download PDF

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CN111654968A CN202010703036.1A CN202010703036A CN111654968A CN 111654968 A CN111654968 A CN 111654968A CN 202010703036 A CN202010703036 A CN 202010703036A CN 111654968 A CN111654968 A CN 111654968A
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Abstract

一种用于带电粒子加速器的带电粒子处理装置及具有其的带电粒子加速器，所述带电粒子加速器限定有对带电粒子加速的加速腔，所述带电粒子处理装置包括：本体，其内限定有用于接收来自所述加速腔的带电粒子的本体腔；电磁铁，配置成通电时在所述本体腔内产生磁场，以使所述本体腔内的带电粒子在所述磁场的作用下进入所述加速腔；且所述本体腔还包括第一出口，所述第一出口用于在所述电磁铁断电时将所述本体腔内的带电粒子引出至所述带电粒子加速器外。本发明通过对电磁铁的通断电实现带电粒子的分流，将偏转和束流引出装置集成化，使得对引出的带电粒子能量选择更加灵活。

Description

用于带电粒子加速器的带电粒子处理装置及加速器
技术领域
本发明的实施例涉及回旋加速器技术领域，尤其涉及一种用于带电粒子加速器的带电粒子处理装置及加速器。
背景技术
带电粒子加速器通常包括加速腔和束流偏转***等，带电粒子通过加速腔内的电场加速，并在束流偏转***的作用下多次经过加速腔实现循环加速。
然而，现有的束流偏转***只可以使带电粒子偏转回加速腔，无法引出带电粒子，带电粒子只能从加速腔的引出口引出，为获取具有目标能量的束流，只能调整偏转磁铁的数量。现有技术中的加速器在束流引出方式上的限制增加了加速器的设计成本，降低了加速器应对不同能量电子束需求的灵活性，且操作过程复杂。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种用于带电粒子加速器的带电粒子处理装置及带电粒子加速器，以解决上述现有技术中存在的问题的至少一个方面。
根据本发明的一个方面提供了一种用于带电粒子加速器的带电粒子处理装置，所述带电粒子加速器限定有对带电粒子加速的加速腔，所述带电粒子处理装置包括：本体，其内限定有用于接收来自所述加速腔的带电粒子的本体腔；电磁铁，配置成通电时在所述本体腔内产生磁场，以使所述本体腔内的带电粒子在所述磁场的作用下进入所述加速腔；且所述本体腔还包括第一出口，所述第一出口用于在所述电磁铁断电时将所述本体腔内的带电粒子引出至所述带电粒子加速器外。
可选地，所述本体腔包括与所述加速腔连通的带电粒子入口以及第二出口；所述本体腔通过所述带电粒子入口接收来自所述加速腔的带电粒子；所述本体腔内的带电粒子在所述电磁铁通电时在所述磁场的作用下从所述第二出口引出所述本体腔并进入所述加速腔。
可选地，所述带电粒子入口与所述第一出口沿所述带电粒子入射方向布置。
可选地，所述带电粒子入口与所述第二出口平行设置在所述本体腔的同侧。
可选地，所述带电粒子入口和所述第二出口处均设置有连接管道，所述连接管道用于连通所述加速腔和所述本体腔。
可选地，至少一个所述连接管道为波纹管。
可选地，所述本体还包括面板，所述面板开设所述带电粒子入口和所述第二出口。
可选地，所述本体腔侧壁外形成冷却腔，所述冷却腔用于冷却剂的循环流动，所述冷却腔具有用于冷却剂的流入的冷却入口以及用于冷却剂的流出的冷却出口。
可选地，带电粒子处理装置还包括：冷却剂入口管道，与所述冷却入口连通，用于向所述冷却入口提供冷却剂；冷却剂出口管道，与所述冷却出口连通，用于使所述冷却腔内的冷却剂经所述冷却出口以及所述冷却剂出口管道排出；且所述面板开设所述冷却出口和所述冷却入口，所述冷却剂入口管道以及所述冷却剂出口管道与所述面板固定连接。
可选地，所述冷却入口和所述冷却出口中的一个设置在所述带电粒子入口远离所述第二出口的一侧，所述冷却入口和所述冷却出口中的另一个设置在所述第二出口远离所述带电粒子入口的一侧。
可选地，所述带电粒子处理装置还包括与所述本体可拆卸连接的引出管，所述引出管设置在所述第一出口处。
可选地，所述本体和所述引出管的连接处设置有真空法兰，所述真空法兰使所述本体和所述引出管连接。
可选地，所述引出管远离所述本体的一端依次设置第一法兰、钛膜和第二法兰，所述第一法兰、所述钛膜和所述第二法兰通过紧固件固定连接。
根据本发明的另一方面，提供了一种带电粒子加速器，包括：加速装置，限定出至少一个加速腔，每个所述加速腔用于对经过所述加速腔内的所述带电粒子加速；粒子源，用于向所述至少一个加速腔提供带电粒子；以及上述任一带电粒子处理装置。
根据本发明的实施例具有以下有益效果：带电粒子处理装置通过对本体的电磁铁接通电源时产生偏转磁场，使经过的带电粒子偏转进入加速腔，当断开电磁铁的电源时，本体腔内的磁场消失，带电粒子直接从本体腔漂出，通过对电磁铁的通断电即可实现对目标能量带电粒子的选择，即本申请通过带电粒子偏转和引出装置的一体化设计避免了为适应不同需求改变粒子加速器的磁铁数量和布置，降低了设计成本，提高了应用效率；通过设置波纹管降低了加工的精度需求，且增加了在安装过程中的可靠性，波纹管实现的软连接使安装空间需求减小，使用更加便利；带电粒子的引出装置通过可拆卸的连接方式使装置可以适用不同的应用场景，且便于在维修引出管道时，不影响装置的偏转功能。
附图说明
现将参考附图以非限制性示例的方式更加详细地描述本发明的实施例，附图仅仅是示意性的，并且其中相同的附图标记始终指代相同部分，在附图中：
图1为根据本发明一个实施例的带电粒子处理装置的结构示意图；
图2为图1所示带电粒子处理装置的本体的剖视图；
图3为图1所示带电粒子处理装置的本体的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的带电粒子处理装置的引出管的剖视图；
图5为根据本发明一个实施例的带电粒子加速器的结构框图。
附图标记说明：
1、带电粒子加速器；100、带电粒子处理装置；200、粒子源；300、加速装置；10、本体；20、电磁铁；30、引出管；11、本体腔；12、面板；13、冷却腔；31、真空法兰；32、第一法兰；33、钛膜；34、第二法兰；35、密封圈；110、带电粒子入口；111、第一出口；112、第二出口；113、真空室；121、第一壁板；122、顶板；123、第二壁板；124、冷却隔板；131、冷却入口；132、冷却出口；1310、冷却剂入口管道；1320、冷却剂出口管道；114、引出接口；115、带电粒子入口连接管道；116、第二出口连接管道；320、安装槽。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。
本实施例首先提供了一种用于带电粒子加速器的带电粒子处理装置100，其中，带电粒子加速器可以是电子加速器或者离子加速器，带电粒子加速器包括至少一个加速腔，用于对经过加速腔的带电粒子进行加速。图1是根据本发明的一个实施例的带电粒子处理装置100的结构示意图。
带电粒子处理装置100包括本体10和电磁铁20。
本体10内部限定有用于接收来加速腔的带电粒子的本体腔11。在一些实施例中，本体10可以为壳体结构，其内部提供本体腔11。
电磁铁20被配置成通电时在本体腔11内产生磁场，以使经过本体腔11内的带电粒子在磁场的作用下进入加速腔。
如图2所示，本体腔11包括第一出口111，第一出口111用于在电磁铁20断电时将本体腔11内的带电粒子引出至带电粒子加速器外。
本体腔11还可以包括带电粒子入口110和第二出口112，本体腔11通过带电粒子入口110接收来自加速腔的带电粒子，本体腔11内的带电粒子在电磁铁20通电时产生的磁场作用下从第二出口112引出本体腔11并进入加速腔。
从加速腔出射的带电粒子经由带电粒子入口110进入本体腔11，当电磁铁20接通电源时，产生穿过本体腔11的磁场，使带电粒子在磁场的作用下速度矢量发生偏转，从第二出口112离开本体腔11并进入加速腔继续加速；当断开电磁铁20的电源时，本体腔11内不再有磁场穿过，带电粒子穿过本体腔11从第二出口112离开带电粒子加速器，并直接引出以用于束流诊断或治疗。本实施例的带电粒子处理装置100通过控制电磁铁20的通断电状态集成带电粒子的偏转和引出功能，使结构简化并节省了空间。
带电粒子入口110与第一出口111可以沿带电粒子入射方向布置。
带电粒子入口110与第一出口111对应设置在本体腔11的两端，当电磁铁20的电源断开时，从带电粒子入口110进入本体腔11的带电粒子保持入射的速率和方向直接从第一出口111出射离开本体腔11。使尽可能多的带电粒子从所述第一出口111离开本体腔11。在其他的实施例中，本体腔11还可以包括从第一出口111沿带电粒子出射方向延伸的真空室113，真空室113与本体腔11连通，远离本体腔11的一侧具有引出接口114，带电粒子从本体腔11漂出后，通过真空室113的引出接口114将带电粒子引出至诊断装置。
带电粒子入口110与第二出口112平行设置在本体腔11的同侧。
如图2所示，带电粒子入口110和第二出口112开设在本体腔11的侧壁上，当带电粒子速度矢量在本体腔11内发生的偏转角度为180°时，带电粒子的速度方向垂直于带电粒子入口110和第二出口112所在的侧壁。
如图2、图3所示，本体10还可以包括面板12，面板12开设带电粒子入口110和第二出口112。
本领域技术人员可以理解的是，面板12构成本体腔11的一个侧壁，平行设置的带电粒子入口110和第二出口112开设在面板12上，面板12采用具有一定强度的材质制成，用于本体10与管道的固定连接，增加连接处的强度和稳定性。在其他的实施例中，面板12还可以由固定连接在本体10上的多个平板结构组成，多个平板组成本体腔11的一个侧壁，带电粒子入口110和第二出口112分别开设在平行设置的平板上。
带电粒子入口110和第二出口112处均设置有连接管道，连接管道用于连通加速腔和本体腔11。
开设在面板12上的带电粒子入口110和第二出口112处分别设置有连接管道，连接管道的一端固定连接在面板12上，例如通过焊接的方式，连接管道的另一端设置有法兰，通过法兰与加速器或者加速器连接的管道连接。带电粒子通过连接管道在加速腔和本体腔11之间传输，使设备的安装和维修更加便利。
至少一个连接管道为波纹管。
带电粒子入口110和第二出口112对应的带电粒子入口连接管道115和第二出口连接管道116可以择一的采用波纹管。在本实施例中，第二出口112对应第二出口连接管道116为波纹管，波纹管的一端与面板12固定连接，波纹管的另一端设置用于连接加速器或者加速器管道的法兰。在其他的实施例中，带电粒子入口110处也可设置波纹管，并在波纹管的另一端设置法兰与加速器连接。通过波纹管代替刚性管道与加速器连接，在实现了带电粒子传输管道的固定连接，又降低对带电粒子处理装置100的加工精度要求，降低其加工成本，并通过软性连接使加速器总体结构趋于小型化。
如图2所示，本体腔11侧壁外形成冷却腔13，冷却腔13用于冷却剂的循环流动，冷却腔13具有用于冷却剂的流入的冷却入口131以及用于冷却剂的流出的冷却出口132。
如图2、图3所示，在本实施例中，本体10包括面板12、第一壁板121、顶板122和底板(图中未示出)，第一壁板121的两端固定连接在面板12上形成本体腔11的周壁，顶板122和底板分别设置在面板12和第一壁板121的上下两端，并与面板12和第一壁板121紧密连接形成真空的本体腔11。本体10还包括第二壁板123，第二壁板123设置在第一壁板121外侧，两端与面板12紧密连接，上下分别与顶板122和底板紧密连接，第一壁板121、第二壁板123和面板12之间形成冷却腔13，冷却腔13具有冷却入口131和冷却出口132，运行的过程中，冷却剂从冷却入口131流经冷却腔13并从冷却出口132流出，用于对本体腔11的内部降温。在另外的实施例中，形成冷却腔13的第二壁板123上下分别设置冷却隔板124，冷却隔板124靠近第一壁板121的一侧分别与顶板122和底板固定连接，冷却隔板124、第一壁板121、第二壁板123和面板12形成冷却腔13。当然，本领域技术人员可以理解地，在其他的实施例中，冷却腔13也可以是一体成型的冷却管道，冷却管道被固定在第一壁板121外侧，且冷却管道两端分别与面板12固定连接。
冷却入口131和冷却出口132中的一个设置在带电粒子入口110远离第二出口112的一侧，冷却入口131和冷却出口132中的另一个设置在第二出口112远离所述带电粒子入口110的一侧。
在本实施例中，冷却入口131设置在带电粒子入口110远离第二出口112的一侧，冷却出口132设置在第二出口112远离所述带电粒子入口110的一侧。在另外的实施例中，冷却入口131和冷却出口132的位置可以互换。在通过管道连接冷却循环装置的同时预留加速器的安装空间。
冷却剂入口管道1310与冷却入口131连通，用于向冷却入口131提供冷却剂；冷却剂出口管道1320与冷却出口132连通，用于使冷却腔13内的冷却剂经冷却出口132以及冷却剂出口管道1320排出；且面板12开设冷却出口132和冷却入口131，冷却剂入口管道1310以及冷却剂出口管道1320与面板12固定连接。
在本实施例中，面板12上开设冷却入口131和冷却出口132，冷却剂入口管道1310和冷却剂出口管道1320分别与面板12固定连接，增加了稳定性，并通过与连接管道共用面板12减少了刚性组件的设置，简化装置。冷却剂可以采用水，通过冷却水循环实现对本体腔11的降温。在另外的一些实施例中，也可以采用风冷装置对加速腔进行降温，即在冷却入口131设置风冷装置，使冷风经由冷却腔13从冷却出口132排出。
如图1所示，带电粒子处理装置100还包括与本体10可拆卸连接的引出管30，引出管30设置在第一出口111处。
通过可拆卸的连接方式，可以在引出管30损坏需要维修时将引出管30拆卸更换为标准的真空法兰，以维持本体腔11内的真空环境，使带电粒子处理装置100的偏转功能继续作用于带电粒子。
如图4所示，本体10和引出管30的连接处设置有真空法兰31，真空法兰31使本体10和引出管30连接。
本体10和引出管30紧密连接，其连接部设置真空法兰31，以维持本体腔11和引出管30内部的真空环境。
引出管30远离本体10的一端依次设置第一法兰32、钛膜33和第二法兰34，第一法兰32、钛膜33和第二法兰34通过紧固件固定连接。
可以理解的是，第一法兰32朝向第二法兰34的一侧开设有用于密封圈35的安装槽320，钛膜33被螺栓固定在第一法兰32和第二法兰34之间，并进一步通过在安装槽320设置密封圈35使引出管30内部维持真空状态。
本实施例还提供了一种带电粒子加速器1，图5是根据本发明一个实施例的带电粒子加速器的结构框图。
带电粒子加速器1包括粒子源200、加速装置300以及上述带电粒子处理装置100，加速装置300限定出至少一个加速腔，每个加速腔用于对经过加速腔内的带电粒子加速，粒子源200用于向至少一个加速腔提供带电粒子；带电粒子处理装置100用于接收从加速装置300出射的带电粒子。
带电粒子加速器1可以是单腔循环加速器，加速装置300连接多个带电粒子处理装置100，加速装置300的加速腔为一个，对应加速腔具有多组与带电粒子入口110和第二出口112对应的开口，并通过上述开口与多个带电粒子处理装置100的本体腔11连通，通过控制不同带电粒子处理装置100的电磁铁20的通断电状态可以实现对不同能量带电粒子的引出。
本实施例通过设置带电粒子处理装置，使得进入的带电粒子从本体腔可以偏转加速或者直接引出至诊断装置，解决了现有技术中偏转装置仅用于带电粒子偏转功能的单一化的技术问题，现有技术中针对带电粒子能量的不同需求，需要设计不同的带电粒子加速器的偏转磁铁的数量和布置方式，限制了带电粒子加速器应对多样化带电粒子能量需求的处理能力，本实施例的带电粒子加速装置通过带电粒子处理装置克服了现有技术中存在的上述问题。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种用于带电粒子加速器的带电粒子处理装置(100)，所述带电粒子加速器限定有对带电粒子加速的加速腔，所述带电粒子处理装置(100)包括：
本体(10)，其内限定有用于接收来自所述加速腔的带电粒子的本体腔(11)；
电磁铁(20)，配置成通电时在所述本体腔(11)内产生磁场，以使所述本体腔(11)内的带电粒子在所述磁场的作用下进入所述加速腔；且
所述本体腔(11)还包括第一出口(111)，所述第一出口(111)用于在所述电磁铁(20)断电时将所述本体腔(11)内的带电粒子引出至所述带电粒子加速器外。
2.根据权利要求1所述的带电粒子处理装置(100)，其中，所述本体腔(11)包括与所述加速腔连通的带电粒子入口(110)以及第二出口(112)；
所述本体腔(11)通过所述带电粒子入口(110)接收来自所述加速腔的带电粒子；
所述本体腔(11)内的带电粒子在所述电磁铁(20)通电时在所述磁场的作用下从所述第二出口(112)引出所述本体腔(11)并进入所述加速腔。
3.根据权利要求2所述的带电粒子处理装置(100)，其中，所述带电粒子入口(110)与所述第一出口(111)沿所述带电粒子入射方向布置。
4.根据权利要求2所述的带电粒子处理装置(100)，其中，所述带电粒子入口(110)与所述第二出口(112)平行设置在所述本体腔(11)的同侧。
5.根据权利要求2所述的带电粒子处理装置(100)，其中，所述带电粒子入口(110)和所述第二出口(112)处均设置有连接管道(115，116)，所述连接管道(115，116)用于连通所述加速腔和所述本体腔(11)。
6.根据权利要求5所述的带电粒子处理装置(100)，其中，至少一个所述连接管道(115，116)为波纹管。
7.根据权利要求2所述的带电粒子处理装置(100)，其中，所述本体(10)还包括面板(12)，所述面板(12)开设所述带电粒子入口(110)和所述第二出口(112)。
8.根据权利要求7所述的带电粒子处理装置(100)，其中，所述本体腔(11)侧壁外形成冷却腔(13)，所述冷却腔(13)用于冷却剂的循环流动，所述冷却腔(13)具有用于冷却剂的流入的冷却入口(131)以及用于冷却剂的流出的冷却出口(132)。
9.根据权利要求8所述的带电粒子处理装置(100)，其中，还包括：
冷却剂入口管道(1310)，与所述冷却入口(131)连通，用于向所述冷却入口(131)提供冷却剂；
冷却剂出口管道(1320)，与所述冷却出口(132)连通，用于使所述冷却腔(13)内的冷却剂经所述冷却出口(132)以及所述冷却剂出口管道(1320)排出；且
所述面板(12)开设所述冷却出口(132)和所述冷却入口(131)，所述冷却剂入口管道(1310)以及所述冷却剂出口管道(1320)与所述面板(12)固定连接。
10.根据权利要求8所述的带电粒子处理装置(100)，其中，所述冷却入口(131)和所述冷却出口(132)中的一个设置在所述带电粒子入口(110)远离所述第二出口(112)的一侧，所述冷却入口(131)和所述冷却出口(132)中的另一个设置在所述第二出口(112)远离所述带电粒子入口(110)的一侧。
11.根据权利要求1所述的带电粒子处理装置(100)，其中，所述带电粒子处理装置(100)还包括与所述本体(10)可拆卸连接的引出管(30)，所述引出管(30)设置在所述第一出口(111)处。
12.根据权利要求11所述的带电粒子处理装置，其中，所述本体(10)和所述引出管(30)的连接处设置有真空法兰(31)，所述真空法兰(31)使所述本体(10)和所述引出管(30)连接。
13.根据权利要求11所述的带电粒子处理装置(100)，其中，所述引出管(30)远离所述本体(10)的一端依次设置第一法兰(32)、钛膜(33)和第二法兰(34)，所述第一法兰(32)、所述钛膜(33)和所述第二法兰(343)通过紧固件固定连接。
14.一种带电粒子加速器(1)，其中，包括：
加速装置(300)，限定出至少一个加速腔，每个所述加速腔用于对经过所述加速腔内的所述带电粒子加速；
粒子源(200)，用于向所述至少一个加速腔提供带电粒子；以及
带电粒子处理装置(100)，所述带电粒子处理装置(100)采用如权利要求1-13所述的任意一种。
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