CN115515292A - 一种质子注入器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种质子注入器，包括依次连接的离子源、低能传输线、射频四极加速器、交叉指磁型漂移管直线加速器、中能传输线和散束器，射频四极加速器和交叉指磁型漂移管之间设有第一匹配段；射频四极加速器包括第一腔体，第一腔体中带有四根电极；交叉指磁型漂移管直线加速器包括第二腔体、第三腔体和第二匹配段，第二腔体包括第二聚束段和第二加速段，第三腔体包括第三聚束段和第三加速段；当质子束流进入交叉指磁型漂移管直线加速器时，以第一聚束相位通过第二聚束段，并以小于第一聚束相位的第二聚束相位通过第三聚束段。本发明还包括调谐器，调谐器包括调谐主体、调谐螺母、螺杆和调谐棒。本发明能够提升束流品质，实现更精确的调谐。

Description

一种质子注入器
技术领域
本发明涉及粒子加速器技术领域，更具体地涉及一种基于低聚束相位和一体化交叉指磁型漂移管直线加速器(IH-DTL)设计的质子注入器。
背景技术
质子加速器在医疗领域的应用十分广泛，例如质子治疗、硼中子俘获治疗(BNCT)、医用同位素生产等。然而，低能下的质子具有速度慢、空间电荷效应强的特点，通过常规的加速器会导致束流品质较差，需要使用一些特殊的加速结构。对于质子治疗这种需要较高能量的情况，低能加速器用于将束流加速并注入到主加速器中，这种加速器也称为注入器。质子经过注入器的加速后能量得到提高，速度大大提升，空间电荷效应也随之减弱，在后续的加速过程中束流品质易于控制，因此注入器的品质在很大程度上决定了整个加速器***的品质。
质子注入器主要由离子源、低能传输线、射频四极加速器(RFQ，Radio FrequencyQuadruple)、漂移管直线加速器(DTL，Drifting Tube Linac)、中能传输线和散束器组成。其中，DTL是由漂移管和加速间隙组成的加速器结构，在质子速度β～0.1时，DTL是最适宜的加速器类型。传统的DTL类型，即Alvarez型DTL，加速梯度较低，加速相同的能量长度较长。并且，该DTL需要在漂移管中加入永磁四极铁，工艺难度大，可能产生的误差也较大，加工完成后也难以调整。
为解决上述问题，现有技术研发了一种新的DTL类型，交叉指磁型漂移管直线加速器(IH-DTL)。该IH-DTL的优点在于加速梯度高，可以大大减小DTL的长度，同时磁铁不需要安装在漂移管内，降低了工艺难度，并且在磁铁的选择上范围更广，可以选用电磁四极铁，在实际调试、运行过程中可以针对误差进行调整。IH-DTL主要有两种不同的设计，其中一种是APF(Alternating Phase Focusing，交替相位聚焦)束流动力学设计，该方案的IH-DTL的入口接受度较低，对加工误差、运行稳定性的要求极高，一旦入口束流参数发生偏差或者结构存在误差，出口束流参数就会产生极大的错误，无法满足要求。IH-DTL的另一种设计是KONUS(Kombinierte Null Grad Struktur)束流动力学设计，这种方案能够克服APF方案的缺点，但其在质子注入器中的聚束效果不佳，导致束流品质不高。
另外，由于机器在加工、装配、焊接等过程中会产生各种误差，因此需要对腔体进行调谐来达到最佳的状态。在质子注入器中，现有技术一般使用调谐棒来进行调谐。调谐棒通过腔壁上的孔***到腔体中，通过控制调谐棒的***深度来改变腔体的微波性能，实现调谐的目的。现有的方案是加工一定长度的调谐棒，通过调谐实验计算得到调谐棒需要的***深度，再计算出调谐棒在腔体外的长度。经过几次迭代实验后，确定最终参数，将调谐棒切割至需要的长度。这种调谐方法精度较低，且重复性较差，不同的人测量会产生不同的误差，并且因为最终需要将调谐棒切割，所以调谐过程中出现错误难以弥补。
发明内容
为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种质子注入器，该质子注入器采用低聚束相位和一体化IH-DTL设计，能够提升束流品质，并实现更精确的调谐。
本发明提供的一种质子注入器，包括依次连接的离子源、低能传输线、射频四极加速器、交叉指磁型漂移管直线加速器、中能传输线和散束器，所述射频四极加速器和所述交叉指磁型漂移管之间设有第一匹配段；其中，所述射频四极加速器包括第一腔体，所述第一腔体中带有四根电极；所述交叉指磁型漂移管直线加速器包括第二腔体、第三腔体以及连接所述第二腔体和所述第三腔体的第二匹配段，所述第二腔体沿质子束流走向包括第二聚束段和第二加速段，所述第三腔体沿质子束流走向包括第三聚束段和第三加速段；当质子束流进入所述交叉指磁型漂移管直线加速器时，以第一聚束相位通过所述第二聚束段，并以小于所述第一聚束相位的第二聚束相位通过所述第三聚束段。
优选地，所述第一匹配段由若干电磁四极铁组成。
优选地，所述第二匹配段由若干电磁四极铁组成。
优选地，所述第一聚束相位为-35°，所述第二聚束相位为-60°。
优选地，所述第二腔体、所述第三腔体和所述第二匹配段采用一体化设计。
进一步地，所述第一腔体、所述第二腔体和所述第三腔体上均设有调谐器。
进一步地，所述调谐器包括调谐主体、设于所述调谐主体上的调谐螺母、与所述调谐螺母移动连接的螺杆以及与所述螺杆连接的调谐棒。
进一步地，所述调谐主体固定在所述第一腔体、所述第二腔体和/或所述第三腔体的外壁上。
进一步地，所述调谐棒从所述调谐主体的底部伸出，并通过所述第一腔体、所述第二腔体和/或所述第三腔体上的开孔***所述第一腔体、所述第二腔体和/或所述第三腔体的内部。
进一步地，所述第一腔体、所述第二腔体和所述第三腔体均通过磁型耦合器馈入功率。
本发明提供的一种质子注入器，通过IH-DTL的双腔一体化设计，可以提高腔体准直的速度和精度，使腔体更加稳固，运行更加稳定。优化的IH-DTL参数设计，可以实现更短的长度和更小的出口束流能散，提升束流品质。并且，本发明采用可往复、更高精度的调谐器设计，可以精确地控制调谐棒进入腔体的深度，实现对腔体的频率和场分布更精确的调谐。
附图说明
图1是按照本发明的质子注入器的结构示意图。
图2是图1中离子源的结构示意图。
图3(a)和图3(b)是图1中射频四极加速器的结构示意图。
图4是图1中交叉指磁型漂移管直线加速器的结构示意图。
图5是调谐器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明提供的质子注入器，包括依次连接的离子源1、低能传输线2(LEBT)、射频四极加速器3(RFQ)、交叉指磁型漂移管直线加速器4(IH-DTL)、中能传输线5和散束器6。由于RFQ出口处质子束流的相空间分布在水平方向和竖直方向相反，不能满足IH-DTL的注入需求，因此在RFQ和IH-DTL之间设有第一匹配段31。
其中，离子源1用于产生质子束流，是整个***的源头。如图2所示，离子源1包括注气口11和微波输入口12，注气口11用于通入氢气，微波输入口12用于馈入微波功率。产生质子束流的原理为：通过电离使氢气在电极位置形成等离子体，利用引出高压将质子分离并引出。在本发明中，离子源1采用电子回旋共振类型(ECR)的离子源，以避免双等离子体(Duoplasmatron)类型离子源灯丝逸出气态杂质污染腔体。
低能传输线2用于传输离子源1产生的质子束流，并对质子束流进行聚焦，以使质子束流能够满足射频四极加速器3入口的发射度要求。低能传输线2可与离子源1一起，视为离子源***的组成部分。
射频四极加速器3用于接收通过低能传输线2传输并聚焦的质子束流，并将质子束流加速至所需的预设能量。射频四极加速器3主要由四根电极产生较强的聚焦效果，解决低能下质子束流的发射度增长问题，同时在极头上添加调制，产生加速效果。具体来说，射频四极加速器3包括第一腔体，第一腔体中带有四根电极，相邻两根电极的夹角为90°。电极极头经过调制形成类三角函数的形状，如图3(a)所示，两个相对极头的形状对称，调制从入口到出口会逐渐增大，对应曲线振幅增大。而两个相邻极头的形状相反(三角函数相差180°)，如图3(b)所示，图中的阴影表示四个极头的横截面，第一象限中的斜线表示极头的纵剖面(即这两处均为半个极头，用以体现极头曲线)，曲线表示极头形状(在同一位置处，一个极头凸，则另一极头凹)。在腔体中，因为四个极头而形成电四极场，因为极头的类三角函数调制而形成纵向电场。
在本发明中，射频四极加速器3的类型为四翼型，能够在高频率下保持较好的性能，极头易于冷却。根据RFQ极头调制的特点，射频四极加速器3沿质子束流的走向依次包括径向匹配段、成形段、第一聚束段和第一加速段。在径向匹配段中，聚焦力在较短的距离内从0增长到最大值，质子束流在此无损地与随时间变化的聚焦力相匹配；在成型段中，同步相位从-90°开始增大，纵向电场从0开始增加，初步为塑造束流形状、聚束作准备；在第一聚束段中，同步相位进一步被调制，直至最终值；在第一加速段中，同步相位不再变化，而极头调制进一步增大，提高加速效率，将质子束流加速至最终所需的能量。
射频四极加速器3使用磁型耦合器馈入功率，其原理为：射频功率从功率源产生，通过同轴线缆传输到磁型耦合器，再通过磁型耦合器的环形探针激发腔体内的电磁场。
第一匹配段31用于连接射频四极加速器3和交叉指磁型漂移管直线加速器4，其功能是将射频四极加速器3出口处质子束流的横向形状转变为交叉指磁型漂移管直线加速器4所需的形状。第一匹配段31由若干电磁四极铁组成，其灵活调整的能力可以应对加工、运行、环境等各方面因素可能产生的误差，保证质子束流处于稳定、良好的状态。
如图4所示，交叉指磁型漂移管直线加速器4包括第二腔体41和第三腔体42，每个腔体均为漂移管44交错地通过支撑杆45连接到腔壁46上的结构，且在横截面看呈180°，且漂移管中心、腔体中心和束流轨道三者重合。其中，第二腔体41沿质子束流走向包括用于改变质子束流形状的第二聚束段和用于加速的第二加速段，第三腔体42沿质子束流走向包括第三聚束段和第三加速段。当质子束流进入交叉指磁型漂移管直线加速器4时，其以第一聚束相位通过第二聚束段，以小于第一聚束相位的第二聚束相位通过第三聚束段。
质子束流经过第二腔体41的加速后，在水平和竖直两个方向上的运动趋势均变为散焦，因而在第二腔体41和第三腔体42之间设有第二匹配段43，以改变质子束流的相空间分布。与第一匹配段31相同，第二匹配段43由若干电磁四极铁组成，以保证更好的聚焦效果。经过第二匹配段43的聚焦、调整后，质子束流在水平和竖直方向上的运动趋势回到聚焦。
在本发明中，第一聚束相位通常为-35°，第二聚束相位约为-60°。由于第二聚束相位采用了比经典相位更低的相位，能够有效降低束流最终的能散，提高可以注入到后续加速结构的粒子数，实现了更好的聚束效果，提高了束流品质。
另外，上述第二腔体41、第三腔体42和第二匹配段43采用一体化设计。该一体化设计可以使IH-DTL的两个腔体间的准直更加便捷和精确，减小腔体的位置误差，同时可以加固机器，使加速器的运行更加稳定。
上述第二腔体41和第三腔体42为两个独立的完整腔体，由两个磁型耦合器分别馈入功率。这种设计可以使第二匹配段43的长度不再受制于束流的同步相位要求，提高了第二匹配段43的灵活性，同时缩短了腔体长度，有利于设计出磁铁梯度和布局合理且总长较短的匹配段，同时该设计可以为电磁铁的供电提供便利。
中能传输段5用于传输并聚焦经交叉指磁型漂移管直线加速器4加速后的质子束流，以避免质子束流在长距离的漂移中发射度增长过大。在中能传输段5中，束流能量相对较高，在传输过程中发射度增长相对较慢，且束流没有加速，因此对误差的要求较低，不需要针对实际运行情况进行实时调节。因而，本发明的中能传输段5使用永磁四极铁。
散束器6为整个质子注入器的最后一部分，其用于进一步降低质子束流的能散，保证更多的束流可以进入到后续加速器。散束器6可以根据实际情况进行选择。
为实现调谐，上述射频四极加速器3的第一腔体、以及交叉指磁型漂移管直线加速器4的第二腔体41和第三腔体42的上均设有一个调谐器7。如图5所示，调谐器7包括调谐主体71、设于调谐主体71上的调谐螺母72、与调谐螺母72移动连接的螺杆73以及与螺杆73连接的调谐棒74。其中，调谐主体71固定在上述第一腔体、第二腔体41和/或第三腔体42的外壁上，调谐棒74从调谐主体71的底部伸出，并通过腔体上的开孔***腔体内部。对腔体进行调谐时，利用调谐螺母72调节螺杆73，螺杆73带动调谐棒74移动，以调节调谐棒74***腔体内部的深度。本发明的调谐器通过机械结构精确地控制调谐棒的***深度，可以实现往复的调节，利用小螺距的螺杆实现了高精度的调谐。本发明的调谐器可以更好地调谐腔体，使场分布误差降到更低，达到比现有调谐方式更优的结果。
为方便理解，以下通过一具体示例对本发明的质子注入器的工作原理进行进一步说明。
离子源1采用一台全永磁结构的紧凑型2.45GHz ECR离子源，分别通过注气口11和微波输入口13向离子源1内通入氢气并馈入微波功率。氢气在电极的位置形成等离子体，利用引出高压将质子分离并引出，引出能量为30keV。低能传输线2在传输的同时对质子进行一定的聚焦，之后质子离开离子源***，以连续束的状态进入RFQ。
质子束流首先进入RFQ的径向匹配段，在这里加速器的孔径快速缩小，调制束流的横向形状以进入接受度范围。在成形段中，极头的调制从0开始慢慢增加，连续的束流也开始慢慢聚成束团。在第一聚束段中，极头的调制进一步增加到最大值，束流进一步被聚成团，其横向和纵向相空间分布均在做周期震荡。最终束流进入第一加速段，在第一加速段中，极头基本保持最大调制不变。束流经过RFQ在3米的长度内加速至3.5MeV以上，传输效率在80％以上。
束流经过由三块电磁四极铁组成的第一匹配段31后，其相空间分布变为一致，运动趋势均为聚焦，进入IH-DTL。束流进入IH-DTL后，首先进入第二聚束段。由于第一匹配段31对束流进行了聚焦，束流的长度变长，因此需要第二聚束段先将束流的长度压缩。第二腔体42的第二聚束段为3个同步相位为-35°的加速单元，聚束后束流进入第二加速段，此时束流的长度较长，因此在第三腔体43的第三聚束段中使用-60°的同步相位，经过三个单元加速，束流被压缩到期望的长度。经过第三腔体43的第三加速段之后，束流能量达到7MeV以上。
至此，整个质子注入器的加速器部分结束，但是后续往往需要中能传输线5将束流从注入器传输到后续加速器。束流的长距离漂移会导致其横向尺寸不断增加，因此在MEBT中主要通过四极铁来对束流进行聚焦，以保证束流在较长距离的传输过程中保持较好的品质。在MEBT之后是散束器6，用于将束流重新解聚束为连续束状态，同时进一步降低束流能散。经过散束器6后，束流绝大多数处于-0.3MeV～0.1MeV能量范围内，在能散±50keV范围内的束流强占输入束流的80％以上。例如，在整个注入器的输入束流强度为18A的情况下，能散±50keV范围内的束流强度大于14.4A。本发明可以满足大部分医用加速器的注入需求。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种质子注入器，其特征在于，包括依次连接的离子源、低能传输线、射频四极加速器、交叉指磁型漂移管直线加速器、中能传输线和散束器，所述射频四极加速器和所述交叉指磁型漂移管之间设有第一匹配段；其中，
所述射频四极加速器包括第一腔体，所述第一腔体中带有四根电极；
所述交叉指磁型漂移管直线加速器包括第二腔体、第三腔体以及连接所述第二腔体和所述第三腔体的第二匹配段，所述第二腔体沿质子束流走向包括第二聚束段和第二加速段，所述第三腔体沿质子束流走向包括第三聚束段和第三加速段；当质子束流进入所述交叉指磁型漂移管直线加速器时，以第一聚束相位通过所述第二聚束段，并以小于所述第一聚束相位的第二聚束相位通过所述第三聚束段。
2.根据权利要求1所述的质子注入器，其特征在于，所述第一匹配段由若干电磁四极铁组成。
3.根据权利要求1所述的质子注入器，其特征在于，所述第二匹配段由若干电磁四极铁组成。
4.根据权利要求1所述的质子注入器，其特征在于，所述第一聚束相位为-35°，所述第二聚束相位为-60°。
5.根据权利要求1所述的质子注入器，其特征在于，所述第二腔体、所述第三腔体和所述第二匹配段采用一体化设计。
6.根据权利要求1所述的质子注入器，其特征在于，所述第一腔体、所述第二腔体和所述第三腔体上均设有调谐器。
7.根据权利要求6所述的质子注入器，其特征在于，所述调谐器包括调谐主体、设于所述调谐主体上的调谐螺母、与所述调谐螺母移动连接的螺杆以及与所述螺杆连接的调谐棒。
8.根据权利要求7所述的质子注入器，其特征在于，所述调谐主体固定在所述第一腔体、所述第二腔体和/或所述第三腔体的外壁上。
9.根据权利要求7所述的质子注入器，其特征在于，所述调谐棒从所述调谐主体的底部伸出，并通过所述第一腔体、所述第二腔体和/或所述第三腔体上的开孔***所述第一腔体、所述第二腔体和/或所述第三腔体的内部。
10.根据权利要求1所述的质子注入器，其特征在于，所述第一腔体、所述第二腔体和所述第三腔体均通过磁型耦合器馈入功率。
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