技术领域
[0001] 本
发明属于
粒子加速器技术领域，具体涉及一种粒子加速器的能量选择与分析系统。
背景技术
[0002] 在粒子加速器技术领域，回旋加速器和
直线加速器引出的粒子能量通常是固定的，
同步加速器往往也有一个最低引出能量，而物理实验或其他应用中常常希望引出的粒子能量和束流强度是可调的，而且能量分散性要尽可能小，即能量
精度尽可能高。
[0003] 为改变粒子能量，常采用一种利用粒子与物质相互作用损失能量原理实现的被动降能装置。当粒子通过这种被动降能装置时，虽然实现了能量调节，但很多束流参数也会变差。例如，束流的强度会降低，束流的能量分散性会增加，束流的发射度也会增大。当用户(如物理实验或
放射性治疗等应用中)对束流有很高的能量精度要求时，为调节这些束流参数以满足用户需要，特别是控制束流能量的分散性，实现能量的精确选择，需要建立一种束流能量选择与分析系统。
[0004] 国家发明
专利CN106211535A提出了一种有效控制降能器后质子束流发射度的装置和方法，该装置由两个圆孔型
准直器和一个转盘式降能器组成，优点是结构比较紧凑，但由于准直孔直径是固定的，无法灵活调节所需的能量分散度。
[0005] 国家发明专利CN107018619A提出了一种紧凑型质子束流能量和能散度控制结构，该结构的核心是一个能量选择狭缝，通过调节狭缝的孔径控制能量分散度。该方法的缺点是没有对经过降能器的束斑横向尺寸进行控制，无法确定狭缝处的束流宽度，而且进入该结构的粒子散
角也会影响狭缝处的束斑横向尺寸，因此这种方法无法直接通过狭缝宽度得出所需的能量
分辨率。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一个能量分析精度精确可调的粒子加速器能量选择与分析系统。
[0007] 束流能量分析系统通常由能量分析狭缝和分析磁
铁等元件构成。根据束流传输理论，粒子从一个
位置传输到另外一个位置，其
水平方向的位置关系为：
[0008] x2＝R11x1+R12x′1+Dδ (1)
[0009] 其中，其中x1和x2是两个纵向位置处粒子的横向坐标，x1′是第一个位置处粒子在水平方向(X方向)上的散角，R11和R12为从第一个位置到第二个位置之间的2×2传输矩阵的元素，D为第一个位置到第二个位置的色散函数(即6×6传输矩阵中的R16)，δ为粒子相对中心能量的动量分散(与能量分散一一对应)。
[0010] 若在上述两个位置放置两个能量分析狭缝，并且通过优化两个能量分析狭缝间几
块四极
磁铁的强度和位置，使得R12＝0，从而消除散角的影响。此时，能量选择系统的分辨率δ可以写成：
[0011]
[0012] 在上式中，R11和D取决于两个狭缝间四极铁和二极铁的位置和强度，在设计确定后一般是不变的。x1取决于第一个狭缝的宽度，x2取决于第二个狭缝的宽度。因此，只要调节两个狭缝的宽度就可直接得到所需的能量分辨率。在实际调束工作中一般是通过固定x1，调节x2实现的。
[0013] 为了提高能量分析系统的分辨率(即减小上式中的δ)，一方面需要减小第二能量分析狭缝的宽度，另外一方面应尽量将第二能量分析狭缝置于色散较大的地方。但同时也应该注意到，狭缝宽度越小，经过狭缝后损失的粒子就会越多。因此，在能量分析狭缝后通常需要接一个束流强度探测器。在选择狭缝宽度时，既要考虑到应用对于束流能量分散度的要求，也要考虑到应用对于束流流强的要求，在二者之间寻求平衡。
[0014] 本发明在国家发明专利CN107018619A
基础上增加了一个能量分析狭缝，将两个能量分析狭缝分别置于第一块二极磁铁两侧。第一个能量分析狭缝位于降能器之后、第一块二极磁铁之前，用于限定束斑横向尺寸；第二个能量分析狭缝位于两块二极磁铁之间，通过调节第二个能量分析狭缝宽度选择通过的粒子能量分散度。
[0015] 本发明的技术解决方案是提供一种粒子加速器能量选择与分析系统，其特殊之处在于：包括通过
真空束
流管路依次连接的降能器、第一能量分析狭缝、第一块二极磁铁、第二能量分析狭缝、束流强度探测器及第二块二极磁铁；
[0016] 还包括位于第一能量分析狭缝与第一块二极磁铁输入端、第一块二极磁铁输出端与第二能量分析狭缝之间的四极磁铁及位于束流强度探测器与第二块二极磁铁之间的若干块四极磁铁；
[0017] 上述第一块二极磁铁及第二块二极磁铁呈45°对称设置；
[0018] 上述第一能量分析狭缝及第二能量分析狭缝均为宽度可调的束流狭缝，所述降能器用于将加速器出射粒子的能量调节至设定范围；
[0019] 上述第一能量分析狭缝及第二能量分析狭缝均为宽度可调的束流狭缝，用于限制通过第一能量分析狭缝及第二能量分析狭缝的粒子的数量、散角及横向宽度；
[0020] 上述四极磁铁调整粒子运动以中心轨道为轴心聚焦或
散焦；
[0021] 上述第一块二极磁铁及第二块二极磁铁用于将带电粒子偏转一定角度，并且使能量不同的粒子因偏转半径不同而在横向上分离；
[0022] 上述束流强度探测器用与测量加速器束流强度。
[0023] 通过调节二极磁铁上下游的若干四极磁铁的强度，令两个能量分析狭缝间的2×2传输矩阵R中的R12＝0，此时粒子通过两个能量分析狭缝间的传输段时，其位置变化与粒子的初始散角无关，仅取决于入射粒子的初始位置和能量分散度。两个能量分析狭缝分别位于第一块二极磁铁的两侧。其中，第一个能量分析狭缝位于降能器之后、第一块二极磁铁之前，用于限定束斑横向尺寸。第二个能量分析狭缝位于两块二极磁铁之间，通过调节第二个能量分析狭缝的宽度可选择通过的粒子能量分散度，实现能量的精确选择。
[0024] 优选地，上述降能器包括旋转驱动机构、真空腔体及位于真空腔体内部的降能转盘；
[0025] 旋转驱动机构的
驱动轴穿过真空腔体与降能转盘连接；
[0026] 上述降能转盘包括旋转盘及位于旋转盘上厚度不同的若干降能块，各降能块位于同一圆周上；
[0027] 上述真空腔体上设有进口束流管道及出口束流管道，加速器出射的
粒子束流从进口束流管道进入真空腔体，垂直穿过降能转盘上的降能块后，通过出口束流管道出射；
[0028] 上述旋转驱动机构包括伺服
电机、减速机及磁
流体密封传动装置；
[0029]
伺服电机的
输出轴接减速机的
输入轴，减速机的输出轴通过
联轴器与磁流体密封传动装置的中
心轴连接，磁流体密封传动装置的中心轴穿过真空腔体与降能转盘连接；磁流体密封传动装置为真空室中导入旋转运动并实现真空密封。
[0030] 优选地，旋转盘上沿同一圆周开有N个孔位，N-1个降能块以可拆卸的方式分别固定于孔位内。
[0031] 优选地，上述真空腔体上设有更换窗、观察窗及抽真空管道，更换窗与真空腔体
法兰连接；
[0032] 上述降能器还包括
支撑底座，真空腔体位于支撑底座上；真空腔体为圆柱形腔，端面可拆卸。
[0033] 优选地，第一能量分析狭缝及第二能量分析狭缝均包括真空腔室、位于真空腔室内的左右两块
石墨块及位于真空腔室外的两套驱动机构；
[0034] 上述真空腔室的前后端与真空束流管路连通；
[0035] 两套驱动机构均包括电机、传动机构及推进杆，上述推进杆穿过真空腔室分别与左右两块石墨块连接；左右两块石墨块在束流方向前后错位；电机通过各自的传动机构带动推进杆，使得左右两块石墨块沿与束流垂直的方向运动；
[0036] 左右两块石墨块上分别连接有
信号引出线，两条信号引出线穿过真空腔室引出；
[0037] 优选地，上述真空腔室包括纵向管状真空腔体、两段横向管状真空腔体及两段
波纹管；
[0038] 上述纵向管状真空腔体的两端与真空束流管道连通；
[0039] 两段横向管状真空腔体的一端分别固定在纵向管状真空腔体的管壁相对位置处，并与纵向管状真空腔体相连通；两段横向管状真空腔体的另一端开有能够使推进杆穿过的开孔；
[0040] 两段波纹管的一端分别与两段横向管状真空腔体连接并通过横向管状腔体上的开孔与横向管状腔体连通，两段波纹管的另一端密封并与传动机构连接。
[0041] 优选地，第一能量分析狭缝及第二能量分析狭缝均还包括位于石墨块及推进杆之间的左右两个绝缘块；石墨块及绝缘块位于横向管状腔体内，推进杆的一端与绝缘块连接，另一端穿过横向管状真空腔体的开孔后固定在波纹管内。
[0042] 优选地，上述驱动机构还包括底座，上述传动机构及电机固定在底座上；波纹管
焊接在横向管状真空腔体上。
[0043] 优选地，上述纵向管状真空腔体上设有观察窗。
[0044] 优选地，石墨块厚10mm，绝缘块材料为陶瓷；降能块的材料为石墨或
铝；旋转盘的材料为不锈
钢。
[0045] 本发明的有益效果是：
[0046] 1、本发明能量分析精度可调，而且可以通过理论计算得到能量分析精度与第二狭缝宽度之间的关系，为束流调试带来了便利；
[0047] 2、本发明结构简单，调节方便，能量分析精度高，大大拓展了固定能量加速器的应用范畴。
附图说明
[0048] 图1为本发明其中一个
实施例系统示意图；
[0049] 图2为本发明实施例中降能器结构示意图；
[0050] 图3为本发明实施例中能量分析狭缝装置结构示意图；
[0051] 图4为本发明实施例中能量分析段的束流光学示意图。
[0052] 图中附图标记为：1-降能器，2-第一能量分析狭缝，3-第一组四极磁铁单元、4-第一块二极磁铁，5-第二组四极磁铁单元，6-第二能量分析狭缝，7-束流强度探测器，8-第三组四极磁铁单元，9-第二块二极磁铁；
[0053] 11-伺服电机，12-减速机，13-联轴器，14-磁流体密封传动装置，15-中心轴，16-旋转盘，17-降能块，18-进口束流管道，19-出口束流管道，110-抽真空管道，111-更换窗，112-观察窗口，113-支撑底座，114-真空腔体；
[0054] 21-纵向管状真空腔体，22-左石墨块，23-右石墨块，24-左绝缘块，25-右绝缘块，26-左推进杆，27-右推进杆，28-左波纹管，29-右波纹管，210-左支撑座，211-右支撑座，
212-左传动机构，213-右传动机构，214-左电机，215-右电机。
具体实施方式
[0055] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。
[0056] 从图1可以看出，本实施例通过真空束流管路依次连接降能器1、第一能量分析狭缝2、第一组四极磁铁单元3、第一块二极磁铁4、第二组四极磁铁单元5、第二能量分析狭缝6、束流强度探测器7、第三组四极磁铁单元8及第二块二极磁铁9，第一组四极磁铁单元3、第二组四极磁铁单元5、第三组四极磁铁单元8均包括两个四极磁铁。
[0057] 从图2可以看出，本实施例中，降能器1主要包括旋转驱动机构、真空腔体114及位于真空腔体114内部的降能转盘；
[0058] 旋转驱动机构包括伺服电机11、减速机12及磁流体密封传动装置14；
[0059] 减速机12的输入轴与伺服电机11输出轴连接，减速机12的输出轴通过联轴器13与磁流体密封传动装置14的中心轴15连接，磁流体密封传动装置14的中心轴15穿过真空腔114体与降能转盘连接；磁流体密封传动装置14为真空室中导入旋转运动并实现真空密封。
伺服电机11输出旋转运动，由减速机12实现减速及转向，通过联轴器13与中心轴15连接，从而带动旋转盘16转动。
[0060] 降能转盘包括旋转盘16及降能块17，旋转盘16上沿同一圆周开有24个孔位，一个孔位未安装降能块17，其它孔位分别装有23个不同厚度的、可拆卸的石墨降能块；
[0061] 真空腔体114为圆柱形腔，其上设有进口束流管道18及出口束流管道19，束流从进口束流管道18进入真空腔体114，垂直穿过降能转盘上的降能块17后，通过出口束流管道19出射。真空腔体114固定在支撑底座113上，真空腔体114上还设有更换窗111、观察窗口112及抽真空管道110，在需要维修或更换降能块17时，可通过打开更换窗111法兰，更换所需的一个或多个降能块17，而不需要对整个装置进行拆卸和重新安装。
[0062] 从图3可以看出，本实施例中能量分析狭缝主要由一套真空系统、两套驱动机构、两个绝缘块(左绝缘块24，右绝缘块25)和两个石墨块(左石墨块22，右石墨块23)组成。
[0063] 真空系统包括纵向管状真空腔体21、两段横向管状真空腔体及分别焊接在两段横向管状真空腔体上的两段波纹管，分别为左波纹管28及右波纹管29；纵向管状真空腔体的两端与真空束流管道连通，束流从纵向管状真空腔体21中间穿过；两段横向管状真空腔体的一端分别固定在纵向管状真空腔体21的管壁相对位置处，并与纵向管状真空腔体21相连通；波纹管作为直线驱动机构的真空
密封件，其一端分别与两段横向管状真空腔体连接并通过横向管状腔体上的开孔与横向管状腔体连通，两段波纹管的另一端密封。
[0064] 驱动机构包括两个支撑座(左支撑座210，右支撑座211)、两个电机(左电机214，右电机215)、两套传动机构(左传动机构212，右传动机构213)及两个推进杆(左推进杆26，右推进杆27)。
[0065] 石墨块及绝缘块位于横向管状腔体内，电机及传动机构安装在纵向管状真空腔体21两侧的支撑座上，推进杆的一端与绝缘块连接，另一端穿过横向管状真空腔体后固定在波纹管内。电机通过传动机构带动推进杆及石墨块做水平运动，运动方向与束流方向垂直。
可以通过观察窗检测狭缝宽度，驱动机构重复
定位精度高于0.01mm，保证了狭缝宽度的高精度可调。
[0066] 石墨块厚10mm，石墨块上连接信号线，通过引出
电极测量信号线上的
电流来得到狭缝处的束流损失情况，两个石墨块在垂直束流方向形成狭缝，在束流方向前后错位，避免石墨块同时推进至真空束流管中心时发生碰撞。绝缘块材料为陶瓷，安装在推进杆和石墨块之间，用于连接石墨块并实现石墨块与整体设备之间的绝缘。
[0067] 在束流调试时，首先利用降能器1将入射粒子的能量调节至应用所需范围；通过第一能量分析狭缝2限定束斑的横向尺寸；通过调节第一块二极磁铁4上下游的若干四极磁铁的强度，令两个能量分析狭缝间的2×2传输矩阵R中的R12＝0，此时粒子通过两个能量分析狭缝间的传输段时，其位置变化与粒子的初始散角无关，仅取决于入射粒子的初始位置和能量分散度；再通过调节第二能量分析狭缝6的宽度即可选择通过的粒子能量分散度；最后通过束流强度探测器7监测通过第二能量分析狭缝6的粒子数。
[0068] 在本实施例中，加速器可直接引出60MeV质子束，60MeV以下的能量采用降能器降能的方式来实现。图4给出了实施例中能量分析段的束流光学函数分布，其中黑色曲线为X方向上束流包络，虚线为R12和R16(即D)。此时在能量分析狭缝位置束流的光学参数为：第一狭缝处X＝4.128mm，Y＝9.398mm；第二狭缝处X＝4.346mm，Y＝4.150mm；传输段传输矩阵：R11＝-0.99，R12＝0，R16＝1.137m。
[0069] 表1给出了通过理论计算得到的质子降到不同能量所需降能材料的厚度及降能后能散，并且计算了当需要的能量分辨率为1％时，通过该能量分析系统的粒子比例。若保持两个狭缝宽度相等，此时两狭缝宽度为5.7mm。表2给出了不采用降能器，直接引出60MeV质子(假设能散为1％)，采用两狭缝等宽度设计，狭缝宽度与能量分辨率及束流损失之间的关系。在采用降能器降能至其他能量时，也可以给出类似的对应关系。由此可见，采用本发明中的方法，通过调节狭缝宽度，从理论上可以得到狭缝宽度、能量分辨率和损失粒子比例之间的对应关系，用户可根据应用对能量分辨率和束流强度的要求在二者之间进行选择。在实际调试过程中，还可以通过第二狭缝后的束流强度探测器验证上述关系的正确性。
[0070] 表1 60MeV质子降到不同能量所需降能材料的厚度、降能后能量分散以及要求能量分辨率为1％时通过的粒子比例
[0071]束流能量(MeV) 降能块厚度(mm) 能量分散(MeV) 通过粒子比例(％)
10 13.03 4.1 ＜3.5
15 12.45 3 ＜6.7
20 11.70 2.4 ＜10
[0072] 表2引出粒子能量为60MeV不降能时，能量分析狭缝宽度对应的能量分辨率和损失粒子比例
[0073]狭缝宽度(mm) 能量分辨率(％) 损失粒子比例
1 0.176 93.2％
2 0.352 72.8％
3 0.52 38.8％
[0074] 本发明能量分析精度可调，而且可以从理论上给出能量分析精度、损失粒子比例与狭缝宽度之间的对应关系，方便束流调试。
[0075] 显然本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些
修改和变型属于本发明
权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明业意图包含这些改动和变型在内。
