[發明專利]介質壁加速器加速脈沖形成裝置

有效

• 申請號: 201010133705.2
• 申請日: 2010-03-26
• 公開（公告）號: CN102202456A
• 公開（公告）日: 2011-09-28
• 發明（設計）人: 羅安雄
• 申請（專利權）人: 四川省科學城久遠磁性材料有限責任公司
• 主分類號: H05H7/22
• 分類號: H05H7/22;H05H9/00
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 詹永斌;吳彥峰

技術領域

本發明為一種強流粒子加速器，特別是加速束流強，加速梯度高的介質壁加速器的加速脈沖形成裝置。

背景技術

加速器技術經過百多年的發展，有了長足的進步。各種結構的加速器在國民經濟發展、科學研究、醫療衛生、國防建設等領域內發揮著十分重要的作用。但是目前的加速器都有著其不足之處，或者束流強度小，或者加速梯度低，或者造價昂貴，動輒數十億、甚至數百億元人民幣。

介質壁加速器是近年來提出的一種新型高梯度、強流加速器概念，與傳統加速器相比，有許多優異的特性，是用于閃光X光照相、質子照相、次臨界核電站驅動及核廢料處理與轉化、重粒子(質子、C¹²⁽⁺⁵⁾離子)治療癌癥等領域應用的理想加速器。

為了把這種加速器變成工程現實，許多國家的學者進行了大量研究工作，也提出了一些實施方案。特別是在加速脈沖形成裝置方面，怎樣形成高梯度、強流加速，減小加速器體積等方面做了大量研究。這些方案歸納起來有三種，它們各有特點，也都存在局限性，甚至存在難以克服的困難。

第一種方案是平板線型結構如圖1。是美國利弗莫爾國家實驗室目前所研究的方案(參見Caporaso?G?J，et.al，LLNL-Conf-412562)。圖1a中，介質圓筒做成加速粒子束的管道，粒子束在這里被管外脈沖形成線產生的脈沖電壓加速。管外的部件構成平板BlumLein脈沖形成線。工作時接入直流電壓，之后開關4閉合，在介質圓筒得到加速電壓脈沖，沿中心線經過這里的離子被加速。多個這樣的結構串接起來，就構成一臺介質壁加速器。

這種結構的特點是簡單，但存在著嚴重缺陷，很難應用于實際的加速器中。這些缺陷是：

(1)外部直流電壓直接加到介質束管道外壁上，而介質壁承受直流電壓的能力遠低于脈沖電壓，從而造成加速的大幅降低。如果把V₀改為脈沖電壓，其寬度必須是加速電壓脈沖寬度的上百倍，同樣會使加速梯度大幅降低。

(2)多層平板脈沖形成線相互疊加，形成脈沖時，脈沖電流形成的磁場會在相鄰層內引起干擾，造成脈沖畸變。

(3)實用大量光導開關，不僅造價昂貴，也使加速器運行維護困難。

第二種方案是開路開關結構如圖2(參見Arntz?F，at.al，SLAC-PUB-13477，Dec.2008)。這種結構中的關鍵部件是漂移階躍恢復二極管(圖2中的D)，它是一種開路開關，平時導通，使外加電壓不直接加到介質圓管上。在外部電路L的驅動下，它從導通變成斷開，并在A.B間產生一個(2～5)ns寬的加速電壓脈沖，加速粒子束。多個這樣的結構串接，形成介質壁加速器。

這種結構避免了把直流電壓直接加到介質圓管上的缺點。但同時也引入了其他的問題：

(1)漂移階躍恢復二極管耐壓較低(≤2kV)，用這種器件制造高梯度加速器，會引起許多結構上的困難。

(2)漂移階躍恢復二極管驅動電路比較復雜，造價高。使加速器制造成本大幅增加。

(3)同第一種方案相似，存在多層介質板間的脈沖磁場串擾問題。

第三種方案是感應疊加結構。由美國利弗莫爾國家實驗室2009年提出(參見Caporaso?G?J，et.al，LLNL-Conf-412562)，其基本原理如圖3所示。它利用傳統的直線感應加速腔產生加速電壓脈沖，再利用感應疊加原理，把加速電壓疊加起來，疊加脈沖的位置用光導開關控制，并隨加速粒子來束團一起運動，持續對粒子進行加速。圖中標示的是緊密排列在介質管道外壁的大量光導開關。加速器工作時，除W位置的一個光導開關外，其余開關均被激光照射而導通，處在“W”處的粒子束團被加速。隨著粒子束團的前進，W的位置同步移動。為了達到100MV/m的加速梯度，在疊加段為1m長的加速器束管道外，必須放置100個尺寸1cm見方的光導開關。

這種方法的缺點是：

(1)實用大量激光器，并要求其輸出脈沖寬度大，導通、關斷能精確可制，不僅技術難度大，造價也十分昂貴。

(2)在這種結構中，加速粒子束的寬度受到嚴格限制。如果加速電壓脈沖的寬度為3ns，用來加速電子，那么電子束的寬度只能在皮秒(10^-12秒)量級。如此窄的脈沖在很多應用中是遠遠不夠的。

(3)感應加速腔的供電系統結構復雜，體積龐大，維護困難。

(4)如果用這種結構加速重離子，則要求感應腔的脈沖很寬，寬到重離子通過整個加速段的長度。

發明內容