[發明專利]介質壁加速器加速單元

無效

• 申請號: 201010291481.8
• 申請日: 2010-09-15
• 公開（公告）號: CN102014569A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 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: 卿誠;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加速單元。

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。

目前，比較成熟的強流加速器是直線感應加速器。直線感應加速器的每個加速單元內側裝有多塊鐵氧體，高壓脈沖輸入時，在鐵氧體內形成電場，而在其次級產生加速電壓，對經過的粒子加速。其工作過程可用“變壓器模型”來描述：在加速腔中，脈沖功率系統的饋入電流沿著加速腔的端面流入，并經過加速管道流向加速腔的另一個端面，這個路徑形成了變壓器的單匝初級繞組，加速腔內的鐵氧體材料相當于變壓器的磁芯材料，而粒子束流相當于變壓器的單匝次級繞組。加速腔相當于一個1∶1的變壓器。這樣的加速單元串接起來，粒子束依次經過各個變壓器，能量便逐步升高到預定值。

這種結構決定了直線感應加速器存在以下幾個問題。

首先，粒子只有在加速腔端面的加速間隙之間(相鄰兩加速單元之間的間隙)內才能夠得到加速，在加速腔內部粒子處于自由漂移的狀態，無法得到加速。這就使得直線感應加速器的加速梯度很低，每個加速單元的加速梯度高在0.5-0.75MeV/m左右。一臺20MeV直線感應加速器一般由近百個加速單元串接起來，每個加速單元長度約0.5米，所以占地寬。

其次，為了獲得一定電壓幅度和脈沖寬度、即一定“伏—秒數”的加速電壓脈沖，需要使用大量昂貴的鐵氧體材料，加速電壓幅度越高、脈沖寬度越寬，需要的鐵氧體材料就越多。在目前的實際工程中，鐵氧體材料所占的經費比重是各部分最大的，所以直線感應加速器造價昂貴。

另外，使用鐵氧體材料還會帶來一個問題，即鐵氧體的復位問題。直線感應加速器的工作過程，實際上是一個鐵氧體磁化的過程，在加速過程結束后，鐵氧體實際上已處于磁化飽和的狀態；那么，為了進行下一次的加速過程，需要首先進行退磁，即鐵氧體的復位。所以，必須要有一套復雜的復位裝置與之配套。由于鐵氧體必須有復位過程，直線感應加速器很難工作在高重復頻率之下，一般的工作方式均為單次脈沖。

因此，由于加速原理的限制，上述加速器體積大、造價高，結構復雜，運行維護困難。

介質壁加速器是近年來新提出來的一種新型的強流加速器概念，具有加速束流強，加速梯度高、結構簡單，造價較低的特點。這種加速器既可加速電子、質子，也可以加速帶電重粒子(例如碳粒子、鉀粒子等)，可用于閃光X光照相、質子照相、核電站核廢料轉化與處理、質子(或C¹²粒子)治療癌癥等領域。然而，國內外對這種加速器的研究還很少，更沒有相關工程結構方面的研究。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種加速束流強、加速梯度高、結構簡單、造價較低的介質壁加速器加速單元。采用該加速單元制造的介質壁加速器可以加速帶電重粒子(例如碳粒子、鉀粒子等)，可用于閃光X光照相，質子照相，核電站核廢料轉化與處理，質子(或C¹²粒子)治療癌癥等，且體積小，長度僅3-5米。

本發明的解決方案是：一種介質壁加速器加速單元，包括密封筒體，筒體中間的加速管道，加速管道中間形成貫通的加速通道，及安裝在筒體內、位于加速管道外側的加速脈沖形成裝置以及吸收、阻止電磁干擾裝置，其中粒子加速通道為真空通道，加速管道與筒體之間的空間注入耐高壓絕緣介質，其特點是加速管道為絕緣介質束管道，加速脈沖形成裝置包括至少兩塊介質絕緣平板，每塊介質絕緣平板上鍍有金屬電極，中間兩介質絕緣平板之間設有高壓輸入端，高壓輸入端與其中一介質絕緣平板的金屬電極之間接有半導體光導開關。

本發明的工作機理是：通過高壓輸入端將電壓加到兩介質絕緣平板中間時，在兩板中產生的電場大小相等、方向相反，帶電粒子不能被加速。被加速粒子注入加速通道時，半導體光導開關閉合，便會在兩介質絕緣平板間產生一個加速電壓脈沖，粒子束經過時，便被加速而增加能量，加速脈沖幅值為所加的電壓值。在醫用治療癌癥的質子加速中，要求質子束流強度約1A；而在核電站核廢料處理與轉化的加速器中，要求束流強約10-100A。這兩種用途的技術要求，本發明的解決方案均能滿足。

本發明的解決方案中，介質絕緣平板可采用微波介質陶瓷板，其相對介電常數、相對磁導率、介質損耗因子等性能指標較好。