用于真空中的轮轴式粒子加速器降能装置及其降能方法

摘要

本发明属于粒子加速器技术领域，涉及一种用于调节加速器引出粒子能量的被动降能器装置，具体地为一种可在真空中使用的轮轴式粒子加速器降能装置及其降能方法。所述降能器包括：一个旋转驱动机构，一个旋转盘上安装多个降能挡块和一套真空系统。真空系统使旋转盘及降能挡块处于真空环境中，通过旋转驱动机构使旋转盘旋转，从而改变束流位置处降能挡块的厚度以实现能量的调节。本发明结构紧凑，有利于小型化；采用磁流体密封传动装置，真空可靠性高；采用轮轴式结构，能够实现不同能量的快速调节；降能挡块拆装方便，利于更换；是一种非叠加式降能方法，对束流发射度影响小。

说明书

技术领域

本发明属于粒子加速器技术领域，涉及一种用于调节加速器引出粒子能量的被动降能器装置，具体地为一种可在真空中使用的轮轴式粒子加速器降能器及其降能方法。

背景技术

在粒子加速器技术领域，特别是引出能量固定的回旋加速器和直线加速器领域，常采用一种利用粒子与物质相互作用损失能量原理而实现的被动降能装置。在同步加速器中，由于加速器往往有一个最低引出能量，有时也会用到这种被动降能装置。

这种降能装置的核心是不同厚度的材料挡块，当特定能量的束流通过不同厚度的材料挡块时，通过电离和散射等方式损失的能量不同，从而在穿过挡块后得到不同能量的粒子束。

目前，常用的降能装置主要有三种：一种是基于单向插入式运动机构，在运动机构的前端安装阶梯厚度的降能挡块，实现不同能量的调节；第二种是采用双侧插入式运动机构，在运动机构前端安装楔形挡块，通过两个楔形挡块的组合实现挡块厚度的调节，从而实现能量调节功能；第三种是基于旋转机构，在一个圆盘上布置不同厚度的挡块，来实现能量的调节。

其中，单向插入的阶梯状挡块式降能器的优点是结构比较简单，易于实现，如附图3所示。但要实现多个能量档位，需要在一个直线驱动机构上排列多个具有一定尺寸、厚度不同的挡块，在垂直束流方向上所占用的体积往往较大，不易于小型化，也无法实现能量的连续调节。

双侧插入的楔形结构降能器采用的是一对完全对称的楔形块，通过径向控制两楔形块的距离，使得轴向的束流经过的降能器材料厚度改变，从而实现能量的调节，如附图4所示。这种降能器可以实现能量的连续调节，缺点一是对定位精度要求较高；二是两侧降能挡块之间有真空间隙，也使得这种降能器不够紧凑；三是束流经过多次散射，发射度增长较大，传输效率偏低。

基于旋转机构的降能装置优点是比较紧凑，可在一个旋转盘上布置较多的挡块，实现多个能量档位的调节，难点是涉及真空中的旋转运动，实现起来比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可快速改变质子(重离子)加速器粒子束能量的、可在真空中使用的、结构紧凑的、便于更换降能块的降能器装置。利用电机驱动的轮轴型机构带动旋转盘旋转，降能挡块安装在旋转盘外侧，通过旋转改变束流位置处降能挡块的厚度从而实现能量的快速切换，从而在物理实验或放射性治疗中为用户提供不同能量的粒子束流。为实现这个目的，需要将降能器装置安装在束流输运线中，并保持输运线上的高真空状态。

本发明的技术解决方案是提供一种用于真空中的轮轴式粒子加速器降能装置，其特殊之处在于：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；

旋转驱动机构的驱动轴穿过真空腔体与降能转盘连接；

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挡块，各降能挡块位于同一圆周上；

上述真空腔体上设有进口束流管道及出口束流管道，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挡块后，通过出口束流管道出射。

优选地，上述旋转驱动机构包括伺服电机及磁流体密封传动装置；

伺服电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。

优选地，旋转驱动机构还包括减速机，上述减速机的输入轴与伺服电机输出轴连接，上述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。利用伺服电机、减速机和联轴器驱动一个中心轴，为真空腔体内提供旋转运动，带动旋转盘转动，使不同厚度的降能挡块对准束流管道中心。

优选地，旋转盘上沿同一圆周开有N个孔位，N-1个降能挡块以可拆卸的方式分别固定于孔位内。根据细分能量要求，在旋转盘孔位上安装若干个不同厚度的降能挡块。根据使用状态的能量要求，将特定厚度的降能挡块快速旋转到提前标定好的束流管道中心位置，从而实现能量的快速切换。

优选地，降能挡块通常采用密度较高但原子序数较低的材料，如石墨、铝等，一是保证束流通过单位厚度的挡块损失的能量较多，从而降低挡块的厚度；二是由于材料的原子序数低，散射作用较小，有利于控制束流的发射度；三是由于轻元素不易活化，可以有效降低降能装置的感生放射性水平，有利于加速器的运行维护。

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。采用更换窗实现束流挡块的维修更换。

优选地，本发明降能装置还包括支撑底座，真空腔体位于支撑底座上。

优选地，真空腔体为圆柱形腔，端面可拆卸。

优选地，旋转盘的材料为不锈钢。

本发明还提供一种利用上述的用于真空中的轮轴式粒子加速器降能装置实现降能的方法，包括以下步骤：

步骤一：利用准直设备标定各降能挡块移至束流管道中心时伺服电机转动的圈数，并在控制系统中进行记录；并在控制系统中记录各降能挡块相应的降能量；

步骤二：根据加速器的工作状态，选取相应的降能挡块，控制伺服电机转动圈数，使对应的降能挡块对准束流管道中心位置，束流经过特定厚度的降能挡块，能量降低至所需能量。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用不同厚度的材料挡块实现粒子束能量的改变，结构紧凑，有利于小型化；

2、本发明采用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，真空可靠性高；

3、本发明操作方便，采用轮轴式结构，能够实现不同能量的快速、精确调节；

4、本发明降能块通过观察窗和更换窗，拆装方便，利于检修、更换；

5、本发明为非叠加式降能，在降低定位精度的同时，避免了束流发射度增长过大，为粒子加速器降能提供了小型化的解决方案。

附图说明

图1是本发明用于真空中的轮轴式粒子加速器降能装置的结构总图；

图2是本发明提供的旋转盘6和降能挡块7结构图；

图3是现有技术单向插入的阶梯状挡块式降能器示意图；

图4是现有技术双侧插入的楔形结构降能器示意图；

图中附图标记为：1-伺服电机；2-减速机；3-联轴器；4-磁流体密封传动装置；5-中心轴；6-旋转盘；7-降能挡块；8-进口束流管道；9-出口束流管道；10-抽真空管道；11-更换窗；12-观察窗；13-支撑底座；14-真空腔。

具体实施方式

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。

从图1可以看出，本实施例降能装置主要包括旋转驱动机构、真空腔体14及位于真空腔体14内部的降能转盘；

旋转驱动机构包括伺服电机1、减速机2及磁流体密封传动装置4；

减速机2的输入轴与伺服电机1输出轴连接，减速机2的输出轴通过联轴器3与磁流体密封传动装置4的中心轴5连接，磁流体密封传动装置4的中心轴5穿过真空腔体14与降能转盘连接；磁流体密封传动装置4为真空室中导入旋转运动并实现真空密封。伺服电机1输出旋转运动，由减速机2实现减速及转向，通过联轴器3与中心轴5连接，从而带动旋转盘6转动。

降能转盘包括旋转盘6及降能挡块7，旋转盘6上沿同一圆周开有N个孔位，N-1个降能挡块7以可拆卸的方式分别固定于孔位内；

真空腔体14为圆柱形腔，其上设有进口束流管道8及出口束流管道9，束流从进口束流管道8进入真空腔体14，垂直穿过降能转盘上的降能挡块7后，通过出口束流管道9出射。真空腔体14固定在支撑底座13上，真空腔体14上还设有更换窗11、观察窗12及抽真空管道10，在需要维修或更换降能块时，可通过打开更换窗11法兰，更换所需的一个或多个降能挡块7，而不需要对整个装置进行拆卸和重新安装。

将本实施例的降能装置用于质子同步加速器装置中，该同步加速器可直接引出能量为60～230MeV的质子束流用于辐照实验，对于60MeV以下的能量调节，需要通过本实施例中的降能器来实现。

如附图2所示，该实施例中不锈钢旋转盘6上有24个孔位，一个孔位未安装降能挡块7，其它孔位分别装有23个不同厚度的、可拆卸的石墨挡块，用于实现质子在60MeV以下的能量调节，其中石墨挡块的厚度和其调节能量的对应关系如下表所示，该计算使用蒙特卡洛程序TRIM完成。

表1石墨降能挡块的厚度和其调节能量的对应关系

该降能装置的使用步骤如下：

(1)工作前先利用测量臂等准直设备标定每个厚度的降能挡块7移至束流管道中心时伺服电机1转动的圈数，并在计算机控制系统中进行记录。其中，旋转盘6上留有一个未安装降能挡块7的位置，记为0号位置。

(2)当实验用户所需质子束流能量为60MeV以上时，加速器不需要降能，将束流管道对准旋转盘6上的0号位置，此时束流未经任何物体阻挡即可通过降能器真空室，束流能量保持为直接引出的能量。

(3)在需要将引出束流的能量降到60MeV以下某个能量点时，只需在计算机控制系统中输入该能量编号，在真空环境下驱动系统带动旋转盘6转动指定圈数，使该能量对应的降能块对准束流管道中心位置，束流经过特定厚度的降能挡块7，能量降低至所需能量。

(4)在需要维修或更换降能块时，可通过打开更换窗11法兰，更换所需的一个或多个降能块，而不需要对整个装置进行拆卸和重新安装。

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，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。