[发明专利]介质壁加速器加速单元

说明书

技术领域

本发明为一种强流粒子加速器，特别是加速束流强，加速梯度高的介质壁加速器加速单元。

背景技术

加速器技术经过百多年的发展，有了长足的进步。各种结构的加速器在国民经济发展、科学研究、医疗卫生、国防建设等领域内发挥着十分重要的作用。但是目前的加速器都有着其不足之处，或者束流强度小，或者加速梯度低，或者造价昂贵，动辄数十亿、甚至数百亿元人民币。

目前，比较成熟的强流加速器是直线感应加速器。直线感应加速器的每个加速单元内侧装有多块铁氧体，高压脉冲输入时，在铁氧体内形成电场，而在其次级产生加速电压，对经过的粒子加速。其工作过程可用“变压器模型”来描述：在加速腔中，脉冲功率系统的馈入电流沿着加速腔的端面流入，并经过加速管道流向加速腔的另一个端面，这个路径形成了变压器的单匝初级绕组，加速腔内的铁氧体材料相当于变压器的磁芯材料，而粒子束流相当于变压器的单匝次级绕组。加速腔相当于一个1∶1的变压器。这样的加速单元串接起来，粒子束依次经过各个变压器，能量便逐步升高到预定值。

这种结构决定了直线感应加速器存在以下几个问题。

首先，粒子只有在加速腔端面的加速间隙之间(相邻两加速单元之间的间隙)内才能够得到加速，在加速腔内部粒子处于自由漂移的状态，无法得到加速。这就使得直线感应加速器的加速梯度很低，每个加速单元的加速梯度高在0.5-0.75MeV/m左右。一台20MeV直线感应加速器一般由近百个加速单元串接起来，每个加速单元长度约0.5米，所以占地宽。

其次，为了获得一定电压幅度和脉冲宽度、即一定“伏—秒数”的加速电压脉冲，需要使用大量昂贵的铁氧体材料，加速电压幅度越高、脉冲宽度越宽，需要的铁氧体材料就越多。在目前的实际工程中，铁氧体材料所占的经费比重是各部分最大的，所以直线感应加速器造价昂贵。

另外，使用铁氧体材料还会带来一个问题，即铁氧体的复位问题。直线感应加速器的工作过程，实际上是一个铁氧体磁化的过程，在加速过程结束后，铁氧体实际上已处于磁化饱和的状态；那么，为了进行下一次的加速过程，需要首先进行退磁，即铁氧体的复位。所以，必须要有一套复杂的复位装置与之配套。由于铁氧体必须有复位过程，直线感应加速器很难工作在高重复频率之下，一般的工作方式均为单次脉冲。

因此，由于加速原理的限制，上述加速器体积大、造价高，结构复杂，运行维护困难。

介质壁加速器是近年来新提出来的一种新型的强流加速器概念，具有加速束流强，加速梯度高、结构简单，造价较低的特点。这种加速器既可加速电子、质子，也可以加速带电重粒子(例如碳粒子、钾粒子等)，可用于闪光X光照相、质子照相、核电站核废料转化与处理、质子(或C¹²粒子)治疗癌症等领域。然而，国内外对这种加速器的研究还很少，更没有相关工程结构方面的研究。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种加速束流强、加速梯度高、结构简单、造价较低的介质壁加速器加速单元。采用该加速单元制造的介质壁加速器可以加速带电重粒子(例如碳粒子、钾粒子等)，可用于闪光X光照相，质子照相，核电站核废料转化与处理，质子(或C¹²粒子)治疗癌症等，且体积小，长度仅3-5米。

本发明的解决方案是：一种介质壁加速器加速单元，包括密封筒体，筒体中间的加速管道，加速管道中间形成贯通的加速通道，及安装在筒体内、位于加速管道外侧的加速脉冲形成装置以及吸收、阻止电磁干扰装置，其中粒子加速通道为真空通道，加速管道与筒体之间的空间注入耐高压绝缘介质，其特点是加速管道为绝缘介质束管道，加速脉冲形成装置包括至少两块介质绝缘平板，每块介质绝缘平板上镀有金属电极，中间两介质绝缘平板之间设有高压输入端，高压输入端与其中一介质绝缘平板的金属电极之间接有半导体光导开关。

本发明的工作机理是：通过高压输入端将电压加到两介质绝缘平板中间时，在两板中产生的电场大小相等、方向相反，带电粒子不能被加速。被加速粒子注入加速通道时，半导体光导开关闭合，便会在两介质绝缘平板间产生一个加速电压脉冲，粒子束经过时，便被加速而增加能量，加速脉冲幅值为所加的电压值。在医用治疗癌症的质子加速中，要求质子束流强度约1A；而在核电站核废料处理与转化的加速器中，要求束流强约10-100A。这两种用途的技术要求，本发明的解决方案均能满足。

本发明的解决方案中，介质绝缘平板可采用微波介质陶瓷板，其相对介电常数、相对磁导率、介质损耗因子等性能指标较好。