[发明专利]带电粒子生成器

说明书

本发明涉及包括多个带电粒子束生成器单元的带电粒子束生成器。特别地，本发明涉及用于生成高能、高电流质子束的设备。

带电粒子束生成器是众所周知的。他们通常包括可以提供想要的离子或带电亚原子粒子的带电粒子源。注入器用于从由源产生的带电粒子形成带电粒子束。使用加速器将带电粒子加速到想要的能量，并将其经由传输线传输到目标。加速器可以形成带电粒子束，或可以接收已形成的带电粒子束。以该方式处理许多不同类型的带电粒子，从诸如电子和质子的亚原子粒子到诸如在生物样品分析中发现的重有机离子和如基本粒子（B⁺、Ga⁺）的光离子。

由于改进的高能量、高电流的质子束的源的需要的存在，因此质子束是本发明特别感兴趣的。虽然能够生成高能量、高电流的质子束，但是目前的努力已经产生了受困于可靠性问题的设备。如果能够提供一种设备，其能够提供稳定且可靠的高能量、高电流的质子束，则很多技术领域将从中受益。

例如，将受益于这样的质子束的一个应用是加速器驱动的次临界反应堆。加速器驱动的次临界反应堆也已知为能量放大器，这是因为核反应堆所产生的能量的一小部分被反馈回以给提供质子束的粒子加速器供电。在传统的能量生产核反应堆中，裂变过程是至关重要的，从而裂变本身产生维持反应所需的中子。按照定义，次临界反应需要中子的馈送以维持裂变过程。提供中子源的一种方式是通过散裂。高能质子束用于将质子流传输到通常包含在燃料棒中的散裂目标。散裂看到质子撞击目标，使得目标核弹出包括所需的中子流的颗粒。然而，裂变反应敏感于质子束的传输，从而甚至质子束中短时间的缺失（drop out）也会破坏中子产生，这足以使裂变反应停止。因此，目前的努力由于质子束生成器的前述不可靠性而仅获得了有限的成功。

意识到的是，相对于传统的产生能量的核反应堆，可靠的加速器驱动的次临界反应堆将提供许多好处。例如，可以使用核燃料的更大的选择从而可以使用比铀和钚更有利的燃料。有希望的候选者是钍。钍不是裂变材料，但它能产生裂变物质从而能够根据以下反应转变为裂变²³³U：

²³²Th+n→²³³Th→²³³Pa+β^--²³³U+β^-

钍由于它相对于铀（和钚）具有很多优点而受到了很大关注，其优点例如为：

1．在地壳中，钍的储藏量是铀的三倍。

2．在地壳中发现的钍不要求像铀那样昂贵的浓缩方式。结果，可以使用纯钍燃料棒，然后在发生散裂时将其转换成钍/铀混合物。

3．钍的反应方案几乎不生产钚，因而使其成为不扩散核燃料源的好的候选者。

4.产生的放射性废料的存在时间很短，使得处置问题变得很容易。

为与加速器驱动的次临界反应堆一起使用而提出的粒子加速器能够常采用若干传统方案中的一个。在一个示例中，源给注入器提供离子，并且注入器将负氢（H^-）离子注入到直线加速器(linac)中。该直线加速器对离子进行加速，然后将离子注入到同步加速器中。在注入时，从每个H^-离子剥离两个电子以生产质子。在同步加速器中，质子能量被再次升高到想要的束能量。同步加速器也可以用于积累质子以到达想要的束流。质子然后被从同步加速器取出并且引导到反应器，在反应器处，质子被击入散裂靶中以产生将能够产生裂变物质的钍转变为裂变铀的中子。

本发明的目标在于改进当前加速器设计以产生可以产生可靠的高能、高电流粒子束的适合于与加速器驱动的次临界反应堆一起使用的粒子加速器。

在这种背景下，并且根据第一方面，本发明提供了一种使用质子束生成器生成复合质子束的方法，该质子束生成器包括n个质子束生成器单元，其中n至少为2。在n个质子束生成器单元中的每一个质子束生成器单元中，H^-源用于生成离子束，该离子被剥离为质子并且质子束被加速并且然后被引导到公共束线。因此n个质子束在进入束线时被合并以形成复合质子束。

提供多个质子束生成器单元增加了可靠性，即任何一个质子束生成器单元的故障不会导致离子束的完全故障。此外，如下面更详细地描述的，可以对剩余的质子束生成器单元进行进一步有利的修改以补偿一个单元的失去。此外，本发明的布置允许使单个质子束生成器停止使用以进行维修等等，并且在该情况下仍然能够提供复合束。