[发明专利]交叉指型漂移管直线加速器及直线加速器系统

说明书

本发明涉及一种交叉指型漂移管直线加速器，包括：真空射频谐振腔，该真空射频谐振腔沿入射粒子束前进方向划分为若干交替的纵向加速段和横向聚焦段，且在腔体内壁上沿腔体横截面直径对称地设有一对脊结构；以及多个漂移管，该漂移管沿真空射频谐振腔中心轴线布置在腔体内部，并且依次交替地通过支撑杆与不同脊结构固接，各漂移管的轴线与真空射频谐振腔的中心轴线重合；纵向加速段中的漂移管为无磁漂移管，横向聚焦段内的漂移管为磁铁漂移管，且每个内部沿轴向设有单个梯度可调四极磁铁，各个梯度可调四极磁铁的磁中心轴线均与磁铁漂移管机械中心轴线重合，相邻各梯度可调四极磁铁以聚焦‑散焦形式交替布置。本发明还涉及一种直线加速器系统。

技术领域

本发明涉及一种交叉指型漂移管直线加速器。本发明还涉及一种直线加速器系统。

背景技术

漂移管直线加速器通过在圆柱形谐振腔内沿射束前进方向配置两个以上中空圆柱形状的漂移管电极来构成。对圆柱形谐振腔内提供高频功率，以漂移管电极之间产生的高频电场对带电粒子(例如，质子或碳离子等)沿射束前进方向进行加速。将漂移管电极的配置设计成当高频电场的朝向与正离子射束前进方向相反时，带电粒子正好运动于漂移管电极之内，避免受到电场的减速。

在圆柱形谐振腔内产生的电磁场模式有TM模式(在圆柱形谐振腔的轴向产生电场)和TE模式(在圆柱形谐振腔的轴向产生磁场)。

采用TM模式的漂移管直线加速器例如阿尔瓦雷茨(Alvarez)型漂移管直线加速器。在阿尔瓦雷茨型漂移管直线加速器中，由于圆柱形谐振腔内的电磁场模式被直接用于在漂移管电极之间产生的加速电场或聚焦电场，因此，漂移管电极以从圆柱形谐振腔垂下的方式被同侧的杆状部支撑。

采用TE模式的漂移管直线加速器则例如交叉指(IH：interdigital-H)型漂移管直线加速器等。在交叉指型漂移管直线加速器中，由于圆柱形谐振腔内的电磁场模式无法被直接用于加速电场或聚焦电场，因此将支撑漂移管电极的杆状部在圆柱形谐振腔的上下(或左右)交叉配置，从而利用支撑漂移管电极的结构在漂移管电极之间间接地产生加速电场或聚焦电场。

也就是说，TE模式的漂移管直线加速器中，由于磁场沿束线方向，因而射频功率不直接产生沿束线方向的电场，而是在相对的两个脊结构及其相连的支撑杆上产生相反的电势，漂移管交替地与两个脊结构相连，相邻的两个漂移管之间存在电势差，从而形成加速电场。

若对这些谐振腔的内部引入特定频率的高频功率，则会引起谐振而在漂移管电极之间产生电场。由在漂移管电极之间产生的此电场使粒子越过漂移管电极之间时不断被加速。

粒子束是带电粒子的集合体，随着粒子束沿前进方向前进，其在径向和前进方向都发生扩散，特别是由于径向的发散会与真空管的管壁碰撞造成粒子束的损失。为解决该发散问题，需要横向聚焦和纵向聚束。在纵向的聚束根据自动稳相原理，选择合适的加速相位(一般选择-30°左右)就可实现：在横向的聚焦则需要引入额外的四极磁铁。

交叉指型漂移管直线加速器主要有两种：KONUS(Kombinierte Null GradStrukture：组合0相位加速结构)漂移管直线加速器(Tiede R,Ratzinger U, Podlech H,et al.KONUS beam dynamics designs using H mode cavities[J].Hadron Beam,2008,1:2013.)和APF(Alternating Phase Focusing，交变相位聚焦)-IH漂移管直线加速器(Iwata Y,Yamada S,Murakami T,et al. Alternating phase focused IH DTL for aninjector of heavy ion medical accelerators[J].Nuclear Instruments and Methodsin Physics Research Section A: Accelerators,Spectrometers,Detectors andAssociated Equipment,2006,569 (3):685 696.)。