一種高磁場下微型潘寧離子源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于超導(dǎo)回旋加速器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高磁場下微型潘寧離子源，包括通過陽極支架設(shè)置在一對(duì)能夠產(chǎn)生高磁場的電磁鐵之間的中空的陽極筒，陽極筒兩端設(shè)有一對(duì)陰極，陰極通過第一絕緣件、第二絕緣件設(shè)置在陽極支架上，陽極支架中設(shè)有氫氣管道，氫氣管道能夠?qū)錃馑腿腙枠O筒中，陰極上能夠加載高頻電壓，其中，陽極筒的長為50mm，內(nèi)腔直徑為2.3mm，筒壁厚度為0.75mm，筒體一側(cè)設(shè)有長6?10mm、寬0.5mm的引出縫；陰極、第一絕緣件、第二絕緣件、陽極支架的出氣不影響離子源中的真空度；出氣是指材料在真空中放出氣體。該離子源結(jié)構(gòu)緊湊，能夠設(shè)置在微小狹窄的空間內(nèi)。能夠在很低的氣壓下發(fā)生放電，滿足超導(dǎo)等時(shí)性回旋加速器的設(shè)計(jì)需求。
【專利說明】
一種高磁場下微型潘寧離子源
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于超導(dǎo)回旋加速器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高磁場下微型潘寧離子源
【背景技術(shù)】
[0002]回旋加速器是利用磁場和電場共同使帶電粒子作回旋運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)高頻電場反復(fù)加速的裝置，是高能物理中的重要儀器，其中超導(dǎo)等時(shí)性回旋加速器(超導(dǎo)回旋加速器的一個(gè)分支)是目前醫(yī)用質(zhì)子治療加速器的核心設(shè)備。醫(yī)用質(zhì)子治療加速器能夠?qū)崿F(xiàn)用微觀世界中的質(zhì)子、重離子射線治療腫瘤，是當(dāng)今世界最尖端的放射治療技術(shù)，僅有個(gè)別發(fā)達(dá)國家掌握并應(yīng)用該技術(shù)。
[0003]在超導(dǎo)等時(shí)性回旋加速器中，離子源技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)(離子源是使中性原子或分子電離，并從中引出離子束流的裝置)。離子源是束流的源頭，決定著束流品質(zhì)，也直接影響著超導(dǎo)等時(shí)性回旋加速器的性能。但同時(shí)，也是超導(dǎo)等時(shí)性回旋加速器的一個(gè)難點(diǎn)，主要困難表現(xiàn)在以下三方面:
[0004]1.超導(dǎo)等時(shí)性回旋加速器的磁場強(qiáng)度約為2.3T，離子源的束流通過高頻電壓直接引出，在大約14kV高頻電壓下，束流在加速器中第一圈的束流直徑約Φ 10mm，這就直接決定了離子源的安裝空間不能大于5_，同時(shí)由于離子源的引出縫隙對(duì)應(yīng)著高頻腔(高頻腔用于為束流中的帶電粒子加速提供加速能量)，也就決定了離子源有效空間約為Φ 5mm，因此超導(dǎo)等時(shí)性回旋加速器的離子源的零部件尺寸相對(duì)傳統(tǒng)離子源小得多，結(jié)構(gòu)緊湊，加工、安裝難度大。
[0005]2.在2.3T強(qiáng)度的磁場下，離子源的起弧狀態(tài)、離子源對(duì)氣流量的要求、引出電壓對(duì)束流的影響等問題都與低磁場狀態(tài)不同。
[0006]3.離子源需要在真空環(huán)境中工作，由于整體結(jié)構(gòu)非常小，其真空度比較難達(dá)到較尚真空O

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)超導(dǎo)等時(shí)性回旋加速器離子源的是難點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種能夠安裝在狹小安裝空間內(nèi)、在磁場強(qiáng)度高于2T的環(huán)境下穩(wěn)定工作的高品質(zhì)微型離子源。
[0008]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種高磁場下微型潘寧離子源，包括通過陽極支架設(shè)置在一對(duì)能夠產(chǎn)生高磁場的電磁鐵之間的中空的陽極筒，所述陽極筒兩端設(shè)有一對(duì)陰極，所述陰極通過第一絕緣件、第二絕緣件設(shè)置在所述陽極支架上，所述陽極支架中設(shè)有氫氣管道，所述氫氣管道能夠?qū)錃馑腿胨鲫枠O筒中，所述陰極上能夠加載高頻電壓，其中，所述陽極筒的長為50mm，內(nèi)腔直徑為2.3mm，筒壁厚度為0.75mm，筒體一側(cè)設(shè)有長6-10mm、寬0.5mm的引出縫;所述陰極、第一絕緣件、第二絕緣件、陽極支架的出氣不影響所述潘寧離子源中的真空度;所述出氣是指材料在真空中放出氣體。
[0009]進(jìn)一步，所述陽極筒采用耐高溫高壓、低出氣的鎢銅合金制作。
[0010]進(jìn)一步，所述陰極采用低出氣的100%純度的鉭制作，所述陰極加載的高頻電壓為80kVo
[0011]進(jìn)一步，所述第一絕緣件、第二絕緣件采用耐高溫高壓、低出氣的陶瓷材料制作。
[0012]進(jìn)一步，所述陽極支架采用耐高溫高壓、低出氣的媽銅合金材料制作。
[0013]進(jìn)一步，所述電磁鐵的磁場強(qiáng)度為2.3T。
[0014]進(jìn)一步，所述陽極支架有兩個(gè)，對(duì)稱設(shè)置在所述電磁鐵的內(nèi)側(cè);所述陽極筒的兩端分別密封設(shè)置在兩個(gè)所述陽極支架中；兩個(gè)所述陰極通過所述第一絕緣件分別密封設(shè)置在兩個(gè)所述陽極支架中；所述陽極筒兩端的空間分別與兩個(gè)所述陰極連通。
[0015]進(jìn)一步，所述氫氣管道設(shè)置在其中一個(gè)所述陽極支架內(nèi)部。
[0016]更進(jìn)一步，所述氫氣管道的直徑為外徑2mm。
[0017]進(jìn)一步，所述氫氣為高純氫氣，輸入壓力是2個(gè)大氣壓。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:
[0019]1.結(jié)構(gòu)緊湊，能夠設(shè)置在微小狹窄的空間內(nèi)，能夠滿足超導(dǎo)等時(shí)性回旋加速器的設(shè)計(jì)需求。
[0020]2.提高了自由電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高了電離效率，能夠在很低的氣壓下發(fā)生放電產(chǎn)生等離子體。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中所述一種高磁場下微型潘寧離子源的剖視圖；
[0022]圖中:1-陰極，2-第一絕緣件，3-陽極支架，4-電磁鐵，5-陽極筒，6_磁場方向，7_氫氣管道，8-引出縫，9-第二絕緣件。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明提供的一種高磁場下微型潘寧離子源，安裝在超導(dǎo)等時(shí)性回旋加速器的電磁鐵4中，由陰極1、第一絕緣件2、陽極支架3、陽極筒5、氫氣管道7、第二絕緣件9組成。其中，陰極1、第一絕緣件2、第二絕緣件9、陽極支架3的出氣不影響離子源中的真空度。出氣是指材料在真空中放出氣體，離子源需要工作在真空環(huán)境中，材料的出氣會(huì)對(duì)離子源內(nèi)的電離反應(yīng)產(chǎn)生非常不利影響。
[0025]陽極筒5為中空的金屬管，通過陽極支架3設(shè)置在一對(duì)能夠產(chǎn)生高磁場的電磁鐵4之間。陽極筒5采用耐高溫高壓、低出氣的鎢銅合金制作。陽極筒5的長為50mm，內(nèi)腔直徑為2.3mm，筒壁厚度為0.75mm，筒體一側(cè)設(shè)有長6mm-10mm、寬0.5mm的引出縫8。
[0026]在陽極筒5兩端設(shè)有一對(duì)陰極I，陰極I同樣設(shè)置在陽極支架3上，陰極I通過第一絕緣件2、第二絕緣件9設(shè)置在陽極支架3上并與陽極支架3隔離，陰極I上能夠加載高頻電壓。陰極I采用低出氣的100%純度的鉭制作，陰極I加載的高頻電壓為80kV。
[0027]第一絕緣件2為圓筒形，第二絕緣件9為不規(guī)則片狀，二者均采用耐高溫高壓、低出氣、可加工的陶瓷材料制作，第一絕緣件2用于陰極I與陽極支架3之間的絕緣隔離，第二絕緣件9用于陰極I與陽極筒5之間的絕緣隔離。
[0028]陽極支架3有兩個(gè)，對(duì)稱設(shè)置在電磁鐵4的內(nèi)側(cè)，陽極支架3采用耐高溫高壓、低出氣的鎢銅合金材料制作。陽極筒5的兩端分別密封設(shè)置在兩個(gè)陽極支架3中；兩個(gè)陰極I通過第一絕緣件2分別密封設(shè)置在兩個(gè)陽極支架3中；陽極筒5兩端的空間分別與兩個(gè)陰極I連通。
[0029]在陽極支架3中設(shè)有氫氣管道7，氫氣管道7能夠?qū)錃馑腿腙枠O筒5中。氫氣管道7設(shè)置在兩個(gè)陽極支架3的其中一個(gè)的內(nèi)部(通過在陽極支架3上鉆孔得到)，氫氣管道7的直徑為外徑2mm。輸入離子源中的氫氣為高純氫氣。在本實(shí)施例中，高純氫氣的輸入壓力是2個(gè)大氣壓(也就是0.2MPa)。
[0030]在本實(shí)施例中，電磁鐵4采用低出氣的純鐵材料制作，電磁鐵4的磁場強(qiáng)度為2.3T。
[0031]最后舉例說明本發(fā)明所提供的一種高磁場下微型潘寧離子源的實(shí)際電離過程。
[0032]一個(gè)陽極筒5作為陽極，在其兩端為同電位的一對(duì)陰極I，由陽極筒5和陰極I構(gòu)成的整個(gè)放電室位于電磁鐵4之間，形成平行于圓筒形的陽極筒5的軸向的磁場6，在氫氣管道7內(nèi)通入氫氣，陽極筒5與陰極I間加載上千伏的電壓。當(dāng)電離開始時(shí)，電子在電場和磁場共同作用下在陽極筒5內(nèi)成螺旋線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也防止電子向陽極壁(即陽極筒5的內(nèi)壁)擴(kuò)散。在陽極筒5內(nèi)的空間中的自由電子在電磁場的作用下，進(jìn)行螺旋線運(yùn)動(dòng)，電子運(yùn)動(dòng)軌跡大大加長，導(dǎo)致它與中性氣體分子的碰撞幾率增大，提高了電離效率，使得這種結(jié)構(gòu)在很低的氣壓下也能發(fā)生放電，形成大量的等離子體，等離子體從引出縫8引出形成離子束流。
[0033]本發(fā)明所述的裝置并不限于【具體實(shí)施方式】中所述的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出其他的實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高磁場下微型潘寧離子源，包括通過陽極支架(3)設(shè)置在一對(duì)能夠產(chǎn)生高磁場的電磁鐵(4)之間的中空的陽極筒(5)，所述陽極筒(5)兩端設(shè)有一對(duì)陰極(I)，所述陰極(I)通過第一絕緣件(2)、第二絕緣件(9)設(shè)置在所述陽極支架(3)上，所述陽極支架(3)中設(shè)有氫氣管道(7)，所述氫氣管道(7)能夠?qū)錃馑腿胨鲫枠O筒(5)中，所述陰極(I)上能夠加載高頻電壓，其特征是:所述陽極筒(5)的長為50mm，內(nèi)腔直徑為2.3mm，筒壁厚度為0.75mm，筒體一側(cè)設(shè)有長6-10mm、寬0.5mm的引出縫(8);所述陰極(I)、第一絕緣件(2)、第二絕緣件(9)、陽極支架(3)的出氣不影響所述潘寧離子源中的真空度;所述出氣是指材料在真空中放出氣體。2.如權(quán)利要求1所述的潘寧離子源，其特征是:所述陽極筒(5)采用耐高溫高壓、低出氣的媽銅合金制作。3.如權(quán)利要求1所述的潘寧離子源，其特征是:所述陰極(I)采用低出氣的100%純度的鉭制作，所述陰極(I)加載的高頻電壓為80kV。4.如權(quán)利要求1所述的潘寧離子源，其特征是:所述第一絕緣件(2)、第二絕緣件(9)采用耐高溫高壓、低出氣的陶瓷材料制作。5.如權(quán)利要求1所述的潘寧離子源，其特征是:所述陽極支架(3)采用耐高溫高壓、低出氣的鎢銅合金材料制作。6.如權(quán)利要求1所述的潘寧離子源，其特征是:所述電磁鐵(4)的磁場強(qiáng)度為2.3T。7.如權(quán)利要求1所述的潘寧離子源，其特征是:所述陽極支架(3)有兩個(gè)，對(duì)稱設(shè)置在所述電磁鐵(4)的內(nèi)側(cè);所述陽極筒(5)的兩端分別密封設(shè)置在兩個(gè)所述陽極支架(3)中；兩個(gè)所述陰極(I)通過所述第一絕緣件(2)分別密封設(shè)置在兩個(gè)所述陽極支架(3)中；所述陽極筒(5)兩端的空間分別與兩個(gè)所述陰極(I)連通。8.如權(quán)利要求7所述的潘寧離子源，其特征是:所述氫氣管道(7)設(shè)置在其中一個(gè)所述陽極支架(3)內(nèi)部。9.如權(quán)利要求8所述的潘寧離子源，其特征是:所述氫氣管道(7)的直徑為外徑2mm。10.如權(quán)利要求1所述的潘寧離子源，其特征是:所述氫氣為高純氫氣，輸入壓力是2個(gè)大氣壓。
【文檔編號(hào)】H01J37/08GK106098517SQ201610615061
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月29日 公開號(hào)201610615061.8, CN 106098517 A, CN 106098517A, CN 201610615061, CN-A-106098517, CN106098517 A, CN106098517A, CN201610615061, CN201610615061.8
【發(fā)明人】賈先祿, 宋國芳, 張?zhí)炀?
【申請(qǐng)人】中國原子能科學(xué)研究院