一種高磁場下微型潘寧離子源的制作方法
【專利摘要】本發明屬于超導回旋加速器技術領域，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置在一對能夠產生高磁場的電磁鐵之間的中空的陽極筒，陽極筒兩端設有一對陰極，陰極通過第一絕緣件、第二絕緣件設置在陽極支架上，陽極支架中設有氫氣管道，氫氣管道能夠將氫氣送入陽極筒中，陰極上能夠加載高頻電壓，其中，陽極筒的長為50mm，內腔直徑為2.3mm，筒壁厚度為0.75mm，筒體一側設有長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。該離子源結構緊湊，能夠設置在微小狹窄的空間內。能夠在很低的氣壓下發生放電，滿足超導等時性回旋加速器的設計需求。
【專利說明】
一種高磁場下微型潘寧離子源
技術領域
[0001]本發明屬于超導回旋加速器技術領域，具體涉及一種高磁場下微型潘寧離子源
【背景技術】
[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動，在運動中經高頻電場反復加速的裝置，是高能物理中的重要儀器，其中超導等時性回旋加速器(超導回旋加速器的一個分支)是目前醫用質子治療加速器的核心設備。醫用質子治療加速器能夠實現用微觀世界中的質子、重離子射線治療腫瘤，是當今世界最尖端的放射治療技術，僅有個別發達國家掌握并應用該技術。
[0003]在超導等時性回旋加速器中，離子源技術是一項關鍵技術(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，也直接影響著超導等時性回旋加速器的性能。但同時，也是超導等時性回旋加速器的一個難點，主要困難表現在以下三方面:
[0004]1.超導等時性回旋加速器的磁場強度約為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_，同時由于離子源的引出縫隙對應著高頻腔(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，因此超導等時性回旋加速器的離子源的零部件尺寸相對傳統離子源小得多，結構緊湊，加工、安裝難度大。
[0005]2.在2.3T強度的磁場下，離子源的起弧狀態、離子源對氣流量的要求、引出電壓對束流的影響等問題都與低磁場狀態不同。
[0006]3.離子源需要在真空環境中工作，由于整體結構非常小，其真空度比較難達到較尚真空O
【發明內容】
[0007]針對超導等時性回旋加速器離子源的是難點，本發明的目的是提供一種能夠安裝在狹小安裝空間內、在磁場強度高于2T的環境下穩定工作的高品質微型離子源。
[0008]為達到以上目的，本發明采用的技術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置在一對能夠產生高磁場的電磁鐵之間的中空的陽極筒，所述陽極筒兩端設有一對陰極，所述陰極通過第一絕緣件、第二絕緣件設置在所述陽極支架上，所述陽極支架中設有氫氣管道，所述氫氣管道能夠將氫氣送入所述陽極筒中，所述陰極上能夠加載高頻電壓，其中，所述陽極筒的長為50mm，內腔直徑為2.3mm，筒壁厚度為0.75mm，筒體一側設有長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]進一步，所述電磁鐵的磁場強度為2.3T。
[0014]進一步，所述陽極支架有兩個，對稱設置在所述電磁鐵的內側;所述陽極筒的兩端分別密封設置在兩個所述陽極支架中；兩個所述陰極通過所述第一絕緣件分別密封設置在兩個所述陽極支架中；所述陽極筒兩端的空間分別與兩個所述陰極連通。
[0015]進一步，所述氫氣管道設置在其中一個所述陽極支架內部。
[0016]更進一步，所述氫氣管道的直徑為外徑2mm。
[0017]進一步，所述氫氣為高純氫氣，輸入壓力是2個大氣壓。
[0018]本發明的有益效果在于:
[0019]1.結構緊湊，能夠設置在微小狹窄的空間內，能夠滿足超導等時性回旋加速器的設計需求。
[0020]2.提高了自由電子的運動軌跡，提高了電離效率，能夠在很低的氣壓下發生放電產生等離子體。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明【具體實施方式】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。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。
[0024]如圖1所示，本發明提供的一種高磁場下微型潘寧離子源，安裝在超導等時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境中，材料的出氣會對離子源內的電離反應產生非常不利影響。
[0025]陽極筒5為中空的金屬管，通過陽極支架3設置在一對能夠產生高磁場的電磁鐵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，內腔直徑為2.3mm，筒壁厚度為0.75mm，筒體一側設有長6mm-10mm、寬0.5mm的引出縫8。
[0026]在陽極筒5兩端設有一對陰極I，陰極I同樣設置在陽極支架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，對稱設置在電磁鐵4的內側，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的兩端分別密封設置在兩個陽極支架3中；兩個陰極I通過第一絕緣件2分別密封設置在兩個陽極支架3中；陽極筒5兩端的空間分別與兩個陰極I連通。
[0029]在陽極支架3中設有氫氣管道7，氫氣管道7能夠將氫氣送入陽極筒5中。氫氣管道7設置在兩個陽極支架3的其中一個的內部(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。在本實施例中，高純氫氣的輸入壓力是2個大氣壓(也就是0.2MPa)。
[0030]在本實施例中，電磁鐵4采用低出氣的純鐵材料制作，電磁鐵4的磁場強度為2.3T。
[0031]最后舉例說明本發明所提供的一種高磁場下微型潘寧離子源的實際電離過程。
[0032]一個陽極筒5作為陽極，在其兩端為同電位的一對陰極I，由陽極筒5和陰極I構成的整個放電室位于電磁鐵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內通入氫氣，陽極筒5與陰極I間加載上千伏的電壓。當電離開始時，電子在電場和磁場共同作用下在陽極筒5內成螺旋線運動，同時也防止電子向陽極壁(即陽極筒5的內壁)擴散。在陽極筒5內的空間中的自由電子在電磁場的作用下，進行螺旋線運動，電子運動軌跡大大加長，導致它與中性氣體分子的碰撞幾率增大，提高了電離效率，使得這種結構在很低的氣壓下也能發生放電，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]本發明所述的裝置并不限于【具體實施方式】中所述的實施例，本領域技術人員根據本發明的技術方案得出其他的實施方式，同樣屬于本發明的技術創新范圍。
【主權項】
1.一種高磁場下微型潘寧離子源，包括通過陽極支架(3)設置在一對能夠產生高磁場的電磁鐵(4)之間的中空的陽極筒(5)，所述陽極筒(5)兩端設有一對陰極(I)，所述陰極(I)通過第一絕緣件(2)、第二絕緣件(9)設置在所述陽極支架(3)上，所述陽極支架(3)中設有氫氣管道(7)，所述氫氣管道(7)能夠將氫氣送入所述陽極筒(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，內腔直徑為2.3mm，筒壁厚度為0.75mm，筒體一側設有長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)的磁場強度為2.3T。7.如權利要求1所述的潘寧離子源，其特征是:所述陽極支架(3)有兩個，對稱設置在所述電磁鐵(4)的內側;所述陽極筒(5)的兩端分別密封設置在兩個所述陽極支架(3)中；兩個所述陰極(I)通過所述第一絕緣件(2)分別密封設置在兩個所述陽極支架(3)中；所述陽極筒(5)兩端的空間分別與兩個所述陰極(I)連通。8.如權利要求7所述的潘寧離子源，其特征是:所述氫氣管道(7)設置在其中一個所述陽極支架(3)內部。9.如權利要求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個大氣壓。
【文檔編號】H01J37/08GK106098517SQ201610615061
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月29日 公開號201610615061.8, CN 106098517 A, CN 106098517A, CN 201610615061, CN-A-106098517, CN106098517 A, CN106098517A, CN201610615061, CN201610615061.8
【發明人】賈先祿, 宋國芳, 張天爵
【申請人】中國原子能科學研究院