[发明专利]一种低能重离子加速器及加速方法

说明书

本发明公开了一种低能重离子加速器及加速方法，涉及离子加速器领域，该加速器包括带有时序控制功能的脉冲功率源以及多个连续设置的加速单元，加速单元具有加速腔，所有加速腔相互连通并形成离子的加速传输通道；该加速方法将脉冲功率源按照一定时序控制对所有加速单元逐级加载电压，并在对应加速单元的加速腔内形成电场，以使刚好运动至该形成电场的加速腔内的离子得到加速。本发明提供的加速器及加速方法对待加速离子种类的兼容性高，可以通过控制输出高压脉冲的时序实现任意离子束的加速，使离子束始终处于加速相位；并且可根据实际应用需要，通过控制加速电压幅值或控制加载功率的数目，实现束流能量的调节。

技术领域

本发明涉及加速器领域，具体而言，涉及一种低能重离子加速器及加速方法。

背景技术

一般而言，低能离子加速器是指将离子源引出的数十keV离子束加速至近MeV/u的装置。离子加速器利用电场加速质子、重离子等带电粒子束，此处的电场可以是直流高压电场、射频高压电场，也可以是脉冲高压电场。采用最多的是直流高压电场和射频高压电场，如静电加速器、倍压加速器等采用直流高压电场加速离子；回旋加速器、射频直线加速器等则采用射频电场加速离子；如直线感应重离子加速器、感应同步加速器等则采用脉冲高压电场加速离子。无论采用何种电场加速，使带电粒子束无损失地(或者较低损失)加速至终能量，并确保满足应用需求的束流参数是加速器技术研究的核心。

由于刚从离子源引出的低能离子束(通常为数十keV)，具有离子飞行速度低(低β)，离子的渡越时间长，且在一些特殊场合还会出现荷质比(e/u)差异大的特点。因此，现有的加速器很难兼具低能离子束这些特点来满足加速效率、束流传输效率等方面的要求。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种低能重离子加速器，该加速器通过对离子的每个运动阶段实现对应的逐级加载，使离子束始终处于加速相位，进而来满足更高的加速效率和束流传输效率的要求；

本发明的第二个目的在于提供一种低能重离子加速方法，该方法通过对每级加速腔按时序加载电压，从而逐级形成电场，能够对恰好进入场域内的离子进行直接加速，最终实现对重离子高效率、全离子、高束流能量的加速目的。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，一种低能重离子加速器，包括带有时序控制功能的脉冲功率源以及多个连续设置的加速单元，加速单元具有加速腔，所有加速腔相互连通并形成离子的加速传输通道；沿加速传输通道的行进方向，脉冲功率源可根据相应时序控制对所有加速单元逐级加载电压并在对应加速腔内形成电场，以使刚好运动至该形成电场的加速腔内的离子进行加速，并实现该离子在加速传输通道内的逐级加速。即表示刚好运动至形成加速电场的加速腔内的离子，在该加速电场作用下被加速，以此方式来最终实现该离子在加速传输通道的逐级加速的目的。

可选地，所有加速单元逐级串联设置，以使加速传输通道为直线型布局。其中，加速腔采用柱状腔，所有柱状腔构成加速段，即加速传输通道；该加速段轴线上未布局无场漂移管，且采用脉冲电压供电，并且加速单元逐级串联，使该加速段具有更高的平均加速梯度，可达10MV/m量级，从而可使整个离子加速器特别紧凑小巧。

可选地，加速单元包括两个导体以及设置在两个导体之间的绝缘体，绝缘体内形成加速腔，导体均具有接入至加速腔内的导电端，脉冲功率源通过高压馈电电缆与两个导体作为正负极连接，以使两个导体能够在加速腔内形成与行进方向相同方向的电场。

可选地，相邻的加速腔中，相互靠近的导体串联设置，高压馈电电缆上套设有径向隔离磁芯；加速传输通道的末端设置有轴向隔离磁芯。

可选地，相邻的加速腔中，相互靠近的导体一体设置。

可选地，导体与绝缘体均为同轴设置的环状结构，绝缘体的内孔形成加速腔，绝缘体外套设有匹配电阻环。