用于质子重离子同步加速器的束流位置探测器及使用方法

1.本发明涉及一种用于质子重离子同步加速器的束流位置探测器及使用方法，属于质子重离子束加速器束流诊断领域。


背景技术：

2.束流诊断系统作为加速器的眼睛是其重要系统之一，通过束流诊断系统对束流参数的测量来监视束流的传输和测定加速器的性能及参数，是实现机器稳定运行和各部分之间匹配的必要手段。其中，束流位置探测器是加速器运行、调试必需的测量元件，准确的逐圈位置和闭轨测量，对于加速器的优化、研究具有重要的意义。
3.强流环形离子加速器要求束流位置探测器具有束流耦合阻抗低，谐振少，位置灵敏度高等特点；弱流环形离子加速器要求束流位置探测器具有探测灵敏度高，真空度极高要求(≤5*10-12
mbar)；医用离子同步加速器要求束流位置探测器具有结构紧凑，性能稳定，造价低等特点。
4.目前大部分质子重离子同步加速器环的束流位置探测器采用矩形斜切式结构，此类结构具有机械复杂，谐振点多，束流耦合阻抗大等缺点，尤其不太适用于强流环形质子重离子环形加速器。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种束流耦合阻抗低，谐振少，位置灵敏度高，结构紧凑，真空度极高，性能稳定，造价低的用于质子重离子加速器的束流位置探测器及其使用方法，能广泛应用于面向世界科技前沿的下一代强流环形离子加速器、弱流环形加速器和面向生命健康的医用离子同步加速器。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
7.一种用于质子重离子同步加速器的束流位置探测器，包括：
8.极板组件、真空馈通组件、隔离地组件和真空管道；
9.所述极板组件通过支撑柱组件固定设置在所述真空管道内壁，并通过所述隔离地组件隔开；
10.所述真空馈通组件设置在所述真空管道的外壁上，且所述真空馈通组件分别与所述极板组件、放大器和相应负载相连；
11.所述真空管道两侧对称开设有两真空泵口，且两所述真空泵口通过真空泵管道与真空泵相连，使得所述真空管道保持预设真空度；
12.所述极板组件对由所述真空管道上游进入的待测束流进行感应，感应信号经所述真空馈通组件和放大器发送到后续处理设备进行处理。
13.进一步，所述极板组件包括以所述真空管道的中心轴为轴对称分布在所述真空管道内壁的弧形第一极板～第四极板；
14.所述隔离地组件包括间隔设置在两两极板之间的第一隔离地～第四隔离地，且所
述第一隔离地～第四隔离地均与所述真空管道内壁相连；
15.所述支撑柱组件包括四组支撑柱，每一组支撑组均包括设置在极板前端的第一支撑柱以及设置在极板后端的第二支撑柱和第三支撑柱。
16.进一步，所述第一极板～第四极板与所述真空管道内壁的间距为20-30mm。
17.进一步，所述第一极板～第四极板的厚度均为1-2mm，纵向长度为200-400mm，极板张角为60
°‑
75
°
。
18.进一步，所述支撑柱组件的材料为绝缘聚乙烯亚胺介质。
19.进一步，所述真空馈通组件包括第一束流上游真空馈通～第四束流上游真空馈通和第一束流下游真空馈通～第四束流下游真空馈通；
20.所述第一束流上游真空馈通～第四束流上游真空馈通间隔布设在所述真空管道的上游，且所述第一束流上游真空馈通～第四束流上游真空馈通一端分别与所述第一极板～第四极板的前端相连，所述第一束流上游真空馈通～第四束流上游真空馈通的另一端分别用于与放大器相连；
21.所述第一束流下游真空馈通～第四束流下游真空馈通间隔布设在所述真空管道的下游，且所述第一束流下游真空馈通～第四束流下游真空馈通的一端分别与所述第一极板～第四极板的后端相连，所述第一束流下游真空馈通～第四束流下游真空馈通的另一端用于与负载相连。
22.进一步，所述第一束流上游真空馈通～第四束流上游真空馈通以及所述第一束流下游真空馈通～第四束流下游真空馈通的特性阻抗为50欧姆。
23.进一步，所述探测器还包括一金属丝网组件，所述金属丝网组件包括全面覆盖在两所述真空泵口上的第一金属丝网和第二金属丝网。
24.进一步，所述第一金属丝网和第二金属丝网材质为不锈钢，金属丝网孔大小为10mm*10mm或20mm*20mm，金属丝宽度3-6mm,金属丝厚度2-4mm。
25.一种用于质子重离子同步加速器的束流位置探测器的使用方法，其包括以下步骤：
26.1)确定质子重离子同步加速器的束流位置测量模式，若为强流环形加速器束流位置测量模式，则进入步骤2)，若为弱流环形加速器束流位置测量模式，则进入步骤3)，若为医用离子同步加速器束流位置测量模式，则进入步骤4)；
27.2)将第一束流上游真空馈通～第四束流上游真空馈通分别与第一放大器～第四放大器连接，第一束流下游真空馈通～第四束流下游真空馈通分别与第一50欧姆负载～第四50欧姆负载连接；
28.3)将第一束流上游真空馈通～第四束流上游真空馈通分别与第一～第四放大器连接，第一束流下游真空馈通～第四束流下游真空馈通分别与第一10k-100k欧姆的负载～第四10k-100k欧姆的负载连接；
29.4)去掉第一束流下游真空馈通～第四束流下游真空馈通，并将第一束流上游真空馈通～第四束流上游真空馈通分别与第一放大器～第四放大器连接。
30.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
31.1、本发明中极板组件通过支撑柱组件设置在真空管道内壁，并通过设置在真空管道外壁的真空馈通组件与放大器或负载相连，具有束流耦合阻抗低，谐振少，位置灵敏度
高，结构紧凑等特点；
32.2、本发明真空管道两侧通过真空泵口和真空泵管道与真空泵相连，且真空泵口和真空泵管道之间设置有金属丝网，能防止真空离子泵高压对束流位置探针感应信号的影响及减小加速器束流耦合阻抗，同时保证真空管道内的真空度，适用于300
°
高温烘烤，性能稳定，造价低等优点；
33.3、本发明中真空馈通组件能够根据实际测量需求进行设置，可以有效解决医用离子加速区成本高的问题；
34.因此，本发明可以广泛应用于重离子束(包括质子束)加速器束流诊断领域中。
附图说明
35.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
36.图1是本发明实施例提供的束流位置探测器的三维结构示意图；
37.图2是图1的纵向剖面结构示意图；
38.图3是图1的横向剖面结构示意图；
39.图中各部件标号如下：
40.1、极板组件；11、第一极板；12、第二极板；13、第三极板；14、第四极板；2、真空馈通组件；21、第一束流上游真空馈通；22、第二束流上游真空馈通；23、第三束流上游真空馈通；24、第四束流上游真空馈通；25、第一束流下游真空馈通；26、第二束流下游真空馈通；27、第三束流下游真空馈通；28、第四束流下游真空馈通；3、隔离地组件；31、第一隔离地；32、第二隔离地；33、第三隔离地；34、第四隔离地；4、真空管道；5、真空泵口；6、支撑柱组件；61、第一支撑柱；62、第二支撑柱；63、第三支撑柱；7、金属丝网组件；71、第一金属丝网；72、第二金属丝网；8、50欧姆或10k-100k欧姆的负载；81、第一50欧姆或10k-100k欧姆的负载；82、第二50欧姆或10k-100k欧姆的负载；83、第三50欧姆或10k-100k欧姆的负载；84、第四50欧姆或10k-100k欧姆的负载；9、50欧姆高阻低噪声放大器；91、第一50欧姆高阻低噪声放大器；92、第二50欧姆高阻低噪声放大器；93、50欧姆高阻低噪声放大器；94、50欧姆高阻低噪声放大器。
具体实施方式
41.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
43.本发明的一些实施例中提供一种用于质子重离子同步加速器的束流位置探测器，
其包括：极板组件、真空馈通组件、隔离地组件和真空管道；极板组件通过支撑柱组件固定设置在真空管道内壁，并通过隔离地组件接地；真空馈通组件设置在真空管道的外壁上，且真空馈通组件分别与极板组件和相应负载相连；真空管道两侧对称开设有一真空泵口，且两真空泵口分别与真空泵管道相连；极板组件对由真空管道上游进入的待测束流进行感应，感应信号经真空馈通组件及负载发送到束流位置探测器进行处理。本发明具有束流耦合阻抗低，谐振少，位置灵敏度高，结构紧凑，真空度极高，适用于300
°
高温烘烤，性能稳定，造价低等优点，并能广泛应用于重离子束(包括质子束)加速器束流诊断领域中。
44.与之相对应的，本发明的另一些实施例中还提供一种用于质子重离子同步加速器的束流位置探测器的使用方法。
45.实施例1
46.如图1所示，本实施例提供一种用于质子重离子同步加速器的束流位置探测器，其包括极板组件1、真空馈通组件2、隔离地组件3、真空管道4、真空泵口5、支撑柱组件6、负载8和低噪声放大器9。其中，极板组件1通过支撑柱组件6固定设置在真空管道4内壁，并通过隔离地组件3隔开；真空馈通组件2设置在真空管道4的外壁上，且超高真空馈通组件2分别与极板组件1、负载8或低噪声放大器9相连；真空管道4两侧对称开设有一真空泵口5，且两真空泵口5通过真空泵管道与真空泵相连，以保证真空管道4内的真空度。极板组件1对由真空管道4上游进入的待测束流进行感应，感应信号经真空馈通组件2传递到低噪声放大器9，低噪声放大器9将感应信号传递到后续处理设备，实现对不同束流位置模式下束流位置的探测。
47.在一个优选的实施例中，如图2、图3所示，极板组件1包括以真空管道4的中心轴为轴对称分布在真空管道4内壁的弧形第一极板～第四极板11～14；隔离地组件3包括间隔设置在各弧形极板之间的第一隔离地～第四隔离地31～34，且第一隔离地～第四隔离地31～34均与真空管道4内壁相连；支撑柱组件6包括四组支撑柱，每一组支撑柱均包括设置在各极板前端的第三支撑柱63以及设置在各极板后端的第一支撑柱61和第二支撑柱62，使得对各极板的支撑固定更加稳定。
48.在一个优选的实施例中，第一极板11～第四极板14与真空管道4的间距为20-30mm。
49.在一个优选的实施例中，第一极板11～第四极板14的厚度均为1-2mm，纵向长度为200-400mm，极板张角为60
°‑
75
°
。
50.在一个优选的实施例中，支撑柱组件6的材料为绝缘聚乙烯亚胺(vespel)介质。
51.在一个优选的实施例中，真空馈通组件2包括第一束流上游真空馈通21～第四束流上游真空馈通24和第一束流下游真空馈通25～第四束流下游真空馈通28。其中，第一束流上游真空馈通21～第四束流上游真空馈通24间隔布设在真空管道4的上游，且第一束流上游真空馈通21～第四束流上游真空馈通24一端分别与第一极板11～第四极板14的前端相连，第一束流上游真空馈通21～第四束流上游真空馈通24的另一端分别用于与第一50欧姆高阻低噪声放大器91～第四50欧姆高阻低噪声放大器94相连；第一束流下游真空馈通25～第四束流下游真空馈通28间隔布设在真空管道4的下游，且第一束流下游真空馈通25～第四束流下游超高真空馈通28的一端分别与第一极板11～第四极板14的后端相连，第一束流下游真空馈通25～第四束流下游真空馈通28的另一端分别用于与50欧姆或10k-100k欧
姆的负载81～84相连。
52.在一个优选的实施例中，第一束流上游真空馈通21～第四束流上游真空馈通24以及第一束流下游真空馈通25～第四束流下游真空馈通28的特性阻抗均为50欧姆。
53.在一个优选的实施例中，第一束流上游真空馈通21～第四束流上游真空馈通24以及第一束流下游真空馈通25～第四束流下游真空馈通28均采用真空度高于1
×
10-11
mbar的超高空馈通。
54.在一个优选的实施例中，该探测器还包括一金属丝网组件7，该金属丝网组件7包括全面覆盖在两真空泵口5上的第一金属丝网71和第二金属丝网72。
55.在一个优选的实施例中，第一金属丝网71和第二金属丝网72材质为不锈钢，金属丝网孔大小为10mm*10mm或20mm*20mm，金属丝宽度3-6mm,金属丝厚度2-4mm，加金属丝网的目的是防止真空离子泵高压对束流位置探针感应信号的影响及减小加速器束流耦合阻抗。
56.实施例2
57.基于实施例1提供的一种用于质子重离子同步加速器的束流位置探测器，本实施例提供一种用于质子重离子同步加速器束流位置探测器的使用方法，包括以下内容：
58.1)确定质子重离子同步加速器的束流位置测量模式，若为强流环形加速器束流位置测量模式，则进入步骤2)，若为弱流环形加速器束流位置测量模式，则进入步骤3)，若为医用离子同步加速器束流位置测量模式，则进入步骤4)。
59.其中，本发明实施例中的强流环形加速器是指粒子数多于1
×
109个甚至高达1
×
10
13
个的加速器；弱流环形加速器是指粒子数少于1
×
109个的加速器；而医用离子同步加速器也属于弱流环形加速器的一种，粒子数一般在1
×
109个以下，医用离子同步加速器的束流位置探测器具有结构紧凑，性能稳定，造价低等特点。
60.2)将第一束流上游真空馈通21～第四束流上游真空馈通24分别与第一50欧姆高阻低噪声放大器91～第四50欧姆高阻低噪声放大器94连接，第一束流下游真空馈通25～第四束流下游真空馈通28分别与第一50欧姆负载81～第四50欧姆负载84连接。
61.强流环形加速器束流位置测量模式中，待测束流和极板组件1之间为电磁耦合，束流位置探测器的极板组件1感应的信号最终由50欧姆高阻低噪声放大器9放大并输出到束流位置探测器进行电子学处理。
62.3)将第一束流上游真空馈通21～第四束流上游真空馈通24分别与第一50欧姆高阻低噪声放大器91～第四50欧姆高阻低噪声放大器94连接，第一束流下游真空馈通25～第四束流下游真空馈通28分别与第一10k-100k欧姆的负载～第四10k-100k欧姆的负载连接。
63.弱流环形加速器束流位置测量模式中，待测束流和极板组件1之间为电容耦合，束流位置探测器的极板组件1感应的信号最终由高阻低噪声放大器9放大并输出到束流位置探测器电子学处理。10k-100k欧姆的负载的目的是吸收束流感应静电荷。
64.4)直接去掉第一束流下游真空馈通25～第四束流下游真空馈通28，使得每个极板上只保留束流上游馈通，且将第一束流上游真空馈通21～第四束流上游真空馈通24分别与第一50欧姆高阻低噪声放大器91～第四50欧姆高阻低噪声放大器94连接。
65.上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。