一种射频四极子加速器及带电粒子加速器系统

本申请涉及粒子加速设备及其应用，具体涉及一种射频四极子加速器及带电粒子加速器系统，可用作质子或重离子肿瘤治疗装置的直线注入加速器或用于制造放射性核素的装置。

背景技术：

1、一般用于肿瘤治疗的硼中子俘获重肿瘤治疗装置需要获得能量在2.5mev以上且束流功率几十千瓦的质子束流。通常获得动能在2.8mev以上的质子束需要使用射频直线加速器、回旋加速器或静电加速器，而射频四极子加速器(即rfq加速器)和回旋加速器是比较常用的手段。

2、其中，射频四极子加速器一般包含加速器壳体、加速电极、高频功率源、高频功率传输线、高频功率耦合器、频率以及场分布调谐器，真空系统、支架系统以及控制系统等，rfq加速器在运行时，需要使加速器腔体(也可称为加速器壳体)内保持高真空状态以避免出现放电和避免带电粒子束流与气体分子发生碰撞而丢失。

3、现有发明专利202211722381.5，专利名称“一种超导频四极场加速器装置”以及发明专利202211193177.9，专利名称为“四极型加速器和四极型加速器的制造方法”，其公开的加速器结构中，加速器的整个内腔均为加速腔，加速腔容积大，在进行抽真空时，需要对整个腔体进行做功，存在抽真空时间长、效率低、能耗高、结构复杂的问题，同时安装在加速器上的高频功率耦合器以及谐振频率和电场分布调节用的调谐器，还有信号拾取器等部件都需要同时具备真空密封和高频密封结构，以维持加速器腔体内的高真空状态以及腔体内电磁场不泄露到加速腔体外面，特别是高频功率耦合器的真空密封结构特别复杂，制造时需要陶瓷金属焊接工艺和维持阻抗匹配的变径构造。同时，为了维持加速器腔体内的真空，加速器壳体通常需要数厘米厚的金属壳体来抵消内外压力差产生的压力，这导致加速器腔体笨重，而且制造成本增加。

技术实现思路

1、本申请的主要目的在于提供一种射频四极子加速器及带电粒子加速器系统，通过对加速器腔体中有束流通过的加速电场所在的有限范围空间维持高真空，加速器腔体的其余部分可以工作在大气压下，具有结构简单、重量轻、可靠、维护简单、制造成本低等优点。

2、本申请采用的技术方案如下：

3、第一方面：

4、一种射频四极子加速器，包括加速器壳体，所述加速器壳体内包含四个围绕加速器中心轴对称安装的长条形加速电极，在所述加速器中心轴附近有由四个所述的加速电极相向形成的加速区，在所述加速区的周围安装有一个由非金属材料构成的用以将加速区包围而形成一个真空加速腔体区域的真空隔离管道。

5、可选的，所述真空隔离管道是以氧化铝或氮化硼为主要成分的陶瓷材料组成。

6、可选的，所述四个加速电极由位于所述真空隔离管道内侧的中心电极和位于所述中空隔离管道外侧的外围电极组成，所述中心电极和所述真空隔离管道通过焊接或橡胶圈结构形成真空密封结构，所述中心电极和所述外围电极密切接触形成表面电流导电回路。

7、可选的，所述中心电极处于所述真空隔离管道内部的部分在加速器的入口端和出口端各自安装有电极补偿路块。

8、可选的，所述电极补偿路块在所述加速电极插入所述真空隔离管道内部后装入所述加速区，并焊接固定于所述中心电极的两端。

9、可选的，所述电极补偿路块在所述加速电极插入所述真空隔离管道内部后装入所述加速区，并通过螺栓固定于所述中心电极的两端。

10、可选的，所述真空隔离管道的管壁面上设置有四个沿加速器的中心轴方向开设的电极安装开口，所述加速电极一一对应安装于所述电极安装开口内。

11、可选的，所述的射频四极子加速器，还包括至少一个高频功率耦合器，所述加速器壳体上设有贯通的耦合器安装口。

12、可选的，所述高频功率耦合器包括功率耦合器外导体、功率耦合器内导体和功率耦合器耦合器环，功率耦合器内导体同轴安装在功率耦合器外导体的内腔，功率耦合器耦合器环连接功率耦合器内导体，所述功率耦合器外导体的内径和功率耦合器内导体的外径为阻抗均匀的同轴结构，功率耦合器内导体的内表面和功率耦合器外导体的外表面之间紧密连接。

13、可选的，所述加速器壳体上还设有多个高频信号拾取器安装口和场分布及频率调谐器安装口。

14、一种带电粒子加速器系统，包括上述的射频四极子加速器以及离子源，所述离子源与射频四极子加速器之间通过低能输运线管道相连，射频四极子加速器连接有射频功率源。。

15、与现有技术相比，本申请的有益效果是：

16、本申请实施例提出的一种射频四极子加速器及带电粒子加速器系统，在射频四极子加速器的腔体内，由于加速管的存在，将加速器壳体内部划分为位于加速管内部空间对应的真空区和加速管外部空间对应的非真空区，真空区也就是将带电粒子加速和聚焦的区域，非真空区就是加速管和加速壳体之间的腔体空间区域。加速器工作时，只需要将加速管的内部空间加速区用真空泵从加速管的两侧加速管端部件实施真空排气并维持加速器正常工作需要的高真空度，确保加速区内带电粒子顺利被四个加速电极之间的空间产生的加速和聚焦交变电磁场加速；由于四极子场加速器工作在te210模式下，该模式下加速腔体内靠近中心轴附近区域是电场集中的加速区域，而其它远离中心轴的区域属于磁场区域，磁场区域电场非常弱，磁场区域是非加速区域，加速器壳体不需要考虑压力差带来的机械变形，省去真空密封要求和真空排气要求，加速器壳体和加速管之间只需要实现电气接触或高频密封，不需要真空密封，高频密封一般可以使用银螺旋弹簧垫圈来实现，是粒子加速器领域常用的密封技术，所以依据本发明的射频四极子加速器可以大幅度消减加速器壳体的壁厚和简化加速器壳体制造工艺，做到轻量化、结构简单化；加速器壳体上必须安装的高频功率耦合器以及工作频率以及电场分布调谐器也不再需要考虑真空密封，满足高频密封即可，从而大幅度简化结构和加工成本，以及制造周期，也可方便加速器的维护修理工作，解决了已有技术的直线加速器所面临的问题，可以提供重量轻、结构简单、性能可靠、维护容易、制造容易而且低成本的射频四极子加速器(即rfq加速器)。同时，四极子加速管的四个加速电极和加速管端部件的位置关系、包括准直和同心度、平行度等可以简单地不依赖于加速器壳体来实现，所以可以快速、简单地完成组装，这可以大幅度简化rfq加速器的准直和安装过程，非常有利于医学领域的应用。特别是，省去了通常加速器壳体本来需要的真空排气设备，可以实现低噪音低振动的rfq加速器，对运行和环保和提高rfq加速器的可靠性、稳定性都有重要意义。

技术特征：

1.一种射频四极子加速器，其特征在于，包括加速器壳体，所述加速器壳体内包含四个围绕加速器中心轴对称安装的长条形加速电极，在所述加速器中心轴附近有由四个所述的加速电极相向形成的加速区，在所述加速区的周围安装有一个由非金属材料构成的用以将加速区包围而形成一个真空加速腔体区域的真空隔离管道。

2.根据权利要求1所述的射频四极子加速器，其特征在于，所述真空隔离管道是以氧化铝或氮化硼为主要成分的陶瓷材料组成。

3.根据权利要求1或2所述的射频四极子加速器，其特征在于，所述四个加速电极由位于所述真空隔离管道内侧的中心电极和位于所述中空隔离管道外侧的外围电极组成，所述中心电极和所述真空隔离管道通过焊接或橡胶圈结构形成真空密封结构，所述中心电极和所述外围电极密切接触形成表面电流导电回路。

4.根据权利要求3所述的射频四极子加速器，其特征在于，所述中心电极处于所述真空隔离管道内部的部分在加速器的入口端和出口端各自安装有电极补偿路块。

5.根据权利要求4所述的射频四极子加速器，其特征在于，所述电极补偿路块在所述加速电极插入所述真空隔离管道内部后装入所述加速区，并焊接固定于所述中心电极的两端。

6.根据权利要求1所述的射频四极子加速器，其特征在于，所述电极补偿路块在所述加速电极插入所述真空隔离管道内部后装入所述加速区，并通过螺栓固定于所述中心电极的两端。

7.根据权利要求1所述的射频四极子加速器，其特征在于，所述真空隔离管道的管壁面上设置有四个沿加速器的中心轴方向开设的电极安装开口，所述加速电极一一对应安装于所述电极安装开口内。

8.根据权利要求1所述的射频四极子加速器，其特征在于，还包括至少一个高频功率耦合器，所述加速器壳体上设有贯通的耦合器安装口。

9.根据权利要求8所述的射频四极子加速器，其特征在于，所述高频功率耦合器包括功率耦合器外导体、功率耦合器内导体和功率耦合器耦合器环，功率耦合器内导体同轴安装在功率耦合器外导体的内腔，功率耦合器耦合器环连接功率耦合器内导体，所述功率耦合器外导体的内径和功率耦合器内导体的外径为阻抗均匀的同轴结构，功率耦合器内导体的内表面和功率耦合器外导体的外表面之间紧密连接。

10.根据权利要求1所述的射频四极子加速器，其特征在于，所述加速器壳体上还设有多个高频信号拾取器安装口和场分布及频率调谐器安装口。

11.一种带电粒子加速器系统，其特征在于，包括权利要求1-10中任一权利要求所述的射频四极子加速器以及离子源，所述离子源与射频四极子加速器之间通过低能输运线管道相连，射频四极子加速器连接有射频功率源。

技术总结
本申请公开了一种射频四极子加速器及带电粒子加速器系统，涉及粒子加速设备及其应用技术领域，四极子加速器包括加速器壳体，所述加速器壳体内包含四个围绕加速器中心轴对称安装的长条形加速电极，在所述加速器中心轴附近有由四个所述的加速电极相向形成的加速区，在所述加速区的周围安装有一个由非金属材料构成的用以将加速区包围而形成一个真空加速腔体区域的真空隔离管道。本申请非加速区工作在大气压条件下，加速器壳体无需考虑真空密封要求，可以做到轻量化、结构简单化。

技术研发人员：蒲越虎
受保护的技术使用者：四川大学华西医院
技术研发日：
技术公布日：2024/11/11