CN109041399A - 带电粒子加速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带电粒子加速装置，带电粒子加速装置包括依次设置的发射源、第一加速管和第二加速管，带电粒子加速装置还包括控制器；发射源发射带电粒子束；控制器接收用户输入的一目标引出能量，还检测目标引出能量是否小于第一加速管的最小运输能量，若是，则控制第一加速管对经过第一加速管的带电粒子束进行加速使经过第一加速管的带电粒子束的能量达到最小运输能量；经过第一加速管加速后的带电粒子束到达第二加速管后，控制器控制第二加速管对经过第二加速管的带电粒子束进行减速使经过第二加速管的带电粒子束的能量达到目标引出能量。本发明实现了在兼容产生高能束流的情况下，也可以产生较低能量的带电粒子束，扩展较低能量的调节范围。
Description
技术领域
本发明属于带电粒子束的产生和传输技术领域，特别涉及一种带电粒子加速装置。
背景技术
现有技术中，对高压型的加速器，在高能情况下引出时，需要兼顾高能量下的束流加速和高压绝缘的需要，加速管不得不做得长；而在低能情况下引出时，过长的路径会使得电子束有较大的损失，为确保束流在有一定轴向尺寸下的顺利通过，必然对束流本身提出要求。基于上述原因，粒子源引出后进入加速器前需要保持一定水平的能量，既满足引出的要求，也满足输运的要求。一般情况下，引出的阳极通常需要保持20kV左右的电压，即电子束经过阳极引出时，至少就有20keV的能量。但是，当要求产生的电子束能量较低，甚至几个keV时，则需要设计特殊的引出系统，而这些束流引出系统很难同时与高能量的引出条件相互兼容。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中带电粒子加速装置很难兼容高能束流产生和低能束流产生的缺陷，提供一种带电粒子加速装置。
本发明通过以下技术方案来解决上述问题：
一种带电粒子加速装置，所述带电粒子加速装置包括依次设置的发射源、第一加速管和第二加速管，所述带电粒子加速装置还包括控制器；
所述发射源用于发射带电粒子束；
所述控制器用于接收用户输入的一目标引出能量，还用于检测所述目标引出能量是否小于所述第一加速管的最小运输能量，若是，则控制所述第一加速管和所述第二加速管进入工作模式；
所述控制器还用于控制所述第一加速管对经过所述第一加速管的带电粒子束进行加速，使所述经过所述第一加速管的带电粒子束的能量达到所述最小运输能量；
经过所述第一加速管加速后的带电粒子束到达所述第二加速管后，所述控制器还用于控制所述第二加速管对经过所述第二加速管的带电粒子束进行减速，使所述经过所述第二加速管的带电粒子束的能量达到所述目标引出能量。
较佳地，所述控制器用于在检测到所述目标引出能量不小于所述最小运输能量时，控制所述第一加速管进入工作模式；
所述控制器还用于控制所述第一加速管对经过所述第一加速管的带电粒子束进行加速，使所述经过所述第一加速管的带电粒子束的能量达到所述目标引出能量。
较佳地，所述带电粒子加速装置还包括第一电源和第二电源；
所述控制器用于在检测到所述目标引出能量小于所述最小运输能量时生成第一控制信号和第二控制信号，还用于将所述第一控制信号发送至所述第一电源，并将所述第二控制信号发送至所述第二电源；
所述第一电源用于根据所述第一控制信号为经过所述第一加速管的带电粒子束提供进行加速的第一升能电位，所述第一升能电位用于使经过所述第一加速管的带电粒子束的能量达到所述最小运输能量；
所述第二电源用于根据所述第二控制信号为经过所述第二加速管的带电粒子束提供进行减速的降能电位，所述降能电位用于使经过所述第二加速管的带电粒子束的能量达到所述目标引出能量。
较佳地，所述控制器用于在所述目标引出能量不小于所述最小运输能量时生成第三控制信号，并发送至所述第一电源；
所述第一电源还用于根据所述第三控制信号为经过所述第一加速管的带电粒子束提供进行加速的第二升能电位，所述第二升能电位用于使所述经过所述第一加速管的带电粒子束的能量达到所述目标引出能量。
较佳地，所述带电粒子加速装置还包括衰减器，所述衰减器包括真空管和至少一个扩束拦截单元；
所述衰减器设置在所述第一加速管和所述第二加速管之间或设置在所述第二加速管之后，所述扩束拦截单元设置在所述真空管中；
所述拦截单元用于在带电粒子束进入所述真空管后通过所述扩束拦截单元时对带电粒子束的流强进行衰减。
较佳地，当所述扩束拦截单元的数量为两个或两个以上，所述拦截单元用于在带电粒子束进入所述真空管后通过所述扩束拦截单元时对带电粒子束的流强进行逐量级或跨量级衰减。
较佳地，所述扩束拦截单元包括：螺线管、圆锥形拦截光阑和可变孔径光阑；
在所述扩束拦截单元中沿带电粒子束前进方向依次设置所述螺线管、所述圆锥形拦截光阑和所述可变孔径光阑；
所述衰减器通过调节通过螺线管上的电流或调节可变孔径光阑的孔径大小对通过的带电粒子束进行衰减；
所述圆锥形拦截光阑用于对发散到所述圆锥形拦截光阑上的带电粒子束进行拦截。
较佳地，所述带电粒子加速装置还包括校正器和束测装置；
所述校正器和所述束测装置依次设置在所述衰减器的后面；
所述束测装置用于获取所述带电粒子束的运行数据；
所述校正器用于根据所述运行数据对所述带电粒子束的运行轨道进行矫正。
较佳地，所述带电粒子加速装置还包括扫描器，所述扫描器设置在所述第二加速管之后；
所述扫描器用于将带电粒子束扫描在被辐照物体上。
本发明的积极进步效果在于：本发明实现了在兼容高能束流产生的情况下，也可以产生较低能量的带电粒子束，扩展较低能量的调节范围。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的带电粒子加速装置的部分结构示意图。
图2为本发明较佳实施例的带电粒子加速装置中带电粒子束引出能量和电极电位的设置示意图。
图3为本发明较佳实施例的带电粒子加速装置的部分电路布置示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
一种带电粒子加速装置，如图1所示，所述带电粒子加速装置包括依次设置的发射源1、第一加速管2和第二加速管3，所述带电粒子加速装置还包括控制器(图中未示出)；需要说明的是，第一加速管2比第二加速管3长；
所述发射源1用于发射带电粒子束；
所述控制器用于接收用户输入的一目标引出能量，还用于检测所述目标引出能量是否小于所述第一加速管2的最小运输能量，若是，则控制所述第一加速管2和所述第二加速管3进入工作模式；
所述控制器还用于控制所述第一加速管2对经过所述第一加速管2的带电粒子束进行加速，使所述经过所述第一加速管2的带电粒子束的能量达到所述最小运输能量；
经过所述第一加速管2加速后的带电粒子束到达所述第二加速管3后，所述控制器还用于控制所述第二加速管3对经过所述第二加速管3的带电粒子束进行减速，使所述经过所述第二加速管3的带电粒子束的能量达到所述目标引出能量。
其中，所述控制器在检测到所述目标引出能量不小于所述最小运输能量时，只控制所述第一加速管2进入工作模式，此时，第二加速管3不需要进入工作模式，其仅仅作为传输的通道；
所述控制器还用于控制所述第一加速管2对经过所述第一加速管2的带电粒子束进行加速，使所述经过所述第一加速管2的带电粒子束的能量达到所述目标引出能量。
需要说明的是，只有在目标引出能量小于最小运输能量时才启用第二加速管3进行降能操作，其他情况下，带电粒子束经过第二加速管3时，维持自身的能量进行传输。
具体地，为了对带电粒子束进行加速减速的操作，本实施例中，所述带电粒子加速装置还包括第一电源4和第二电源5；
所述控制器用于在检测到所述目标引出能量小于所述最小运输能量时生成第一控制信号和第二控制信号，还用于将所述第一控制信号发送至所述第一电源4，并将所述第二控制信号发送至所述第二电源5；
所述第一电源4用于根据所述第一控制信号为经过所述第一加速管2的带电粒子束提供进行加速的第一升能电位，所述第一升能电位用于使经过所述第一加速管2的带电粒子束的能量达到所述最小运输能量；
所述第二电源5用于根据所述第二控制信号为经过所述第二加速管3的带电粒子束提供进行减速的降能电位，所述降能电位用于使经过所述第二加速管3的带电粒子束的能量达到所述目标引出能量。
所述控制器用于在所述目标引出能量不小于所述最小运输能量时生成第三控制信号，并发送至所述第一电源4；
所述第一电源4还用于根据所述第三控制信号为经过所述第一加速管2的带电粒子束提供进行加速的第二升能电位，所述第二升能电位用于使所述经过所述第一加速管2的带电粒子束的能量达到所述目标引出能量。
本实施例的述带电粒子加速装置还包括衰减器6，所述衰减器6包括真空管和(图中未示出)至少一个扩束拦截单元(图中未示出)；
所述衰减器6设置在所述第一加速管2和所述第二加速管3之间或设置在所述第二加速管3之后，所述扩束拦截单元设置在所述真空管中；
所述拦截单元用于在带电粒子束进入所述真空管后通过所述扩束拦截单元时对带电粒子束的流强进行衰减。
具体地，所述扩束拦截单元包括：螺线管、圆锥形拦截光阑和可变孔径光阑；
在所述扩束拦截单元中沿带电粒子束前进方向依次设置所述螺线管、所述圆锥形拦截光阑和所述可变孔径光阑；
所述衰减器6通过调节通过螺线管上的电流或调节可变孔径光阑的孔径大小对通过的带电粒子束进行衰减；
所述圆锥形拦截光阑用于对发散到所述圆锥形拦截光阑上的带电粒子束进行拦截。
当所述扩束拦截单元的数量为两个或两个以上，所述拦截单元用于在带电粒子束进入所述真空管后通过所述扩束拦截单元时对带电粒子束的流强进行逐量级或夸量级衰减。
需要说明的是，本实施例的带电粒子加速装置在使用第一加速管2和第二加速管3实现能量可调范围增强的基础上，进一步通过衰减器6实现带电粒子束的较大流强范围的可调，同时，为设置在第一加速管2和第二加速管3之间的衰减器6整体提供一个电位，该电位是第一加速管2和第二加速管3的连接电位。
所述带电粒子加速装置还包括校正器7和束测装置8；
所述校正器7和所述束测装置8依次设置在所述衰减器6的后面；
所述束测装置8用于获取所述带电粒子束的运行数据；
所述校正器7用于根据所述运行数据对所述带电粒子束的运行轨道进行矫正。
所述带电粒子加速装置还包括扫描器9，所述扫描器9设置在所述第二加速管3之后；所述扫描器9用于将带电粒子束扫描在被辐照物体上。需要说明的是，一般带电粒子束出来后要实现某种功能：如果是带电粒子束焊接，则无需扫描，只是将电子束控制在焊接位置运动；如果是利用带电粒子束的辐照功能，需要将带电粒子束扫描在被辐照物体；当然也有无需扫描，直接将带电粒子束如同激光打靶一般直接与物体作用，本实施例中所指的扫描器是用于控制带电粒子束的运动的。
举一具体示例进一步说明：
以一项5-150keV/1nA-100uA电子加速器为例，其能量束流的变化范围为5-150keV，最低引出能量已经低于第一加速管2的最小运输能量20keV的最低限制。
带电粒子束从发射源1到引出端出口依次设置：发射源1(电子枪)，第一加速管2，波纹管10，衰减器6，校正器，束测装置8，第二加速管3和扫描器9，这些部件及其内部电极的电位由第一电源4和第二电源5的输出控制，其中第一电源4包括高压电源A以及高压仓电源组件11中的阳极电源和控制极电源，第二电源5为高压电源B，高压仓电源组件11放在高压平台12上，由隔离变压器13供电。
对于不同能量下束流产生时，第一电源4和第二电源5作用下各电极电位的设置如下图2所示，图2示出了带电粒子加速装置中带电粒子束引出能量和电极电位的设置示意图，在不同引出能量的情况下，阳极电源和控制极电源的输出都将保持一个最佳的粒子源输出状态，电压保持不动。随目标引出能量的输出要求，第一电源4和第二电源5将做适应的调整，当引出能量大于或等于20keV时，只启动第一电源4，比如图2中示出的目标引出能量在20kV-150kV之间时，带电粒子束在第一加速管2中受第一电源4的升能电位的控制下升速到相应的能量后，维持目标引出能量，直至输出整个加速装置；当引出能量小于20keV时，比如图2中示出的目标引出能量在5kV-10kV之间时，启动第一电源4和第二电源5，先受第一电源4的升能电位控制将带电粒子束的能量提升到20ekV，然后带电粒子束以20ekV的能量在加速装置内运输，经过第二加速管3时，再受第二电源5的降能电位控制进行降速，第二电源5的输出极性与第一电源4是相反的，将带电粒子束的能量减速到目标引出能量，本方案中，保证了束流在通过第一加速管2和后续衰减器6、校正器及束测装置8时，束流的能量不低于20keV，保证束流经过较长输运线时不会有太大的束流损失，而由于第二加速管3较短且直接连接到加速器输出，因此将低能运输造成的损失等不良影响做了最大程度的消除；
另外，本方案中加入的衰减器6，使得本实施例的带电粒子加速装置在实现能量可调范围增强的基础上，进一步实现流强范围的可调，使用扩束拦截的办法，可以实现6个量级的调节范围。
现有的粒子束输出装置虽然可以实现分段A、mA、uA、pA量级的输出，但都是在2个量级内以直流或脉冲的形式工作，若是涉及更多量级或者跨多个量级的可调输出时仍然受到很大的限制，比如，一般来说对于最大50mA的电子枪，通过栅控，灯丝温度和阳极电压等方式容易实现2～3个量级的流强调节，如果需要再往下调节，可将其稳定在粒子源允许调节的下限比如0.5mA工作，再用扩束拦截的办法，可再增加4个量级的调节，则本实施例的带电粒子加速装置理论上可以实现6个量级的调节范围，在保留一定调节余度情况下，整体5个量级可调是可以实现的。
本实施例的具的电路实现可以参考图3，其中，200V/1mA为栅极电源，用于电子枪发射带电粒子束的控制，5V/30A为灯丝电源，用于发热式粒子源的加热，20kV/1mA为阳极电源，用于维持阳极和阴极之间的电压，30kV/1mA为控制极电源，用于调整束流引出端的电位分布，使加速管更适合引出各种能量下的束流，-150kV/50mA为高压电源A，用于带电粒子束加速装置的束流能量和功率提供装置，30kV/0.5mA为高压电源B，用于提供束流降能电位，高压电源B只在引出20kV以下能量的束流时启动，其中，栅极电源、灯丝电源、阳极电源和控制极电源由位于高压仓的控制器控制，控制信号通过光隔离的方式获取，AC220V/1500W为隔离变压器13，由AC220V供电，为栅极电源、灯丝电源、阳极电源和控制极电源以及12V控制电源供电。
需要说明的是，本实施例中，衰减器是设置在两个加速管之间的，根据实践应用，衰减器亦可以设置在第二加速管的后面，但是其实现原理与上述实施例中描述的基本一致。
本实施例中，在兼容高能束流产生的情况下，也可以产生较低能量比如几个keV能量的带电粒子束，扩展较低能量的调节范围，同时，该加速器也可以实现流强在较大范围的调整。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种带电粒子加速装置，其特征在于，所述带电粒子加速装置包括依次设置的发射源、第一加速管和第二加速管，所述带电粒子加速装置还包括控制器；
所述发射源用于发射带电粒子束；
所述控制器用于接收用户输入的一目标引出能量，还用于检测所述目标引出能量是否小于所述第一加速管的最小运输能量，若是，则控制所述第一加速管和所述第二加速管进入工作模式；
所述控制器还用于控制所述第一加速管对经过所述第一加速管的带电粒子束进行加速，使所述经过所述第一加速管的带电粒子束的能量达到所述最小运输能量；
经过所述第一加速管加速后的带电粒子束到达所述第二加速管后，所述控制器还用于控制所述第二加速管对经过所述第二加速管的带电粒子束进行减速，使所述经过所述第二加速管的带电粒子束的能量达到所述目标引出能量。
2.如权利要求1所述的带电粒子加速装置，其特征在于，所述控制器用于在检测到所述目标引出能量不小于所述最小运输能量时，控制所述第一加速管进入工作模式；
所述控制器还用于控制所述第一加速管对经过所述第一加速管的带电粒子束进行加速，使所述经过所述第一加速管的带电粒子束的能量达到所述目标引出能量。
3.如权利要求2所述的带电粒子加速装置，其特征在于，所述带电粒子加速装置还包括第一电源和第二电源；
所述控制器用于在检测到所述目标引出能量小于所述最小运输能量时生成第一控制信号和第二控制信号，还用于将所述第一控制信号发送至所述第一电源，并将所述第二控制信号发送至所述第二电源；
所述第一电源用于根据所述第一控制信号为经过所述第一加速管的带电粒子束提供进行加速的第一升能电位，所述第一升能电位用于使经过所述第一加速管的带电粒子束的能量达到所述最小运输能量；
所述第二电源用于根据所述第二控制信号为经过所述第二加速管的带电粒子束提供进行减速的降能电位，所述降能电位用于使经过所述第二加速管的带电粒子束的能量达到所述目标引出能量。
4.如权利要求3所述的带电粒子加速装置，其特征在于，所述控制器用于在所述目标引出能量不小于所述最小运输能量时生成第三控制信号，并发送至所述第一电源；
所述第一电源还用于根据所述第三控制信号为经过所述第一加速管的带电粒子束提供进行加速的第二升能电位，所述第二升能电位用于使所述经过所述第一加速管的带电粒子束的能量达到所述目标引出能量。
5.如权利要求1所述的带电粒子加速装置，其特征在于，所述带电粒子加速装置还包括衰减器，所述衰减器包括真空管和至少一个扩束拦截单元；
所述衰减器设置在所述第一加速管和所述第二加速管之间或设置在所述第二加速管之后，所述扩束拦截单元设置在所述真空管中；
所述拦截单元用于在带电粒子束进入所述真空管后通过所述扩束拦截单元时对带电粒子束的流强进行衰减。
6.如权利要求5所述的带电粒子加速装置，其特征在于，当所述扩束拦截单元的数量为两个或两个以上，所述拦截单元用于在带电粒子束进入所述真空管后通过所述扩束拦截单元时对带电粒子束的流强进行逐量级或夸量级衰减。
7.如权利要求5所述的带电粒子加速装置，其特征在于，所述扩束拦截单元包括：螺线管、圆锥形拦截光阑和可变孔径光阑；
在所述扩束拦截单元中沿带电粒子束前进方向依次设置所述螺线管、所述圆锥形拦截光阑和所述可变孔径光阑；
所述衰减器通过调节通过螺线管上的电流或调节可变孔径光阑的孔径大小对通过的带电粒子束进行衰减；
所述圆锥形拦截光阑用于对发散到所述圆锥形拦截光阑上的带电粒子束进行拦截。
8.如权利要求5所述的带电粒子加速装置，其特征在于，所述带电粒子加速装置还包括校正器和束测装置；
所述校正器和所述束测装置依次设置在所述衰减器的后面；
所述束测装置用于获取所述带电粒子束的运行数据；
所述校正器用于根据所述运行数据对所述带电粒子束的运行轨道进行矫正。
9.如权利要求1所述的带电粒子加速装置，其特征在于，所述带电粒子加速装置还包括扫描器，所述扫描器设置在所述第二加速管之后；
所述扫描器用于将带电粒子束扫描在被辐照物体上。
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