[发明专利]一种强流离子高压静电加速管

说明书

本发明提供了一种强流离子高压静电加速管，包括加速管本体；加速管本体具体包括入口圆筒、进口法兰、进口法兰夹套、磁镜装置、加速电极、双电子云空间电荷透镜装置、出口法兰夹套、出口法兰、出口圆筒、绝缘环、均压环和绝缘柱等；进口法兰夹套与入口圆筒之间设有磁镜装置，出口法兰夹套与出口圆筒之间设有双电子云空间电荷透镜装置，各加速电极的中心圆孔半径沿束流传输方向依次减小。本发明利用聚焦电场和束‑等离子体相互作用分别增强了加速区域、加速管出入口区域的离子聚焦力，抑制强流离子束条件下强空间电荷效应引发的束流分散，降低了束流损失和抑制了束流发射度的增长，可实现强流离子束的高效稳定加速。

技术领域

本发明涉及粒子加速器技术领域，尤其涉及一种强流离子高压静电加速管。

背景技术

随着科学技术的不断发展，粒子加速器科学技术取得了巨大的成就，其应用范围也逐渐从基础研究领域走向了工业、农业、医药以及国防建设的各条战线。特别是最近发展起来的加速器驱动先进核能系统，已逐渐成为各国研究的热点。

加速器是一种用人工方法产生高能带电粒子束的装置。它利用一定形态的电磁场将正负电子、质子、轻重离子等带电粒子加速到keV、MeV、GeV、TeV或者更高能量。这种具有相当高能量的离子束，是人类变革原子核、研究“基本粒子”、认识物质深层结构的重要工具。同时，它在工农业生产、医疗卫生、科学技术以及国防建设等方面也有着广泛而重要的应用。常见的加速器主要有高压静电加速器、回旋加速器、直线加速器、同步加速器，其中的大部分加速器都用于工业生产，只有少量的加速器是用于科学研究。

加速管是高压静电加速器的核心部件之一，主要利用高压静电场将带电粒子束加速到所需能量。现代大型静电加速器端电压的提高主要受到加速管耐压水平的限制。因此，一台高性能的高压静电加速管应该具有良好的真空性能，能维持较好的真空度，有足够的机械强度，对被加速的粒子有较好的聚焦作用，有良好的耐高压性能和必要的过电压保护措施等。

在传统的高压静电加速管设计过程中，加速管的耐压水平受到真空击穿的限制，主要表现为以下两个方面：1)加速管的耐压梯度会随着加速管总电压的升高而下降；2)当电压达到某个阈值的时候，加速管内会突然出现大量的电子流，并且伴有强烈的X射线，继续提高电压，电子流会急剧增加，很快超过高压发生器的负载能力，从而限制了电压的进一步提高。同时，当加速管加速的束流流强进一步提高，强烈的空间电荷效应的非线性部分将会造成束流发射度增长，使得强流离子束的束流包络过大而损失在加速管的绝缘体壁上或者加速电极上，产生大量的次级电子，进而破坏加速管的耐压水平，并限制加速管可加速束流流强的提高。

因此，如何进一步的提高加速管的耐压水平，抑制强流束条件下强空间电荷效应引发的束流发散，是本领域技术人员亟需解决的关键技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种耐压水平高的强流离子高压静电加速管，一方面通过在加速管入口设置一个磁镜装置来约束加速管中存在的二次电子和残余气体电离产生的电子，形成稳态电子云，提高空间电荷中和度和加速系统的耐压水平，降低加速管因全电压效应和电子负载导致的高压打火风险；另一方面通过在加速管入口设置一个双电子云空间电荷透镜装置，利用非正交的电磁场形成稳态双电子云，通过束-等离子体之间相互作用增强加速管聚焦性能，抑制强流束通过加速管时引起的束流发散，进一步降低束流损失。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种强流离子高压静电加速管，包括加速管本体；所述加速管本体的内部，沿离子束流输运方向，依次设置有加速管入口、磁镜装置、加速电极、双电子云空间电荷透镜装置和加速管出口；其中，所述加速管入口端和加速管出口端还分别设置有进口法兰、出口法兰，进口法兰的后端以及出口法兰的前端分别连接有进口法兰夹套、出口法兰夹套，所述进口法兰夹套与出口法兰夹套中部分别横穿有入口圆筒、出口圆筒；所述进口法兰夹套与入口圆筒之间设有所述磁镜装置，出口法兰夹套与出口圆筒之间设有所述双电子云空间电荷透镜装置；