一種高精度法拉第筒的制作方法

本實用新型屬于回旋加速器技術領域，具體涉及一種高精度法拉第筒。

背景技術：

回旋加速器是利用磁場和電場共同使帶電粒子作回旋運動，在運動中經高頻電場反復加速的裝置，是高能物理中的重要儀器，其中超導回旋加速器是目前醫用質子治療加速器的核心設備。醫用質子治療加速器能夠實現用微觀世界中的質子、重離子射線治療腫瘤，是當今世界最尖端的放射治療技術，僅有個別發達國家掌握并應用該技術。國內已經展開、但暫時還沒有完成超導回旋加速器的研制工作。

束流強度是加速器中非常重要的束流參數之一，在醫用質子治療加速器中，束流強度不僅直接關系到治療的質量和效果，而且涉及患者的生命安全。在對患者進行質子治療時，需要使用無阻擋型的束流強度測量裝置。對無阻擋型的束流強度測量裝置，需要使用高精度法拉第筒對其測量值進行相應的校準。

現有的法拉第筒多采用二次電子抑制偏壓來防止二次電子逸出法拉第筒造成測量的偏差，同時采用加大法拉第筒長度的方法防止二次電子逸出。也可采用永磁鐵，利用磁場對二次電子進行抑制，如對10eV動能的二次電子，在10mT的磁場中，其運動半徑為1mm左右，可以保證二次電子不逸出法拉第筒。但無論電抑制或磁抑制，對法拉第筒中心線上二次電子逸出最明顯的區域其抑制效果都較差，且永磁鐵存在熱影響下的失效。

技術實現要素：

目前，國內許多單位均在開展質子治療的相關研究，對質子束流強度進行高精度測量的法拉第筒裝置具有廣闊的應用前景。由于質子治療裝置結構設計緊湊，因此如何在有限空間內實現對束流強度的直接精確測量并以此為依據對無阻擋型的束流強度測量裝置進行校準具有非常重要的意義。現有的法拉第筒裝置所存在的二次電子逸出及發熱等問題，無法滿足質子治療儀的設計要求。

針對上述需求，本實用新型旨在提供一種結構簡單、占用空間小、造價低廉、有效減少法拉第筒中心線上二次電子逸出、并降低發熱的高精度法拉第筒裝置用于質子治療回旋加速器束流強度的測量。

為達到以上目的，本實用新型采用的技術方案是一種高精度法拉第筒，包括法拉第筒主體，其中，還包括設置在所述法拉第筒主體開口外側的二次電子抑制偏壓電極，設置在所述法拉第筒主體內的中空的錐形結構，所述錐形結構能夠使所述法拉第筒主體內產生的二次電子不會沿所述法拉第筒主體的中軸線向外發射。

進一步，所述錐形結構與所述法拉第筒主體同軸，大口徑一端的開口朝向被測束流的射入方向，小口徑一端與所述法拉第筒主體相連。

更進一步，所述法拉第筒主體、錐形結構的制作材質為銅。

進一步，在所述法拉第筒主體遠離開口的另一端的底部設有水冷管路。

更進一步，根據被測束流的粒子在所述法拉第筒主體所采用的制作材質中的射程，所述法拉第筒主體底部的厚度大于所述射程，所述水冷管路設置在所述射程之外，避免所述水冷管路中的冷卻水被活化。

進一步，還包括設置在所述二次電子抑制偏壓電極遠離所述法拉第筒主體一側的保護接地電極。

本實用新型的有益效果在于：所采用的法拉第筒具有結構簡單，占用空間小，可有效減少二次電子逸出，提高測量精度的優點，同時該結構設計可以增大法拉第筒的熱容量，提高安全性；在束流能量集中時，可以有效分散束流能量，防止局部溫度過高造成損壞；可廣泛應用于在質子治療領域束流強度的測量，并具有向相關領域推廣使用的價值。

附圖說明

圖1是本實用新型具體實施方式中所述高精度法拉第筒的示意圖；

圖2是本實用新型具體實施方式中所述法拉第筒的工作原理圖；

圖中：1-保護接地電極，2-二次電子抑制偏壓電極，3-錐形結構，4-法拉第筒主體，5-水冷管路，6-放大電路，7-PLC數據采集模塊，8-控制計算機，9-質子束流。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步描述。

如圖1所示，本實用新型提供的一種高精度法拉第筒，包括法拉第筒主體4，其中，還包括設置在法拉第筒主體4開口外側的二次電子抑制偏壓電極2，設置在法拉第筒主體4內的中空的錐形結構3，錐形結構3能夠使法拉第筒主體4內產生的二次電子不會沿法拉第筒主體4的中軸線向外發射。

錐形結構3與法拉第筒主體4同軸，大口徑一端的開口朝向被測束流的射入方向，小口徑一端與法拉第筒主體4相連。對被測的質子束流入射產生的二次電子，其通量與cosθ成正比(θ為電子發射軌跡與發射表面的夾角)，能量通常低于10eV。在法拉第筒主體4內采用錐形結構3，由于這樣的結構特點，產生的二次電子不會沿法拉第筒的中軸線向外發射，而法拉第筒的中軸線正是二次電子抑制偏壓效果比較差的區域。錐形結構3也可以非常有效的分散束流能量，防止局部溫度過高造成法拉第筒的損壞。

法拉第筒主體4、錐形結構3的制作材質為銅。

在法拉第筒主體4遠離開口的另一端的底部設有水冷管路5，使用冷卻水對法拉第筒進行冷卻。根據被測粒子束流的粒子在法拉第筒主體4所采用的制作材質中的射程進行推算，法拉第筒主體4底部的厚度需要大于上述的射程，水冷管路5設置在該射程之外(圖1中R為射程)，能夠避免水冷管路5中的冷卻水被活化。在本實施例中，法拉第筒主體4采用銅材料制作，所測質子束流中的質子在銅中的射程為57mm，因此水冷管路5與法拉第筒主體4底部的設置距離超過57mm(即R>57mm)。

本實用新型提供的高精度法拉第筒，還包括設置在二次電子抑制偏壓電極2遠離法拉第筒主體4一側的保護接地電極1。二次電子抑制電極2上載加數百伏的負高壓，能夠進一步防止二次電子逸出法拉第筒，保證測量結果的準確性。在二次電子抑制電極2之前，設有保護接地電極1，能夠減小二次電子抑制偏壓對入射的被測質子束流的影響，并防止雜散束流造成二次電子抑制偏壓電極2與法拉第筒主體4之間的短路。

如圖2所示，需要對質子束流9進行測量時，使用控制計算機8通過PLC數據采集模塊7對本實用新型提供的高精度法拉第筒加以控制，利用氣動裝置將高精度法拉第筒運動至工作位置，質子束流9能量完全沉積于高精度法拉第筒內，輸出信號通過真空接頭與放大電路6輸入端相連，放大后的束流強度信號送入PLC數據采集模塊7并通過控制計算機8完成束流強度的顯示。

本實用新型所述的裝置并不限于具體實施方式中所述的實施例，本領域技術人員根據本實用新型的技術方案得出其他的實施方式，同樣屬于本實用新型的技術創新范圍。