用于提取不同能量的束流的同步回旋加速器
阅读说明：本技术 用于提取不同能量的束流的同步回旋加速器 (Synchrocyclotron for extracting beams with different energies ) 是由 J·芒德里永 W·克里文 亚尔诺·范德瓦勒 于 2021-03-04 设计创作，主要内容包括：一种用于提取被加速到介于低能量(E1)与高能量(E2)之间的任何提取能量(Ei)的带电粒子的同步回旋加速器,同步回旋加速器包括磁性单元,该磁性单元包括N个谷扇区和N个丘扇区、并且被配置用于产生主磁场的z分量(Bz),其特征为相继轨道的径向调谐(νr)不是1并且对于介于低半径(R1)和高半径(R2)之间的平均半径(R)的所有值而言在1±0.1范围内,该低半径和高半径对应于在低能量和高能量(E1,E2)下的带电粒子的相应平均半径位置。同步回旋加速器包括第一不稳定线圈单元(51)和第二不稳定线圈单元(52),该第一不稳定线圈单元和该第二不稳定线圈单元被配置用于当被电力源激活时产生沿径向增加的幅度(ΔBz(R))的场凸起。(A synchrocyclotron for extracting charged particles accelerated to any extraction energy (Ei) between a low energy (E1) and a high energy (E2), comprising a magnet unit comprising N valley sectors and N hill sectors and configured for generating a z-component (Bz) of a main magnetic field, characterized in that the radial tuning (vr) of successive orbits is not 1 and is within 1 ± 0.1 for all values of the mean radius (R) between a low radius (R1) and a high radius (R2) corresponding to respective mean radius positions of the charged particles at the low and high energies (E1, E2). The synchrocyclotron comprises a first unstable coil unit (51) and a second unstable coil unit (52) configured to generate a field bump of radially increasing amplitude (Δ bz (r)) when activated by the electrical power source.)
技术领域
本发明涉及以不同能量从同步回旋加速器(SC)中提取加速带电粒子束流，所述同步回旋加速器包括围绕中心轴线(z)以至少为三的对称阶次(N)交替分布的丘扇区和谷扇区，这些不同能量的范围在与该束流所遵循的轨迹的低和高平均半径(R1、R2)相对应的低能量(E1)与高能量(E2)之间。特别地，该束流的提取由磁扰动或场凸起(bump)触发，磁扰动或场凸起的幅值可以在给定方位角(θc)(定义方位扇区的开度)并包括在低和高平均半径(R1、R2)之间的方位扇区上控制成等于在平均不稳定起始半径(Ri)和径向调谐(νr)处的偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr)·θc/2π)，其中，
·Ri是要提取的束流的平均不稳定起始半径，其中R1≤Ri≤R2，对应于能量(Ei)的束流，
·ΔBz0(Ri,νr)·θc/2π是在平均半径(Ri)处的偏移幅度，其取决于νr，并且是用于使平均不稳定起始半径(Ri)的轨道的中心充分地偏移以产生平均半径R≥Ri的相继轨道的共振不稳定性所需的在平均不稳定起始半径(Ri)处的磁扰动的最小幅度。
·ΔBz0(Ri,νr)是在半径Ri处的凸起幅度的最大值。
·νr是径向调谐并且是径向方向上的电子感应加速器振荡的量度，并且被控制为使得νr≠1，并且νr＝1±0.1、优选为1±0.025、更优选为1.002≤|νr|≤1.015，以减小偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr))·θc/2π的值。
本发明的同步回旋加速器特别有利之处在于，它可以提取在同步回旋加速器的标称能量的20％至100％变化的能量范围内的带电粒子束流。例如，对于230MeV的同步回旋加速器，本发明可以非常容易地提取能量范围为46MeV至230MeV的带电粒子束流。
发明背景
回旋加速器是一种圆形粒子加速器，其中带负电粒子或带正电的粒子沿形成相继同心轨道的螺旋路径从回旋加速器的中心向外加速，直到几MeV的能量。粒子的加速度由RF交流电场驱动，并且粒子的轨迹由主磁场(B)的z分量(Bz)沿平面(X、Y)上平均半径(R)的相继变大的轨道被引导。存在各种类型的回旋加速器。在等时性回旋加速器中，Bz和RF场的频率二者都是恒定的，使得粒子束流以相同时间行经螺旋路径的每个相继循环或循环的一部分。同步回旋加速器是一种特殊类型的回旋加速器，其中随着粒子速度接近光速，RF交替电场的频率发生变化，以补偿相对论效应。这与等时性回旋加速器相反，在等时性回旋加速器中该频率是恒定的。回旋加速器用于各个领域，例如核物理、比如质子治疗等医学治疗、或放射药理学。
本发明涉及同步回旋加速器。在同步回旋加速器中，粒子围绕同步相位形成纵向相位振荡，典型地为几度到大约30度，以此方式使得它们交替地数圈加速然后另一周期的数圈减速。所得到的加速在同步回旋加速器中比在等时性回旋加速器中的要慢，但是由于束流的高纵向稳定性，在每个工作循环下可以加速许多粒子。
回旋加速器包括数个元件，包括：注入单元、用于加速带电粒子的射频(RF)加速系统、用于沿精确路径引导加速粒子的磁性系统、用于收集因此加速的粒子的提取系统、以及用于在回旋加速器中产生和维持真空的真空系统。超导回旋加速器需要一种低温冷却系统，以用于将其超导元件维持在它们的超导温度。
注入系统将初始速度相对较低的粒子束流引入回旋加速器中心处或附近的加速间隙中。RF加速系统通过由磁性单元产生的磁场使此粒子束流在加速间隙内沿着螺旋路径向外引导地按顺序且重复地加速。
磁性单元产生磁场，该磁场沿着螺旋路径引导带电粒子束流并使其聚焦，直到该带电粒子束流达到其目标能量Ei。主磁场通过两个螺线管主线圈在两个场整形单元之间限定的间隙中产生，这两个场整形单元在正交于中心轴线(z)的中间平面(P)的两侧彼此平行地布置并且限定回旋加速器的对称平面，这两个螺线管主线圈被缠绕在这些场整形单元上。场整形单元可以是通过加速间隙彼此分开的磁极或超导线圈。尤其由于相对论效应，必须对主磁场加以控制以限制束流的散焦。
可以通过提供围绕中心轴线(z)以至少为三的对称阶次(N)交替地分布的丘扇区和谷扇区以用于将主磁场整形成具有相同的对称阶次(N)来改善聚焦。在中间平面(P)附近由因此变化的磁场的径向和方位分量所产生的聚焦和散焦效果影响束流的调谐值。束流的调谐是每个粒子在一圈旋转期间围绕闭合轨道形成的周期的分数。在给定的能量(Ei)(或给定的平均半径(Ri))下，调谐具有径向分量(νr)和法向分量(νz)。完全平坦的主磁场(Bz)的径向调谐νr＝1，导致不稳定的带电粒子束流。在调谐νr＝1的主磁场中，未完美对准的粒子将从轨道上滑出，这意味着它遵循并漂移走，这在加速阶段期间必须得到避免。
主线圈被封闭在磁通返回件或轭内，该磁通返回件或轭将磁场限制在回旋加速器内。至少在加速间隙内提取真空。场整形单元和磁通返回件中的任何一个可以由磁性材料(例如铁或低碳钢)制成，或者可以由用电能激活的线圈组成。所述线圈以及主线圈可以由超导材料制成。在这种情况下，必须将超导线圈冷却到低于其临界温度。低温冷却器可以用于将回旋加速器的超导部件冷却至低于其临界温度，该临界温度对于低温超导体(LTS)而言可以大约在2与10K之间、典型地约为4K，并且对于高温超导体(HTS)而言可以大约在20与75K之间。磁通返回件设置有一个或多个出口，用于允许从(同步)回旋加速器中提取出带电粒子。
当粒子束流达到其目标能量时，提取系统通过出口从回旋加速器中提取出该粒子束流，并且将其朝向提取通道引导。存在数种提取系统，并且对于本领域普通技术人员而言这些提取系统是已知的，包括剥离(主要在等时性回旋加速器中)、静电提取(也主要在等时性回旋加速器中)和再生提取，其中共振扰动是由场凸起产生的(在同步回旋加速器和等时性回旋加速器二者中都是可能的)。
再生提取通过施加磁场凸起(ΔBz)在粒子束流的轨道中产生共振扰动。具有明确限定的方位和径向延伸的铁条(被称为“再生器”)通常用于产生磁场凸起。例如，US8581525和WO 2013098089描述了铁基再生器。铁基再生器的第一缺点包括磁场凸起的幅值无法轻易改变，并且当然在回旋加速器的操作期间也无法轻易改变。当使用相同的回旋加速器以不同能量提取粒子时，这是主要缺点。第二缺点是经提取的粒子束流的能量不能改变。如果某一应用需要给定能量(Ei)的粒子束流，则必须以回旋加速器的标称能量提取粒子束流，并且必须通过位于出口下游、同步回旋加速器外部的能量控制装置(如能量选择系统(ESS)、降能器、射程移位器、准直器等)来降低束流的能量。
铁基再生器可以用线圈代替，特别是用可以产生较高磁场的超导线圈代替。线圈的使用允许场凸起的幅值(ΔBz)独立于主磁场(B)的z分量(Bz)的幅值而变化。
已经提出了用于以不同的能量(Ei)(或平均半径(Ri))从同步回旋加速器中提取粒子束流的解决方案。US 9302384描述了一种同步回旋加速器，该同步回旋加速器包括布置在提取通道的入口点附近以改变粒子能量级的提取结构，其中提取结构具有多个厚度并且相对于提取通道可移动以将该多个厚度之一放置在粒子的路径中。该解决方案不适用于提取能量在宽范围[E1，E2]中变化的束流。
WO 2013142409描述了一种同步回旋加速器，该同步回旋加速器包括一系列磁提取凸起，这些磁提取凸起在中间加速平面的相反侧上从中心轴线径向地串联延伸。WO2017160758描述了一种同步回旋加速器，其中设置了RF频率随离子飞行时间变化的情形，使得对于来自给定设计范围的任何离子提取能量，频率随时间变化的情形是相同的，并且调整恒定或可变的RF电压随离子飞行时间变化的情形，以在给定的设计范围内以不同的相应提取能量级对离子提供从注入到提取的离子加速；并且在共享的提取半径下以不同的能量级提取离子。WO 2019146211描述了一种同步回旋加速器，其中向带电粒子束流施加与用于加速的高频波频率不同的高频波以射出带电粒子束流。因此，在通过在主磁场内施加高频波而在轨迹半径增大的同时使带电粒子束流加速的圆形加速器中，由此能够高精度地控制带电粒子束流从圆形加速器的射出。这些解决方案要求改变磁场强度或RF加速电场的频率，这需要花费时间以使其发生较大变化。
US 20190239333描述了一种小型化且可变能量的加速器，其中相应能量的带电粒子所遵循的粒子束流的轨迹的多个环形束流闭合轨道相对于同步回旋加速器的中心在一侧偏移。由加速电极馈入带电粒子的射频电场的频率由束流闭合轨道调制。因此产生的轨道的偏移形成聚集区域和离散区域，在这些聚集区域中相邻轨道彼此非常靠近，在这些离散区域中相邻轨道在径向方向上分隔开较大的距离。
US 20150084548描述了一种同步回旋加速器，其包括施加RF电场以使带电粒子束流加速的电极；并且进一步包括将DC电场施加到电极的DC电源装置。当从半径re的外侧向假D形电极施加DC电压的同时使带电粒子束流加速时，通过来自re的外侧的DC电压Vdc的束流弯曲磁场B和电场E，沿螺旋形轨道到半径re产生E×B漂移，束流轨道从中心向外侧漂移，并且带电粒子束流被静电偏转电极提取。
后两个文件中提出的解决方案令人关注，但是对于以低能量(大约为同步回旋加速器的标称能量(Em)的25％至50％)提取带电粒子，这是相当复杂的且非常具有挑战性。
因此，仍然需要一种同步回旋加速器，该同步回旋加速器能够以简化的和较容易的束流提取来递送具有快速可变能量的束流，因为能量可以以高剂量率快速地进行切换。本发明提出一种同步回旋加速器，该同步回旋加速器具有第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元，该第一不稳定线圈单元和该第二不稳定线圈单元被配置用于产生幅值变化的磁场凸起，以用于选择要提取的粒子的能量。由于受扰动的轨道所暴露的特定磁场条件，因此产生的扰动进入共振。本发明的同步回旋加速器满足上述要求。以下各节将更详细地描述这些优点和其他优点。
发明内容
所附的独立权利要求限定了本发明。从属权利要求限定了优选的实施例。特别地，本发明涉及一种用于提取被加速到介于低能量(E1)与高能量(E2)之间的任何提取能量(Ei)的带电粒子(如强子(例如质子))的同步回旋加速器。同步回旋加速器包括：
·至少第一主线圈和第二主线圈，该至少第一主线圈和第二主线圈以共同中心轴线(z)为中心、被彼此平行地布置成在中间平面的两侧，并且该中间平面正交于该中心轴线(z)并且限定回旋加速器的对称平面，该至少第一主线圈和第二主线圈被配置用于当被电力源激活时产生主磁场(B)，
·D形件，该D形件被配置用于产生用于使这些带电粒子加速的变化频率的RF振荡电场，
·第一场整形单元和第二场整形单元(42)，该第一场整形单元和该第二场整形单元用于对主磁场(B)进行整形并且因此沿着以中心轴线(z)为中心的平均半径(R)增大的相继轨道引导这些带电粒子，该第一场整形单元和该第二场整形单元被布置在中间平面(P)的两侧的第一主线圈和第二主线圈内、并且彼此分隔开间隙，其中，该第一场整形单元和该第二场整形单元包括丘扇区和谷扇区，这些丘扇区和谷扇区围绕中心轴线(z)以至少为三的对称阶次(N)交替地分布，优选地N＝2n+1，其中更优选地N＝3，以用于将主磁场整形成具有相同的对称阶次(N)，
·第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元，该第一不稳定线圈单元和该第二不稳定线圈单元被布置在中间平面的两侧、并且被配置用于当被电力源激活时在主磁场的z分量(Bz)中产生局部化的场凸起。
主磁场的z分量(Bz)被控制为使得对于介于低半径(R1)与高半径(R2)之间的平均半径(R)的所有值而言，这些相继轨道的径向调谐(vr)不等于1并且在1±0.1范围内、优选在1±0.025范围内，更优选地，1.002≤|νr|≤1.015，低半径和高半径对应于低能量和高能量(E1、E2)下这些带电粒子的相应平均径向位置。
第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元被配置用于在方位角(θc)的方位扇区内产生所述场凸起，其幅度(ΔBz(R))在低半径(R1)处的第一场凸起幅度值(ΔBz(R1))与高半径(R2)处的第二场凸起幅度值(ΔBz(R2))之间沿径向增加、优选为单调递增。
同步回旋加速器包括控制单元，该控制单元被配置用于以介于低值与高值之间的各个水平来调节场凸起的幅度(ΔBz(R))，以使得对于介于低半径与高半径(R1、R2)之间的平均不稳定起始半径(Ri)的所有值而言，在平均不稳定起始半径(Ri)处场凸起的幅度(ΔBz(Ri))的值
ο等于在平均不稳定起始半径(Ri)处的偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr))的值，并且
ο小于对于小于平均不稳定起始半径(Ri)的平均半径(R)的所有值而言的偏移幅度(ΔBz0(R,νr))的值，
其中，偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr)·θc/2π)是用于使引导这些带电粒子所沿着的平均不稳定起始半径(Ri)的轨道的中心充分地偏移所需的在平均不稳定起始半径(Ri)处的场凸起的最小幅度，使得在该轨道上谐波2的幅度与谐波2的幅度的径向梯度的组合是由在如此偏移的轨道上的对称阶次(N)的主磁场(B)产生的，并且足够大以产生平均半径R≥Ri的相继轨道的共振不稳定性。
第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元可以被限定为使得第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元的投影位于由方位区段沿周向限定的区域内，该方位区段被包括在可以小于π/3、优选小于π/4、更优选小于π/6的方位角(θc)内、并且径向地介于低半径与高半径(R1、R2)之间。
在第一实施例中，第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元可以呈一对梯形或三角形线圈的形式，该梯形或三角形线圈对的尺寸适合方位角(θc)的方位扇区并且在径向方向上长度至少等于(R2-R1)。第一不稳定线圈单元与第二不稳定线圈单元分隔开的距离可以沿径向减小，使得在低半径(R1)处的幅度(ΔBz(R1))小于在高半径(R2)处的幅度(ΔBz(R2))。第一不稳定线圈单元与第二不稳定线圈单元分隔开的距离沿径向方向线性地减小，其中，第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元中的每一个与中间平面(P)形成介于5度与30度之间、优选地介于10度与25度之间的角度。
在第二实施例中，第一不稳定线圈单元和所述第二不稳定线圈单元可以由具有在方位扇区内径向对准的两个或更多个线圈对的系列形成，每个线圈对被配置用于产生幅度(ΔBz(R))高于更靠近中心轴线(z)的相邻线圈对或幅度(ΔBz(R))低于离中心轴线(z)更远的相邻线圈对的场凸起。
在平均不稳定起始半径(Ri)处的偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr)·θc/2π)优选地被限定为使得ΔBz0(Ri,vr)·θc/2π介于在平均不稳定起始半径(Ri)处主磁场(B)的z分量(Bz)的平均值的0.001％与1％之间、优选在其0.005％与0.05％之间。
对于具有标称提取能量(Em)的同步回旋加速器，低能量(E1)可以介于Em的20％与75％之间、优选地介于Em的30％与50％之间。高能量(E2)可以介于Em的80％与100％之间、优选地介于Em的90％或95％与99％之间。
本发明还涉及一种用于以介于低能量(E1)与高能量(E2)之间的任何给定值的提取能量(Ei)从同步回旋加速器中提取带电粒子的方法。该方法包括以下步骤。
·提供如上讨论的同步回旋加速器，该同步回旋加速器被配置为使得
ο这些带电粒子在其轨道的对应平均不稳定起始半径(Ri)处达到提取能量(Ei)，该对应平均不稳定起始半径介于低半径(R1)与高半径(R2)之间，该低半径和该高半径对应于在低能量和高能量(E1、E2)下这些带电粒子相对于中心轴线(z)的相应平均径向位置，并且使得
ο对于介于低半径与高半径(R1、R2)之间的平均半径的所有值而言，相继轨道的径向调谐(νr(R))不等于1并且在1±0.1范围内、优选地在1±0.025范围内，更优选地，1.002≤|νr|≤1.015，
·选择要提取的带电粒子的提取能量(Ei)的值，
·确定用于使提取能量(Ei)下的这些带电粒子的平均半径(Ri)的轨道的中心偏移并因此产生平均半径R≥Ri的相继轨道的共振不稳定性所需的偏移幅度的值(ΔBz0(Ri,νr))·θc/2π，
·调整场凸起的幅值，使得场凸起的幅度(ΔBz(Ri))·θc/2π等于平均不稳定起始半径(Ri)处的偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr))·θc/2π、并且小于对于小于平均半径(Ri)的平均半径的所有值而言的偏移幅度(ΔBz0(R,νr))·θc/2π，以及
·通过出口从同步回旋加速器中提取束流。
附图说明
为了更全面地理解本发明的本质，参考以下结合附图的详细描述，在附图中：
图1：示出了根据本发明的同步回旋加速器的实施例的侧视剖视图，该同步回旋加速器具有磁极以及第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元(为清楚起见未示出D形件)。
图2：示出了根据本发明的同步回旋加速器的实施例的透视图，其中第二场整形单元被移除以示出同步回旋加速器的内部。
图3：示出了由第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元产生的场凸起的位置和强度的示例的俯视图。
图4(a)-图4(b)：示出了在由于在(a)低能量粒子的轨道(接近R1)处和(b)高能量粒子的轨道(接近R2)处的场凸起而失稳之后的轨迹的两个实施例。
图5(a)-图5(e)：示出了(a)粒子能量(E)、(b)径向调谐和法向调谐(νr、νz)、(c)在整个轨道上主磁场(Bz)的z分量的平均值、以及(d)偏移幅度(ΔBz0(R,νr))(以上所有是粒子束流的径向位置(R)的函数)、以及(e)作为给定半径(Ri)处的方位位置(角度θ)的函数的主磁场(Bz)的z分量的曲线图。
具体实施方式
本发明涉及应用于同步回旋加速器的加速粒子束流提取系统，该同步回旋加速器产生带电粒子束流，诸如强子，特别是具有最大或标称目标能量(Em)的质子。粒子束流的标称目标能量(Em)可以约为15至400MeV/核子，优选地在60与350MeV/核子之间，更优选地在70与300MeV/核子之间。同步回旋加速器的标称能量(Em)是在设计同步回旋加速器时设定的。本发明的同步回旋加速器(1)能够以介于低提取能量(E1)与提取高能量(E2)之间的变化能量提取带电粒子束流，其中E1<Em≤E2。低能量(E1)可以约在Em的20％与75％之间，优选地在Em的30％与50％之间，并且其中，高能量(E2)可以介于Em的80％与100％之间，优选地介于Em的90％或95％与99％之间。如图5(a)中所展示的，带电粒子束流在其以相应的半径(Ri)的轨道旋转时具有给定的能量(Ei)。带电粒子束流所遵循的轨道在此以“平均半径”来表征，因为由于谷扇区和丘扇区(44v、44h)和Bz的对应方位变化，所以轨道不是圆形的。轨道的平均半径是整圈(即360度)上轨道的半径的平均值。
本发明的同步回旋加速器以变化的能量进行的提取通过以下方式成为可能：一方面，产生场凸起，该场凸起在介于R1与R2之间的平均半径(Ri)的任何轨道处的幅度(ΔBz(Ri))可以被改变以达到使平均半径(Ri)的轨道的中心充分地偏移以产生共振不稳定性所需的偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr))的值；另一方面，产生用于使偏移幅度(ΔBz0(R,νr))足够高以允许束流稳定且可重现的加速度和足够低以限制场凸起的幅值(ΔBz(Ri))的条件。如下所解释的，前述特征可以被组合在根据本发明的同步回旋加速器中。显然，仅通过不使用场凸起就可以以最大目标能量(Em)提取束流。
同步回旋加速器
本发明可以在常规的同步回旋加速器上实现，并且可以包括现有技术中已知的所有特征。该同步回旋加速器包括以下部件。
·D形件(21)，该D形件被配置用于产生用于使带电粒子加速的RF振荡电场。当粒子速度接近光速时，频率沿着带电粒子的路径变化，以考虑相对论效应。
·磁性单元，该磁性单元包括用于产生主磁场的主线圈(B)和用于对主磁场(B)、特别是主磁场的z分量(Bz)进行整形的场整形单元。主磁场的z分量(Bz)用于使加速中的粒子的轨迹沿着由相继变大的半径(Ri)的同心轨道系列形成的螺旋轨迹弯曲。
·提取单元，该提取单元用于提取已达到目标能量的带电粒子束流。该同步回旋加速器与常规的同步回旋加速器的不同之处在于它属于同步回旋加速器家族，其中目标能量可以在介于低能量与高能量(E1、E2)之间的宽范围内变化。
D形件(21)
如图2所展示的，本发明的同步回旋加速器包括D形件(21)，该D形件总体上由D形的中空金属片材制成，以用于产生RF振荡电场。另一极是开放的。振荡电场的频率连续减小，以考虑达到相对论速度的加速中的带电粒子的增加的质量。周期性变化的振荡电势的一个端子施加到D形件，而另一端子处于接地电势。
磁性单元
如上文所提及的，同步回旋加速器包括磁性单元，该磁性单元包括主线圈(31、32)和场整形单元(41、42)，这些场整形单元用于在带电粒子束流被RF振荡电场加速时弯曲成同心变大轨道(＝螺旋形)轨迹。如图1和图2所展示的，同步回旋加速器包括至少第一主线圈和第二主线圈(31、32)，该至少第一主线圈和第二主线圈可以是超导的或不是超导的、以共同中心轴线(z)为中心、彼此平行地布置成在正交于中心轴线(z)的中间平面(P)的两侧。中间平面(P)限定同步回旋加速器的对称平面。当被电力源激活时，第一主线圈和第二主线圈产生主磁场(B)。主磁场用于使带电粒子的轨迹弯曲。
磁性单元还包括第一场整形单元(41)和第二场整形单元(42)。第一场整形单元和第二场整形单元(41、42)被布置在中间平面(P)的两侧的第一主线圈和第二主线圈内，并且彼此分隔开间隙(6)。带电粒子束流的轨道包含在中间平面内或围绕中间平面振荡。第一场整形单元和第二场整形单元(41、42)可以是由铁磁性金属(例如钢)制成的磁极的形式，或者可以由线圈(优选地超导线圈)系列形成，以用于对主磁场(B)进行整形并因此沿着以中心轴线(z)为中心的平均半径(R)增加的相继轨道(＝螺旋路径)引导带电粒子。特别地，它们被配置用于控制第一场整形单元与第二场整形单元之间的主磁场的z分量(Bz)，该z分量平行于中心轴线(z)，以使得对于轨道的半径(R)的所有值而言，围绕每个轨道的粒子的旋转速度与RF振荡电场同步。主磁场的z分量(Bz)的示例在图5(c)中在径向方向上被展示，并且在图5(e)中作为给定半径(Ri)处的角位置(θ)的函数被展示。
第一场整形单元和第二场整形单元(41、42)包括丘扇区(44h)和谷扇区(44v)，这些丘扇区和谷扇区围绕中心轴线(z)以至少为三的对称阶次(N)交替地分布，优选地，N为奇数(N＝2n+1，其中)，更优选地，N＝3，以用于将主磁场的z分量整形成具有相同的对称阶次(N)，如图5(e)中所示。因此，间隙(6)的高度随角位置而变化，其中在两个谷扇区之间测得的高度(Hv)大于在两个丘扇区(44h)之间测得的高度(Hh)(参见图1)。
提取单元
一旦带电粒子束流达到目标能量，就必须将其从同步回旋加速器中提取出来。本发明的同步回旋加速器使用一种新颖的再生装置，用于对束流的轨迹的在R1与R2之间范围的半径(Ri)的给定轨道产生不稳定性，这样进入共振，如下文所解释的。同步回旋加速器包括第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元(51、52)，每个不稳定线圈单元至少包括线圈，该线圈可以被通电以对给定轨道产生不稳定性。一旦束流的带电粒子到达间隙的区域，在该区域中它们不会被主磁场弯曲而依然在间隙(＝杂散场区域)内，就可以通过一个或多个出口(49)提取束流。由于主磁场在谷部比在丘部中更低(参见图5(e))，因此提取路径优选地、但不一定遵循谷扇区(44v)。场整形单元应当被成形为使得沿中间平面(P)进入共振不稳定性的束流在z方向上保持足够的稳定性，以避免失去对太多带电粒子的控制。
如图2中所示，可以布置铁条(47)或线圈以将束流引导出间隙，穿过出口(49)并引导出同步回旋加速器。
同步回旋加速器的前述描述对于本领域技术人员而言是众所周知的，由于可以仅需要限定同步回旋加速器的结构，因此本领域技术人员可以在主动简短的解释中填充任何空白。本发明与提取系统中的已知同步回旋加速器不同，本发明结合了
(a)根据径向调谐νr的值控制主磁场的控制，以将轨道维持成接近但在稳定性的极限内，
(b)第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元(51、52)，用于产生具有特定轮廓的场凸起，以使介于R1与R2之间的任何半径中的选定半径(Ri)的轨道偏移，以及
(c)主磁场的z分量(Bz)的对称阶次(N>2)，以使轨道的不稳定性产生共振，并且驱使束流从间隙(6)中出来并从同步回旋加速器中出来。
径向调谐(νr)
如上文所解释的，径向调谐是束流在形成其轨迹的轨道上在径向上的振荡的量度。换句话说，调谐是振荡与束流的旋转的比率。在给定的能量下，调谐在束流轨迹的以下两个横向方向上定义：在径向方向上的径向调谐(νr)和正交于中间平面(P)的法向调谐(νz)。在径向方向上的完全平坦的磁场的径向调谐νr＝1，并且是不稳定的，因为未在闭合轨道上完美对准的粒子将沿着中间平面滑出轨道并且在给定方向上漂移。在达到目标能量之前，在束流的加速阶段期间必须避免或至少最小化这种漂移。通过设计，在等时性回旋加速器中，νr>1且不能选择成非常接近于一，因为在这种情况下，场不能随半径充分增加，以补偿高能量下的相对论效应。同步回旋加速器并非如此，因为在设计磁场时没有施加等时性条件。
在本发明中，介于低平均半径(R1)与高平均半径(R2)之间的相继轨道的径向调谐(νr)不等于1，因为束流会太不稳定而无法沿着轨道加速。径向调谐(νr)必须在1±0.1范围内，优选在1±0.025范围内，更优选地，1.002≤|νr|≤1.015。优选的是，径向调谐(νr)不包括在范围|1-νr|<0.002内，以使束流充分的稳定以达到目标能量。因此优选的是，0.002≤|1-νr|≤0.015，更优选地，0.004≤|1-νr|≤0.012。图5(b)中展示了作为半径(R)的函数的径向调谐(νr)(实线)的示例；在图5(b)中还以虚线展示了法向调谐(νz)。
选择在上述范围内的径向调谐(νr)一方面确保了对于介于(R1)与(R2)之间的小于平均不稳定起始半径的平均半径的所有轨道而言，它足够高以便充分稳定使束流加速到目标能量，另一方面它足够低以仅需要小的电或磁扰动来使轨道偏移。在本发明中，使用了磁扰动。这是引发共振过程导致束流提取的必要非充分条件。
场凸起
利用如上讨论的径向调谐(νr)的值，小的磁扰动足以使介于R1与R2之间的给定半径(Ri)的轨道偏移。磁扰动是由布置在中间平面(P)的两侧的第一不稳定线圈单元(51)和第二不稳定线圈单元(52)产生的(参见图1和图2)。如在图3和图5(c)中所展示的，它们被配置用于当被电力源激活时在主磁场的z分量(Bz)中产生局部化的场凸起。
如图5(c)所示，第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元(51、52)被配置用于产生场凸起，其幅度(ΔBz(R))具有在低半径(R1)处的第一场凸起幅度值(ΔBz(R1))与高半径(R2)处的第二场凸起幅度值(ΔBz(R2))之间沿径向增加、优选为单调递增的轮廓。
控制单元被配置用于以介于低值与高值之间的各个水平来调节场凸起的轮廓的幅度(ΔBz(R))，使得在介于R1与R2之间的任何平均半径(Ri)处的幅度(ΔBz(Ri))的值可以在给定范围内上下变化。例如，可以通过缩放或上移场凸起的幅度或其组合，将场凸起的幅度从低值(ΔBz(R1))增加到高值(ΔBz(R2))。这样可以通过简单地改变馈送到第一不稳定线圈和第二不稳定线圈(51、52)的电流量来完成。
必须确定介于(R1)与(R2)之间的任何平均不稳定起始半径(Ri)处的偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr)·θc/2π)的值，并且将这些值输入控制单元。偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr)·θc/2π)是使引导带电粒子所沿着的平均不稳定起始半径(Ri)的轨道中心充分地偏移所需的在平均不稳定起始半径(Ri)处的场凸起的最小幅度。偏移必须足以通过在如此偏移的轨道上的对称阶次(N)的主磁场(B)在该轨道上产生谐波2和谐波2的梯度的组合。该组合必须足够大，以产生平均半径R≥Ri的相继轨道的共振不稳定性。知道同步回旋加速器的主要参数的值，包括径向调谐(νr)、主磁场的z分量(Bz)、对称阶次(N)等，本领域技术人员在设计同步回旋加速器时可以确定对于平均半径(R)的任何值而言的偏移幅度。用图5(d)的粗实线示意性地表示了根据R的、以及针对如例如在图5(b)中展示的径向调谐的值而言的偏移幅度(ΔBz0(R,νr))的示例。
参考图5(d)，能量(Ei)的带电粒子束流所遵循的平均半径(Ri)(被称为平均不稳定起始半径)的轨道可以通过以下方式相对于同步回旋加速器的中心偏移：将场凸起的幅度(ΔBz(Ri))设置为等于平均不稳定起始半径(Ri)处的偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr))的值，并且同时确保场凸起的幅度(ΔBz(Ri))小于对于小于平均不稳定起始半径(Ri)的平均半径(R)的所有值而言的偏移幅度(ΔBz0(R,νr))的值。换句话说，对于给定的方位扇区，因此对于给定的θc/2π值，ΔBz(Ri)＝ΔBz0(Ri,νr)，并且ΔBz(Rk)<ΔBz0(Rk,νr)，这在图5(d)中用虚曲线(ii)表示。这样确保了尽管幅度(ΔBz(Rk))扰动，但带电粒子所遵循的平均半径Rk<Ri的轨道保持稳定，因为ΔBz(Rk)<ΔBz0(Rk,νr)(参见图5(d)，对于所有低于Ri的值而言，场凸起轮廓(ii)(＝虚线)位于曲线ΔBz0(R,νr)(粗实线)下方)。在半径R>Ri处的场凸起的幅度(ΔBz(R))可以大于偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr))，因为通过使平均不稳定起始半径(Ri)的轨道偏移，对于较大半径的轨道，束流不会遵循与没有场凸起时相同的轨迹。
如果平均不稳定起始半径(Rj)或(Rk)的不同轨道是要偏移的以用于提取能量(Ej)或(Ek)的束流，则场凸起的幅度(ΔBz(Rj))或(ΔBz(Rk))被如下设置：ΔBz(Rj)＝ΔBz0(Rj,νr)，并且ΔBz(R)<ΔBz0(Rj,νr)，(如图5(d)中的短虚线(ij)所展示的)，或者ΔBz(Rk)＝ΔBz0(Rk,νr)，并且ΔBz(R)<ΔBz0(Rk,νr)，(如图5(d)中的长虚线(ik)所展示的)。
在介于(R1)与(R2)之间的任何平均不稳定起始半径(Ri)处的偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr)·θc/2π)的值可以是在平均不稳定起始半径(Ri)处的主磁场(B)的z分量(Bz)的平均值的大约0.001％至1％，优选是Bz(Ri)的0.002％至0.7％、更优选是0.005％至0.05％、最优选是0.021％±0.02％。例如，对于平均不稳定起始半径(Ri)处的大约4T的主磁场的z分量(Bz)，偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr)·θc/2π)可以大约是0.025T±0.02T，这取决于平均不稳定起始半径(Ri)处的径向调谐(vr(Ri))的值。
共振不稳定性
如上所描述的，平均不稳定起始半径(Ri)的轨道可以相对于同步回旋加速器的中心偏移。如此产生的轨道的偏移必须通过在使接续轨道漂移的轨道中产生共振不稳定性来加以利用。“接续轨道”在本文中定义为平均半径等于或大于平均不稳定起始半径(Ri)的轨道。一般接受的产生共振的条件是kνr+lνz＝m，其中k、l、例如，l＝0并且k＝m＝2，得到2νr＝2，可以用于提取由磁场中谐波2的幅度和谐波2的幅度的径向梯度的组合驱动的束流。这一般在传统的同步回旋加速器中由被称为剥离器-再生器系统的铁条或线圈组产生。
在本发明中，一旦平均不稳定起始半径(Ri)的轨道已经相对于中心轴线(z)偏移，则接续轨道暴露于主磁场，该主磁场的z分量(Bz)具有相对于中心轴线(z)的对称阶次(N)，在N＝3时如例如图5(e)中所展示的。然而，该对称阶次并非相对于接续轨道的偏移中心。将束流暴露于相对于平均半径等于或大于(Ri)的轨道(＝接续轨道)偏移的对称阶次(N)的主磁场产生了在接续轨道上的谐波2和谐波2的梯度的组合。谐波2和谐波2的梯度的组合可以被容易地确定尺寸，以产生平均半径R≥Ri的相继轨道的共振不稳定性。
第一场整形单元和第二场整形单元(41、42)的对称阶次(N)应当被配置为在接续轨道的中心从中心轴线(z)漂移走时保持束流(在z方向上)的竖直稳定性。场凸起幅值(ΔBz(Ri))必须为漂移的接续轨道产生足够的偏移，以在接续轨道中产生强的二阶谐波分量。第一场整形单元和第二场整形单元的对称阶次(N)优选是奇数(N＝2n+1，其中)，因为这有助于在轨道中形成共振谐波2。可以在具有对称阶次(N)的接续轨道中生成二阶谐波分量，其中N是偶数(N＝2n，其中n>1并且)，其中场凸起的幅度(ΔBz(Ri))略高于在奇数对称阶次(N＝2n+1)情况下的幅度。N优选等于3(即，N＝3)。
接续轨道之间的间隔随着转数的增加而增加，在此期间不稳定的漂移在提取之前持续存在。接续轨道的不稳定漂移优选地持续至少5转，优选地至少10转，更优选地至少20转，以当轨道到达场整形单元的杂散场时，在相继轨道之间建立足够的间隔，以在能量之间产生更大的在角度和位置方面的偏移。
不稳定线圈单元(51、52)
场凸起(其被限定在相对角度的方位扇区(θc/2π)内，并且在介于低半径(R1)与高半径(R2)之间的平均半径(Ri)的任何轨道处具有幅值ΔBz(Ri)＝ΔBz0(Ri,νr)，并且同时ΔBz(Rk)<ΔBz0(Rk,νr)，)可以由至少在低半径与高半径(R1、R2)之间径向延伸的第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元(51、52)形成。如图3中所展示的，第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元(51、52)到中间平面(P)上的投影，该第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元至少部分地位于由介于给定方位角(θc)内的方位扇区沿周向限定的区域内，该给定方位角优选地小于π/3弧度(即θc<π/3)，更优选的小于π/4弧度(即θc<π/4)，最优选地小于π/6弧度(即θc<π/6)。
如图1、图2和图5(d)中所展示的，第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元(51、52)可以呈大致梯形或三角形的线圈对的形式，该线圈对的尺寸适合方位角(θc)的所需方位扇区并且在径向方向上长度至少等于(R2-R1)。通过沿径向减小第一不稳定线圈单元与第二不稳定线圈单元分隔开的距离，可以形成幅度(ΔBz(R)·θc/2π)沿径向增加的场凸起，使得低半径(R1)处的幅度(ΔBz(R1)·θc/2π)小于高半径(R2)处的幅度(ΔBz(R2)·θc/2π)。第一不稳定线圈单元与第二不稳定线圈单元分隔开的距离可以线性地减小，即第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元具有放射状延伸的笔直的放射状区段。例如，第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元(51、52)中的每一个可以与中间平面(P)形成介于5度与30度之间、优选地介于10度与25度之间的角度。可替代地，在弯曲的放射状区段的情况下，该距离可以非线性地减小。
可替代地，场凸起的幅度(ΔBz(R)·θc/2π)可以通过使具有两个或更多个线圈对的系列在方位扇区内径向地对准而沿径向增加，每个线圈对被配置用于产生幅度(ΔBz(R)·θc/2π)高于更靠近中心轴线(z)的相邻线圈对或幅度(ΔBz(R)·θc/2π)低于离中心轴线(z)更远的相邻线圈对的场凸起。
通过使用用于产生场凸起的线圈，通过简单地改变馈送到线圈的电流量，可以介于低值与高值之间的各个水平上改变场凸起的幅度轮廓(ΔBz(R))。可以例如通过缩放、通过上下移动或通过两者的组合来改变场凸起(ΔBz(R))的幅度的整个轮廓。
第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元(51、52)优选地位于谷扇区(44v)中。这具有两个主要优点。首先，由于谷扇区(44v)中的间隙高度(Hv)大于丘扇区(44h)中的间隙高度(Hh)，所以存在更大的空间来安装第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元(51、52)(参见图1)。其次，由于主磁场的z分量(Bz)在谷扇区中要比在丘扇区中更低(参见图5(e))，因此产生足以使平均不稳定起始半径(Ri)的轨道偏移的不稳定性所需的场凸起的幅度(ΔBz(R))更低。
提取
如图4(a)和图4(b)中所展示的，平均不稳定起始半径(Ri)(Ri在图4(a)中接近R1，而Ri在图4(b)中接近R2)的轨道的不稳定性产生接续轨道的漂移，这样当束流具有相对于接续轨道的中心偏移的对称阶次(N)的磁场中加速时进入共振。轨道的漂移将束流朝向场整形单元(41、42)边缘处的杂散场驱动，在该杂散场中束流可以通过磁通道被引导，该磁通道可以由朝向出口(49)的铁条或线圈(47)通过轭(7)形成。
束流进入杂散场的角度和进入点取决于束流的能量。通过控制束流漂移的方向和建立过程，不同能量的束流的角度和进入点尽管不同但也可以集中在有限的区域内，在该区域内磁通道驱动不同能量的束流穿过优选的单个出口(49)。引导以不同位置和角度进入杂散场的不同能量的束流穿过单个出口可以由技术人员来执行，比如在例如EP 3503693中描述的。
用于提取不同能量的带电粒子束流的方法
本发明的同步回旋加速器是非常有利的，因为可以通过包括以下步骤的方法通过第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元(51、52)的简单调谐来提取在低能量与高能量(E1、E2)之间广泛变化的能量的束流。
首先，提供如上讨论的同步回旋加速器，该同步回旋加速器被配置为使得
·这些带电粒子在其轨道的对应平均不稳定起始半径(Ri)处达到提取能量(Ei)，该对应平均不稳定起始半径介于低半径(R1)与高半径(R2)之间，该低半径和该高半径对应于在低能量和高能量(E1、E2)下这些带电粒子相对于中心轴线(z)的相应平均径向位置，并且使得
·对于介于低半径与高半径(R1、R2)之间的平均半径的所有值而言，相继轨道的径向调谐(νr(R))不等于1并且在1±0.1范围内、优选地在1±0.025范围内，更优选地，1.002≤|νr|≤1.015，
然后选择要提取的带电粒子的提取能量(Ei)的值。确定用于使提取能量(Ei)下的这些带电粒子的平均半径(Ri)的轨道的中心偏移从而产生平均半径R≥Ri的相继轨道的共振不稳定性所需的偏移幅度的值(ΔBz0(Ri,νr))·θc/2π。本发明的要点是对场凸起的幅度进行调整，使得场凸起的幅度(ΔBz(Ri))等于平均不稳定起始半径(Ri)处的偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr))、并且小于对于小于平均半径(Ri)的平均半径的所有值而言的偏移幅度(ΔBz0(R,νr))。这可以通过简单地改变馈送到第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元(51、52)的电流量而容易地执行，使得幅度(ΔBz(R))的轮廓例如通过缩放、上下移动或这两者的组合来改变。
本发明是非常有利的，因为提取能量的调谐非常容易和快速地执行，并且可以将现有的同步回旋加速器(其主磁场可以被适配成产生所需轮廓和径向调谐(νr))装备有第一不稳定线圈单元和第二不稳定线圈单元(51、52)，以执行本发明的方法。
本发明涉及一种用于提取被加速到介于低能量(E1)与高能量(E2)之间的任何提取能量(Ei)的带电粒子的同步回旋加速器，同步回旋加速器包括磁性单元，该磁性单元包括N个谷扇区和N个丘扇区、并且被配置用于产生主磁场的z分量(Bz)，其特征为相继轨道的径向调谐(νr)不是1并且对于介于低半径(R1)和高半径(R2)之间的平均半径(R)的所有值而言在1±0.1范围内，该低半径和高半径对应于在低能量和高能量(E1，E2)下的带电粒子的相应平均半径位置。同步回旋加速器包括第一不稳定线圈单元(51)和第二不稳定线圈单元(52)，该第一不稳定线圈单元和该第二不稳定线圈单元被配置用于当被电力源激活时产生沿径向增加的幅度(ΔBz(R))的场凸起。场凸起的幅度可以被改变以达到平均不稳定起始半径(Ri)处的偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr))的值。偏移幅度(ΔBz0(Ri,νr))是使平均不稳定起始半径(Ri)的轨道中心充分地偏移以利用谐波2和谐波2的梯度的组合产生共振不稳定性来在平均不稳定起始半径(Ri)处提取带电粒子束流所需的在平均不稳定起始半径(Ri)处的场凸起的最小幅度。
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