[发明专利]直线加速器的束流输运系统与方法

说明书

相关文件的交叉引用 

本申请要求2007年6月11日提交的美国临时申请60/934,213号的优先权。本申请还是2006年10月24日提交的在先申请11/586,378号的部分继续申请，在先申请11/586,378号是2005年1月14日提交的在先申请11/036,431号的部分继续申请，在先申请11/036,431号要求了2004年1月15日提交的美国临时申请60/536,943号的优先权；且申请11/586,378号还要求了2005年10月24日提交的美国临时申请60/730,128号、60/730,129号与60/730,161号以及2006年5月4日提交的美国临时申请60/798,016号的优先权，将其全部内容通过引用并入此处。 

联邦赞助的研究或开发 

依照美国能源部与劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限公司(LawrenceLivermore National Security，LLC)之间的用于劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的运作的协议DE-AC52-07NA27344号，美国政府对本发明拥有权利。 

技术领域

本发明涉及直线加速器，并更具体地涉及用于直线加速器的带电粒子束输运系统与方法，所述直线加速器使得透镜堆栈的两个电极之间的电压差在时间上形成坡度变化，以在带电粒子束被注入加速级之前对其进行纵向压缩，并且在加速级中还使用各种开关触发模态，以操作多个独立切换的脉冲形成线，以对带电粒子束进行纵向压缩/解压缩以及横向聚焦/去聚焦。 

背景技术

粒子加速器用于增加例如电子、质子或带电原子核等带电原子粒子的能量，以便于核能与粒子物理学家研究这些粒子。使高能带电原子粒 子加速以与靶原子碰撞，就可以用检测器观察因此所生成的产物。在非常高的能量下，带电粒子能打破靶原子的原子核并与其它粒子相互作用。于是就会产生一些转变，以此揭示物质的基本单位的性质和行为。粒子加速器也是开发核聚变装置以及诸如用于治疗癌症的医学应用的重要工具。 

通过引用并入此处的Carder的美国专利5,757,146号公开了一种粒子加速器，其提供了一种生成用于加速带电粒子的快速电脉冲的方法。在Carder的专利中，介质壁加速器(DWA)系统表示为包括一系列堆叠的圆形模块，这些堆叠的圆形模块在开关时产生高压。每个所述模块称为非对称Blumlein，其在通过引用并入此处的美国专利2,465,840号中有所描述。在Carder专利的图4A～4B中能最清楚地看到，Blumlein包括两个不同的介电层。在每个表面上以及介电层之间是形成两个平行板状径向输运线的导体。该结构的一侧称为慢线，另一侧是快线。最初，将快线与慢线之间的中央电极充电到高电势。因为两个线极性相反，故没有跨越Blumlein的内径(ID)的净电压。一旦通过表面击穿(flashover)或类似的开关将结构的外侧短路，便会启动两个相反极性的波，这两个波径向地朝着Blumlein的ID向内传播。快线中的波先于慢线中的波到达结构的ID。当快速波到达结构的ID时，仅该线中的该处极性反转，造成跨越非对称Blumlein的ID的净电压。该高压一直存留到慢线中的波最终到达ID为止。在加速器的情况中，可以在此期间注入并加速带电粒子束。以此方式，在Carder专利中的DWA加速器提供了在整个结构上连续以便实现高加速梯度的轴向加速场。 

然而，诸如Carder的DWA的现有介电壁加速器存在一些固有的问题，这些问题可影响束流的质量和性能。具体地，Carder的DWA的盘状几何形状存在一些问题，使得整个装置对于加速带电粒子的期望用途而言并非最优。带有中央孔的扁平导体迫使传播的波阵面(wavefront)径向地会聚到该中央孔。在该几何结构中，波阵面遇到变化的阻抗，所述变化的阻抗可以使输出脉冲变形，并阻止了将已定义的与时间无关的能量增益传递给穿越电场的带电粒子束。相反，由所述结构所产生的穿越电场 的带电粒子束会接收时变的能量增益，此增益阻止加速器系统恰当地输运所述束流，并使束流的使用受限。 

而且，所述结构的阻抗可能远低于需要。例如，通常极其需要在保持所需的加速梯度的同时产生毫安以下的量级的束流。Carder的盘状Blumlein结构可造成在系统中存储有过高等级的电能。不仅电气效率明显低下，而且当系统启动时，未传递给束流的任何能量会残留在结构中。所述过剩能量可对整个装置的性能和可靠性产生不利的影响，可导致系统过早出现故障。