[发明专利]同步回旋加速器

说明书

技术领域

本发明涉及同步回旋加速器。

背景技术

同步回旋加速器如同回旋加速器，是具有磁铁结构的粒子加速器，磁铁结构具有两个磁感应线圈，其径向地围绕介于两个磁极之间的用于粒子加速的空腔，所述空腔具有中轴线，中平面与所述中轴线垂直地在空腔中延伸。粒子在位于空腔内中轴线附近的粒子源中产生，从粒子源排出，以便由高频交流电压发生器供电的加速电极在中平面中沿螺旋形轨迹被加速。这种同步回旋加速器越来越多地用于强子疗法。

不同于粒子以相同频率被加速的回旋加速器，在同步回旋加速器中，施加于加速电极的电场的频率被调制成补偿粒子速度增大时的相对质量的增大。

为减小回旋加速器的尺寸，必须增大磁场，磁场在加速期间引导离子。对于束流（faisceau）的垂直聚焦由布置在气隙中的磁区获得的等时性回旋加速器，由于垂直聚焦变得不足够，因而难以增大平均磁场到超过5特斯拉（Tesla）。相反，在同步回旋加速器中，原则上，可无限制地增大磁场级。同步回旋加速器还比回旋加速器更加紧凑，同步回旋加速器的尺寸相对于两个磁极之间产生的磁场成比例地减小。

文献US7541905和US7696847提出一种同步回旋加速器，其感应线圈用超导材料制成，被冷却至4.5K的温度，能产生在5特斯拉至11特斯拉之间的磁场。对于Nb₃Sn制的感应线圈，温度降至2K，即可产生14特斯拉的磁场。用软铁制成的磁轭提供约2特斯拉的辅助磁场。为减小同步回旋加速器的尺寸，上述文献提出在磁极的气隙中产生高磁场。但是，增大磁场到超过6特斯拉，如同前述专利中提出的那样，就会出现不良效应。因此，变得不可能或很难设计回旋加速器的中央区域，因为非常高的磁场引起粒子所沿的第一轨道的半径减小，以致粒子不能第一回圈就绕过离子源。高于6特斯拉的磁场的第二缺陷在于：提取装置的实施变得非常复杂。在回旋加速器中央高于6特斯拉的磁场的第三缺陷在于：对于这种磁场，线圈中的磁场超过对于线圈可使用铌钛合金的磁场。因此，需使用成本高得多的Nb₃Sn合金。

上述同步回旋加速器具有两个磁极，磁极型面（profil）允许获得加速粒子在中平面中的弱聚焦、和相的稳定性，以便使带电粒子获得足够能量以在磁极的气隙中保持加速。在同步回旋加速器的气隙中产生的磁场中，加速带电粒子围绕平衡轨道径向和轴向地振荡。径向振荡频率v_r由下式给出：

  (I)

轴向振荡频率v_z由下式给出：

  (II)

磁场聚焦指数n由下式给出：

n=-rBdBdr]]>  (III)

其中，r是粒子轨道的半径，半径的原点通过中轴线的一点，B是该半径处的磁场。

理论上可以证明，当n>0时，存在轴向聚焦力，这意味着dB/dr为负。因此，同步回旋加速器需具有渐变的磁场型面，其随半径而减小，以满足磁场聚焦指数所确定的条件。一般来说，设法具有其磁场聚焦指数在用于粒子加速的空腔中小于0.2的磁极型面。当接近磁极的最大半径时，磁场随半径而更快速减小，磁场指数增大，径向频率v_r减小，轴向频率v_z增大。当n=0.2时，具有v_r=2 v_z的特定条件。在该特定条件下，如同Walkinshaw共振那样已知的，径向振荡能量可被传送给轴向振荡。这要增大束流的轴向尺寸，通常导致损失大部分加速离子。为避免这种现象，同步回旋加速器具有磁极翼片，其位于磁极边缘上，在磁场指数等于0.2之前，引起气隙减小，以局部增大磁场和防止粒子损失。