[发明专利]同步回旋加速器射束轨道和RF驱动同步回旋加速器

说明书

本申请要求2012年7月27日提交的美国临时申请序列号61/676,377以及2013年7月24日提交的美国专利申请序列号13/949,459的优先权，这两个申请的公开内容通过引用以其整体被合并在此。

背景技术

利用同步回旋加速器的离子加速是一种成熟的技术，其非常适合于产生高能量但是相对较低平均离子束电流。加速是通过在离子束群（ion beam packet）从轴对称静态磁场的中心向外螺旋行进时对其施加高频（通常是射频（RF））电场而实现的。众所周知的是，随着离子束被加速，需要调节同步回旋加速器中的RF驱动的频率。RF驱动可以被扩展为包括可变频率RF生成器、一个或多个RF功率放大器以及磁场内部的一个或多个结构（比如RF空腔或D形盒（dee）），其中对离子束群施加加速电场。因为RF频率在加速期间发生变化，所以通常在任一时间在器件中仅有一束离子。回旋加速频率发生变化，以便随着被加速粒子的能量在加速以及磁场发生径向变化以便提供射束聚焦的事实期间增加而补偿其相对论质量的改变。机器的孔中的磁场对于轨道稳定性需要满足以下要求。磁场的数值需要随着半径的增加而减小，同时在加速区段上保持以下数值：

其中

并且

并且其需要在提取区段中随着半径快速升高。

关于控制RF加速的频率存在大量文献。现有技术的目的是调节RF频率以便匹配离子束的回旋加速频率，同时监测提取后的射束电流的改变。此外，现有技术的另一个目的是将谐振电路及其所生成的RF驱动匹配到所需的频率。尚未做出监测离子束轨道的相位相对于RF驱动的相位的努力，也没有做出在注入、加速或提取期间调节RF驱动和离子束的相位和幅度的努力。在这种情况下，RF驱动的幅度实际上指的是由RF结构对射束施加的加速电场的量值。众所周知的是，如果离子束轨道与RF驱动之间的相对相位导致相当大的相位差，则RF驱动不会增加射束能量，而是相反地会通过从其中提取能量而减小离子束的能量。离子束持续失去能量，直到其在相位和频率方面漂移得足以再次匹配RF驱动的相位和频率为止：由于粒子正在减速，他们正移动到磁场不断增加的区段中（处于更小的半径），这些区域对于同步性需要更高的频率，但是所施加的RF场的频率正在降低，因此粒子最终足够减速到与RF场再次同相的程度并且恢复加速。虽然最终射束群得以加速，但是射束质量受损并且平均射束电流减小。RF驱动的相位和射束轨道的相位在注入、加速和提取过程期间始终同步的情况将是最佳的，尤其对于最终射束能量发生变化（通过调节回旋加速器线圈中的电流）的状况。对于操作，回旋加速器中的所有线圈中的电流以相同的比率变化，对所述比率进行调节从而改变射束的最终能量。在传统的机器中，通常仅有来自RF驱动的大约50%的电场可用于射束加速。

对于使用大量铁来生成加速场并且对其进行定形的同步回旋加速器，线圈电流的改变（例如为了改变射束能量）不仅改变磁场的强度，而且还改变磁场分布。因此，在不使用降能器或内部靶（为了调节离子的电荷）的情况下，含铁回旋加速器不适合于产生其中所提取的射束能量可以发生变化的射束。

在同步回旋加速器中，通过RF驱动来控制射束轨道。这是RF驱动的频率缓慢变化时的情况。当RF的频率快速提高时（例如当希望更大的平均电流时），射束可能与RF能量失去同步，其结果是加速非常小或者完全没有电流。此外还将有益的是在离子束的注入期间以及在提取期间控制RF相位和幅度。可以通过对射束进行预聚束（pre-bunching）来对注入控制进行外部调节，从而使其匹配回旋加速器加速场的接受角（acceptance angle）。当然将使预聚束器的控制与在加速循环的初始射束轨道期间施加的RF驱动的相位相协调。但是对于提取，机会非常有限。在提取之前的最后几个轨道期间对于离子束的离子能量、相位和位置的调节将允许更好的提取效率，并且最小化影响辐射安全性的射束损失、对于内部组件的加热和辐射破坏。在同步回旋加速器中精确地控制射束提取的能力对于无铁机器特别重要，无铁机器可以被设计为在宽能量范围上从单一机器递送输出射束而不需要输出射束路径中的降能器（通过回旋加速器线圈中的电流的变化）。

因此，本公开内容的目标是能够直接改变从单一回旋加速器提取的射束的最终能量。另一个目的是保持高提取效率而不管最终射束能量如何。通过改变回旋加速器线圈中的电流以及调节回旋加速器中的主磁场（main field）来促进可变能量。最终射束能量是回旋加速器中的磁场量值的函数。

发明内容