能夠對至少兩種粒子進行加速的回旋加速器的製作方法

2023-10-08 00:46:49 1

專利名稱：能夠對至少兩種粒子進行加速的回旋加速器的製作方法
技術領域：
本發明涉及回旋加速器領域，尤其涉及能夠對具有不同荷(q)/質(m)比的多種 帶電粒子(例如，質子(q/m比等於I)、阿爾法粒子(q/m比等於1/2)或氘核(q/m比也等於 1/2))進行加速的回旋加速器。
背景技術：
從文獻W08606924來了解回旋加速器。參照該文獻的圖2，這樣的回旋加速器包 括通常被稱為D形電極(dee)的加速電極28，各加速電極28與通常被稱為內杆(stem)的 垂直柱形物29耦合。所述D形電極28和所述內杆29被導電罩包圍，它們一起形成了諧振腔。
通常，RF電源激勵諧振腔，並且帶電粒子連續通過由帶有不同電勢的扇極 (sector)和D形電極構成的加速間隙使所述粒子加速。所施加的RF電壓的頻率必須等於 「回旋加速器頻率」，該頻率由以下等式表示
其中，q是被加速粒子的電荷，m是其質量，並且il是垂直於粒子循環的中間平面 的主磁場。
回旋加速器還可以在諧波模式下工作在這樣的情況下，當粒子在D形電極內側 循環的同時，RF電壓發生數次振蕩。
在這些已知腔的情況下，其中一個腔存在在一端被D形電極電容充電而另一端被短路的4諧振器。柱形物形成軸向傳輸線，該柱形物的性質基本類似於旨在補償D形電極 4的電容性阻抗以使無功RF功率最小化的電感。根據回旋加速器的構造，腔相對於粒子循環 的中間平面非對稱地或者對稱地布置。在不對稱拓撲結構的情況下(本申請的圖la)，構成 D形電極的兩個板互相機械連接且電連接，並且僅構成由柱形物支撐的一個單元。在對稱拓 撲結構的情況下(本申請的圖lb)，下方柱形物和上方柱形物分別支撐下半部D形電極和上 半部D形電極。一旦關閉回旋加速器，下半部D形電極和上半部D形電極在它們周邊的某 些地方互相電連接。
如圖1a所示意性表示的，D形電極屬於諧振腔5。該腔包括D形電極10本身、垂 直圓柱體20和導電罩40。圖1c示出了腔的等效電路，其中，電感L表示柱形物20，而電容 C是在D形電極10和導電罩40之間的空間的位置處形成的電容。這樣的並聯LC電路的諧 振頻率由以下表達式給出
在磁場i不變的情況下，為了能夠在回旋加速器中對具有不同q/m比的多種粒子 進行加速，提出以下兩種方案

a)在保持相同的RF頻率的同時，使用不同的諧波模式，b)在改變RF頻率的同時，使用相同的諧波模式。第一方案存在以下缺點· 回旋加速器的中央區域的複雜性增加， 在高電流處，機器內部的束流損失將導致機械部件的活化。另一方面，第二方案存在以下優點 至少在低能量的第一轉中，不同質量的粒子將具有相同的定心，由此將沿類似軌 較少束流損失，由此減少位於束流軌道附近的機械部件的活化， 對於q/m比等於I的粒子，每轉增益更好， 等時性更好。該第二方案的實現促使能夠改變由D形電極、柱形物和導電罩構成的腔的諧振頻率。這樣的方案已經由 M. Eiche 等人(「Dual Frequency resonator systemforacompact cyclotron，，，Proc. XIII Intern. Conf. on Cyclotrons and Their Applications, (World Scientific,Singapore,1992,p.515)> P. Lanz 等人(「Adual Frequency Resonator」, Proceedings of thel993IEEE Particle Accelerator Conference, 17-20May 1993, Washington, DC; 15th IEEE Particle Accelerator Conference, p. 1151)、以及Miura Iwao 等人(「Accelerating Resonance Cavity」，JP07-066877B，1995)提出了。
前面兩個作者通過利用由活塞驅使的、且旨在改變諧振器長度的滑動式短路來實現RF頻率的改變。最後一個作者藉助於旋轉90°的移動板來實現RF頻率的改變，這改變了電極的電容，從而改變了諧振頻率。
諧振頻率的改變需要相對複雜且昂貴的RF結構，這增加了可靠性問題。實際上， 現有技術的裝置存在如下所列出的許多缺點
a.對於移動短路
-因為活塞對諧振器的壁施加了相當大的摩擦力，所以活塞的尺寸與短路的尺寸相關聯；
-在頻率變化期間，短路的重複線性移動造成磨損。從長遠來看，接觸點和/或接觸點在上面滑動的壁二者的表面質量的下降會導致出現更多電阻點(resistive point), 由於RF電流穿過電阻點，所以會導致局部增溫；
-當短路在壁上施加的壓力不再充分時，短路被完全破壞。情況是接觸電阻對於要被傳輸的RF電流而言變得太大，這會引起溫度上升，該溫度上升可能導致接觸點熔化。
b.對於移動板
-板的旋轉軸需要穿過回旋加速器的真空部，以確保所述軸連接到活塞或連接到對其進行驅動的引擎。如果引擎被容納在真空中，不過它們將必須被饋電，這需要電纜向外穿出。
-由於大量的RF電流穿過該移動電容，所以在低頻時腔的品質因數很差。頻率的穩定性也會成問題。發明內容
本發明的目的是至少部分地解決上述困難。
根據第一方面，本發明涉及用於在回旋加速器中對帶電粒子進行加速的諧振腔， 該諧振腔包括D形電極、柱形物以及至少部分包圍所述柱形物和所述D形電極的導電罩，所 述柱形物的一端支撐所述D形電極，由此所述導電罩和所述柱形物形成傳輸線，其特徵在 於，所述柱形物的相反端附接到所述導電罩的底部，並且所述傳輸線的位於所述柱形物的 上述兩端之間的中間部分的線電容實質上大於所述傳輸線的其他部分的線電容。
當說到柱形物的相反端附接到導電罩的底部時，必須理解的是，柱形物的上述相 反端被機械固定到罩的底部並且以固定方式電連接到罩的底部。柱形物由此在其兩端之間 呈現出固定物理長度。由於導電罩也具有固定的物理長度，所以由罩和柱形物形成的傳輸 線具有固定長度，由此具有固定電感。
這樣的構造使得腔可以根據兩種不同模式(例如，4模式和#模式)而諧振，由此44產生兩種不同的RF頻率，而無需必須使用諸如滑動短路或移動板的移動組件，這解決了許 多上述問題。
優選地，所述傳輸線的所述中間部分的線電容比所述傳輸線的另一部分的線電容 大兩倍。在更優選的方式中，所述傳輸線的所述中間部分的線電容比所述傳輸線的另一部 分的線電容大十倍。
在更優選的方式中，所述傳輸線的所述中間部分的特性阻抗與所述傳輸線的其他 部分的特性阻抗使得所述腔能夠根據兩種模式諧振，從而以大致雙倍比產生兩種不同的頻 率。對於「大致雙倍」，必須理解頻率比在1. 7(17/10)和2. 3(23/10)之間。這樣的腔實際 上使得可以在相同的回旋加速器中對q/m比值為2的粒子(如質子和阿爾法粒子，或質子和 氘核)進行加速。
在更優選的方式中，所述柱形物包括多個疊置的圓柱體，這些圓柱體中的一個圓 柱體相當於所述傳輸線的上述中間部分並且具有大致比其他圓柱體中的一個圓柱體的平 均直徑大的平均直徑。另選地或結合地，所述導電罩包括多個疊置的中空圓柱體，這些中空 圓柱體中的一個中空圓柱體相當於所述傳輸線的上述中間部分並且具有大致比所述其他 中空圓柱體中的一個中空圓柱體的平均直徑小的平均直徑。柱形物和/或導電罩的這樣的 圓柱形結構實際上使得可以獲得良好的整體機械剛性，以使其構造容易並確保柱形物的電 場等勢線分布良好。
根據第二方面，本發明涉及用於設計如權利要求書中所述的雙頻諧振腔的方法。
本發明的這些及其他方面將在本發明的具體實施方式
的詳細描述中闡明。


附圖是示意性的，而不構成對本發明的限制。而且，未考慮附圖的比例。在整個附 圖中，相同組件或類似組件一般由相同的附圖標記來表示。
圖1a示出了現有技術的回旋加速器的非對稱諧振腔的截面；
圖1b示出了現有技術的回旋加速器的對稱諧振腔的截面；
圖1c示出了圖1a或圖1b的諧振腔的簡化後的等效電路圖2a示意性地示出了根據本發明的腔的截面，示出了當腔以低頻諧振時的循環電流和磁場；
圖2b示出了當圖2a中的腔以|模式工作時，電壓和電流沿著柱形物的變化；4
圖2c示出了圖2a的諧振腔的簡化後的等效電路；
圖3a示意性地示出了根據本發明的腔的截面，示出了當腔以高頻諧振時的循環電流和磁場；
圖3b示出了當圖3a中的腔以￥模式工作時，電壓和電流沿著柱形物的變化；4
圖3c示出了圖3a的諧振腔的簡化後的等效電路；
圖4a示出了現有技術的腔的靜態電場的等勢線的真實幾何形狀以及分布；
圖4b示意出特性阻抗為直徑d和D的函數的同軸傳輸線的形式的現有技術的腔；
圖5是示出了根據本發明的諧振腔中針對兩個諧振頻率中的各個諧振頻率的耗散功率的隨傳輸線的具有低特性阻抗的部分的電容值而變化的曲線圖6a示出了根據本發明的實施方式的柱形物的阻抗圖6b示意性地示出了根據本發明的腔的與圖6a的阻抗圖相關聯的截面；
圖7示出了根據本發明的裝配有四個腔的雙頻回旋加速器的截面；以及
圖8示意性地示出了根據本發明腔的通過掃頻而獲得的比為2的兩個不同頻率的圖。
具體實施方式

圖2a示意性地示出了根據本發明的雙頻腔的示例性實施方式。
該雙頻腔是相對於回旋加速器的中間平面(由圖中的點劃線表示)呈現對稱的腔， 但是顯然，非對稱腔也是合適的。腔6包括兩個電連接到一起的半D形電極10和10』，粒子在半D形電極10和10』之間循環以加速；兩個柱形物，每個柱形物都包括三個部分20a、 20b和20c (20a』、20b，和20c』)；以及包圍整體的兩個導電罩40和40』。在該示例中，罩具有相對於柱形物的高度基本不變的截面。各柱形物分別在一端支撐一個半D形電極，相反端分別以固定方式機械且電地連接到導電罩40和40』的底部45和45』，以從射頻的角度在那裡構成短路。例如，將柱形物的該端焊接、擰緊或拴接在其導電罩的底部。另選地，例如，能夠將柱形物及其導電罩的底部僅形成一個部件。由此，各柱形物在其兩端之間呈現出固定長度。
柱形物的各個部分疊置且優選地沿同一軸線排列。在該示例中，這些部分由各種直徑的圓柱形管狀體組成，此後當描述根據本發明的腔的設計方法時，將給出這些圓柱形管狀體的示例性尺寸。中間部分20b的直徑大致大於其他兩個部分20a和20c的直徑，使得該中間部分20b的線電容(法拉每米)大致大於其他兩個部分20a和20c的線電容(linear capacity)。因此,在腔的工作頻帶中(該工作頻帶是在兆赫範圍中)，中間部分20b將主要具有電容特性，而其他部分20a和20c將主要具有電感特性。這樣的腔的簡化後的等效電路示出在圖2c中。
通過以λ是波長)模式激勵腔，獲得第一種工作方式，這使得可以獲得第一諧4振頻率(此後稱為「低諧振頻率」，例如33MHz )。
圖2b示出了在該模式下電壓(Ux)和電流(Ix)隨沿著柱形物的軸向位置X的變化。電壓在D形電極位置最大，而電流在該位置是O或非常小。電壓在柱形物的底部是O 或非常小，而電流是最大。這樣的電壓構造尤其適合對在回旋加速器的中間平面中射出 (evolve)的粒子進行加速。
在中間部分20b (此後稱為「低阻抗線20b」)的兩側上磁場B的方向相同。如圖 2a所示，由該模式產生的電流il軸向循環並且繞柱形物徑向分布。
第二種工作方式示出在圖3a中。物理結構與圖2a的物理結構相同，但是這裡激勵模式，這使得可以獲得比第一頻率高的第二諧振頻率(此後稱為「高諧振頻率」，例如AmW66MHz)。圖3b以與第一模式的諧振相同的方式示出了該模式下電壓(Ux)和電流(Ix)的變化，電壓在D形電極位置總是最大的，而電流在該位置是O或非常小。此外，電流在大致位於低阻抗線20b的中間高度的中間點處反向，這導致將線20b的該部分的電容效應一分為--O
考慮到以上所述，磁場/;在該中間點的兩側是相反方向的。圖3c示出了簡化後的等效電路，該電路示出了分別存在於半個腔的上部和下部中的電流i2和電流i3的流向。 電流i2和電流i3繞柱形物徑向分布，相反在橫向分割低阻抗線20b的虛擬水平面中，電流 i2和電流i3互相抵消。
如果腔的中間部分的線電容大致高於其他部分的線電容，優選地比其他部分的線電容高兩倍，甚至更優選地比其他部分的線電容高十倍，則對於本領域技術人員來說將顯而易見的是，腔可以有許多其他幾何構造。例如，另選地，可以設想出在其高度上截面不 變的柱形物以及呈現出中間部分的截面大致小於其他部分的截面的導電罩。還可以設想出這兩個方案(即，如圖6b和圖7上所示的，包括縮小的中間部分的罩以及包括變寬的中間部分的柱形物)的組合，或任意其他組合。
此後提供根據本發明的腔的結構的設計和尺寸標註的計算方法。
在計算根據本發明的雙頻腔之前，根據此後描述的方法來執行如文獻W08606924 中描述的已知腔(即，其柱形物和導電罩呈現出恆定截面的腔)的建模，以精確地確定這樣的已知腔的、假定圓形的等效D形電極的直徑以及柱形物的阻抗
1、計算柱形物和導電罩呈現出恆定截面的腔的所述柱形物的線電容，這使得可以推導出由上述柱形物和導電罩由此形成的傳輸線的特性阻抗；
2、針對各種柱形物直徑，計算特性阻抗；
3、確定導電罩的等效平均外部直徑；
4、基於之前得到的尺寸，對腔進行二維電磁模擬，並確定在與現有技術的腔產生相同的諧振頻率的情況下假定圓形的等效D形電極的直徑；
5、計算所述腔的固有參數，如品質因數Q、耗散功率、儲能，以及在這些結果與測量值之間進行比較。
步驟I的詳細描述
例如利用Field Precision LLC公司的Tricomp程序來計算已知柱形物的特性阻抗的值。該程序通過有限元方法求出電場。例如，圖4a示出了在導電罩處於主體的電勢 (potential of the mass)時,通過向直徑d=90mm的已知柱形物施加IV的電壓而獲得的電場等勢線的分布。獲得18. 53pJ/m的儲能。然後，從以下表達式獲得電容C的值
權利要求
1.一種適於在回旋加速器中對帶電粒子進行加速的諧振腔(6)，該諧振腔(6)包括D形電極(100)、柱形物(20)以及至少部分包圍所述柱形物和所述D形電極的導電罩(40)，所述柱形物(20)的一端支撐所述D形電極(10)，所述導電罩和所述柱形物(20)由此形成傳輸線，其特徵在於，所述柱形物(20)的相反端附接到所述導電罩(40)的底部(45)，並且所述傳輸線的位於所述柱形物的上述兩端之間的中間部分(20b)的線電容實質上大於所述傳輸線的另一部分(20a，20c)的線電容。
2.根據權利要求1所述的諧振腔，其特徵在於，所述傳輸線的所述中間部分(20b)的線電容比所述傳輸線的另一部分(20a，20c)的線電容大兩倍。
3.根據權利要求2所述的諧振腔，其特徵在於，所述傳輸線的所述中間部分(20b)的線電容比所述傳輸線的另一部分(20a，20c )的線電容大十倍。
4.根據前述權利要求中任一項所述的諧振腔，其特徵在於，所述傳輸線的所述中間部分(20b)的特性阻抗(Ze2)和所述傳輸線的其他部分(20a，20c)的特性阻抗(Zel，Zc3)使得所述腔(6)能夠根據兩種模式諧振，從而以大致雙倍比產生兩種不同的頻率。
5.根據前述權利要求中任一項所述的諧振腔，其特徵在於，所述柱形物(20)包括多個疊置的圓柱體(20a，20b，20c)，這些圓柱體中的一個圓柱體(20b)相當於所述傳輸線的所述中間部分(20b)並且具有大致比其他圓柱體(20a，20c)中的一個圓柱體的平均直徑大的平均直徑。
6.根據前述權利要求中任一項所述的諧振腔，其特徵在於，所述導電罩(40)包括多個疊置的中空圓柱體，這些中空圓柱體中的一個中空圓柱體相當於所述傳輸線的所述中間部分(20b)並且具有大致比其他中空圓柱體中的一個中空圓柱體的平均直徑小的平均直徑。
7.根據前述權利要求中任一項所述的諧振腔，其特徵在於，所述諧振腔還包括調諧電容器(50)，該調諧電容器(50)包括電連接到所述導電罩(40)的移動電極，該移動電極與所述柱形物相對設置並且大致在所述傳輸線的所述中間部分(20b)的高度處。
8.一種用於設計根據前述權利要求中的任一項所述的雙頻諧振腔的方法，該方法包括以下步驟 計算腔中的柱形物的線電容，使得可以推導出由上述柱形物和導電罩由此形成的傳輸線的特性阻抗，其中，該腔的所述柱形物和所述導電罩呈現出恆定截面； 針對各種柱形物直徑，計算所述特性阻抗； 確定所述導電罩的等效平均外部直徑； 基於之前得到的尺寸，對所述腔進行二維電磁模擬，並且確定在與現有技術的腔產生相同的諧振頻率的情況下假定為圓形的等效D形電極的直徑； 計算所述腔的固有參數，如品質因數(Q)、耗散功率、儲能，並且在這些結果與測量值之間進行比較； 利用射頻模擬對構成腔的所述柱形物的線的各部分進行特徵化，所述腔利用兩種諧振模式產生兩種不同頻率。
9.根據權利要求8所述的用於設計雙頻諧振腔的方法，該方法還包括利用二維電磁模擬對所述雙頻腔進行最終優化的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種用於回旋加速器的雙頻諧振腔(6)，該雙頻諧振腔(6)包括D形電極(10)、柱形物(20)以及包圍所述柱形物和所述D形電極的導電罩(40)，所述柱形物的一端剛性地連接到所述導電罩的底部，而所述柱形物(20)的相反端支撐所述D形電極(10)。所述導電罩和所述柱形物形成包括至少三個部分(20a，20b，20c)的傳輸線，各部分具有特性阻抗(Zc1，Zc2，Zc3)。所述中間部分(20b)的特性阻抗Zc2大致低於其他兩部分(20a，20b)的特性阻抗Zc1和Zc3，這使得腔可以以兩種模式諧振，以產生兩個不同的頻率，而無需利用諸如滑動短路或移動板的移動組件。本發明還涉及用於基於使用電磁和射頻模擬工具來設計這樣的諧振腔的方法。
文檔編號H05H7/02GK103004292SQ201180035515
公開日2013年3月27日 申請日期2011年6月28日 優先權日2010年7月22日
發明者M·阿比斯 申請人:離子束應用公司