用于同步回旋加速器的可編程的射頻波形發生器的制作方法

專利名稱：用于同步回旋加速器的可編程的射頻波形發生器的制作方法
用于同步回旋加速器的可編程的射頻波形發生器
本申請是2005年7月21日遞交的申請號為2005800M522. 4，發明名稱為“用于 同步回旋加速器的可編程的射頻波形發生器”的分案申請。
相關申請
這份申請要求2004年7月21日申請的美國專利臨時申請第60/590，089號的利 益。上述申請的全部教導在此通過引證被并入。
背景技術：
為了將帶電粒子加速到高能量，自20世紀30年代以來已經研發了許多類型的粒 子加速器。粒子加速器的一個類型是回旋加速器。回旋加速器通過在真空室中把交變電壓 加到一個或多個“D形盒”上使帶電粒子在軸向磁場中加速。名字“D形盒”是在早期回旋 加速器中對電極形狀的描述，雖然它們在一些回旋加速器中可能不與字母D相似。加速粒 子所產生的螺旋形軌道垂直于磁場。當粒子向外盤旋的時候，把加速電場加在D形盒之間 的間隙上。射頻(RF)電壓產生橫跨D形盒之間的間隙的交變電場。射頻電壓并因此電場 與帶電粒子在磁場中的軌道周期同步，以致粒子在它們重復地橫越所述間隙時被射頻波形 加速。粒子的能量增加到遠遠超過外加射頻(RF)電壓的峰值電壓的能量水平。由于相對 論性效應，當帶電粒子加速的時候，它們的質量增長。因此，這些粒子的加速是不一致的，而 且這些粒子到達所述間隙不與外加電壓的峰同步。
目前使用的兩種類型的回旋加速器(等時性回旋加速器和同步回旋加速器)以不 同的方式戰勝了加速粒子相對論性質量增加的挑戰。為了維持適當的加速，等時性回旋加 速器在磁場隨著半徑增加的情況下使用恒定不變的電壓頻率，以便在磁場隨著半徑增加的 情況下維持該電壓的頻率。同步回旋加速器使用隨著半徑逐漸增加逐漸減少的磁場并且改 變加速電壓的頻率，以便與由帶電粒子的相對論性速度所引起的質量增加相匹配。
在同步回旋加速器中，帶電粒子的離散“串”在循環再次開始之前被加速到最后的 能量。在等時性回旋加速器中，帶電粒子能被不斷地加速，而不是在串中加速，從而允許達 到較高的射束功率。
在能夠把質子加速到，舉例來說，250MeV的能量的同步回旋加速器中，質子的最后 速度是0.61c，其中c是光速，而質量的增加比靜止質量高27%。除了為考慮沿徑向逐漸減 少的磁場強度而降低頻率之外，該頻率還不得不減少對應的數量。頻率對時間的依從關系 將不是線性的，而且描述這個依從關系的函數的最佳輪廓將取決于大量的細節。發明內容
在補償相對論性質量增加和磁場對距D形盒中心的距離的依從關系兩者的預期 的最后能量所必需的范圍內精確地和可重現地控制頻率在歷史上是一種挑戰。此外，加速 電壓的振幅可能需要在加速周期內改變，以維持聚焦和提高射束穩定性。此外，D形盒和組 成回旋加速器的其它硬件限定一個諧振電路，其中D形盒可能被看作是電容器的電極。這 個諧振電路是用Q-因子描述的，該Q-因子對橫跨間隙的電壓分布圖有貢獻。6
用來加速帶電粒子(例如，質子)的同步回旋加速器可以包括磁場發生器和包括 安排在磁極之間的電極的諧振電路。電極之間的間隙可以安排成橫跨磁場。振蕩電壓輸入 驅動橫跨該間隙的振蕩電場。在帶電粒子加速的期間可以控制該振蕩電壓輸入變化。該振 蕩電壓輸入的振幅和頻率都可以改變。該振蕩電壓輸入可以是由可編程的數字式波形發生 器產生的。
諧振電路能更進一步包括在有電壓輸入和電極的電路中的可變的無功元件，以便 改變諧振電路的諧振頻率。可變的無功元件可能是可變的電容元件，例如，旋轉電容器或振 動簧片。通過改變這樣的無功元件的電抗和調節諧振電路的諧振頻率，可以將諧振條件維 持在同步回旋加速器的工作頻率范圍內。
同步回旋加速器可以進一步包括用來測量橫跨該間隙的振蕩電場的電壓傳感器。 通過測量橫跨該間隙的振蕩電場和將它與振蕩電壓輸入進行比較，能探測該諧振電路的諧 振條件。可以調節可編程波形發生器的輸入的電壓和頻率來維持諧振條件。
同步回旋加速器可以進一步包括安排在磁極之間在受可編程的數字式波形發生 器控制的電壓下的注入電極。該注入電極被用于將帶電粒子注入同步回旋加速器。同步回 旋加速器可以進一步包括安排在磁極之間在受可編程的數字式波形發生器控制的電壓下 的抽提電極。抽提電極用來從同步回旋加速器中抽提粒子束。
同步回旋加速器可以進一步包括用來測量粒子束性質的射束監控器。舉例來說， 射束監控器能測量粒子束強度，粒子束計時或粒子束的空間分布。可編程波形發生器至少 能調節電壓輸入、注入電極上的電壓和抽提電極上的電壓之一，以便補償粒子束性質的變 化。
這項發明意在解決用于帶電粒子的有效注入、加速和從加速器中抽提的適當的可 變的頻率和振幅調制信號的生成問題。


本發明的上述的和其它的目的、特征和利益從下面對在用相似的參考符號在不同 的視圖處處表示同一零部件的附圖中舉例說明的本發明的優選實施方案的更具體的描述 將變得顯而易見。這些圖畫不必依比例繪制，而是把重點放在舉例說明本發明的原則上。
圖IA是本發明的同步回旋加速器的平面剖視圖。
圖IB是圖IA所示的同步回旋加速器的側剖圖。
圖2是能在圖IA和IB所示的同步回旋加速器中使帶電粒子加速的理想化波形的 例證。
圖3是本發明的包括波形發生器系統的同步回旋加速器的方框圖。
圖4是舉例說明本發明的數字式波形發生器和自適應反饋系統(優化裝置)的操 作原則的流程圖。
圖5A展示在加速電極(“D形盒”)結構中信號穿越不同路徑的有限傳播延遲的 效果。
圖5B展示為了校正穿越“D形盒”結構的傳播延遲的變化被調節的輸入波形計時。
圖6A展示諧振系統隨著寄生電路效應造成的變化改變的說明性頻率響應。
圖6B展示為校正寄生電路效應造成的頻率響應的變化而計算的波形。
圖6C展示當圖6B所示的波形被當作電壓輸入使用的時候該系統最終產生的“平 坦的”頻率響應。
圖7A展示加到圖7B所示的加速電極上的等振幅輸入電壓。
圖7B展示加速電極幾何結構的例子，其中所述電極之間的距離越接近中心越小。
圖7C展示在隨半徑變化的電極間隙中預期通過把圖7A所示的電壓輸入加到圖7B 所示的電極幾何結構上實現帶電粒子穩定有效加速的合成電場強度。
圖7D展示作為半徑的函數輸入的輸入電壓，該輸入電壓直接對應于預期的能使 用數字式波形發生器產生的電場強度。
圖7E展示加速電極的平行幾何結構，該幾何結構使外加電壓和電場強度成正比。
圖7F展示在隨半徑變化的電極間隙中預期通過把圖7D所示的輸入電壓加到圖7E 所示的電極幾何結構上實現帶電粒子穩定有效加速的合成電場強度。
圖8A展示可編程波形發生器所產生的加速電壓波形的例子。
圖8B展示離子注射器計時信號的例子。
圖8C展示離子注射器計時信號的另一個例子。
具體實施方式
這項發明涉及用來在同步回旋加速器中產生橫跨“D形盒”間隙的復數的精確計時 的加速電壓的裝置和方法。這項發明包括通過產生特定的波形驅動橫跨“D形盒”間隙的電 壓的裝置和方法，其中振幅、頻率和相位是以這樣的方式控制的，以便在給定個別加速器的 實際配置、磁場分布圖和其它事先可能知道也可能不知道的變量的情況下產生最有效的粒 子加速。為了維持粒子束的聚焦，同步回旋加速器需要逐漸減少磁場，借此修正預期的頻率 掃描形狀。外加電信號對D形盒上的有效點有可預期的有限傳播延遲，在這種情況下加速 粒子串經歷導致連續加速的電場。用來放大驅動橫跨D形盒間隙的電壓的射頻(RF)信號 的放大器也可能有隨頻率變化的相位偏移。一些效應可能是事先不知道的，只有在整個同 步回旋加速器整合之后才可能觀察到。除此之外，按納秒計時的粒子注入和抽提的計時能 提高加速器的抽提效率，因此減少在操作的加速和抽提階段粒子遺失造成的雜散輻射。
參照圖IA和1B，本發明的同步回旋加速器包括在為產生磁場配置的兩個隔開的 金屬磁極如和4b周圍的通電線圈加和2b。磁極如和4b是用兩個相對的軛狀物部分6a 和6b (在剖視圖中展示)限定的。磁極如和4b之間的空間限定真空室8或一個單獨的真 空室可以安裝在磁極如和4b之間。磁場強度通常是距真空室8中心的距離的函數而且主 要由線圈加和2b的幾何結構選擇和磁極如和4b的形狀和材料決定。
加速電極包括“D形盒” 10和“D形盒” 12，其間有間隙13。D形盒10與交變電壓 電位連接，該交變電壓電位的頻率在加速周期期間從高到低變化，以便考慮到帶電粒子逐 漸增加的相對論性質量和由線圈加和2b和磁極部分如和4b產生的沿徑向逐漸減少的磁 場(從真空室8中心測量)。D形盒10和12中的交變電壓的特征分布圖展示在圖2中，而 且下面將被詳細地討論。D形盒10是里面空心的半圓筒結構。D形盒12 (也被稱為“虛擬 D形盒”)不需要是空心的圓筒形結構，因為它在真空室壁14接地。圖IA和IB所示的D形 盒12包括一金屬條，例如，銅條，該金屬條有形狀與D形盒10上的狹縫實質上相似的狹縫。 D形盒12可以有形成D形盒10的表面16的鏡像的形狀。
離子源18包括位于真空室8中心的離子源電極20，該離子源是為注射帶電粒子準 備的。抽提電極22準備把帶電粒子抽提到管道M中，借此形成帶電粒子束沈。該離子源 也可能安裝在外面并且把離子實質上沿軸向注射到加速區域。
D形盒10和12和其它組成回旋加速器的硬件限定可調諧的諧振電路，該諧振電路 在振蕩電壓輸入下產生橫跨間隙13的振蕩電場。這個諧振電路能在頻率掃描期間通過使 用調諧裝置調諧保持高Q-因數。
如本文中所使用的，Q-因數是諧振系統對與諧振頻率接近的頻率的響應“質量”的 度量。Q-因數被限定為
Q = 1/RX V V(L/C)，
其中R是諧振電路的有效電阻、L是電感，而C是這個電路的電容。
調諧裝置可以是可變電感線圈或可變電容。可變電容裝置可以是振動簧片或旋轉 電容器。在圖IA和IB所示的例子中，調諧裝置是旋轉電容器觀。旋轉電容器觀包括用 馬達31驅動的旋轉葉片30。在馬達31的每個四分之一周期期間，隨著葉片30與葉片32 逐漸重疊，包括“D形盒” 10、12和旋轉電容器28的諧振電路的電容逐漸增加而諧振頻率逐 漸減少。隨著葉片逐漸脫離重疊，該過程相反。因此，諧振頻率是通過改變諧振電路的電容 改變的。這服務于大倍率減少產生高電壓加到“D形盒”上所需要的和給射束加速必不可少 的功率的目的。葉片30和32的形狀可以根據所需要的諧振頻率對時間的依從關系機械加 工。
葉片旋轉可以與RF頻率生成同步，以致回旋加速器所限定的諧振電路的諧振頻 率可以通過改變RF諧振腔的Q-因數保持接近加到“D形盒” 10和12上的交變電壓電位的頻率。
葉片的旋轉可以用下面參照圖3和圖4描述的數字式波形發生器以維持諧振電路 的諧振頻率接近該數字式波形發生器產生的電流頻率的方式控制。作為替代，數字式波形 發生器可以借助電容器旋轉軸33上的角位傳感器(未展示)控制，以便控制波形發生器的 時鐘頻率，維持最佳諧振條件。如果旋轉電容器的旋轉葉片的輪廓與所述軸的角位精確地 相關，則可以使用這個方法。
探測峰值諧振條件的傳感器(未展示)也能用來把反饋提供給數字式波形發生器 的時鐘，維持對諧振頻率的最高匹配。用來探測諧振條件的傳感器能測量諧振電路中的振 蕩電壓和電流。在另一個例子中，該傳感器可能是電容傳感器。這個方法能適應在旋轉電 容器的旋轉葉片輪廓和所述軸的角位之間的關系中的小的不規則。
真空泵系統40使真空室8維持在非常低的壓力下，為了消除加速射束的散射。
為了在同步回旋加速器中實現一致的加速，橫跨“D形盒”間隙的電場的頻率和振 幅需要改變，以便考慮到相對論性質量增加和磁場半徑(作為距帶電粒子的螺旋軌道的中 心的距離測量的)的變化以及維持粒子束的聚焦。
圖2是為了使帶電粒子在同步回旋加速器中加速可能需要的理想波形的例證。這 張圖只展示幾個波形周期而不必表現理想的頻率和幅度調制輪廓。圖2舉例說明改變在給 定的同步回旋加速器中使用的波形的振幅和頻率性質的時間。當粒子速度以相當大的分數 比例接近光速的時候，因為粒子的相對論性質量逐漸增加，所以頻率從高向低變化。
本發明使用一組高速數模轉換器(DAC)，這組數模轉換器能從高速存儲器產生所需的按納秒計時的信號。參照圖1A，驅動橫跨D形盒間隙13的電壓的射頻(RF)信號和驅 動注射電極20和抽提電極22上的電壓的信號兩者都能借助這些DAC從存儲器產生。加速 器信號是可變的頻率和振幅波形。注射器和抽提器信號可能是至少三種類型之一連續信 號；在與加速器波形同步方面可以在加速器波形的一個或多個周期里操作的離散信號，例 如，脈沖信號；在與加速器波形同步方面可以在加速器波形頻率掃描期間按精確計時的例 證操作的離散信號，例如。脈沖信號。(見下面參照圖8A-C)
圖3描繪本發明的同步回旋加速器300的方框圖，該同步回旋加速器包括粒子加 速器302、波形發生器系統319和放大系統330。圖3也展示包括優化裝置350的自適應反 饋系統。非必選的可變電容器觀和馬達31的驅動子系統未被展示。
參照圖3，粒子加速器302實質上類似于圖IA和IB所描述的系統并且包括“虛 擬D形盒” 304、“D形盒” 306和軛狀物308、與離子源312連接的注入電極310和抽提電極 314。射束監控器316監測射束318的強度。
同步回旋加速器300包括數字式波形發生器319。數字式波形發生器319包括一 個或多個數-模轉換器(DAC) 320，這些轉換器把儲存在存儲器322中的波形的數字表達轉 換成模擬信號。控制器3M控制存儲器322的選址，以便輸出適當的數據，和控制DAC 320 在任何時刻及時接收數據。控制器3M也往存儲器322中寫數據。接口 3 為外面的計算 機(未展示)提供數據傳輸。接口 3 可能是光纖接口。
控制“模-數”轉換過程的計時的時鐘信號能用作給數字式波形發生器的輸入。這 個信號能與旋轉電容器(見圖IA和1B)上的軸位編碼器(未展示)或諧振條件探測器相 結合用來微調所產生的頻率。
圖3舉例說明三個DAC 320a、320b和320c。在這個例子中，來自DAC 320a和320b 的信號分別被放大器328a和328b放大。來自DAC 320a的放大信號驅動離子源312和/ 或注入電極310，而來自DAC 320b的放大信號驅動抽提電極314。
DAC 320c產生的信號被傳送到在射頻放大器控制系統332的控制下操作的放大 系統330。在放大系統330中，來自DAC 320c的信號被射頻驅動器334加到射頻分離器336 上，后者傳送將用射頻功率放大器338放大的射頻信號。在圖3所示的例子中，使用四個功 率放大器，338a、b、c和d。所用的放大器338的數目取決于預期的放大程度。放大后的信 號經RF組合器340組合和濾波器342濾波之后通過定向耦合器344離開放大系統330，該 定向耦合器保證RF波不向后反射進入放大系統330。用來操作放大系統330的功率是由電 源346供應的。
在離開放大系統330時，來自DAC 320c的信號經過匹配網絡348傳送到粒子加速 器302。匹配網絡348使負載(粒子加速器30 和來源(放大系統330)的阻抗匹配。匹 配網絡348包括一組可變的無功元件。
同步回旋加速器300可以進一步包括優化裝置350。優化裝置350能使用射束監 控器316實測的射束318的強度測量結果在可編程處理器的控制下調節DAC 320a、b和c 產生的波形和它們的計時，優化同步回旋加速器300的操作和實現帶電粒子的最佳加速。
現在將參照圖4討論數字式波形發生器319和自適應反饋系統350的操作原則。
波形的初始條件能依據控制帶電粒子在磁場中運動的物理原理、描述帶電粒子質 量行為的相對論力學和在真空室中磁場隨半徑變化的理論描述計算出來。這些計算在步驟402完成。在D形盒間隙的電壓理論波形RF(G)，t)(其中ω是橫跨D形盒間隙的電場的 頻率，t是時間)是根據回旋加速器的物理原理、帶電粒子運動的相對論力學和磁場在理論 上與半徑的依從關系計算的。
當同步回旋加速器在這些初始條件下操作的時候，實踐背離理論的程度能被測 量，而且波形能被校正。舉例來說，如同下面將參照圖8A-C描述的那樣，能改變離子注射器 相對于加速波形的計時，使捕獲到粒子加速串中的注入粒子數量最大。
加速器波形的計時能如同下面描述的那樣逐個周期進行調節和優化，以便校正出 現在射頻配線的實際安排中的傳播延遲；在D形盒的安置或制造中出現的不對稱能在有效 地形成不對稱的正弦波時通過把較接近的峰值正電壓及時地放到后來的峰值負電壓上得 到校正，反之亦然。
一般地說，硬件特性造成的波形扭曲可以使用視裝置而定的轉移函數A通過預先 扭曲理論波形RF(G)，t)來校正，從而導致預期的波形出現在加速電極上的特定點，在此質 子處在加速周期中。因此，再次參照圖4，在步驟404，轉移函數A( ，t)是基于該裝置對電 壓輸入的通過實驗實測的響應計算的。
在步驟405，對應于表達式RF (ω，t) /A (ω，t)的波形被計算出來和儲存在存儲器 322中。在步驟406，數字式波形發生器319生成來自存儲器的RF/A波形。在步驟408，驅 動信號RF (ω，t) /A (ω，t)被放大，而在步驟410，被放大的信號通過整個裝置300傳播，以 便在步驟412，產生橫跨D形盒間隙的電壓。代表性的轉移函數Α(ω，t)的更詳細的描述 將在下面參照圖6A-C給出。
在射束達到預期的能量之后，精確計時的電壓能被加到抽提電極或產生預期的射 束軌道的裝置上，以便從該加速器中抽提在步驟41 用射束監控器測量的射束。RF電壓和 頻率是在步驟414b用電壓傳感器測量的。關于射束強度和RF頻率的信息被轉發回到數字 式波形發生器319，現在該數字式波形發生器能在步驟406調節信號RF (ω，t) /A (ω，t)的 形狀。
整個程序能在步驟416受優化裝置350控制。優化裝置350能執行為優化波形和 波形的相對計時設計的半自動或全自動算法。模擬韌化是可能使用的一類優化算法的例 子。在線診斷工具能在不同的加速階段探查射束，為優化算法提供反饋。在已經找到最佳 條件的時候，存儲器保存的已優化的波形可以確定下來并且做好備份供在一些時間周期里 繼續穩定操作使用。這種針對個別加速器的性質調節精確波形的能力減少操作時設備之間 的易變性而且能補償制造公差和在回旋加速器結構中使用的材料特性的變化。
為了探測諧振條件峰值，可以通過測量RF波形的電壓和電流把旋轉電容器(例 如，圖IA和IB所示的電容器觀)的概念整合到數字控制方案中。對諧振條件的偏離可以 反饋給數字式波形發生器319(見圖幻，以便調節儲存波形的頻率，在加速周期中始終保持 峰值諧振條件。在使用這個方法的時候，振幅仍然能得到精確的控制。
旋轉電容器觀(見圖IA和1B)的結構可以非必選地與給加速器內腔抽真空的渦 輪分子真空泵(例如，圖IA和IB所示的真空泵40)整合。這種整合將導致高度整合的結 構和節省費用。用于渦輪泵的馬達和驅動器可以備有反饋元件(例如，旋轉編碼器)，以便 對旋轉葉片30的速度和角位置提供精細控制，而且馬達驅動的控制將與波形發生器319的 控制電路整合在一起，以確保加速波形適當的同步。11
如上所述，能調節振蕩電壓輸入的波形的計時來校正裝置中出現的傳播延遲。圖 5A舉例說明由于從輸入點504分別到加速電極500的加速表面502上的點506和508的距 離Rl和R2的差異造成的波傳播誤差的例子。距離Rl和R2的差異導致影響沿著以點506 為中心的螺旋形路徑(未展示)加速的粒子的信號傳播延遲。如果用曲線510代表的輸入 波形不把由逐漸增加的距離引起的額外的傳播延遲考慮進去，粒子可能不再與加速波形同 步。在加速電極500的點504處的輸入波形510因為粒子從中心點506向外加速將經歷可 變的延遲。這個延遲造成電壓輸入在點506有波形512，而在點508有時序不同的波形514。 波形514展示相對于波形512的相位偏移而且這能影響加速過程。當加速結構的實際尺寸 (大約0.6米)以相當大的分數比例接近加速頻率的波長(大約2米)的時候，在加速結構 的不同部分之間將出現顯著的相位偏移。
在圖5B中，相對于用波形510描述的輸入電壓預先調節有波形516的輸入電壓， 使之有相同的幅度但延時符號相反。結果，穿越加速電極500的不同路徑長度所引起的相 位滯后得到校正。由此產生的波形518和520現在精確地對齊，為的是提高粒子加速過程 的效率。這個例子舉例說明容易預測的幾何效應引起傳播延遲的簡單情況。可能有現實加 速器中使用的更復雜的幾何結構產生的其它的波形時序效應，這些效應如果能被預測或測 量就能通過同樣使用在這個例子中舉例說明的原則得到補償。
如上所述，數字式波形發生器產生RF ( ω，t) /A ( ω，t)形式的振蕩輸入電壓，其中 RF( , t)是橫跨D形盒間隙的預期電壓和Α(ω，t)是轉移函數。代表性的裝置專用轉移 函數A是用圖6A中的曲線600舉例說明的。曲線600表示作為頻率的函數的Q-因數。曲 線600有兩處不想要的偏離理想轉移函數的地方，即波谷602和604。這些偏離可能是由諧 振電路零部件的實際長度造成的效應、不想要的零部件自諧振特性或其它的效應引起的。 這個轉移函數能被測量，而且補償輸入電壓能被計算出來并且儲存在波形發生器的存儲器 中。這個補償函數610的表達展示在圖6B中。當補償輸入電壓610加到裝置300上的時 候，合成電壓620與計算出來的預期的電壓曲線一致，從而得到有效的加速。
能用可編程波形發生器控制的另一種效應的例子展示在圖7中。在一些同步回旋 加速器中，能選定用于加速的電場強度當粒子沿著螺旋形路徑705向外加速的時候略微減 少。這種電場強度的減少是通過把圖7a所示的相對恒定不變的加速電壓700加到加速電 極702上實現的。電極704通常處在接地電位。間隙中的電場強度是外加電壓除以間隙長 度。如圖7B所示，在加速電極702和704之間的距離隨著半徑R逐漸增加。作為半徑R的 函數的合成電場強度被展示為圖7C中的曲線706。
在使用可編程波形發生器的情況下，加速電壓708的振幅能按預期的方式調制， 如圖7D所示。這種調制允許保持加速電極710和712之間的距離恒定不變，如圖7E所示。 結果，圖7F所示的作為半徑714的函數的合成電場強度與如圖7C所示的一樣。這是另一 種類型控制同步回旋加速器系統各種效應的簡單例子，但是電極的實際形狀和加速電壓隨 半徑變化的分布圖不可能仿效這個簡單的例子。
如上所述，可編程波形發生器能用來通過精確地安排粒子注入時間控制離子注射 器(離子源)實現帶電粒子的最佳加速。圖8A展示可編程波形發生器產生的RF加速波 形。圖8B展示精確計時的每個周期的注射器信號，該信號能以精確的方式驅動離子源把一 小束離子按精確控制的時間間隔注入加速器內腔，以便與加速過程的接收相位角同步。所展示的這些信號近似地處在正確的對準位置，因為粒子串通常為了射束穩定以相對于射頻 電場波形大約30度的滯后角通過加速器行進。這些信號在某些外部的點(例如，數-模轉 換器的輸出)的真實計時可能沒有這種精確的關系，因為兩個信號的傳播延遲可能是不同 的。采用可編程波形發生器，注射脈沖的計時可以相對于RF波形連續地變化，為的是優化 注射脈沖與加速過程的結合。為了打開和關閉射束，這個信號能被激活或失去作用。該信 號也能借助脈沖下落技術進行調制，以維持必需的平均射束電流。這種射束調節是通過選 擇一個包含數目比較大的(大約1000個)脈沖的宏觀時間間隔和改變在這個間隔期間被 激活的脈沖數目完成的。
圖8C展示一個較長的注入控制脈沖，該脈沖對應于多個RF周期。這個脈沖是在 一串質子被加速時產生的。周期性的加速過程只能捕獲有限數目的已被加速到最終能量并 被抽提的粒子。控制離子注入的計時能導致較低的氣體負荷和較好的真空條件，這將降低 抽真空的需求和在加速周期期間改善高電壓和射束損失性。這可以用在由于離子源與射頻 波形相位角的可接受的結合不需要圖8B所示的精確的注入計時的場合。這種方法在數目 近似地與同步回旋加速器中的加速過程接受的“圈”數相對應的RF周期里注射離子。為了 打開和關閉射束或調制平均射束電流，這個信號也被激活或失去作用。
雖然已經參照其優選實施方案具體地展示和描述了這項發明，但是熟悉這項技術 的人將理解在形式和細節方面各種不同的改變可以在不脫離權利要求書所囊括的本發明 的范圍的情況下完成。
權利要求
1.一種同步回旋加速器，其中包括磁場發生器；諧振電路，該諧振電路包括安排在磁極之間的其間有橫跨磁場的間隙的電極；以及在電路中用電極改變諧振電路的諧振頻率的可變的無功元件；以及諧振電路的電壓輸入，該電壓輸入是在帶電粒子加速期間內變化的振蕩電壓。
2.根據權利要求1的同步回旋加速器，其中電壓輸入的振幅被改變。
3.根據權利要求1的同步回旋加速器，進一步包括離子源，該離子源用來將帶電粒子 注入到同步回旋加速器中。
4.根據權利要求1的同步回旋加速器，進一步包括安排在磁極之間用于從同步回旋加 速器中抽提粒子束的抽提電極。
5.根據權利要求1的同步回旋加速器，進一步包括一個或多個用來探測諧振電路中諧 振條件的傳感器。
6.根據權利要求5的同步回旋加速器，其中電壓輸入的頻率被調節以維持諧振條件。
7.根據權利要求6的同步回旋加速器，進一步包括用來控制可變無功元件的電抗和用 來調節諧振電路的諧振頻率以維持諧振條件的裝置。
8.根據權利要求1的同步回旋加速器，進一步包括用來測量粒子束的射束監控器，其 中所述的電壓輸入、離子源和抽提電極中的至少一個被控制以補償粒子束的變化。
9.根據權利要求8的同步回旋加速器，其中射束監控器測量粒子束強度。
10.根據權利要求8的同步回旋加速器，其中射束監控器測量粒子束計時。
11.根據權利要求8的同步回旋加速器，其中射束監控器測量粒子束的空間分布。
12.根據權利要求1的同步回旋加速器，其中振蕩電壓輸入由可編程數字式波形發生 器生成。
13.根據權利要求12的同步回旋加速器，其中可編程數字式波形發生器控制離子源和 抽提電極中的至少一個以補償粒子束的變化。
14.根據權利要求1的同步回旋加速器，進一步包括一個或多個用來探測諧振電路的 諧振條件的傳感器。
15.根據權利要求1的同步回旋加速器，進一步包括用來探測粒子束變化的射束監控ο
16.根據權利要求1的同步回旋加速器，其中電壓輸入的頻率被調節以維持諧振條件。
17.根據權利要求1的同步回旋加速器，進一步包括離子源和抽提電極，其中至少離子 源和抽提電極之一被控制以補償粒子束中的變化。
18.一種在同步回旋加速器中產生粒子束的方法，該方法包括用離子源將帶電粒子注入同步回旋加速器；把振蕩電壓輸入加到包括其間有橫跨磁場的間隙的加速電極的諧振電路上，以產生橫 跨間隙并且使帶電粒子加速的振蕩電場，所述的振蕩電壓被控制以在帶電粒子束的加速期 間內改變頻率；以及抽提加速的帶電粒子以形成粒子束。
19.根據權利要求18的方法，其中振蕩電壓輸入的振幅被改變。
20.根據權利要求18的方法，進一步包括探測諧振電路中的諧振條件。
21.根據權利要求20的方法，其中電壓輸入的頻率被調節以維持諧振條件。
22.根據權利要求21的方法，進一步包括在有振蕩電壓輸入和加速電極的電路中通過 調節可變無功元件的電抗來維持諧振電路的諧振條件。
23.根據權利要求22的方法，進一步包括 用射束監控器測量粒子束；以及控制振蕩電壓輸入、離子源和抽提電極中的至少一個以補償粒子束的變化。
24.根據權利要求23的方法，其中射束監控器測量粒子束強度。
25.根據權利要求23的方法，其中射束監控器測量粒子束計時。
26.根據權利要求23的方法，其中射束監控器測量粒子束的空間分布。
27.根據權利要求23的方法，其中振蕩電壓輸入由可編程的數字式波形發生器來產生。
28.根據權利要求27的方法，其中可編程的數字式波形發生器控制離子源和抽提電極 中的至少一個以補償粒子束中的變化。
29.根據權利要求18的方法，進一步包括探測諧振電路中的諧振條件。
30.根據權利要求18的方法，進一步包括探測粒子束中的變化。
31.根據權利要求18的方法，進一步包括調節電壓輸入的頻率，以便維持諧振條件。
32.根據權利要求18的方法，進一步包括控制離子源和抽提電極中的至少一個，以便 補償粒子束的變化。
33.一種同步回旋加速器，其中包括 磁場發生器；諧振電路，該諧振電路包括安排在磁極之間的其間且有橫跨磁場的間隙的電極；以及 在電路中用電極改變諧振電路的諧振頻率的可變的無功元件； 諧振電路的電壓輸入，該電壓輸入是在帶電粒子加速期間內變化的振蕩電壓；以及 改變諧振電路的電壓輸入的反饋系統。
34.根據權利要求33的同步回旋加速器，其中電壓輸入的振幅被改變。
35.根據權利要求33的同步回旋加速器，其中電壓輸入的頻率被改變。
36.根據權利要求33的同步回旋加速器，其中電壓的振幅和頻率被改變。
37.根據權利要求33的同步回旋加速器，進一步包括將帶電粒子注入到同步回旋加速 器的離子源。
38.根據權利要求37的同步回旋加速器，進一步包括一個或多個探測諧振電路的諧振 條件的傳感器。
39.根據權利要求38的同步回旋加速器，其中電壓輸入的頻率被調節以維持諧振條件。
40.根據權利要求39的同步回旋加速器，進一步包括控制可變的無功元件的電抗和調 節諧振電路的諧振頻率以維持諧振條件的裝置。
41.根據權利要求40的同步回旋加速器，進一步包括安排在磁極之間用于從同步回旋 加速器中抽提粒子束的抽提電極。
42.根據權利要求41的同步回旋加速器，進一步包括用來測量粒子束的射束監控器， 所述的電壓輸入、離子源和抽提電極中的至少一個被控制以補償粒子束的變化。
43.根據權利要求42的同步回旋加速器，其中射束監控器測量粒子束強度。
44.根據權利要求42的同步回旋加速器，其中射束監控器測量粒子束計時。
45.根據權利要求42的同步回旋加速器，其中射束監控器測量粒子束的空間分布。
46.根據權利要求42的同步回旋加速器，其中所述離子源和抽提電極的至少一個受到 可編程數字式波形發生器的控制以補償粒子束的變化。
47.根據權利要求33的同步回旋加速器，其中振蕩電壓輸入由可編程數字式波形發生 器產生。
48.根據權利要求33的同步回旋加速器，進一步包括一個或多個探測諧振電路的諧振 條件的傳感器。
49.根據權利要求33的同步回旋加速器，進一步包括用于探測粒子束變化的射束監控ο
50.根據權利要求33的同步回旋加速器，其中電壓輸入的頻率被調節以維持諧振條件。
51.根據權利要求33的同步回旋加速器，進一步包括離子源和抽提電極，其中所述離 子源和抽提電極中的至少一個被控制以補償粒子束的變化。
52.根據權利要求51的同步回旋加速器，進一步包括一個或多個用于探測諧振電路的 諧振條件的傳感器。
53.根據權利要求51的同步回旋加速器，進一步包括用于探測粒子束變化的射束監控ο
54.根據權利要求51的同步回旋加速器，其中電壓輸入的頻率被調節以維持諧振條件。
55.一種在同步回旋加速器中產生粒子束的方法，該方法包括用離子源將帶電粒子 注入同步回旋加速器；把振蕩電壓輸入加到包括其間有橫跨磁場的間隙的加速電極的諧振電路上，以產生橫 跨間隙并且使帶電粒子加速的振蕩電場，所述的振蕩電壓輸入通過使用反饋系統被控制以 在帶電粒子束的加速期間內改變；以及 抽提加速的帶電粒子以形成粒子束。
56.根據權利要求55的方法，其中振蕩電壓輸入的振幅被改變。
57.根據權利要求55的方法，其中振蕩電壓輸入的頻率被改變。
58.根據權利要求55的方法，其中電壓的振幅和頻率被改變。
59.根據權利要求55的方法，進一步包括探測諧振電路的諧振條件。
60.根據權利要求59的方法，其中電壓輸入的頻率被調節以維持諧振條件。
61.根據權利要求60的方法，進一步包括在有振蕩電壓輸入和加速電極的電路中通過 調節可變無功元件的電抗來維持諧振電路的諧振條件。
62.根據權利要求61的方法，進一步包括 用射束監控器測量粒子束；以及控制振蕩電壓輸入、離子源和抽提電極中的至少一個以補償粒子束的變化。
63.根據權利要求62的方法，其中射束監控器測量粒子束強度。
64.根據權利要求62的方法，其中射束監控器測量粒子束計時。
65.根據權利要求62的方法，其中射束監控器測量粒子束的空間分布。
66.根據權利要求62的方法，其中離子源和抽提電極的至少一個被可編程的數字式波 形發生器控制以補償粒子束的變化。
67.根據權利要求55的方法，其中振蕩電壓輸入由可編程的數字式波形發生器產生。
68.根據權利要求55的方法，進一步包括探測諧振電路中的諧振條件。
69.根據權利要求55的方法，進一步包括探測粒子束中的變化。
70.根據權利要求55的方法，進一步包括調節電壓輸入的頻率，以便維持諧振條件。
71.根據權利要求55的方法，進一步包括控制離子源和抽提電極中的至少一個以補償 粒子束的變化。
全文摘要
同步回旋加速器包含一個諧振電路，該諧振電路包括其間有橫跨磁場的間隙的電極。振蕩電壓輸入產生橫跨所述間隙的振蕩電場，該振蕩電壓輸入有由可編程的數字式波形發生器決定的可變的振幅和頻率。同步回旋加速器可以包括在電路中用電極改變諧振頻率的可變電容器。同步回旋加速器可以進一步包括電壓受可編程的數字式波形發生器控制的注入電極和抽提電極。同步回旋加速器可以進一步包括射束監控器。同步回旋加速器能通過測量諧振電路中受電壓輸入驅動的電壓和/或電流探測諧振電路的諧振條件，和調節可變電容器的電容或電壓輸入的頻率以維持該諧振條件。可編程波形發生器至少能依照射束強度和根據諧振條件變化調節振蕩電壓輸入、注入電極電壓、抽提電極電壓的其中之一。
文檔編號H05H13/02GK102036461SQ20101058138
公開日2011年4月27日 申請日期2005年7月21日 優先權日2004年7月21日
發明者肯尼斯·加爾, 阿蘭·斯利斯基 申請人:斯蒂爾瑞弗系統有限公司