CN101167413B - 全离子加速器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种能够在同一加速器上将所有种类的离子加速至任意能级的加速器。所有种类离子加速器：使用通过用在感应加速同步加速器中的约束和加速感应单元施加到由前端加速器注入的离子束的感应电压的生成定时和施加时间，以便基于离子束通过信号、位置信号和用于识别施加到离子束的感应电压值的感应电压信号，通过约束和加速数字信号处理器以及约束和加速图形发生器生成约束和加速门信号图，并且通过约束和加速智能控制装置对约束和加速感应加速单元进行反馈控制。

Description

全离子加速器及其控制方法

技术领域

本发明涉及用于加速离子的加速器，尤其涉及包括能够加速全离子(all-ion)的感应同步加速器及其控制方法。

背景技术

离子指元素周期表中处于特定电荷状态的元素。全离子指元素周期表中这些元素原则上能获得所有电荷状态的所有元素。此外，离子包括由大量分子构成的粒子，诸如化合物或蛋白质。

加速器是用于将诸如电子、质子和粒子的带电粒子加速至约几兆电子伏特(几MeV)到几百万兆电子伏特(几TeV)的高能态的设备，并且根据计算原理大致地分类成射频加速器和感应加速器。另外，根据它们的几何形状，加速器被分类成线性加速器和回旋加速器。

根据加速方法，射频回旋加速器被归类到回旋加速器和射频(rf)同步加速器。根据使用，有各种尺寸的射频加速器；用于在原子核和粒子物理的研究中的大型加速器能够获得极高的能量，并且用于癌症治疗的小型射频同步加速器提供相对较低的能量级的离子束。

在射频加速器中，射频腔已被用于加速带电粒子。通过射频腔的谐振激励，射频腔产生几MHz到几十MHz的、与带电粒子的传播同步的射频电场。来自射频电场的能量被转移到带电粒子。谐振频率在上述范围内变化，因为带电粒子围绕设计轨道旋转的旋转频率随着带电粒子的能量的变化而增加。

图10示出了常规射频同步加速器复合体34。在原子核和高能物理学中，射频同步加速器35已特别作为用于试验的基本设备。射频同步加速器35是用于通过谐振加速、强聚焦和相位稳定性的原理将带电粒子的能量增加至预定级别的加速器，并且具有以下所述的配置。

常规射频同步加速器复合体34包括：注入装置15，它使用射频线性加速器17b将由离子源16产生的离子加速至光速的百分之几或百分之几十，并且使用由诸如切隔磁体(septum magnet)、强磁体、碰撞磁体等的注入装置构成的注入器 18将来自射频线性加速器17b的离子注入到随后的射频同步加速器35；射频同步加速器35，它将离子束3加速至预定能量级；以及包括由各种磁体构成的提取系统20的提取装置19，它提取从加速器环到离子束实用线(utility line)21的被加速至预定能量级的离子束3，该离子束实用线是其中放置试验装置21b等的工具21a。这些装置通过输运真空管16a、17a和20a来连接。

射频同步加速器35包括：保持在高真空状态的环形真空管道4；使离子束3保持沿着设计轨道的弯曲电磁体(bending electromagnet)5；诸如四极电磁体的聚焦电磁体6，它被设置成确保等离子束3在真空管道4中的水平及垂直方向上的强聚焦；由射频腔36a和控制装置36b构成的射频加速装置36，该射频腔36a将射频加速电压施加到真空管道4的离子束3并加速离子束3，而该控制装置36b控制所施加的射频波的幅度和相位；位置监视器35a，它沿着整个环境周期性地设置以便测量真空管道4中的离子束的位置；转向电磁体(steering electromagnet)35b，它使用通过位置监视器35a获得的离子束3的位置信息来更改离子束3的轨道(称为闭合轨道变形)；聚束监视器7，它检测离子束3的通过等等。

在具有上述配置的射频同步加速器复合体34中，通过射频线性加速器17b加速至特定能量级并被注入到射频同步加速器的离子束3在真空管道4中沿着设计轨道在前进轴向上旋转。如果此时射频电压被施加到射频腔36a，则离子束3通过在离子的传播方向上的聚焦力沿着射频电压(称为加速相位)的特定相位形成的带电粒子群(在下文中称为聚束)。

接着，施加到射频腔36a的射频电压的频率随着弯曲电磁体5的激励图同步增加，该弯曲电磁体5保持离子束3的设计轨道。而且，在聚束中央的射频电压的相位朝着加速相位偏移，从而增加循环离子束3的动量。射频波的频率必须是离子的旋转频率的整数倍。

众所周知，满足p＝eBρ关系，其中e是离子束3中的每个粒子的电荷，p是其动量，B是导向电磁体的磁通量密度，而ρ是磁场中弯曲的曲率半径。而且，四极电磁体用于聚焦离子束3的磁场强度在水平和垂直方向上随着离子束3的动量的增加而同步增加。因而，在真空管道4中循环的离子束3总是被定位在预定的固定轨道上。此轨道称为设计轨道。

对于离子束3的动量的增加速率与磁场强度的变化速率之间的同步，可用一种方法，即使用磁场测量探测线圈测量弯曲电磁体5的磁场强度、在磁场强度每次变化时生成离散控制时钟(B时钟)、以及基于B时钟确定射频波的频率。

在弯曲电磁体5的磁场强度中的变化与射频频率中的变化未完全同步的情况下，离子束3的旋转轨道半径将减小或增加，从而使离子束3偏离设计轨道，最后与真空管道4等碰撞，或消失。通常，加速器是不理想的。在大多数情况中，可能存在着使循环轨道变形而背离设计轨道的干扰，诸如差错的射频电压幅度。因而，系统被配置成通过用于检测动量偏移的位置监视器8来测量离子束3与设计轨道之间的位移、计算离子束3沿着设计轨道循环所需的射频电压的相位、以及施加反馈从而将射频加速电压以适当的相位施加到聚束中央。

通过射频加速电压，各个离子在离子传播的方向上受到聚焦力，并形成聚束，而且在射频同步加速器35中循环，同时在离子束3的传播方向上往复移动。这称为射频同步加速器35的相位稳定性。

图11示出了聚束通过常规同步加速器35中的射频波来约束和加速的原理(相位稳定性)。

在射频同步加速器35的前进轴向上的约束方法中和带电粒子的加速方法中，其中可约束聚束3a的相空间区域在原则上被特别地限制在前进轴向上(时轴方向)。具体地，在其中射频波37处于负电压的时间区域中，聚束3a的能量被减小，而且在具有不同的电压梯度的极性的时间区域中，带电粒子在前进轴向上扩散而未被约束。换言之，仅在所示虚线之间的时间段的加速电压可用于加速离子束3。

在加速电压37a的时间段中，射频波37被控制成将期望的恒定加速电压37b施加到聚束3b。因而，定位在聚束前端3c中的粒子具有较高能量，并且比聚束中央3b中的粒子早到达射频腔36a，因而，受到的加速电压37c比聚束中央3b中受到的加速电压37b低，从而相对地减小它们速度。另一方面，位于聚束后端3d中的粒子具有较低的能量，并且比聚束中央3b中的粒子晚到达射频腔36，因而受到的加速电压37d比聚束中央3b的高，从而相对地增加它们的速度。在加速期间，粒子重复此过程，使它们的所处位置在聚束前端、中央和后端中变化。

可被加速的离子束电流的最大值根据空间电荷力的大小来确定，该空间电荷力是由在与离子束的前进轴垂直的方向上离子束3自身所产生的电场导致的扩散力。加速器中的带电粒子受到聚焦磁体周围的力，并执行类似于所谓电子感应加速器振荡的谐波振荡器的运动。当离子束电流超出特定级别时，带电粒子的电子感应加速器振荡的幅度达到真空管道4的大小，从而离子束消失。这称为空间电荷限制。

确切地，限制由局部束电流值-即线电流密度-的最大值所导致。在射频 同步加速器35中，聚束中央3b通常具有最大线密度，从而在没有任何改进的情况下，不可避免地导致聚束中央3b与聚束外边缘-诸如聚束前端3c和聚束后端3d-之间的电流密度的不平衡。因而，聚束中央3b中的电流密度必须小于极限。这表示射频同步加速器中的电流密度根据聚束中央的电荷密度来确定。

具体地，射频腔36a的谐振频率f_rf通过使用射频腔36的电气参数(电感L和电容C)写成f_rf＝1/4(L·C)^1/2。电感通过使用几何参数(长度1、内径a、外径b)和装填在射频腔36a中的磁性材料的材料特性(相对磁导率μ^*)的L＝1·(μ0μ^*/2π)log(b/a)来描述。

粒子的旋转频率f₀和射频腔36a的谐振频率必须总是保持f_rf＝hf₀(h为整数)的关系，以便与粒子的旋转保持同步。这通过使用称为偏压电流的附加电流激励磁性材料并改变B-H曲线上的操作点、以及控制相对磁导率μ^*来实现。

铁氧体通常用作射频腔36a的磁性材料。当偏压电流约为0A时，获得其最大电感，并且在操作点上确定的谐振频率是最小。

在设计并构建成专用于质子或特定离子的射频同步加速器35中，种类和电荷状态仅可在由射频腔36a自身的频率的有限可变宽度所允许的范围内选择，并且诸如三极管或四极管的射频功率放大器驱动该射频腔。

因而，在常规射频同步加速器35中，一旦确定将要被加速离子种类、加速能量级和加速器周边长度，则射频波37的频率宽度可被唯一地确定。

图12示出了使用高能加速器研究组织(High energy accelerator researchorganization)(下文中称为KEK)KEK 500Mev增压质子同步加速器(在下文中称为KEK 500MevPS)在射频同步加速器35中加速从注入到加速结束时的各种离子的旋转频率。纵坐标轴表示旋转频率(MHz)，而坐标轴表示加速时间(msec)。KEK500MevPS是用于质子的射频同步加速器35，并且外围长度约为35m。

H(1，1)、U(238，39)和U(283、5)分别表示质子、铀离子(+39)和铀离子(+5)，并且图中示出了其加速频率中的变化。

图12中的结果显示：在设计成用于加速质子或轻离子的射频加速器35中，诸如铀离子的重离子无法从极低旋转频率的低能级加速到高能级。比质子重且比铀离子(+5)轻的离子位于由双向垂直虚线箭头示出的范围内。

另一方面，回旋加速器已常规地用于加速各种离子的加速器。类似于射频同步加速器35，回旋加速器也使用射频腔36a作为离子束3的加速装置。因而，根 据使用射频波37时的原理限制，回旋加速器仅用于具有相同Z/A的离子，其中A是质量数，而Z是可被加速的离子的电荷状态。

此外，离子束3的旋转轨道保持在从具有离子源16的中央部分到放置提取轨道的最外部分的均匀磁场中，并且所需磁场由作为磁性材料的含铁的两极磁体产生。然而，这种磁体在物理尺寸上受到限制。

因而，迄今为止，在回旋加速器中所构建的加速能量的最大值是520Mev每核子。离子的重量达到4000吨。

近年来，已提出不同于射频加速器的、为环形加速器的用于质子的感应同步加速器。用于质子的感应加速器是可消除射频同步加速器35的缺点的加速器。具体地，用于质子的感应同步加速器是可在前进轴向中包含大量质子同时将恒定线密度保持在极限电流值或更小的加速器。

用于质子的感应同步加速器的第一特性是质子束可通过由感应单元生成的一对脉冲形式的正负感应电压约束在前进轴向中，从而形成μsec级的长质子聚束(超聚束(super-bunch))。

第二特性是约束超聚束可通过由不同的感应单元生成的一个长脉冲长度的感应电压(induced voltage)来加速。

具体地，常规射频同步加速器35是一种功能组合类型，它在前进轴向上使用公共射频波37来执行质子的约束和加速，而感应同步加速器是一种功能分离类型，它独立地执行约束和加速。

感应加速装置允许质子约束和加速的分离。感应加速装置包括作为具有磁性材料磁芯的一对一变压器的、用于约束质子的感应单元和用于加速质子的感应单元，以及用于驱动感应单元的开关电源等。

在感应单元中产生与质子束的旋转频率同步的脉冲电压。例如，加速器具有约300m的圆周，则需要以1MHz CW重复产生的脉冲电压。

作为用于质子的感应同步加速器的直接应用，提出了用于探测下一代中微子振荡的质子驱动器和使用超聚束的质子-质子对撞机。对于这些加速器，期望获得是由常规射频同步加速器35实现的质子加速器的质子束强度的四倍的较大质子束强度。

作为感应同步加速器的应用的对撞机称为超聚束强子对撞机。期望最大地利用感应同步加速器的专有特性的超聚束强子对撞机实现比基于使用常规射频波37的同步加速器的相同尺寸的对撞机更大量级的亮度。这等效于同时由10个基于射频同步加速器的对撞机提供的亮度。注意：构建每个对撞机的成本可达3千亿元(yen)。

现在，将描述感应同步加速器中的加速原理。具有不同极性的感应电压通过感应单元来生成。动量比位于聚束中央3b中的理想粒子的动量大的质子的速度大于理性粒子的速度，因而质子前进并到达聚束前端3c。当质子到达聚束前端3c时，通过负感应电压减小质子的速度、减小动量，并且使得速度小于位于聚束中央的理想粒子，从而开始聚束3a的反向移动。当质子达到聚束后端3d时，质子开始受到正感应电压，并被加速。因而，质子的动量超出理想粒子的动量。在加速期间，属于质子聚束的所有质子重复上述过程。

这基本上与射频同步加速器35的众所周知的相位稳定性(图11)相同。通过这种属性，质子在前进轴向上被约束成聚束3a的形式。

然而，质子不能通过具有不同极性的感应电压来加速。

因而，质子需要通过可施加均匀正感应电压的另一感应单元来加速。众所周知并且已被证明：约束和加速功能分离显著地增加了束在传播方向上的操作的灵活性。

生成1MHz CW的重复速率下的2kV感应电压的感应加速装置业已完成，并被引入到KEK 12GeV质子射频同步加速器(在下文中称为12GeVPS)中。12GeVPS是用于质子的射频同步加速器35，而且具有约340m的圆周。在最近对其中质子聚束通过射频电压约束并使用感应电压加速的感应加速的试验中，12GeVPS已成功证明了质子束从500Mev到8Gev的感应加速。

在“The Physical Society of Japan，Vol.59，No.9(2004)，p601-610，Phys.Rev.Lett.Vol.94，No.144801-4(2005)(日本物理学会的第9号(2004)第59卷，Phys.Rev.Lett.第144801-4号(2005)第94卷)”中描述了以上经证明的技术。

然而，迄今为止认为在单个加速器中不可能在离子所允许的电荷状态中加速的各种种类的离子以获得高能量。

这是因为在常规射频同步加速器35中，作为用于加速的谐振器的射频腔36a具有高品质因数，并且仅可在有限带宽内激励射频波37。因而，当确定射频同步加速器35的圆周、所用弯曲电磁体5的场强和射频波37的带宽时，可被加速的离子的质量数A和电荷状态Z基本上并唯一地可被确定，而且在其中速度显著变化的低能量区域中仅有限的离子可被加速。

另一方面，在回旋加速器中，仅质量数和电荷状态之间具有恒定比的离子可对应射频波37的带宽来加速。而且，在诸如可加速任意离子的Van de Graaff加速器的静电加速器中，根据装置在真空或压缩气体中的耐电压能力，加速能量的极限是20Mev。

线性感应加速器可提供几百Mev或更大的能量，但是获得此能量的成本以及线性感应加速器的物理尺寸变得极大。目前所获得的线性感应加速器的参数基本上是几亿元/1Mev和1m/l Mev。因而，获得1Gev的离子束需要1000亿元，而且加速器的整个长度为1km。

此外，在用于质子的感应同步加速器中，诸如已被证明为感应同步加速器KEK12GeVPS，其注入能量已足够大，而且仅考虑基本上具有光速的质子的加速。具体地，在上游加速器中，质子束已基本上被加速至光速。因而，当质子通过感应加速器来加速时，仅需要在几乎恒定的时间间隔生成感应单元的感应脉冲电压。因而，被应用于质子束的感应电压的触发定时无需随着加速改变。

然而，当在单个感应同步加速器中加速所有离子时，取决于各个离子种类的旋转，感应电压的触发定时需要改变。这时因为在离子种类中，旋转频率显著不同，如图12所示。

因而，本发明的一个目的是提供一种加速器，它可单独地将所有离子加速至用于引导束的电磁体场强所允许的任意能级的(在下文中称为任意能级)。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于所有离子的加速器，它包括：感应同步加速器，该感应同步加速器包括其中具有离子束的设计轨道的环形真空管道、设置于设计轨道的曲线部分上并保持离子束的环形轨道的弯曲电磁体、设置于设计轨道的直线部分上并防止离子束在与离子传播方向垂直的方向上扩散的聚焦电磁体、置于真空管道中并检测离子束的通过的聚束监视器、置于真空管道中并检测离子束的重心位置的中央的位置监视器、用于约束的感应加速装置，该感应加速装置包括连接到真空管道并在离子的传播方向上施加用于约束的感应电压的感应单元和控制用于约束的感应单元的驱动的用于约束的智能控制装置；用于加速的感应加速装置，它包括连接至真空管道并施加用于离子束加速的感应电压的用于加速的感应单元和控制用于加速的感应单元的驱动的用于加速的智能控制装置；注入装置，它包括将离子束注入到感应加速器的注入器，而且由离子源生成的离子通过预注入器加速至特定能级；以及提取装置，将离子束从感应同步加速器提取到离子束实用线，其特征在于：对被施加到用于约束的的感应单元的感应电压执行触发定时和充电时间段的反馈控制的智能控制装置，该智能控制装置具有从聚束监视器接收通过信号且从用于指示施加到离子束的感应电压的值的电压监视器接收感应电压信号、并且计算用于约束的门主信号的用于约束的数字信号处理器，该门主信号成 为用于约束的图形发生器的约束的门信号图的基础，该用于约束的图形发生器生成控制用于约束的开关电源的接通/切断以便驱动用于约束的感应单元，该用于加速的智能控制装置对被施加到用于加速的感应单元的感应电压的触发定时和充电时间段执行反馈控制，而且具有从聚束监视器接收通过信号、从位置监视器接收位置信号、以及从用于指示施加到离子束的感应电压的值的电压监视器接收感应电压信号、并且计算用于加速的门主信号的用于加速的数字信号处理器，该门主信号成为用于加速的图形发生器的用于加速的门主信号图的基础，该用于加速的图形发生器生成控制用于加速的开关电源的接通/切断以便驱动用于加速的感应单元的门信号图，并且对所有离子进行加速并加以控制至用于束引导的电磁体磁场所允许的任意能级。

附图说明

图1是本发明的全离子加速器的整个框图，图2是感应单元的截面图，图3是用于约束和加速的感应单元和智能控制装置的示意图，图4是感应加速装置的等效电路，图5示出了离子束通过用于约束的感应单元的约束状态，图6示出了离子束通过感应单元的加速状态，图7示出了离子束通过感应单元的约束和加速的中间状态，图8示出了通过三个感应单元的约束和加速控制，图9示出了各种离子的加速中可达到的能级，图10示出了常规射频同步加速器复合体的整个框图，图11示出了射频同步加速器中的相位稳定性的原理，而图12示出了在通过现有KEK500MeVPS加速的各种离子从注入到加速结束时的旋转频率的估算变化。

具体实施方式

构成本发明的全离子加速器1的感应同步加速器2的聚焦电磁体6的的一种配置是与常规射频同步加速器35中相同的强聚焦配置。射频加速装置36由用于约束的感应加速装置9和用于约束的感应加速装置12来替代。构成用于约束的感应加速装置9和用于加速的感应加速装置12的用于约束的感应单元10和用于加速的感应单元13通过能够以高重复速率工作的用于约束和加速的开关电源9b和12b来驱动，这些电源生成脉冲电源10f。用于约束和加速的开关电源9b和12b的接通/切断操作通过用于约束和加速的控制门信号图11a和14a来执行，这些图负责对诸如用在用于约束和加速的开关电源9b和12b中的MOSFET的开关元件进行门驱动。

用于约束和加速的门信号图11a和14a通过用于约束和加速的图形发生器11b和14b来生成。用于约束和加速的图形发生器11b和14b通过用于约束和加速的门主信号11c和14c开始它们的操作。

基于由聚束监视器7检测到的离子束3的通过信号7a和用于指示由用于约束的感应单元10施加到离子束3的感应电压的值的感应电压信号9e，通过用于约束的数字信号处理机预先编程的处理方法实时地生成用于约束的门主信号11c。

基于由聚束监视器7检测到的离子束3的通过信号7b、由位置监视器8检测到的离子束3的位置信号8a、以及用于指示由用于加速的感应单元13施加到离子束3的感应电压的值的感应电压信号12e，通过数字信号处理机预先编程的处理方法实时地生成用于加速的门主信号14c。

由离子源16生成的离子通过预注入器17加速至特定速度，并且离子的离子束3以一特定时间段被持续注入到感应同步加速器2中。接着，用于约束的感应单元10被接通以便生成正负势垒电压(barrier voltage)26和27(在下文中简单地称为势垒电压)。接着，势垒电压脉冲30中间的持续时间逐渐减小，并且在大致由用于加速的感应单元13生成的加速电压28的充电时间段长度28a内，分布在设计轨道4a的整个区域上的离子束3形成聚束3a。接着，根据它们的注入场级别激励感应同步加速器2的弯曲电磁体5和聚焦电磁体6。

基于为从聚束监视器7获得的离子束3的通过信息的通过信号7a和用于指示施加到离子束的感应电压值、以便与磁场的激励同步地生成用于约束的信号图11a的感应电压信号9e，控制用于约束的感应单元10的正负势垒电压26和27的脉冲电压10f。

基于由聚束监视器7获得的通过信号7b、由位置监视器8获得的位置信号8a、以及用于指示施加到离子束3的感应电压的值的感应电压信号12e，加速电压28的脉冲电压10f(在下文中称为用于加速的感应电压)和用于加速的感应单元13的重置电压29被控制以生成与磁场的激励同步的生成用于加速的门信号图14a。

用于加速的特定恒定波幅电平(level of amplitude)的势垒电压和特定恒定波幅电平的感应电压的生成被及时控制以便离子束3跟随磁场的激励。因而，离子束3不可避免地形成聚束3a并被加速。用于离子束3的约束和加速的一系列控制装置是用于约束和加速的智能控制装置11和14。

因而，基于离子种类和目标能量，在通过用于约束和加速的智能控制装置11和14的反馈控制中简单地改变用于约束和加速的数字信号处理器11d和14d的程 序设置可将全离子加速至所允许的能级。

最后，在加速结束之后(最大磁场激励状态)，被加速至预定能级的离子束3被提取到离子束实用线21。提取方法包括：一种通过诸如强磁体的快速提取系统20一次提取离子束3同时保持聚束3a的结构的方法；以及一种方法是将势垒电压脉冲30之间的持续时间逐渐增加至与旋转时间周期相对应的时间，接着一次切断用于驱动约束用的感应单元10的用于约束的开关电源9b和12b的门驱动以将聚束3a的结构分割成DC束形式的离子束3，然后通过使用电子感应加速器谐振的提取系统20多次地逐渐提取离子束3。可根据离子束3的使用目的选择提取方法。

现在，将参考附图详细地描述本发明的全离子加速器1。图1是本发明的全离子加速器的整个框图。除用于约束的感应加速装置9、用于控制离子束3的加速的用于加速的感应加速装置12和射频线性加速器17b之外，本发明的全离子加速器1可使用常规射频同步加速器复合体34中所用的装置。

全离子加速器1包括注入装置15、感应同步加速器2和提取装置19。注入装置15包括离子源16、预注入器17、注入器18和连接装置的输运管16a和17a，它们放置在感应同步加速器2的上游。

作为离子源16，使用采用了电子回旋加速器谐振加热机构的ECR离子源、激光驱动离子源等。离子束可从离子源16直接注入到感应同步加速器中。

作为预注入器17，通常使用变压静电加速器或线性感应加速器。当确定将要使用的离子种类时，可使用小型回旋加速器。

作为注入器18，使用射频同步加速器34的复合体中所用的装置。本发明的全离子加速器1不需要特别的装置和方法。

在具有上述配置的注入装置15中，由离子源16生成的离子束3通过预注入器17加速至特定能级并通过注入器18注入到感应同步加速器2中。

感应同步加速器2包括：其中具有离子束3的设计轨道4a的环形真空管道4；弯曲电磁体5，它设置于设计轨道4a的曲线部分上并保持离子束3的环形轨道；聚焦电磁体6，它设置于设计轨道4a的直线部分上并防止离子束3的扩散；聚束监视器7，它被置于真空管道4中并检测离子束3的通过；位置监视器8，它被置于真空管道4中并检测离子束3的重心位置的中央；用于约束的感应加速装置9，它包括连接到真空管道4并在离子的传播方向上生成用于约束的感应电压的用于约束的感应单元10，以及控制用于约束的感应单元10的驱动的用于约束的智能控制装置11；以及用于加速的感应加速装置12，它包括连接到真空管道4并生成用 于离子束3的加速的感应电压的用于加速的感应单元13，以及控制用于加速的感应单元13的驱动的用于加速的智能控制装置14。

用于约束的装置具有：减小从注入装置15注入到感应同步加速器2的离子束3的长度、以便形成具有特定长度的聚束3a的功能，从而离子束可通过使用具有预定感应电压的另一个感应单元或通过以各种方式改变离子束3的长度来加速；以及在加速期间向离子束3的聚束3a提供相位稳定性的功能。

用于加速的装置具有在形成离子束3的聚束3a之后向整个聚束3a提供用于加速的感应电压的功能。

用于约束的感应加速装置9和用于加速的感应加速装置12在物理和电子本性上是相同的，但是对于离子束3而言，在功能上不同。在下文中，感应加速装置表示用于约束的感应加速装置9和用于加速的感应加速装置12。类似地，感应单元表示用于约束的感应单元10和用于加速的感应单元13。此外，电磁体表示弯曲电磁体5和聚焦电磁体6。

提取装置19包括连接到设备21a的束输运管20a和将离子束3提取到离子束实用线21的提取系统20，在该设备21a中设置了使用通过感应同步加速器2加速至预定能级的离子束3的试验装置21b等。试验装置21b包括用于治疗的医疗设备。

作为提取系统20，可使用用于快速提取的强磁体或采用了电子感应加速器谐振之类的低速提取装置等，并且取决于离子束3所用方式，可选择提取系统。

关于上述配置，本发明的全离子加速器1可独自将所有离子加速至任意能级。

图2是构成全离子加速器的用于约束的感应单元的截面示意图。

本发明中所用的用于约束和加速的感应单元10和13在原理上具有与迄今为止所构建的用于线性感应加速器的感应单元相同的结构。这里，将描述用于约束的感应单元10。用于约束的感应单元10具有内圆筒10a和外圆筒10b这两个结构，而磁性材料10c被插入到外圆筒10b以便产生电感。内圆筒10a连接到离子束3穿过的真空管道4的部分由诸如陶瓷的绝缘体10d制成。因为感应单元在使用中产生热量，诸如冷却油等的任意冷却剂在外圆筒10b中循环，该外圆筒10b需要绝缘体密封件10j。

当将脉冲电压10f从开关电源9c施加到围绕磁性材料10c的初级线圈时，初级电流10g(磁芯电流)流过电路以激励磁性材料10c，由此及时增加穿过环状磁性材料10c的磁通量的密度。在此时间段期间，根据法拉第(Faraday)感应定律感在包括其间具有绝缘体10d的导体内圆筒10a的相对两侧10h的次级侧产生电场10e。 电场10e形成加速电场。其中产生加速电场的部分是加速间隙10i。因而，用于约束的感应单元等效于一对一变压器。

生成脉冲电压10f的用于约束的开关电源9b被连接到用于约束的感应单元10的初级线圈，而且该用于约束的开关电源9b在外部接通/切断，以便自由地控制加速电场的产生。这表示离子束3的加速可以数字方式来控制。

当离子束3的聚束前端3c(其中存在的离子的能量比聚束中央3b中的离子的略高)进入加速间隙10i，具有与前端的时间宽度相对应的长度、并在与离子传播方向相反的方向上提供电场的感应电压(在下文中称为负势垒电压)产生于用于约束的感应单元10中。离子的能量通过负势垒电压来减小。在当离子束3的聚束中央3b通过的时间段中，不生成感应电压。

在当聚束后端3d(其中存在的离子的能量比聚束中央3b中的离子的略低)通过的时间段中，生成在与离子的传播方向相同的方向上提供电场10e的感应电压(在下文中称为正势垒电压)。离子的能量通过不同符号的感应电压来增加。

当离子束3重复受到不同符号的感应电压时，最初能量比聚束中央3b中的离子高的离子的能量变得低于聚束中央3b中的离子的能量；到达用于加速的感应单元的时间逐渐并相对地延迟。另一方面，聚束后端3d受到感应电压，该感应电压在与离子束3的传播方向相同的方向上提供电场10e，如上所述，不久，位于聚束后端的粒子一旦超出聚束中央3b，则比位于聚束前端中的粒子相对更早到达用于约束的感应单元10。在重复上述过程时，离子束3被加速。这称作离子束3在离子传播方向上的约束。

这提供了与常规射频同步加速器35中的相位稳定性(图11)相同的优点。用于约束的感应单元10的功能等效于常规射频腔36a的约束功能。然而，在感应同步加速器中，感应电压被不连续地施加到离子束3作为脉冲电压10f，因而与常规射频同步加速器中总是使用射频波37激励的射频腔36的事实相比，不管是否存在离子束3，感应单元具有数字操作特性。

另一方面，在用于加速的感应单元13中，生成感应电压(在下文中称为加速电压)以便在离子束3穿过加速间隙10i的期间，在与离子的传播方向相同的方向上产生加速场。为了防止磁性材料10c的磁饱和，需要在通过离子束3与下一次通过离子束3之间的任意时刻生成与感应电压的符号相反的感应电压(在下文中称为重置电压)。注意：对于用于约束的感应单元10，在离子的传播方向上，通过重置生成的感应电压也有效地用于约束。

尽管这里已描述了一个感应单元，但是根据用于被加速的离子束3的感应电压脉冲长度的需要以及每次旋转所需的加速电压等，可选择许多感应单元。期望一种具有低压降的感应单元的设计。

图3示出了感应单元加速装置的配置以及一种离子束的加速控制方法。

用于约束的感应加速装置9包括：用于约束的感应单元10，它生成势垒电压，即用于在离子传播方向上约束离子束3的具有不同极性的一对感应电压；能够以高重复速率工作的用于约束的开关电源9b，它经由传输线9a向用于约束的感应单元10提供脉冲电压10f；DC电源9c，它向用于约束的开关电源9b提供电源；用于约束的智能控制装置11，它执行用于约束的开关电源9b的接通/切断操作的反馈控制；以及电压监视器9d，用于指示从用于约束的感应单元10所施加的感应电压的值。

当用于约束的开关电源9b中所用的开关是半导体等，并且无法工作于高辐射环境时，使用传输线9a。对于开关元件而言，在没有辐射损坏的风险，或者其中可保持低辐射环境的情况中，传输线9a并非必须的，而且用于约束的开关电源9b与用于约束的感应单元10可直接连接。

用于约束的智能控制装置11包括：用于约束的图形发生器11b，它生成用于约束的门信号图11a以便对用于约束的开关电源9b的接通/切断进行控制；以及用于约束的数字信号处理器11d，它计算用于约束的门主信号11c，该门主信号11c是用于约束的图形发生器11b所生成用于约束的门信号图11a(所需)的基本信息。

用于约束的门主信号11c通过用于约束的数字信号处理器11d根据基于实时生成的、由检测位于设计轨道4a上的离子束3的通过的聚束监视器7所测量的离子束3的通过信号7a、以及由电压监视器9d测量的用于指示施加到离子束3的感应电压的值的感应电压信号9e所预先编程的处理方法来计算。

具体地，在用于约束的数字信号处理器11d中，所施加的势垒电压的触发定时根据通过信号7a来计算，而势垒电压的周期长度根据通过信号7a和感应电压信号9e来计算，这些信号被转换成数字信号并被发送到用于约束的图形发生器11b。

用于约束的门信号图11a包括：施加到离子束3的负势垒电压26；正势垒电压27；以及电压off(切断)的三个图。取决于离子束3的属性和类型，负势垒电压的值和正势垒电压的值不相同，但是在加速期间可以是恒定的，因而可被预先编程到用于约束的数字信号处理器11d。感应电压的值根据DC电源9c的输出电压和所用的电容器细(bank capacitor)23来唯一地确定。

用于加速的感应加速装置12包括：用于加速的感应单元13，它生成用于加速的感应电压，此电压由在离子的传播方向上加速离子束3的加速电压和用于防止磁性材料10c的磁饱和的重置电压构成；能在高重复速率下工作的用于加速的开关电源12b，它经由传输线12a向用于加速的感应单元13提供脉冲电源10f；DC电源12c，向用于加速的开关电源12b提供电源；用于加速的智能控制装置14，它执行用于加速的开关电源12d的接通/切断操作的反馈控制；以及电压监视器12d，用于指示从用于加速的感应单元13施加的感应电压的值。

用于加速的感应加速系统12的电气特性与用于约束的感应加速系统9相同，尽管被施加到离子束3的感应电压的作用不相同。与用于约束的感应加速系统9的差异在于：所生成的用于防止磁性材料10c的磁饱和的重置电压不对离子束3执行动作，而且在当离子束3未通过的时间段内，选择重置电压的触发定时。

用于加速的智能控制装置14包括：用于加速的图形发生器14b，它生成对用于加速的开关电源12b的接通/切断进行控制的用于加速的门信号图14a；以及用于加速的数字信号处理器14d，它计算用于加速的门主信号14c，该门主信号14c是用于加速的图形发生器14b生成用于加速的门信号图11a(所需)的基本信息。

用于加速的门主信号14c通过用于加速的数字信号处理器14d根据基于实时生成的、由检测位于设计轨道4a上的离子束3的通过的聚束监视器7测量的离子束3的通过信号7b、由检测离子束3的重心位置的中央的位置监视器8测量的位置信号8a、以及由电压监视器12d测量的用于指示被施加到离子束3的感应电压的值的感应电压信号12e所预先编程的处理方法来计算。

具体地，在用于加速的数字信号处理器14d中，所施加的用于加速的感应电压的触发定时根据通过信号7a和位置信号8a来计算，而用于加速的感应电压的充电时间的长度根据通过信号7a和感应电压信号12e来计算，这些信号被转换成数字信号并被发送到用于加速的图形发生器14b。

用于加速的门信号图14a包括：施加到离子束3的加速电压图28；重置电压29；以及电压off(切断)的三个图。加速电压的值和重置电压的值根据DC电源12c的输出电压和所用的电容器组23来唯一地确定。结果，以时间积分的加速电压28跟随全离子加速器1的电磁体的激励图。

证明了实时生成的用于约束和加速的门信号图11a和14a基本上可在接近用于约束和加速的开关电源9b和12b的半导体开关元件的工作极限的、从0Hz到1MHz的任意频率下生成，这些电源驱动用于约束和加速的感应单元10和13。这 由感应同步加速器的属性所产生，从而从聚束监视器7获得离子束3通过信号7a和7b，以便生成用于约束和加速的门信号图11a和14a。尽管与从射频腔36a获得的质子旋转同步的射频信号已被用在文献[xx]中所述的以前的质子感应加速的试验中，但这里不使用射频腔36a，因为如前所述，取决于离子种类，射频频率可能与旋转频率相差过大。

具有反馈功能的用于约束和加速的数字信号处理器11d和14a中的用于约束和加速的门主信号11c和14c的详细过程按以下所述执行。当比确保理想加速的感应电压大的感应电压被实际供给离子束3时，离子束3偏离到设计轨道4a之外。这发生在DC电源9c和12c的电压设置精确度存在误差的情形中。在此情形中，用于加速的开关电源9b和12b的电容器组23的充电电压偏离理想值。因而，用于加速的感应单元10和13中所生成的感应电压偏离加速所需的值。

因而，离子束3的轨道的位移通过由位置监视器8所检测的位置信号8a来检测，以便获得动量偏移。用于加速的数字信号处理器14d执行智能计算，从而通过误差校正所需的次数来停止加速电压28的生成，并且实际上停止用于加速的门主信号14c的生成。可使用多个位置监视器8。使用多个位置监视器8使得离子束3的加速被控制成具有较高精确度，并且有助于避免离子束3的损耗。

经由反馈控制的离子束3的加速使得离子束3的设计轨道4a能被保持，并且使得所有离子能通过弯曲电磁体5和聚焦电磁体6稳定地加速至所允许的任意能级。

图4是用于约束的感应加速系统的等效电路图。如所示，在用于约束的感应加速系统的等效电路22中，总是通过DC电源9c充电的用于约束的开关电源9b经由传输线9a连接到用于约束的感应单元10。用于约束的感应单元10示出为由L、C和R构成的并联电路。并联电路上的电压是离子束3受到的感应电压。

在图4的电路9b中，第一和第四开关23a和23d通过用于约束的门信号图11a来接通，电容器组23中所充入的电压被施加到用于约束的感应单元10，并且在加速间隙10i中生成离子束3的用于约束的感应电压。接着，已接通的第一和第四开关23a和23d通过用于约束的门信号图11a来切断，第二和第三开关23b和23c通过用于约束的门信号图11a来接通，在加速间隙10i中生成反方向的感应电压，并且磁性材料10c的激励被重置。然后，第二和第三开关23b和23c通过用于约束的门信号图11a来切断，而第一和第四开关23a和23d被接通。重复通过用于约束的门信号图11a的一系列操作使得能够约束离子束3。

用于约束的门信号图11a是用于对用于约束的开关电源9b的性能进行控制的信号，并且基于由聚束监视器7检测到的离子束3的通过信号7a和用于指示被施加到离子束3的感应电压的值的感应电压信号9e，通过用于约束的智能控制装置11生成为数字信号，该智能控制装置由用于约束的数字信号处理器11d和用于约束的图形发生器11b构成。

被施加到离子束3的感应电压等于根据流入匹配电阻24的电流与该匹配电阻24的已知大小的乘积所计算的值。因而，所施加的感应电源的值可通过测量电流值来获得。因而，通过为电表的电源监视器9d所获得的感应电压信号9e被发送到用于约束的数字信号处理器11d，并被用于生成用于约束的下一个门主信号11c。

图5示出了离子束通过用于约束的感应单元的约束过程。图5(A)示出了离子束在约束刚开始之后的状态。横坐标轴表示时间，而纵坐标轴表示感应电压的值。双向箭头示出了离子束3沿着设计轨道4a旋转一次的周期25。这些同样被应用于图5(B)。

为了陷获沿着整个设计轨道4a延伸的离子束3的左尖端，用于约束的开关电源9b的每个开关被接通，从而在用于约束的感应单元10中生成负势垒电压26，该电压是在离子传播方向的反方向上的感应电压。负势垒电压26对离子束3的充电时间26a可能很短。然后，用于约束的开关电源9b的每个开关被接通以便陷获离子束3的另一端，从而在接近离子束3的旋转时间周期25结束时一对应于离子束3的末端，在用于约束的感应单元10中在与离子束3的传播方向相同的方向上生成正势垒电压27。正势垒电压27被同时用于避免磁性材料10c的磁饱和；因此，负和正势垒电压26的幅度和脉宽必须相等。这些势垒电压使得能够约束注入到感应同步加速器2中的整个离子束，并使其沿着整个设计轨道4a分布。

如果是非相对论区域，聚束3a与加速相关联的时间长度极大地缩短，因为聚束的速度快速变化。图5(B)示出了势垒电压如何随这种缩短而变化的过程。

生成陷获离子束3的尖端的负势垒电压26与生成陷获离子束3的末端的正势垒电压27之间的持续时间(在下文中称为势垒电压脉冲30之间的持续时间)被减小，而且离子束3形成具有落在加速电压28的充电时间28a内的长度的聚束3a，从而可在不同的用于加速的感应单元13内所生成的加速电压28的充电时间28a中加速离子束3。

具体地，负势垒电压26的触发定时被固定，而提早正势垒电压27的触发定时之前的控制可通过用于约束的智能控制装置11来执行。空心左箭头示出了正势 垒27的触发时间的移动方向。

图6示出了离子束通过本发明的感应同步加速器的加速的状态。V(t)表示感应电压值。

图6(A)示出了离子束3的聚束3a或超聚束3e(在同一加速阶段可能不存在两个聚束)在设计轨道4a上在加速期间的特定时刻的位置。参看图6，为了简便的目的，将描述其中在面对设计轨道4的一个用于约束的感应单元10和一个用于加速的感应单元13中执行约束和加速离子束3的情况，尽管在实际情况中采用多个感应单元。通过聚束监视器7的通过信号7a和7b确认离子束3的通过。

图6(B)示出了离子束3通过用于约束的感应单元10的约束的状态。t(a)表示参照聚束3a或超聚束3e到达用于约束的感应单元10的时间的势垒电压的触发定时和充电时间26a和27a。垂直虚线示出了聚束3a或超聚束3e的旋转时间周期25。这些同样被应用于图6(C)(D)。

聚束3a或超聚束3e下一次到达用于约束的感应单元10的时间通过用于约束的数字信号处理器11d基于获得来自聚束监视器7的通过信号7a来计算，然后生成用于约束的门信号图11a以便生成负势垒电压26，并且该负势垒电压26被施加到聚束前端3或超聚束3e的前端。

聚束3a或超聚束3e的后端下一次到达用于约束的感应单元10的时间通过用于约束的数字信号处理器11d基于获得来自聚束监视器7的通过信号7a来计算，然后生成用于约束的门信号图11a以便生成正势垒电压27，并且该正势垒电压27被施加到聚束后端3d或超聚束3e的后端。

这样，可约束聚束3a或超聚束3e。施加负和正势垒电压26和27的触发定时通过用于约束的数字信号处理器11d基于来自电压监视器9d的感应电压信号9e来计算，并且用于下一个用于约束的门主信号。离子束3的短聚束3a可简单地通过减小势垒电压脉冲30之间的持续时间来适应。

图6(C)示出了离子束3通过用于加速的感应单元13的加速的状态。t(b)表示参照聚束3a或超聚束3e到达用于加速的感应单元13的时间的用于加速的感应电压的触发定时和充电时间28a和29a。

聚束3a或超聚束3e下一次到达用于加速的感应单元13的时间通过用于加速的数字信号处理器14d基于获得来自聚束监视器7的通过信号7a来计算，然后生成用于加速的门信号图14a，并且加速电压28被施加到整个聚束3或超聚束3e。

在通过用于加速的数字信号处理器14d所计算的、其中不存在离子束3的时 间段内，作为重置电压的、具有与加速电压28相反的极性的感应电压被施加到用于加速的感应单元，以便避免磁性材料10c的磁饱和。这样，可加速聚束3a或超聚束3e。(1/2)T₀表示图6(B)和图6(C)中偏离达旋转时间周期25的一半的时间基准t(a)和t(b)。

图6(D)示出了在特定时间下聚束3a和超聚束3e的加速的状态，它是图6(B)和图6(C)的组合。因而，横坐标轴上的t表示偏离用于约束的感应单元10和用于加速的感应单元13的时间基准达旋转时间周期25的一半的时间基准。这些同样被应用于图7。

图7示出了一种用于加速形成多个聚束3a之后的离子束3的方法。这种方法具有减小势垒电压的感应电压值的优点。

用于加速形成多个聚束3a之后的离子束3的方法可通过首先将注入的离子束3以DC束的形式分割成多个聚束3a来执行，从而最后将多个聚束3a形成单个聚束(超聚束3e)，并且根据从图7(A)到(B)的次序。

纵坐标轴表示感应电压值，而横坐标轴表示时间。双向水平虚线箭头示出了离子刚注入之后的旋转时间周期25。

图7(A)示出了被加速至特定能级的离子束3通过预注入器17以多次方式刚注入到真空管道4的状态。注入的电子束3被设置成沿着整个设计轨道4a的DC束的形式。将铀离子(+39)作为一个示例进行描述，并且以旋转时间周期25为10μs，而注入时旋转频率约为100kHz。

图7(B)示出了一种通过由用于约束的感应单元10所施加的势垒电压对位于整个设计轨道4a上的多个离子聚束3形式的离子束3进行约束的方法。双向水平实线箭头表示势垒电压脉冲之间的持续时间30。双向水平实线箭头表示具有相同极性的相邻势垒电压的触发定时之间的时间段(在下文中称为相同极性势垒电压脉冲之间的持续时间31)。

这样，沿着整个设计轨道4a设置的离子束3被分隔成多个离子段3。当由用于约束的感应单元10(产生)的势垒电压的充电时间26a和27a各为0.5μs或更短时，离子束3可被分隔成十个离子束3部分。

图7(C)示出了一种用于将经分段的离子束3形成为多个聚束3a的方法。势垒电压之间的脉冲持续时间30逐渐被减小，而相同极性的势垒电压脉冲逐渐的持续时间31也被减小。接着，多个聚束即将受到加速电压28，如图7(D)中所见。正势垒电压27与接着生成的负势垒电压26之间的持续时间被减小，从而减小相邻聚束 3a之间的间隔(在下文中称为聚束间隔32)，以便使经约束的聚束3a彼此靠近。

图7(D)示出了将多个聚束3a组合成单个聚束3a的过程。经组合的单个聚束3a仅通过施加捕捉多个聚束3a的正负势垒电压26b和27b中的第一个负势垒电压26和最后一个正势垒电压27就能形成。根据基于离子种类和预定能级而预先编程到用于约束的的智能控制装置11的用于约束的数字信号处理器11d的处理方法，可通过实时生成用于约束的门信号图11a来选择不施加的正负势垒电压26b和27b。对并非必需的加速电压28b和重置电压29b的选择、以及停止生成它们都通过用于加速的智能控制装置14来控制。

此外，如果在离子束3形成单聚束3a之前，可在加速电压28的充电时间28a的范围内通过用于加速的感应单元13约束或连接聚束3a，则加速电压28和重置电压29的生成可通过用于加速的智能控制装置14来控制，以便使得离子束3能够更有效地被加速至设置能级。

图7(E)示出了其中离子束3完全形成单聚束3a(超聚束)并且被约束和加速的状态。关于图7(A)到(E)中所示的过程，离子束3可被加速至比图5和6中所示的约束和加速方法更有效的设置能级。可采用这里所述的方法，因为用于约束和加速的开关电源9b和12b的驱动频率可从0Hz变化至1MHz，并且用于约束和加速的门信号图11a和14a可通过用于约束和加速的数字信号处理器11d和14d以及用于约束和加速的图形发生器11b和14b来实时生成。

图8示出了一种离子束通过多个感应单元的加速方法。通常，在短充电时间26a和27a中要求势垒电压相对较高，而在长充电时间28a中要求加速电压28相对较短，而且重置电压29必须具有与充电时间29a和加速电压脉冲的电压的乘积相等的值。这些要求可通过使用多个用于约束和加速的感应单元10和13来满足。作为一个示例，将描述使用三个用于约束和加速的感应单元10和13的操作图。这种方法可增大离子和能级的选择的灵活性。

图8(A)示出了由三个用于约束的感应单元10所提供的势垒电压的大小以及充电时间。纵坐标轴表示电压而横坐标轴表示时间。(1)、(2)和(3)表示用于约束的第一感应单元10、用于约束的第二感应单元10和用于约束的第三感应单元10。(4)表示通过三个用于约束的感应单元10施加到离子束3的基本上迭加的负和正势垒电压26f和27f。

按从(1)到和(3)的次序将负势垒电压26c、26d和26e施加到已到达三个用于约束的感应单元10的离子束3的聚束3a。因为聚束3a沿着设计轨道以较大速度循 环，到达时差内各个离子的相对位置中的变化很小并可忽略。应当理解，基本上同时将负势垒电压26c、26d和26e施加到聚束3a。类似地，将正势垒电压27c、27d和27e施加到聚束后端3d。因而，将与(4)中的总的负和正势垒电压26f和27f相等的势垒电压施加到聚束3a的聚束前端3c和聚束后端3d。这样，用于约束的感应单元10被组合以便有效地获得所需的势垒电压。具体地，即使通过单个用于约束的感应单元10施加的势垒电压26g和27g的值很小，也可获得大的势垒电压值26h和27h。

图8(B)示出了如何通过组合三个用于加速的感应单元13以及充电时间来获得有效长的加速电压。纵坐标轴表示用于加速的感应电压，而横坐标轴表示时间。另外，示出了三对加速电压脉冲28a以及它们的重置脉冲29c。(1)、(2)和(3)表示用于加速的第一感应单元13、用于加速的第二感应单元13和用于加速的第三感应单元13。生成的三个加速电压脉冲在时间上具有系统延迟，如图8(B)中所见。(4)表示通过三个用于加速的感应单元13施加到聚束3a的总的加速电压28f和总的重置电压29f。注意：同时生成重置电压脉冲。

首先，按从(1)到(3)的次序将处于特定加速电压值28h的加速电压28c、28d和28e施加至到达三个用于加速的感应单元13的离子束3。此时，充电时间从(1)移动到(3)，因而可将加速电压28c、28d和28e施加到整个离子束3。这确保图4(4)中用于整个离子束3的总的加速电压28f的充电时间28g。即使一个用于加速的感应单元13仅可在短充电时间28a中施加加速电压28，多个用于加速的感应单元13可被组合成确保长充电时间28a。具体地，约束和加速两个目的可仅通过组合可生成低感应电压的单位感应单元来调节。这可减小感应加速系统的生产成本。

在不具有离子束3的时间段中，重置电压29c、29d和29e被用于避免三个用于加速的感应单元13的磁饱和。理论上，除施加重置电压29c、29d和29e的时间段之外，其它时间段都可用于施加加速电压28，由此使得所有离子被加速为超聚束3e。

因为用于约束的开关电源9b中的开关元件的用于约束的门信号图11a可自由控制，所以可实现任意持续时间的势垒电压。结果，聚束3a可在离子的传播方向上保持长条状，并且具有均匀的离子分布，这通过常规射频同步加速器35无法实现，由此显著地增加了可被同时加速的离子的数量。

图9示出了当现有KEK 500MeVPS和12GeVPS被转换成本发明的全离子加速器时，对于具有其可达到的最大电荷状态的各种离子而言，每核子所能获得的能 量的计算结果。

可在以下种类中进行选择作为离子束3：H(氢)、C(碳)、N(氮)、Ne(氖)、Al(铝)、Ca(钙)、O(氧)、Mg(镁)、Ar(氩)、Ni(镍)、Zn(锌)、Kr(氪)、Xe(氙)、Er(铒)、Ta(钽)、Bi(铋)、U(铀)、Te(碲)、Cu(铜)和Ti(钛)。

曲线图中的横坐标轴表示原子数，而原子以原子数从左开始递加的次序标绘出。曲线图中的纵坐标轴表示通过各个加速器加速的离子的每个核子的能量。左轴的单位是兆伏(MeV)，而右轴的单位是千兆伏特(GeV)。右轴仅用于表示被改变的12GeVPS的结果。

■示出了当现有KEK 500MeVPS(实际上使用为现有谐振电源的电磁体电源)被转换成本发明的全离子加速器1时，各种离子束3预计可达到的能量，●示出了当KEK 500MeVPS被转换时(为现有谐振电源的电磁体电源用图形电源来替代)，其预计(可达到的能量)，以及▲示出了当现有KEK 12GeVPS被转换成本发明的全离子加速器1时，其预计结果。

为了与常规加速器作比较，还示出了在物理和化学研究所(Institute of Physicaland Chemical Research)中运行的、迄今为止日本内最大型并具有类似于KEK500MeV PS的物理尺寸的环形回旋加速器中的离子束3的实际加速性能(虚线内)。由一条虚线包围的○示出了线性射频加速器注入33回旋加速器的情形中的各种离子种类所获得的能量。由另一条虚线所包围的口示出了使用AVF回旋加速器作为注入器的情形中的各种离子种类所获得的能量。

在使用由图形控制电源驱动的电磁体的慢循环同步加速器中，其提取能量易于变化。在使用由谐振电路电源驱动的电磁体的快循环同步加速器中，由于恒定场强，所以每核子的加速能量根据有关的离子的质量数和电荷状态来确定。

图9中所示的结果对本发明的全离子加速器1实现以下所述的做出启示。

首先，500MeVPS(■和●)覆盖了常规回旋加速器不能达到的能量区。具体地，甚至在可加速特定重离子的射频线性加速器注入33(○)中，可被加速的离子种类受到回旋加速器中所使用的射频线性加速器17b的有限加速距离和射频的物理极限的限制，而且可达到的能级还受到电磁体的物理极限的限制。可被加速的离子包括质子到钽，而且其可达到的能量为每核子7到50MeV。

另一方面，与射频线性加速器注入33(○)相比，在AVF回旋加速器注入33a(□)中，如果离子很轻(诸如质子)，则离子可被加速至特定高能级(约200MeV)， 然而由于注入器的限制，可被加速的离子直到Cu、Zn。

第二，在经更改的12GeVPS中，甚至重离子可被加速至每核子约4GeV或更大的能量。

因而，本发明的全离子加速器1被用于通过磁场强度将包括重离子的所有离子加速至所允许的任意能级，其中一部分是通过常规回旋加速器和射频同步加速器35无法实现的。

工业实用性

本发明具有上述配置并可获得以下优点。首先，常规射频同步35可被转换成本发明的全离子加速器1，因为除射频加速装置36外，常规射频同步加速器35的所有装置都可用于全离子加速器中。

第二，本发明的全离子加速器1可独立地通过用于束引导的磁场将所有离子加速至所允许的任意能级。

具体地，12GeVPS已被证明为全离子加速器，而且KEK 500MeVPS将被更改成本发明的全离子加速器1，各种离子可被加速至甚至通过物理和化学研究所的、通常操作用于材料和生命科学的回旋加速器无法达到的能级，至于12GeVPS，全离子可被加速至每核子约4GeV至最大值。

此外，本发明的全离子加速器具有上述优点，因而除近来已被用于癌症治疗的碳束外，可提供处于任意电荷状态中的重离子，这可显著地增加可由粒子束治疗的癌症类型，并且显著地增加了治疗的灵活性。而且，显著增加医学放射性同位素生产中、短寿命核的发射性分析和半导体损坏测试的灵活性。此外，用于预测重离子宇宙射线的损坏的地面检查可通过安装在用于宇宙空间的卫星中的各种电子设备来执行。

Claims (2)

1.一种全离子加速器，包括：

感应同步加速器，它包括：环形真空管道，其中具有离子束的设计轨道；弯曲电磁体，设置于所述设计轨道的曲线部分上并保持离子束的环形轨道；聚焦电磁体，设置于所述设计轨道的直线部分上并防止离子束在与离子传播方向垂直的方向上的扩散；聚束监视器，设置于所述真空管道中并检测离子束的通过；位置监视器，设置于所述真空管道中并检测离子束的重心位置的中央；用于约束的感应加速装置，它包括连接到所述真空管道并在离子的传播方向上施加用于约束离子束的感应电压的用于约束的感应单元和控制对所述用于约束的感应单元的驱动的用于约束的智能控制装置；以及用于加速的感应加速装置，它包括连接到所述真空管道并施加用于加速离子束的感应电压的用于加速的感应单元和控制对所述用于加速的感应单元的驱动的用于加速的智能控制装置，

注入装置或高压离子源，它包括将离子束注入到所述感应同步加速器的注入器，而且由离子源生成的离子通过预注入器加速至特定能级；

提取装置，将离子束从感应同步加速器提取到离子束实用线，

其特征在于，所述用于约束的智能控制装置执行由所述用于约束的感应单元施加的所述感应电压的触发定时和充电时间的反馈控制，所述用于约束的智能控制装置具有用于约束的数字信号处理器，所述用于约束的数字信号处理器从所述聚束监视器接收通过信号且从用于指示被施加到离子束的感应电压的值的电压监视器接收感应电压信号、并且计算用于约束的门主信号，所述门主信号成为用于约束的图形发生器的约束的门信号图的基础，所述用于约束的图形发生器生成控制接通/切断用于约束的开关电源以便驱动所述用于约束的感应单元的门信号图，以及

所述用于加速的智能控制装置执行被施加用于加速的感应单元的感应电压的触发定时和充电时间的反馈控制，所述用于加速的感应单元具有用于加速的数字信号处理器，所述用于加速的数字信号处理器从所述聚束监视器接收通过信号、从所述位置监视器接收位置信号、以及从用于指示被施加到离子束的感应电压值的电压监视器接收感应电压信号、并且计算用于加速的门主信号，所述门主信号成为用于加速的图形发生器的用于加速的门主信号图的基础，用于加速的图形发生器生成控制接通/切断用于加速的开关电源以便驱动所述用于加速的感应单元的用于加速的门信号图，

并且对所有离子进行加速并加以控制至用于束引导的电磁体磁场所允许的任意能级，

以上各装置与用于加速的所有粒子的旋转同步。

2.一种全离子加速器的控制方法，所述全离子加速器包括：

感应同步加速器，它包括：环形真空管道，其中具有离子束的设计轨道；弯曲电磁体，设置于所述设计轨道的曲线部分上并保持离子束的环形轨道；聚焦电磁体，设置于所述设计轨道的直线部分上并防止离子束在与离子传播方向垂直的方向上的扩散；聚束监视器，设置于所述真空管道中并检测离子束的通过；位置监视器，设置于所述真空管道中并检测离子束的重心位置的中央；用于约束的感应加速装置，它包括连接到所述真空管道并在离子的传播方向上施加用于约束离子束的感应电压的用于约束的感应单元和控制对所述用于约束的感应单元的驱动的用于约束的智能控制装置；以及用于加速的感应加速装置，它包括连接到所述真空管道并施加用于加速离子束的感应电压的用于加速的感应单元和控制对所述用于加速的感应单元的驱动的用于加速的智能控制装置，

注入装置或高压离子源，它包括将离子束注入到所述感应同步加速器的注入器，而且由离子源生成的离子通过预注入器加速至特定能级；

提取装置，将离子束从感应同步加速器提取到离子束实用线，其特征在于，所述方法包括：

由所述用于约束的智能控制装置执行由所述用于约束的感应单元施加的所述感应电压的触发定时和充电时间的反馈控制，所述用于约束的智能控制装置具有用于约束的数字信号处理器，所述用于约束的数字信号处理器从所述聚束监视器接收通过信号且从用于指示被施加到离子束的感应电压的值的电压监视器接收感应电压信号、并且计算用于约束的门主信号，所述门主信号成为用于约束的图形发生器的约束的门信号图的基础，所述用于约束的图形发生器生成控制接通/切断用于约束的开关电源以便驱动所述用于约束的感应单元的门信号图，以及

由所述用于加速的智能控制装置执行被施加用于加速的感应单元的感应电压的触发定时和充电时间的反馈控制，所述用于加速的感应单元具有用于加速的数字信号处理器，所述用于加速的数字信号处理器从所述聚束监视器接收通过信号、从所述位置监视器接收位置信号、以及从用于指示被施加到离子束的感应电压值的电压监视器接收感应电压信号、并且计算用于加速的门主信号，所述门主信号成为用于加速的图形发生器的用于加速的门主信号图的基础，用于加速的图形发生器生成控制接通/切断用于加速的开关电源以便驱动所述用于加速的感应单元的用于加速的门信号图，

并且对所有离子进行加速并加以控制至用于束引导的电磁体磁场所允许的任意能级，

以上各装置与用于加速的所有粒子的旋转同步。

Images