CN103493603A

CN103493603A - 同步回旋加速器

Info

Publication number: CN103493603A
Application number: CN201180058890.6A
Authority: CN
Inventors: J·芒德里永; M·孔雅
Original assignee: Ion Beam Applications SA
Current assignee: Ion Beam Applications SA
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2014-01-01
Also published as: BE1019557A3; WO2012055958A1

Abstract

同步回旋加速器包括带有一对磁极（5，5'）的铁磁结构（4），该对磁极具有半径R的通常圆形的截面，布置在中平面（2）的两侧，定中心在中轴线（1）上。磁极（5，5'）由形成空腔（9）的气隙分开，气隙型面相对于中平面（2）基本对称。气隙高度径向变化，气隙型面从中轴线（1）相继有：半径R2的圆形截面的第一部分（6，7），其定中心在中轴线（1）上，在中央的气隙高度等于H_中，包括环形分部（7），在环形分部中，气隙高度逐渐增大至半径R2处的最大高度H_最大；及围绕第一部分（6，7）的环形截面的第二部分（8），其中气隙高度逐渐减小至磁极（5，5'）的边缘处的高度H_边。高度H_中大于10厘米，最大高度H_最大与高度H_中之比在1.1至1.5之间。

Description

同步回旋加速器

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 = - \frac{r}{B} \frac{dB}{dr}

(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。

在如在上述两个美国文献中描述的具有高磁场的同步回旋加速器的情况下，为满足磁场聚焦指数n提出的条件及允许在中平面中进行粒子聚焦，磁极型面需从其中气隙窄得足以产生足够磁场的邻近中轴线的区域，向其中气隙最大、其高度是邻近中轴线的气隙区域的高度的至少两倍的接近磁极翼片的区域变化。磁极具有倾斜的表面，以逐渐扩大磁极气隙，间隙最大的磁极区域介于彼此间形成锐角的两个表面之间。在文献US7696847的图2中，翼片134和表面130之间的接合处成锐角。这种具有深窄区域的磁极型面相当难以进行精密机加工。

在Wu X.的文献《Conceptual Design and Orbit Dynamics in a250MeV Superconducting Synchrocyclotron（250MeV的超导同步回旋加速器中的方案设计和轨道动力学）》（博士论文，密歇根州立大学，1990年）一文中提出一种具有气隙的同步回旋加速器，在该气隙中产生5.5特斯拉的磁场。对于这种磁场，在粒子源输出端处的粒子损失不太大。但是，这种同步回旋加速器的磁极间气隙比较窄，如同前述同步回旋加速器中那样，这需要在磁轭中沿磁轭的中轴线开孔，用以将粒子源引入中央区域。在磁轭中开孔，会局部地改变在加速空腔中央的磁场，在此，粒子源附近的磁场起初随半径而增加直至最大，继之随半径而略有减弱。因此，磁场聚焦指数起初为负，这导致粒子轨迹在短半径上散焦。这种效应随粒子源的半径而增大，由此必须尽量减小磁轭中的孔的直径和粒子源的直径，这会降低粒子产生能力。此外，必须插入补偿磁场的圆形金属构件，其通常称为“调节片（shim）”。

前述同步回旋加速器的另一缺陷是，用于插入具有加速电极和传输线的高频振荡电路的空间很小。这种空间缺乏要求加速电极和传输线之间距离短，从而增大这两个元件之间的电容（capacité）。电容增大需要在电压发生器处产生更大的功率，以便在加速电极中产生理想的交流电频率。

为最大限度减少从粒子源提取粒子的问题和降低同步回旋加速器的生产成本，必须尽量减小介于同步回旋加速器的两个磁极之间的气隙中的磁场，同时尽量减小同步回旋加速器的尺寸。

还期望制造这样的同步回旋加速器：其磁极型面满足磁场聚焦指数所确定的条件，及更易于机加工。

此外，还期望制造一种同步回旋加速器：其两个磁极间的气隙允许易于插入粒子源和高频振荡电路，以避免如现有技术的同步回旋加速器中所遇到的问题。

发明内容

本发明涉及同步回旋加速器，其具有铁磁结构、冷质量体结构和粒子源。铁磁结构一般具有：两个磁轭板，它们呈圆盘形，相对于中轴线同轴就位，相对于中平面基本对称和是平行的；一对磁极，该对磁极呈通常圆形的截面，具有半径R，布置在所述中平面的两侧，定中心在所述中轴线上，由形成空腔的气隙分开；磁通量回路，所述磁通量回路围绕所述磁极且连接所述两个磁轭板。冷质量体结构具有至少两个磁感应线圈，所述冷质量体结构围绕所述磁极且被所述磁通量回路围绕。所述粒子源通常位于所述空腔内、半径R1的圆形的第一区域中，半径R1小于空腔半径R，半径原点是所述中轴线的一点。所述空腔的气隙通常具有相对于所述中平面基本对称的型面，气隙高度在径向上变化。气隙型面从所述中轴线起相继包括：半径R2的圆形截面的第一部分，所述第一部分定中心在所述中轴线上，所述第一部分的在中央的气隙高度等于H_中，所述第一部分包括环形分部（又称为第一环形区域），在所述环形分部中，气隙高度逐渐增大直至在半径R2处的最大高度H_最大；以及具有环形截面的第二部分（又称为第二环形区域），其围绕所述第一部分，在所述第二部分中，气隙高度逐渐减小直至在所述磁极的边缘处的高度H_边。根据本发明的第一方面，气隙高度H_中大于10厘米，最大高度H_最大与高度H_中之比在1.1至1.5之间，有利地，在1.2至1.5之间，优选地，在1.2至1.4之间。应当注意的是，采用这种气隙型面，由所述线圈和所述铁磁结构在所述空腔中产生的平均磁场可以在4至7特斯拉之间。

优选地，第一部分具有其半径R1小于半径R2的中央分部（又称为中央区域6），其定中心在所述中轴线上，在所述中央分部，气隙高度恒定，等于高度H_中。

有利地，所述磁极包括一系列定中心在所述中轴线上的倾斜环形表面，每个所述倾斜环形表面都与其相邻的表面形成角α，该角α严格地大于90°，优选地大于120°，更优选地大于140°。

优选地，中央分部（中央区域）延伸在小于空腔半径R的20%的半径R1上，环形分部（第一环形区域）延伸在半径R1与小于空腔9半径R的95%的半径R2之间。

在一优选实施方式中，中央分部（中央区域）延伸在约为空腔半径R的10%的半径R1上，第一环形分部延伸在半径R1和约为所述空腔半径R的70%的半径R2之间。

有利地，所述粒子源位于所述中央分部中，由以基本平行于所述中平面的方式插入所述空腔的支承件保持。

将注意的是，借助相当大的气隙高度H_中，磁极可以有利是实心的，因为粒子源可被径向插入气隙的中央区域中。

将注意的是，借助相当弱的磁场，所述磁感应线圈可以是由NbTi制成的。

根据另一方面，本发明还涉及同步回旋加速器的制造方法，其包括以下步骤：

-设定中轴线附近的磁极间气隙的高度H_中，使得高度H_中大于10厘米；

-设定气隙的最大高度H_最大，使得所述最大高度大于高度H_中的至少1.1倍且小于高度H_中的1.5倍；

-设定磁感应线圈中的磁场，所述磁感应线圈围绕形成粒子加速空腔的磁极；

-考虑H_中和H_最大以及线圈中的磁场，使所述磁极的型面和所述磁感应线圈3的尺寸及位置最佳化，以获得在所述磁极之间的粒子加速空腔，其磁极间气隙满足磁场聚焦指数所确定的条件，其中，r是粒子轨道的半径，半径原点通过中轴线的一点，B是该半径处的磁场，n应严格地在0至0.2之间。

附图说明

现在将参照附图作为示例说明本发明的一些实施方式，附图中：

-图1是根据本发明的一种实施方式的同步回旋加速器的简化剖面图；剖面包含同步回旋加速器的中轴线，剖面图主要示出同步回旋加速器的铁磁结构；

-图2是剖面图，与图1所示的剖面图相同，还示意地示出粒子源。

具体实施方式

图1和2示意地示出根据本发明的同步回旋加速器。应当注意的是，为使附图简明起见，同步回旋加速器的某些构件未被示出。

附图上示出的用于非限制性地说明本发明的同步回旋加速器包括：

-铁磁结构4，铁磁结构包括：

o两个基板，其又称为磁轭板16、16'，呈圆盘的形式，相对于同步回旋加速器的中轴线1同轴布置，相对于中平面2基本对称和是平行的；

o一对磁极5、5'，该对磁极呈通常圆形的截面，半径为R，布置在同步回旋加速器的中平面2的两侧，定中心在中轴线1上，由形成空腔9的气隙分开；以及

o磁通量回路（retour de flux）17，其围绕磁极5、5'，连接两个磁轭16、16'；

-冷质量体结构（structureàmasse froide），其具有至少两个磁感应线圈3，围绕磁极5、5'且被磁通量回路17围绕；

-粒子源11（参见图2），其在空腔9中位于半径R1的圆形截面的第一区域6内，半径R1小于空腔9的半径R，半径原点是所述中轴线1的一点；

-高频电压发生器14（参见图2），其位于磁通量回路17以外；

-加速电极（参见图2），其连接于高频电压发生器14；该加速电极具有一对平行的板12，该对板基本呈半圆形，彼此由一间隙分开，位于空腔9内，在中平面2的两侧对称地和平行地延伸，面对粒子源；以及

-传输线13，其围绕加速电极12，与电极12相距一定距离就位。

根据一优选方面，同步回旋加速器的磁极5、5'之间的气隙中产生的磁场被选择成：

-其足够高以便以200至250兆电子伏（MeV）之间的能量加速粒子；

-避免出自粒子源的粒子在特高磁场的作用下再落到该源上；以及

-最大限度减小同步回旋加速器的尺寸。

有利地，磁极间的气隙中所产生的磁场在4至7特斯拉之间，优选地，在4至6特斯拉之间。显然，可注意的是，这种磁场的形成不需要使用Nb₃Sn超导线圈。实际上，NbTi超导线圈适于产生在3至5特斯拉之间的磁场，铁磁结构4所产生的通常约为2特斯拉的磁场与该磁场相结合。NbTi超导线圈比Nb₃Sn线圈成本更低和更易于实施。

根据一优选方面，由磁极5形成的空腔9具有半径R，该半径的原点通过中轴线1的一点，该半径的端部与磁极5的边缘10重合。气隙高度随半径而变化，以满足磁场聚焦指数n所确定的条件。优选地，气隙从中轴线开始到磁极边缘包括三个区域6、7和8：

-中央区域6，有利地，其呈平面（尽管这不一定是对本发明的限制）和半径R1的圆形，半径R1小于空腔的半径R，半径R1的原点与中轴线1的一点重合，该中央区域位于中轴线1附近，磁极5之间的其气隙具有高度H_中；

-第一环形区域7，其介于具有所述半径R1的圆与具有半径R2的第二圆之间，半径R2也小于空腔的半径R，半径R2的原点与半径R1的原点重合，在第一环形区域中，磁极5之间的气隙的高度逐渐增大，直至最大高度H_最大，以使磁场逐渐减弱来确保粒子聚焦在中平面2中；

-第二环形区域8，其介于半径R2的圆和磁极边缘10之间，在第二环形区域中，磁极间的气隙逐渐减小，直至在磁极边缘10处的最小高度H_最小，以便在磁场聚焦指数n达到极限值之前，再度增强磁场和减小磁场聚焦指数n，在所述极限值，围绕平衡轨道轴向振荡的粒子与围绕相同平衡轨道径向振荡的粒子发生共振。

根据一优选方面，气隙的最大高度H_最大与中轴线附近的气隙高度H_中之比严格地大于1且小于1.5，以便易于机加工磁极内部，同时满足磁场聚焦指数所确定的条件。更优选地，H_最大/H_中之比在1.2至1.5之间。

根据另一优选方面，仍为易于机加工磁极5，包括第一环形区域7和第二环形区域8的区域的特征在于一系列定中心在中轴线1上的倾斜环形表面，这些倾斜环形表面中的每一个都与其相邻表面形成角α，该角α严格地大于90°，优选地大于120°，更优选地大于140°。

根据又另一优选方面，中轴线1附近的气隙高度H_中大于10厘米，更优选地大于15厘米，更优选地大于18.4厘米。将注意到的是，相对于现有技术的同步回旋加速器更高的中轴线附近的气隙高度H_中，允许更易于插入粒子源以及具有加速电极和传输线的高频振荡电路。

气隙的扩大例如可增大加速电极的两个板12之间的间隙，以避免粒子与板12碰撞。气隙的扩大还可增大加速电极和传输线13之间的距离，从而减小这两个器件之间的电容，和可使电压发生器14以较小的功率向加速电极提供高频交流电压。

根据另一附加的优选方面，邻近中轴线1的气隙区域中的大高度H_中允许侧向地而不是轴向地插入粒子源11（参见图2）。例如可利用来自空腔9外部的支承件15进行粒子源11的插入，支承件15具有用于粒子源中气体流通的导道、以及用于粒子源启动的电连接件。侧向插入粒子源，允许不用在磁轭16、16'和磁极5、5'中开孔，这消除邻近中轴线1的气隙区域中磁场聚焦指数的负向变化，还允许使用比现有技术的同步回旋加速器中直径更大的粒子源。这样，粒子源可产生更大的粒子流。此外，通过消除邻近中轴线的气隙区域中磁场指数的负向变化，粒子源输出端处的粒子散焦问题最小化，如现有技术的同步回旋加速器中使用的磁场补偿环变得是非强制的，从而简化该气隙区域。

在根据本发明的同步回旋加速器的一非限制性实施例中，两个磁极间的气隙中的平均磁场为5.6特斯拉。邻近中轴线的区域中的磁极间气隙的高度H_中为18.4厘米，最大气隙高度H_最大为25.3厘米。因此，在该同步回旋加速器中，H_最大/H_中之比等于1.375。随磁极半径r（厘米）而变化的磁极与中平面的分隔距离z（厘米）在表1中提供。同步回旋加速器的外半径和高度分别为125厘米和156厘米。对于类似的磁场，根据本发明的该实施例的尺寸小于Wu所提出的回旋加速器的尺寸（空腔中产生的磁场：5.53特斯拉；同步回旋加速器的高度：173.4厘米；同步回旋加速器的外半径：132.3厘米）。仍在根据本发明的该相同的实施例中，加速电极的板之间的间隙为2厘米，这些板与传输线之间的间隙为7.4厘米。

表1：

r（厘米）	z（厘米）
		0	9.2
5	9.2
		8.25	9.97
11.5	10.45
		20	11.3
30	126.5
		33.5	12.39
42.4	10.6
		46	6.1
47.5	4.45
		48	4.3
49.5	4.3

需要明确的是，本领域技术人员可根据线圈相对于中平面的位置、该线圈的形状和尺寸，使磁极型面最佳化，同时在这样的条件下：第一区域中的两个磁极间的气隙的高度大于10厘米；最大气隙高度H_最大与中央区域6中的最小气隙高度H_中之比为1.1至1.5之间，更优选地为1.2至1.5之间。在上述实施例中，线圈具有定中心在中轴线1上的为55.4厘米的内半径、为13厘米的宽度和为28.1厘米的高度，这些线圈彼此隔开20厘米。

本发明还涉及同步回旋加速器的制造方法，同步回旋加速器具有由气隙分开的两个磁极，所述方法具有以下步骤：

–设定中轴线附近的气隙高度H_中，使得高度H_中大于10厘米，优选地大于15厘米，优选地大于18.4厘米，且小于37厘米；

–设定气隙的最大高度H_最大，使得最大高度严格地大于高度H_中且小于高度H_中的1.8倍；

–设定磁感应线圈中的磁场，磁感应线圈围绕形成粒子加速空腔的磁极；

–考虑H_中和H_最大以及线圈中的磁场，使磁极的型面和磁感应线圈的尺寸及位置最佳化，以获得在磁极之间的粒子加速空腔，其磁极间气隙满足磁场聚焦指数n所确定的条件。

Claims

1.同步回旋加速器，其包括：

-铁磁结构（4），所述铁磁结构包括：

o两个磁轭板（16，16'），它们呈圆盘形，相对于所述同步回旋加速器的中轴线（1）同轴布置，相对于中平面（2）基本对称和是平行的；

o一对磁极（5、5'），该对磁极呈通常圆形的截面，具有半径R，布置在所述中平面（2）的两侧，定中心在所述中轴线（1）上，且由形成空腔（9）的气隙分开；以及

o磁通量回路（17），所述磁通量回路围绕所述磁极（5、5'）且连接所述两个磁轭板（16、16'）；

-冷质量体结构，所述冷质量体结构具有至少两个磁感应线圈（3），所述冷质量体结构围绕所述磁极（5、5'）且被所述磁通量回路（17）围绕；

-粒子源（11），所述粒子源位于所述空腔（9）内、在半径R1的圆形截面的第一区域（6）中，半径R1小于空腔（9）半径R，其原点是所述中轴线（1）的一点；

形成所述空腔（9）的所述气隙具有相对于所述中平面（2）基本对称的型面，气隙高度径向地变化，气隙型面从所述中轴线（1）起相继包括：

-半径R2的圆形截面的第一部分（6，7），所述第一部分定中心在所述中轴线（1）上，所述第一部分的在中央的气隙高度等于H_中，所述第一部分包括环形分部（7），在所述环形分部中，气隙高度逐渐增大直至在半径R2处的最大高度H_最大；

-呈环形截面的第二部分（8），所述第二部分围绕所述第一部分（6，7），在所述第二部分中，气隙高度逐渐减小直至在所述磁极（5，5'）的边缘处的高度H_边；

其特征在于，气隙的高度H_中大于10厘米，最大高度H_最大与高度H_中之比在1.1至1.5之间。

2.根据权利要求1所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述第一部分（6，7）包括半径R1小于半径R2的圆形截面的中央分部（6），所述中央分部定中心在所述中轴线（1）上，在所述中央分部，气隙高度恒定，等于高度H_中。

3.根据权利要求1或2所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述最大高度H_最大与高度H_中之比在1.2至1.5之间。

4.根据权利要求1或2所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述最大高度H_最大与高度H_中之比在1.2至1.4之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述磁极（5，5'）包括一系列定中心在所述中轴线（1）上的倾斜环形的表面，每个所述表面都与其相邻的表面形成角α，该角α严格地大于90°，优选地大于120°，更优选地大于140°。

6.根据前述权利要求中任一项所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述中央分部（6）延伸在小于所述空腔半径R的20%的半径R1上，所述第一部分（6，7）的所述环形分部（7）延伸在半径R1与小于所述空腔（9）半径R的95%的半径R2之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述中央分部（6）延伸在约为所述空腔（9）半径R的10%的半径R1上，所述第一部分（7）的所述环形分部（7）延伸在半径R1和约为所述空腔（9）半径R的70%的半径R2之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述粒子源（11）位于所述中央分部（6）中，由以基本平行于所述中平面（2）的方式插入所述空腔（9）的支承件保持。

9.根据前述权利要求中任一项所述的同步回旋加速器，其特征在于，每个所述磁极（5）都是实心的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述磁感应线圈（3）是由NbTi制成的。

11.根据前述权利要求中任一项所述的同步回旋加速器，其特征在于，由所述磁感应线圈（3）和所述铁磁结构（4）在所述空腔（9）中产生的平均磁场在4至7特斯拉之间。

12.制造根据权利要求1所述的同步回旋加速器的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：

-设定磁感应线圈（3）中的磁场，所述磁感应线圈围绕形成粒子加速空腔的磁极；

-考虑H_中和H_最大以及线圈中的磁场，使所述磁极的型面和所述磁感应线圈（3）的尺寸及位置最佳化，以获得在所述磁极之间的粒子加速空腔，其磁极间气隙满足磁场聚焦指数

所确定的条件，其中，r是粒子轨道的半径，半径原点通过中轴线的一点，B是该半径处的磁场，n应严格地在0至0.2之间。