CN104488364B

CN104488364B - 超轻型磁屏蔽高电流紧凑式回旋加速器

Info

Publication number: CN104488364B
Application number: CN201380039527.9A
Authority: CN
Inventors: 莱斯利·布隆伯格; 约瑟夫·米内尔维尼; 乐培思; 亚历克斯·拉多文斯基; 菲利普·迈克尔; 蒂莫斯·安塔亚
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2017-07-25
Anticipated expiration: 2033-07-26
Also published as: WO2014018876A1; EP2878179A1; EP2878179B1; US20140087953A1; US8975836B2; HK1205621A1; CN104488364A

Abstract

通过使电流在相同方向上传递通过第一和第二初级线圈两者来使一种用于离子加速的回旋加速器磁屏蔽。第一磁场屏蔽线圈与该第一初级线圈在中平面的同一侧上并且在该第一初级线圈的半径之外，而第二磁场屏蔽线圈与该第二初级线圈在中平面的同一侧上并且在该第二初级线圈的外半径之外。电流还以一个与电流传递通过这些初级线圈的方向相反的方向传递通过这些磁场屏蔽线圈并且在这些磁场屏蔽线圈之外生成一个使在距离该中心轴的半径处生成的磁场减小的抵消磁场。

Description

超轻型磁屏蔽高电流紧凑式回旋加速器

政府支持

本发明是在由美国国防威胁降低局(Defense Threat Reduction Agency)所授予的批准号HDTRA1-09-1-0042下在美国政府的支持下完成的。美国政府对本发明具有某些权利。

技术领域

本发明申请涉及超轻型磁屏蔽高电流紧凑式回旋加速器。

背景

回旋加速器用于产生高能粒子。几十年内已经开发了回旋加速器技术，并且当今，认为其是一种成熟技术。

用于制造回旋加速器的当前方法包括使用磁铁杆和铁回轭来减少生成磁场所需的导体的数量。此外，磁铁杆用于对场进行成形。众所周知的是，径向和方位场分布对粒子加速和对粒子稳定性而言是至关重要的。对于同步回旋加速器而言，轴向场分量需要随着半径的增加而减小，从而提供粒子稳定性。对于等时性回旋加速器而言，平均磁场需要增加，从而使质量的增加与由于相对论性效应而产生的粒子能量平衡，并且场必须呈方位变化以提供束稳定性。

超导性在回旋加速器中的使用打开了紧凑式高场装置的潜力，并且会需要外部屏蔽来保护周围的环境不受延伸到回旋加速器之外的高磁场的影响。

过去已经提出了轭自由等时性回旋加速器概念(见美国专利4,943,781(马丁N.威尔逊(Martin N.Wilson)、马丁F.芬伦(Martin F.Finlan)“无轭超导磁体回旋加速器(Cyclotron with Yokeless Superconducting Magnet)”)。使用线圈和铁杆尖的组合来实现等时性回旋加速器的场成形，从而束室以上/以下的线圈限制了场成形的灵活性。本概念中没有提及用于使杂散磁场最小化的任何装置。

概述

在此描述了用于提供回旋加速器所生成的外部磁体场的屏蔽的设备和方法。这些设备和方法的各个实施例可以包括下文描述的元件、特征及步骤的某些或全部。

在各个实施例中，在离子加速过程中，可以通过使电流传递通过第一和第二导电初级线圈来使回旋加速器磁屏蔽。每个初级线圈围绕中心轴对称地定中心，在与该中心轴垂直相交的中平面的每一侧上有一个初级线圈。电流以与电流传递通过该第二初级线圈的方向相同的方向传递通过该第一初级线圈。电流还传递通过至少第一和第二磁场屏蔽线圈。该第一磁场屏蔽线圈与该第一初级线圈在中平面的同一侧上并且在该第一初级线圈的外半径以外，并且电流以与电流传递通过这些初级线圈的方向相反的方向传递通过该第一磁场屏蔽线圈。该第二磁场屏蔽线圈与该第二初级线圈在该中平面的同一侧上并且在该第二初级线圈的外半径之外，并且电流以一个与电流传递通过这些初级线圈的方向相反的方向传递通过该第二磁场屏蔽线圈，并且其中，使电流传递通过这些磁场屏蔽线圈生成一个抵消磁场，该抵消磁场使在距离该中心轴超过这些磁场屏蔽线圈的半径处的磁场减小。将离子从离子源释放到最接近该中心轴的该中平面内并且通过至少部分地由这些初级线圈生成的磁场以从该中心轴向外扩展的轨道轨迹使该离子加速。

在具体实施例中，使用至少一个第一和一个第二磁场成形线圈使对中平面中的该磁场(也称为磁场分布)进行成形，其中，该第一和第二磁场成形线圈定位在比这些初级线圈距离该中心轴更短的半径处。此外，因为在此描述的独特的线圈结构，回旋加速器在初级线圈周围可以缺少连续轭和杆结构。该中平面中的该磁场可以由磁场生成结构生成，该磁场生成结构基本上由这些初级线圈、这些磁场成形线圈以及这些磁场屏蔽线圈组成。

在某些实施例中，各线圈由超导组合物形成并且在操作过程中被冷却至超导温度。在其他实施例中，系统中的各线圈(例如，初级、成形和/或屏蔽)可以由常态(即，电阻)导电组合物(例如，具有在20℃下大于1×10^-7Ω·m的电阻率ρ),如导电金属(例如，铜)。

在各实施例中，因为不存在非线性磁性材料，如铁，所以可以通过改变传递通过这些初级线圈和通过这些磁场屏蔽线圈的电流量并且通过按比例改变这些初级线圈中的、这些磁场成形线圈中的以及这些磁场屏蔽线圈中的电流来改变该中平面中的磁场幅度，同时保持该中平面中的磁场分布和保持磁屏蔽。此外，可以从回旋加速器引出具有随着磁场变化而变化的最终能量的加速离子。进一步地，该中平面中在小于这些初级线圈的内半径的半径处所生成的磁场大于5特斯拉。又进一步地，在这些初级线圈的外半径以外大于1米的半径处生成的磁场可以被这些磁场屏蔽线圈减少到小于0.001特斯拉。在具体实施例中，一个250MeV的回旋加速器具有小于5,000kg的质量。

此外，可以在回旋加速器中使具有不同质量的不同离子加速。可以针对不同离子生成不同幅值的磁场，不存在非线性磁性元素使得这成为可能。在另外的其他实施例中，可以在不同离子的加速之间替换和替代包括离子源、射频电极、束室和束引出系统的束加速模块。在仍更多的实施例中，这些磁场屏蔽线圈中的至少某些可以定位在距离该中心轴大于这些初级初级线圈的半径1.5倍的半径处。仍进一步地，基本上由这些磁场屏蔽线圈组成的磁场屏蔽结构可以提供对这些初级线圈在距离该中心轴超过这些初级线圈的半径处所生成的磁场的屏蔽。在附加实施例中，附加电阻磁场屏蔽线圈可以放置在初级线圈低温恒温器以外。

磁屏蔽紧凑式回旋加速器的实施例包括以下组件：第一和第二初级线圈、电流源、至少一个第一和第二磁场屏蔽线圈以及离子源。每个初级线圈围绕中心轴定中心，在与该中心轴垂直相交的中平面的每一侧上有一个初级线圈。电流源与该第一和第二初级线圈电耦合并且被配置成用于引导电流在同一方向上通过该第一和第二初级线圈。磁场屏蔽线圈围绕中心轴定中心并且在初级线圈以外距离中心轴半径处。第一磁场屏蔽线圈与第一初级线圈定位在中平面的同一侧上，并且第二磁场屏蔽线圈与第二初级线圈定位在中平面的同一侧上。电流源与第一和第二磁场屏蔽线圈电耦合并且被配置成用于引导电流以与电流传递通过初级线圈的方向相反的方向通过第一和第二磁场屏蔽线圈。同时，离子源被定位成用于将离子释放在中平面中以便向外轨道加速。回旋加速器还包含应用时变电场每个轨道以便使离子至少加速一次的射频空腔和用于当离子束达到其最终能量时从回旋加速器引出离子束的装置。

在某些实施例中，该回旋加速器是同步回旋加速器。该同步回旋加速器可以包括磁场生成结构，该磁场生成结构基本上由这些初级线圈、这些磁场成形线圈以及这些磁场屏蔽线圈组成。在其他实施例中，该回旋加速器是等时性回旋加速器，该回旋加速器生成包括方位固定磁场和方位变化磁场的叠加的磁场。该同步回旋加速器可以包括用于生成该方位固定磁场的磁场生成结构，该磁场生成结构基本上由这些初级线圈、这些磁场成形线圈以及这些磁场屏蔽线圈组成。该等时性回旋加速器还可以包括用于生成该方位可变磁场的磁场生成结构，该磁场生成结构基本上由螺旋导电线圈绕组的传感器组成。可替代地或此外，该等时性回旋加速器可以包括用于生成该方位可变磁场的离子的磁场生成结构。

附图简要说明

图1提供了用于场成形和屏蔽的铁质同步回旋加速器(K250)的现有方法的截面图解。

图2提供了另一个截面图解，示出了图1的回旋加速器的轭和杆结构的初级线圈和顶截面。

图3是K250铁场屏蔽同步回旋加速器(250MeV质子束、9T中心场)的根据距离中心轴和中平面的距离(以米计)的5、10、15和20高斯场的等值线图；该图包括同步回旋加速器的截面插图。

图4是具有一组/层用于对回旋加速器屏蔽磁场的线圈的无铁回旋加速器的示意性截面图。

图5是无铁同步回旋加速器的根据距离中心轴和中平面的距离(以米计)的5、10、15和20高斯场的等值线图；该图包括该同步回旋加速器的截面插图，该插图包括单层磁场屏蔽线圈和磁场成形线圈。

图6是具有两组用于对回旋加速器屏蔽磁场的线圈的无铁回旋加速器的示意性截面图。

图7是具有两组/层磁场屏蔽线圈并且具有磁场成形线圈的无铁同步回旋加速器的根据距离中心轴和中平面的距离(以米计)的磁通量(Wb)图；该图包括该同步回旋加速器的截面插图。

图8是具有磁场成形线圈和两组磁场屏蔽线圈的无铁同步回旋加速器的根据距离中心轴和中平面的距离(以米计)的5、10、15和20高斯场的等值线图；该图包括该同步回旋加速器的截面插图。

图9是针对说明性情况的磁场线图，复制了回旋加速器中平面处的K250回旋加速器(具有铁)场分布，但是在没有铁的情况完成的，对应于图5中所示的说明性模型。

图10是针对K250回旋加速器情况的中平面上的场幅值图和与图4和图9相对应的情况的无铁回旋加速器的场幅值图。

图11是单组磁场屏蔽线圈情况的和与图9和图10中所示情况相对应的磁场成形线圈的情况的磁场等值线图。

图12是用于场成形(针对同步回旋加速器磁拓扑)和磁场屏蔽线圈的铁的说明性实施例的截面图。

图13是K250回旋加速器情况的和具有图12中所示的铁场成形和磁场屏蔽线圈的情况的根据半径在中平面上的磁场图。

图14是针对具有用于磁场成形和磁场屏蔽线圈的铁的情况的5、10、15和20高斯场的等值线图，对应于图12和图13的实施例。

图15是等时性回旋加速器的磁体结构中的螺旋线圈绕组的透视图，用于方位场凸点(bump)的成形。

图16是等时性回旋加速器的磁体结构中的初级线圈所磁化的铁杆件的透视图，用于方位场凸点的成形。

图17和图18提供了低温恒温器内的并且由拉杆和立柱结构支撑的初级线圈、场成形线圈的两个透视横截面图。

图19和图20提供了具有用于束加速子系统的空腔或包含束加速子系统的可替换盒的磁体低温恒温器的透视图。

图21展示了与回旋加速器中的主要成形或屏蔽线圈没有互感的一组冲击线圈的一种配置。

图22示出了回旋加速器的根据所引出的离子束的每核子归一化能量的归一化电流。

根据附图，贯穿不同视图，相同的参考字符指相同或相似的部件；并且省略号用于对共享同一参考数字的相同或相似项目的多个实例进行区分。这些图无需按比例，相反，下文讨论的重点放在说明具体原理上。

详细说明

本发明的各个方面的上述以及其他特征和优点将从以下对本发明更宽泛的界限内的各种概念和具体实施例更具体的描述而更明显。鉴于主题不受限于任何具体实现方式，可以用很多方法中的任何一种实现上文引入并在下文更详细讨论的主题的各个方面。具体实现方式的示例和应用主要是为了说明的目的而提供的。

除非以其他方式在本文中定义、使用或表征，本文中使用的术语(包括技术术语和科学术语)应被解释为具有与其在相关领域的上下文中被接受的含义的相一致的含义，而不应被解释为理想化或过分正式意义，除非在本文中明确定义为这样。例如，如果引用了特定的组合物，这种组合物可以是基本上(尽管不是完全)纯的，由于实际且有瑕疵的真实情况也适用；例如，至少潜在的痕量杂质(比如，至少小于1％或2％，其中，在此表达的百分率或浓度可以或者按重量或者按体积计)的存在可以理解为在本说明书的范围内；同样地，如果引用了具体的形状，该形状旨在包括理想形状的不完美变形，例如，由于制造容差引起。

尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于将这些元件与彼此区别。因此，下文讨论的第一元件可以被称为第二元件而不背离这些示例性实施例的教导。

空间相关的术语比如“上方”、“下方”、“左”、“右”、“前面”、“后面”等可以在此用于使描述一个元件与另一个元件的关系的说明变得简单，如在图中所展示的。可以理解，这些空间相关的术语以及所展示的配置意指除在此描述和图示中描绘的取向之外还包括使用或运行中的装置的不同取向。例如，如果将图示中的装置翻过来，描述为在其他元件或特征“之下”或“下方”的元件则可以取向为在这些其他元件或特征的“上方”。因此，示例性术语“上方”可以包括上方和下方取向两者。设备可以以其他方式定向(例如，转动90度或成其他定向)并且相应地解释在此使用的空间相关的描述符。

更进一步地，在本披露中，当提到一个元件在另一个元件“上”、“连接到”或“耦合到”另一个元件，该元件可能直接在该另一个元件上、连接到或耦合到该另一个元件，除非以其他方式指明，否则可能存在介入元件。

在此所使用的术语用于描述具体实施例，并且不旨在限制示例性实施例。除非上下文以其他方式指明，否则如在此所用，单数形式如“一个”和“一种”旨在同样包括复数形式。另外，术语“包括(includes)”、“包括(including)”、“包括(comprises)”指定所述的元件或步骤的存在，但是不排除一个或多个其他元件或步骤的存在或添加。

I)磁屏蔽

在该设备和方法的第一实施例中，用超导磁场屏蔽线圈30替换常规回旋加速器中所使用的铁轭和杆结构20、22，即，由在约4K(针对低温超导体)、约20K(针对MgB₂)或30-50K(针对高温超导体)温度下是超导的并且运行以便对回旋加速器场使周围的环境磁屏蔽的材料形成的线圈。磁屏蔽用于例如用于通过质子放射疗法进行的患者治疗的医疗回旋加速器，尤其是当回旋加速器靠近患者时。磁屏蔽还用于同位素制造所使用的回旋加速器，回旋加速器非常靠近医疗技术员。在临床环境下，回旋加速器的磁场必须在装置外迅速减小，以最小化杂散场效应。还有利的是在用于其他非患者应用的回旋加速器外使磁场减小以最小化接近要求或者使回旋加速器的位置能够靠近磁体敏感的设备。

存在使具有一组或多组超导线圈的杂散场减小的各种各样的实施例。在此介绍了本特征的两个可能的实施例来说明该概念。该第一实施例利用单层30磁场屏蔽线圈来快速地减小回旋加速器11周围的磁场的强度，而该第二实施例考虑使用多层30、40磁场屏蔽线圈。

A)单层磁屏蔽

该特征的第一实施例使用一组30线圈，其中，电流通常以与回旋加速器11的初级线圈12、14中的电流流动方向相反的方向流动。这种配置可以轻易地减小初级线圈12、14所产生的偶极场和更高阶的磁场矩。在这种情况下，可以使杂散磁场比使用铁磁屏蔽元件的相似尺寸的偶极线圈的场衰变速率随着距离衰变得快得多。

图1示出了构建高场超导回旋加速器11的现有方法的示意性图解，如美国专利7,541,905(蒂莫西·安塔亚(Timothy Antaya)“高场超导同步回旋加速器(High-fieldsuperconducting synchrocyclotron)”)和美国专利7,656,258(T.安塔亚(T.Antaya)、A.拉多温斯基(A.Radovinsky)、J.舒尔茨(J.Schultz)、P.泰特斯(P.Titus)、B.史密斯(B.Smith)、L.布朗伯格(L.Bromberg)“用于粒子加速的磁体结构(Magnet structure forparticle acceleration)”)中所描述和展示的。这种更早的方法(其在“K250回旋加速器”中有体现)组合了单对高场超导线圈和大量铁磁轭23和铁磁杆21件来生成回旋加速器场、对其进行成形和限制。本文件中的样例将会对本发明的实施例与常规设计的K250回旋加速器的相应结果进行比较，图2中示意性展示了这种情况，示出了回旋加速器中平面18、铁(轭和杆)20、22以及初级线圈12。

图1中的线圈12和14缠绕在结构元件(缠线管)16和17上并且表示回旋加速器10的初级线圈12、14，这在中平面18处产生磁场以及在回旋加速器10外产生杂散场。束室位于回旋加速器10的中平面18处，并且回旋加速器10围绕中心轴28定中心。图2中示出了回旋加速器10的顶截面中的初级线圈12和轭和杆结构20的截面图。磁轭和杆结构20和22用于增大回旋加速器10的中平面18处的磁场并且对此区域中的磁场进行成形，而中平面18的每一侧上的外部铁回轭23在回旋加速器10之外使磁场屏蔽。指状物24和26用于对离子引出区域中的磁场进行成形。铁的使用在低场特别有效，因为铁引起更高效的场增强、场成形和磁场屏蔽。在紧凑式回旋加速器10所需的更高磁场，过饱和地驱动铁，从而引起其有效性下降。

在铁场成形和屏蔽的情况下，“实质性”场(定义为约5-20高斯的场)的场分布等值线的位置离回旋加速器10很远。图3中示出了具有250MeV质子并且具有9T中心场的K250回旋加速器10的5-20高斯等值线(在图3和其他图示中，轴上的距离指示以米计)。

图4示出了回旋加速器11的一个实施例，其中，用单组(层)30超导磁场屏蔽线圈31-36替换用于屏蔽的铁。磁场屏蔽线圈31-36的这种配置是指单层屏蔽；下文将进一步探究多层屏蔽。我们已经进行了计算来说明使用单层30磁场屏蔽线圈31-36的方法的潜力。出于说明性目的，单组30磁场屏蔽线圈31-36和图5中所示的外部磁场分布，该图示出了使用从图3中所示的K250回旋加速器10计算的场分布要求(在中平面18中)的5、10、15和20高斯场的等值线。在这种情况下，已经从回旋加速器设计中移除了所有铁。在图4和图5中，仅有一组上和下初级线圈12、14。支撑系统中的所有线圈的线圈结构元件(缠线管)16、17是非磁性的。在这种情况下，初级线圈12、14组的净偶极矩大致与磁场屏蔽线圈31-36的净偶极矩平衡，从而引起随着距离回旋加速器11的距离而非常快速地衰变。

图4和图5中所示的单层选项解决的一个问题是磁场屏蔽线圈31-36组30减小了回旋加速器11的中平面18处的磁场值，这是设计中的主要相关区域。为了补偿由于磁场屏蔽线圈31-36引起的反向场，初级回旋加速器线圈12、14被驱动至更高的场(以及可能地驱动至更高的电流)。在回旋加速器11被设计成使得初级场线圈12、14接近(超导回旋加速器11的)场电流温度极限所允许的最大值时，磁场屏蔽线圈31-36产生的反向场会引起初级线圈12、14的设计难度大幅增加。

B)多层磁屏蔽

一种使磁场屏蔽线圈对在初级回旋加速器线圈12、14处产生的峰值磁场的影响最小化的方式是使用两组或更多组30、40或“层”磁场屏蔽线圈31-36和41-46，如图6中所展示的(示出了两层)。线圈31-36和41-46中的电流被确定为目标，从而使得两组30、40磁场屏蔽线圈对初级线圈12、14内的中平面(即，离子加速区域)上的磁场的净影响小。此外，磁场屏蔽线圈31-36和41-46中的电流被选择成使得来自两组30、40磁场屏蔽线圈31-36和41-46的净偶极矩与来自初级回旋加速器线圈12、14的远场磁场偶极矩平衡。尽管这种情况下使用了更多线圈并且应用了更高的电流，但不需要增加初级回旋加速器线圈12、14的电流/场，这些线圈是组件中受应力最高的线圈。

具有两个屏蔽层30、40的回旋加速器11的返回通量被引导至第一磁场屏蔽线圈组30(包括线圈31、33和35和对称磁场屏蔽线圈32、34和36)与第二磁场屏蔽线圈组40(包括线圈41、43和45和对称磁场屏蔽线圈42、44和46)之间的区域内。在本实施例中，在第一磁场屏蔽线圈组30中流动的电流的总体方向与初级回旋加速器线圈12、14中的电流相同，而第二磁场屏蔽线圈组40中流动的电流的总体方向与初级偶极线圈12、14中的电流相反(即，如果初级线圈12、14中的流动是顺时针方向，则第二磁场屏蔽线圈组40的线圈中的流动为逆时针方向)。

图7具有两组/层30、40磁场屏蔽线圈31-36和41-46并且具有场成形线圈51-56(稍后将讨论磁场成形线圈)的情况的磁场线。应指出的是，来自束室区域的通量中的大多数通量传送通过两组30、40磁场屏蔽线圈31-36和41-46。图8示出了针对两组/层30、40磁场屏蔽线圈31-36和41-46的情况的杂散磁场，其中示出了5、10、15和20高斯的等值线。

这些没有完全优化的情况示出了与两层屏蔽情况下生成的磁场相比较初级线圈12、14处的约0.1-0.2T的单层屏蔽30的情况下的增加的峰值场。

尽管我们仅提及了偶极矩抵消，但应理解到在多个线圈情况下，可以不仅使偶极矩、而且还使更高阶矩平衡，从而引起场衰变速率随着距离回旋加速器11的距离而增加。针对第n多极场，离回旋加速器11足够远的场幅值按照B～1/rⁿ⁺¹减小，从而抵消更高阶矩引起磁场的衰变速率更快。在对称线圈组的情况下，n是偶数。如果仅抵消偶极场，则第二大磁场距为四极矩，其按照1/r⁵减小。当线圈是轴对称时，此工艺适用。如果线圈轴存在误差(即，如果线圈轴没有恰好对齐)或者如果线圈不是圆形的，则将存在衰变更慢的杂散磁场。然而，实际上，这些误差较小；并且相关区域中的杂散磁场受非抵消矩支配。

近优化系统指示，尽管在单组30磁场屏蔽线圈31-36的情况下初级线圈12、14中场略高，但差异不大(即，小于约5％)。然而，单组30磁场屏蔽线圈31-36的使用产生更轻、更简单的系统。

这种磁屏蔽技术可以用于所有类型的回旋加速器，包括等时性回旋加速器和同步回旋加速器，尽管说明性计算示出了同步回旋加速器的代表性结果。

C)非轴对称磁屏蔽

尽管我们现在为止已经描述了大多数轴对称多极(即，方位对称的场分量)，但该技术对抵消非轴对称场分量有用，例如，像等时性回旋加速器所需的颤动场分量所生成的那些。在这种情况下，通过使线圈非轴对称，可以通过使用或者上述磁场屏蔽线圈31-36和41-46的非轴对称扰动(通过在线圈上形成或者径向或者轴向“凸点”)或者通过将单独的非轴对称线圈放置在回旋加速器11的磁场屏蔽线圈的最外层周围来抵消回旋加速器11之外的类颤动场。来自线圈的没有围合回旋加速器11的中心轴28的环可以用于抵消非轴对称磁场模式。可以根据平行于回旋加速器11的中心轴28或与其垂直的轴来定向这些环。这些环不一定需要是圆形的。一种用于确定分量的形状和电流幅值的方法是以球谐函数远离回旋加速器11来扩展回旋加速器11的场。适当成形和定位的环可以用于抵消单独的谐波模式。

II)沿着回旋加速器的加速区域的磁场成形

该设备和方法的第二实施例是使用超导线圈而不是铁材料或其他铁磁材料来对同步回旋加速器中的和等时性回旋加速器中的粒子加速所需的磁场分布进行成形。多组线圈可以用于对束加速区域中的场进行成形。

在同步回旋加速器情况下，回旋加速器11的束室内的场(图18中所示)需要满足以下轨道稳定性要求。在将竖直(与中平面18正交)振荡频率值v_z和径向(在中平面18内)振荡频率值v_r保持在加速区域上的以下极限内的同时，磁场值需要随着半径的增加而减小。0<2v_z<0.5v_r，其中，v_z＝n^1/2，v_r＝(1-n)^1/2，并且n＝-d log(B)/d log(r)，其中，n是弱聚焦场指数参数；并且磁场随着引出区域中的半径快速升高[见M.S.利文斯顿(M.S.Livingston)和P.布卢伊特(P.Blewett)，粒子加速器(Particle Accelerators)，麦格劳希尔集团(McGraw-Hill)(1962)]。B是中平面18上的轴向磁通量密度，并且r是径向位置。在引出半径，2*v_z＝v_r并且n＝0.2；弱聚焦回旋加速器不能实现这些条件。

在同步回旋加速器中，束团的瞬时频率取决于束的径向位置处的轴向磁场的幅值和粒子能量(由于相对论性效应)。因此，RF周期的频率在束加速过程中变化。

需要轴向磁场的具体径向分布。下一小节的目的是证实可以使用螺线管而不是由铁或其他铁磁元件成形来实现适当的场成形。我们认为先验技术通过针对同步回旋加速器的情况仅使用电磁线圈实现所需场分布的可能性不明显。介绍了使用超导线圈51-56的回旋加速器11场成形的两个说明性示例。第一示例示出了可以仅通过使用超导线圈来实现同步回旋加速器中的离子束加速的磁场分布。第二示例考虑了使用超导线圈和尺寸极小的铁杆尖产生磁场分布。

A)无铁同步回旋加速器场生成

下文阐述了确定磁场成形线圈组50中的电流和中平面18上方和下方的对称阵列中的场成形线圈组50的位置，该电流和位置提供了与常规K250回旋加速器的场分布相似的场分布。优化过程采取了上下磁场成形线圈组之间的恒定间隙从而允许低温恒温器70与回旋加速器束室的空隙。调整线圈尺寸从而使得所有场成形线圈51-56和初级线圈12、14中的电流密度不变，似乎线圈串联连接和似乎同一超导电缆将用于所有线圈，尽管通常没有要求这样。为了最小化系统的重量，调整线圈的位置。还调整磁场屏蔽线圈31-36的尺寸和位置以最小化系统的重量和/或最小化远离回旋加速器11的最大杂散磁场。其他回旋加速器参数还可以被选择用于优化，如总体体积、超导体质量、所存储的磁场能量。

图9中提供了K250回旋加速器的无铁版的中平面18中的场分布，其中，图5中也示出的线圈组生成该磁场。图9中所示的设计的磁场成形线圈电流不是非常大的电流、或者大的反向电流。的确，主要以相同方向流动的相对小的电流可以提供同步回旋加速器所需的场成形的事实可以被视为令人惊讶的。

图10示出了针对常规K250回旋加速器情况的和无铁情况(具有磁场成形线圈51-56以及一层30磁场屏蔽线圈31-36和41-46)的中平面18中的磁场分布。移除铁的结果之一是可以大幅度增加回旋加速器11的中平面18处的束室的竖直进入。

针对铁用于对场进行成形的回旋加速器11，如果由于紧凑式回旋加速器11在高磁场下运行(这使铁饱和并且限制其有效性)的事实引起杆尖之间的间隙大，则难于在紧凑式回旋加速器11中提供足够的成形。在设计有极少量的铁的回旋加速器11的情况下，提供铁仅用于对场进行成形，其中，磁场的大百分比由超导线圈12、14和51-56产生。

线圈组50跨中平面18上下对称。可以用足够的精度将它们定位成用于使场误差最小化；并且因此，可以制造这些线圈组而不需要磁匀场，这大幅度减少制造回旋加速器11时所需的努力，因为由于不均匀的铁，均场特定于给定的回旋加速器11。

图11示出了与图9和图10中的那个相对应的情况的恒定磁场的等值线。在图11中，等值线阶跃(即，相邻等值线之间的磁场幅值的变化)为1T。初级线圈12、14具有超过12T的峰值场。场成形线圈51-56具有稍微小于主场的场。另一方面，磁场成形线圈31-36具有低于约5T的场。因此，就电流密度/场而言，磁场屏蔽线圈31-36相对简单，并且磁场成形线圈51-56不比初级线圈12、14复杂。

B)使用极少量的铁生成同步回旋加速器场

在其他实施例中，某些铁可以定位在束室附近从而在留给磁场屏蔽线圈31-36组屏蔽的同时实现某种程度的磁场成形。这对于等时性回旋加速器而言特别真实，其中，有利的是保留使用铁杆尖62生成束稳定性所需的颤动场分量，如图16中所示。可替代地，可以使用放置在初级线圈12、14的孔中的多组非轴对称线圈64来产生等时性回旋加速器所需的颤动场，以复制用于常规等时性回旋加速器的铁杆尖62上发现的岭和谷，如图15中所示。图12示出了使用小的铁杆尖62和单组/层30磁场屏蔽线圈31-36的同步回旋加速器11的说明性模型。

图12中的铁杆尖62的形状不是最优的并且仅用于说明。然而，中平面18中的磁场与常规K250回旋加速器的情况下的相同或几乎相同，该回旋加速器仅使用铁而没有磁场屏蔽线圈，如图2中所示。我们针对单组/层30磁场屏蔽线圈和多组/层30、40磁场屏蔽线圈进行计算；在图12中，尽管仅示出了一组/层30磁场屏蔽线圈31-36。

图13中示出了具有与图12中相对应的铁场成形和磁场屏蔽线圈的情况的中平面18中的磁场。同时，图14示出了恒定杂散磁场的根据距离回旋加速器11的距离(以米计)的等值线，具体地，标绘了5、10、15和20高斯的等值线。

中平面区域中的间隙针对使用磁场成形线圈51-56(即，在图5和图7至图11中所示的说明性情况中为10cm)比针对具有铁的情况(即，约5cm半高度间隙)更大。

应指出的是，5高斯区域在铁场成形/磁场屏蔽线圈情况(图14中所示)的说明性情况下比图5中所示的用线圈51-56进行成形的线圈和单个磁屏蔽线圈31-36的情况下稍微更大。在图10和图13的情况下，针对K250回旋加速器和针对图12的铁场成形磁场屏蔽线圈回旋加速器11满足对束的束稳定性要求。我们还已经看到了使用磁低温恒温器70包含成形线圈51-56和屏蔽线圈31-36的含意并且已经得出对使用磁低温恒温器70(即，铁)的回旋加速器11的磁场屏蔽的影响小的结论。

III)无铁或铁减少的回旋加速器设计所启用的特征

多个超导线圈组30、40用于回旋加速器11的磁场屏蔽和用于生成等时性回旋加速器和同步回旋加速器所需的场分布有效地消除了或大幅度减少了铁磁材料在这些回旋加速器11中的使用，如铁杆21或轭23。铁从回旋加速器11设计中的消除产生多项益处，这将以下小节中进行讨论。

A)重量减少

屏蔽铁从回旋加速器11设计的消除允许回旋加速器11的重量的非常大的减小，因为用于替换铁轭和杆结构20、22的线圈、支撑结构和低温恒温器的重量是它们所替换的屏蔽铁的重量的一小部分。表1中示出了展示这种折衷的部分优化的参数集。例如，常规K250磁体的重量约20吨。

表1[用于K250兼容同步回旋加速器的不同设计的磁元件的重量(即，线圈、铁和低温恒温器)(以吨计)]：

低温恒温器70的重量包括在表1中；并且在磁场屏蔽线圈31-36的情况下，外部的低温恒温器70重量大幅增加以适应磁场屏蔽线圈31-36。

为了方便用无铁等效物替换常规回旋加速器，重要的是将最外层30/40磁场屏蔽线圈31-36/41-46的布置大致限制到与它们所替换的铁轭23的边缘相同的位置(从而使得系统体积本身不会更大)。这种考虑大大简化了无铁回旋加速器11在需要回旋加速器11的可移植性、大幅度运动或转动的系统中的安装。针对临床离子放射疗法，通过将回旋加速器11放置在转动的台架上获得巨大的优势，如美国专利申请2010/0230617(K.高尔(K.Gall)的“带电粒子放射疗法(Charged Particle Radiation Therapy)”)和美国专利8,053,746(J.H.蒂默(J.H.Timmer)等人的“辐照装置(Irradiation Device)”)。

的确，如果回旋加速器11的重量足够小，则回旋加速器11可以放置在机器人铰接臂上而不是转动台架上。回旋加速器11在机器人臂上的安装将显著提高装置在患者周围或在正在被询问或辐照的对象周围的布置的灵活性。用于和患者一起使用的常规铁屏蔽回旋加速器的定制台架昂贵并且需要较重的配重。在此描述的重量轻的无铁回旋加速器11可以用于便携式安排中，如移动平台上的离子束放射疗法治疗室，如卡车。可以在车间中制造和调谐模块安排并且将其装运以便在使用点处进行最后安装。

B)便携性

在高度便携式回旋加速器11的情况下，有利地最小化系统重量。可以使用带有可移除的电流引线的或者持久性或近持久性超导线圈，或者通过感应充电来单元移除电流引线。在感应充电单元的情况下，充电磁场是可观的。在美国麻省理工学院和在悬浮偶极实验(LDX)中一直使用感应充电超导磁体，使用超导充电线圈[A.朱可夫斯基(A.Zhukovsky)等人的“用于LDX的浮动线圈的充电磁体(Charging Magnet for the Floating Coil ofLDX)”，11IEEE超导性学报(IEEE Transactions on Superconductivity)1873(2001)]。

例如，一直考虑重量极轻的高度便携式回旋加速器用于从机载平台询问对象(见M.海因斯(M.Hynes)等人的美国专利7,970,103“询问容器的隐藏内容(Interrogatinghidden contents of a container)”)。

可替代地，电流引线可以用于主动地对回旋加速器11提供功率。电流引线可以是回旋加速器11的远端的连接固定电流引线和回旋加速器11的低温恒温器中的低温或高温超导体或者MgB₂。超导装置的热负荷较小。通过使用高温超导体(HTS)引线，使在低温下移除热负荷的制冷要求最小化。从固定位置上的回旋加速器11远端的低温环境移除由于室温触点与超导体引线之间的电阻元件产生的热负荷。

针对某些应用，为了回旋加速器11的长期运行，向单元提供连续的低温冷却。在这种情况下，互连的使用没有增加设计复杂性，从而避免了回旋加速器11的感应充电的需要。

C)单个回旋加速器中的可变能量加速

无铁回旋加速器11(或者等时的或者同步的)的开发促进的有利特征是所引出的离子束能量变化的能力。通过对回旋加速器运行进行若干修改使得改变束的能量成为可能，无铁回旋加速器11的使用启用了这些修改中的某些修改。在保持引出半径的同时改变束的能量需要改变回旋加速器11的磁场。因为没有铁(或者铁非常少)，所以可以通过仅根据同一因子对所有线圈中的电流进行定标来改变磁场幅值而不改变归一化场梯度(梯度B测量为1/B)。可替代地，可以具有不只一组电流引线，其中，不是所有线圈都串联连接，从而允许改变线圈电流并且因此改变磁场幅值和分布。

磁场中的带电粒子的相对论性回旋半径为r_回旋＝γm v/q B，其中，γ为相对论性质量校正，m为带电粒子的静止质量，v为其速度，q为其电荷并且B为磁场的幅值。E＝mc²(γ-1)给出了粒子的能量，其中，c为光速。针对非相对论性粒子，E＝1/2m v²，并且r_回旋＝(2E m)^1/2/qB给出了回旋半径。针对不变的引出半径，粒子的能量定标为E～B²。因此，磁场的相对小的变化引起束能量的大幅度变化。

同步回旋加速器磁体的聚焦特性完全由无量纲参数[即，指数n(r)；电子回旋加速器频率ν_z(r)和ν_r(r)；以及无量纲半径的所有函数r＝R/R_ex]。磁体的线圈中的电流密度j的同时成比例变化可以对无铁同步回旋加速器11的磁场分布进行定标。线圈可以或可以不串联连接。当线圈串联连接时，具有一对电流引线；并且所有线圈携带同一操作电流I_op。可以仅通过改变I_op来实现所需的场变化。场分布B(R)随着线圈电流密度线性地定标，从而保持回旋加速器11的无量纲聚焦特性不变。

加速场强度的定标允许离子从回旋加速器11的其他子系统(例如，离子源、RF系统、束引出系统)所允许的最小能量加速到线圈设计所允许的最大能量。在无铁回旋加速器11中，可以通过根据时间改变线圈系统电流I_op(t)来连续地调整束能量。

对于某些应用而言，包括离子束放射疗法，调制束能量将是有用的。无铁回旋加速器11中的场的变化启用本特征。

快速地改变磁场耗费大量功率。针对K250回旋加速器的情况，所存储的磁场能量的典型数量为25MJ。假设一分钟的时间用于将场变动20％，则需要的功率为约100kW。因为磁场的有限变化速率，束的扫描将使得束纵向地扫描通过组织，同时束能量缓慢变化。可以根据布拉格峰(Bragg peak)的宽度所确定的幅值和范围，以不同的能量阶跃进行这种变化。

由于(取决于场的变化速率)绕组中涡电流的AC损耗、磁化和耦合损耗，磁场的快速变化会在线圈绕组中沉积大量能量。为了经受住热量，磁体设计有大的温度和能量裕度。因此，高临界温度线圈(如由高温超导体形成的那些)是有利的。在束扫描过程中，优选首先从最高能量(即，最高磁体电流)开始以最大化超导体的热稳定性。随着超导体中的电流减小，其能够在稍微更高的温度下运行，由于在快速升温引起的损耗将发生如此情况。以此方式，超导体的温度裕度随着从高到底扫描束能量而增加。再次提升能量需要之间的时间允许重新冷却线圈。

此外，为磁体提供了冷却。合适冷却剂包括液体和气体氦，或者没有冷却剂，通过直接到低温冷却器的冷却台头的热传导。在放射疗法应用中，可以在辐照过程之间重新冷却磁体。对于不需要快速能量变化的其他应用而言，可以通过缓慢升温来消除这种问题。

改变束能量时的第二运行变化是调整RF周期的频率。针对非相对论性粒子，该频率根据场线性地定标(f～B)。同步回旋加速器中的RF电路被设计成具有巨大带宽以适应磁场的变化。在等时性回旋加速器的情况下，将磁场调谐至粒子的共振频率。在同步回旋加速器的情况下，调整频率范围。频率范围根据磁场定标，即，较低频率根据磁场定标，并且最高频率也根据磁场定标。因此，用于同步回旋加速器的RF电路的可调谐频率的总范围从最低场的最低频率到最高场的最高频率。然而，存在频率快速上升(针对给定场)和与不断变化的磁场相关联的更缓慢的变化。

使用单独控制的多个加速间隙可以实现大的能量选择性。该过程可以与用于加速以及用于D形盒(dee)的RF空腔任一个一起使用。为了用以更低的频率绕着回旋加速器11转动的束实现更低的加速能量，可以停用空腔或D形盒，并且因此防止束减速(而不是降低频率)。每次束转动将具有多个RF周期，但为了继续加速，将仅激活几个有限间隙。如果将激活其他空腔，束在遍历空腔或遍历停用的D形盒之间的间隙时将减速，这将因此是适得其反的。通过停用减速空腔或D形盒，可以保持频率比将以其他方式所需要的更高，从而限制加速RF周期的所需带宽。应指出的是，当束的加速仅在RF周期的一小部分内进行时，将可以使多个束团加速。可能的束团的数量与带电粒子的每个轨道的RF周期的数量相同。

除了改变束能量以外，还可以调整场和RF频率以适应单个回旋加速器11中的不同离子种类的加速。粒子的谐振频率取决于离子的荷质比，并且在较小程度上取决于能量(如果是相对论性的话)，并且因此当离子改变时，需要调整RF周期的频率。因此，可以在同一回旋加速器11中使氢、氘或碳加速，但不是同时使所有这些加速。在碳情况下，由于因为C⁶⁺具有相同的荷质比，其具有与氘的加速RF频率相似的加速RF频率，C⁶⁺的加速是有利的。

目前为止，讨论聚焦在带电粒子(离子)的加速上。在回旋加速器11中，此外，必须将粒子引入加速区域，在该区域，它们可以在中平面18中向外加速并且引出它们。根据不断变化的磁场，对使用用于从外部离子源注射粒子的螺旋偏转器的常规方法重新进行调整。调整参数从而使得当磁场变化时螺旋偏转器是有效的方式是同时调整偏转器中的注射的束能量和电场。如果磁场变化η，电场变化η²，并且注射的束能量变化η²，则在回旋加速器11中引入带电粒子时，螺旋偏转器将是有效的，即使磁场已经变化。

类似地，当回旋加速器11中的磁场的幅度变化时，将难于适应使用螺旋偏转器注射具有不同荷质比或能量的带电粒子束。通过调整注射的粒子的能量和跨偏转器间隙的电场的幅度，通过同一偏转器可以用充足效率引入具有不同荷质比的粒子。

用于接收具有不同能量和不同荷质比的粒子的更简单的解决方案是使用静电反射镜。又另一种替代方案是使用内部离子源。内部源对碳6+(C⁶⁺)离子的情况而言是不切实际的。在再另一个实施例中，可以使电子束离子阱与电子束离子源(EBIT/EBIS)与回旋加速器11耦合。

用于引出束的一个选项是在加速室内使用磁扰，在该室中，可以被编程用于引出所希望的能量级的束的铁磁元件、一体化超导线、或线绕线圈产生磁场。除了常规手段以外，无铁回旋加速器允许使用冲击线圈所产生的快速变化[即，在若干回旋加速器轨道、或(电子回旋加速器振荡的)若干进动轨道的规模上]的非轴对称脉冲磁场进行引出的可能性。非轴对称意味着扰动变化场具有方位变化。通过使用非轴对称扰动脉冲磁场用于进行引出所提供的优点在于，束轨道在束到达所希望的引出能量前没有受到干扰。图21中展示了使用一对“冲击”扰动线圈82用于进行引出的实施例，在该图中，用曲线箭头展示了当离子接近束室68中的D形电极之间的加速间隙84时其轨道的截面。扰动线圈82可以是当施加电压来驱动电流通过线圈82时生成脉冲磁场的超导或常态(电阻)线圈。线圈82对称地定位在束室82的相对侧上并且包括补偿冲击线圈82’，该线圈远离通过引出通道86引出离子所在的地方。

可以通过按比例改变流动通过系统中的线圈中的每个线圈的电流来改变所引出的束的能量。允许高效引出能量不断变化的束的技术是有利的。

这种方法的一个问题是冲击线圈中使磁场快速变化所需的功率。一个允许快速改变磁场的实施例是使用与初级回旋加速器线圈12、14具有零互感的扰动(冲击)线圈82组(其生成非轴对称场)。可以存在一个或多个具有多个环并且电流串联连接的扰动线圈82。

该安排可以包括一组完全相同但绕着回旋加速器的主轴转动并且以在相反方向上(偏手性)流动的电流运行的冲击线圈82。可以具有一组两个非轴对称扰动线圈82或者一组具有偶数个扰动线圈82的更大线圈。可替代地，通过使用外部变压器，线圈82、12、14等之间的互感可以归零。在其他实施例中，可以使用这些方法的组合。因为零互感，生成场所需的能量根据扰动场的平方定标；并且其比如果互感不低的情况小得多。电路中不存在铁使对束变化的控制变得容易(即，消除了非线性元件)并且减少了由于快速变化速率所引起的电位损耗。

在具体实施例中，冲击线圈82关于中平面18对称，在这种情况下，可以具有一组4个线圈，或者线圈82可以被定位成一个在中平面18上方而另一个在其下方，其中初级线圈绕组串联，在这种情况下，两组线圈(扰动磁场线圈82和初级回旋加速器线圈12、14)的互感为零。

磁场的上升速率以及发起上升的定时(关于非对称场开始上升所在的轨道内的束能量和相位)可以被调整成用于提供束的充分引出。该定时可以是自动化的(例如，通过控制器运行计算机可读介质上非瞬态存储的软件的过程)。扰动线圈82中的最大电流与初级线圈12和14(和系统中的其他线圈)中的电流成比例地定标。生成了一个查找表，该查找表提供关于扰动线圈82中的电流的上升速率(当离子靠近其轨道内的扰动线圈82时)和若干束能量的上升定时的信息。

线圈电流I和磁场将根据每个核子的束能量T而变化。图22示出了本示例的对应的定标系数K_i＝I/I₀以及K_t＝T/T₀，之间的相关性。具有T₀的设计将示出稍微不同的定标。此处，I₀和T₀是分别在设计点定义的线圈电流和束能量。磁场根据束能量随着线圈电流定标。定义此关系的分析表达式可以如下表达：

其中，m₀为核子的质量，并且c为光速。

下表2中提供了用于生成图22的情节的表。

表2：

K_t＝T/T₀	T(MeV)	K_i＝I/I₀
			1.0	252.6939	1.0000
0.9	227.4245	0.9430
			0.8	202.1551	0.8837
0.7	176.8857	0.8216
			0.6	151.6163	0.7560
0.5	126.3469	0.6858
			0.4	101.0776	0.6095
0.3	75.80817	0.5245
			0.2	50.53878	0.4255
0.1	25.26939	0.2989

使初级超导线圈12、14对生成时变非轴对称场的扰动线圈82屏蔽的薄超导元件可以防止由于冲击线圈的脉冲引起的初级超导线圈12、14上的场变化。

该设计的替代性实施例是使用脉冲静电偏转器来干扰引向引出点的束光学器件。针对静电偏转器，没有与主磁场电感耦合。激活静电偏转器所需的能量与磁扰场所需的能量相比非常小，甚至在非轴对称扰动场与初级回旋加速器线圈12、14之间没有耦合的情况下。静电偏转器中所需的电场根据所引出的束能量直接变化。

D)辐射产生和屏蔽

由于在加速和引出两者过程中高能束的损耗，生成可能需要被屏蔽(尤其在临床环境下)的中子和伽马辐射。来自无铁回旋加速器的辐射强度可以比改变束的最终能量所需的降能器的常规机器的辐射强度低得多。因为在此描述的设计消除了将以其他方式包围常规回旋加速器的大量屏蔽材料，所以可以使用比铁更轻且更有效的、放置在装置附近的屏蔽材料以便改进辐射屏蔽性能。辐射屏蔽对于长期暴露的应用(如对于回旋加速器的操作员)而言或对于高束电流(并且因此高功率)回旋加速器而言会是有用的。针对伽马辐射，高Z材料是有利的。针对中子，具有高浓度氢原子的轻型材料是有利的。与中子吸收剂(硼)混合的水、碳氢化合物和其他轻型材料可以与除了铁以外的更好的辐射屏蔽特性一起使用。在放射治疗室内，辐射屏蔽可以安装在台架上的或将台架与患者空间分开的静止墙壁上的回旋加速器11周围。然而，如果在辐射源附近屏蔽该源，就材料而言，具有多个优点。

在无铁回旋加速器11中，用相对简单且开放的线圈间结构替换笨重的铁杆21和轭23在低温恒温器70内的超导线圈附近产生大量开放体积，其可以填满核辐射屏蔽材料。

E)超导线圈优化

无铁回旋加速器11中的线圈中的某些线圈、并且具体地磁场屏蔽线圈31-36和41-46可以由不同类型的超导体制成。针对图9中的情况，具有图11中所示的场，磁场屏蔽线圈31、33和35中的峰值场小于6T。在此磁场级，NbTi超导体可以用于屏蔽线圈。相比之下，磁场成形线圈51-56(包括初级回旋加速器线圈12、14)针对图9的说明性示例具有大约9-12T的场。因此，该组50磁场成形线圈51-56和初级线圈12、14可以由性能更高的超导体(如Nb₃Sn)或由高温超导体(如YBa₂Cu₃O_7-x(YBCO))制成。然而，磁场屏蔽线圈31-36和41-46可以由廉价的NbTi超导体或甚至在更高温度下运行的MgB₂制成。在某些情况下，会令人希望的是使用放置在初级线圈低温恒温器70之外的电阻磁场屏蔽线圈，如当令人希望地使尺寸并且因此初级线圈低温恒温器70上的低温热负荷最小化，或者出于失超保护目的，限制超导线圈组中所存储的能量。

在具有磁场屏蔽线圈31-36和41-46和/或磁场成形线圈51-56的回旋加速器11的情况下，具有大量线圈。具有两种对线圈提供功率的可能方法。可以用单组电流引线以串联方式电驱动线圈。这种模式提供由电流引线支配的最低低温热负荷。然而，通过使用多组电流引线，可以在调整不同线圈中的电流时提供增加的灵活性。不同电路在优化回旋加速器11的性能过程中是有用的。然而，一旦已经优化了一个回旋加速器11，可以用单个电路建立进一步的单元。在或者室温下或者在低温恒温器70内的低温下的微调线圈可以用于稍微修改成熟设计的回旋加速器中的场(如果需要的话)。

如果使用多绞线超导电缆，回旋加速器线圈中的电流可以是较高的，从而允许通过外部能量引出进行失超保护。可替代地，可以使用小电流，从而对于失超保护而言需要释放内部能量。具有若干种提供内部失超的方式。第一，可以激励线圈中的内部加热器来启动线圈中的大的常态区。第二，使用并联冷二极管细分绕组电路还可以用于在失超过程中贯穿线圈更好地分配磁存储能量并且最小化局部热点温度。可替代地，如用于磁体保护的感应失超所建议的，可以使用AC加热，如美国专利7,701,677(J.舒尔茨(J.Schultz)、L.米亚特(L.Myatt)、L.布朗伯格(L.Bromberg,J.米内尔维尼(J.Minervini)以及T.安塔亚(T.Antaya)的“用于磁体保护的感应失超(Inductive quench for magnet protection)”)中所披露的。可以放置与超导线圈组具有零互感的失超感应线圈来使用AC失超。因为具有多个线圈，所以可以用广泛范围的一个或多个线圈位置来实现提供具有零互感的线圈。通过用AC电流激励失超感应线圈，可以减少所需的无功功率(对初级线圈电流没有任何影响)，而同时在超导线圈中生成AC场。来自AC场的热量将超导线圈驱动为常态，因此引起内部能量释放。不同线圈或线圈组可以具有不同的失超机构，其中，某些线圈具有外部能量释放，并且其他线圈具有内部能量释放。

用于保护的内部能量释放的使用(或者通过使用涡流失超或者通过使用嵌入式加热器)允许低电流运行。低电流的吸引力在于，低温损耗受电流引线支配，并且低电流运行减少了这些低温损耗。

可以由一批液氦或通过到流动氦所冷却的板的传导冷却来使回旋加速器超导线圈(磁场成形线圈51-56和/或磁场屏蔽线圈31-36和41-46)冷却。可以使用超临界氦，因为在回旋加速器11中使用关于重力而改变定向的单相流体是有利的。另一种冷却方法是仅通过传导，而不使用气体或液体，通过直接热耦合至低温冷却器的冷却台。这种方法具有零液体蒸发和消除(或降低)了失超时的内部高压的优点。可替代地，冷却剂的流动所冷却的管道型电缆(CICC)可以用于制造超导线圈。

F)结构优化

在磁场屏蔽线圈31-36和41-46的情况下，磁体之间的支架可以在低温下以避免承载从低温环境到室温的大负荷，这可以通过使用低热传导性带67实现。磁负荷通过低温环境传递，但这些负荷大幅度小于由于暖铁和冷超导线圈之间的磁负荷产生的负荷，如在常规K250回旋加速器的情况中一样。此外，不存在室温铁消除了以下要求：冷到暖的弹性刚度支持由于线圈和铁之间的交互引起的偏移磁不稳定性。在磁场屏蔽线圈31-36和41-46的情况下，带67可以由金属(例如，钢)制成。

冷质量包括整合在线圈结构中并且在将低温超导体(LTS)保持在超导状态下所需的低温下保持的初级线圈12、14、场成形线圈51-56以及磁场屏蔽线圈31-36和41-46。在同步回旋加速器中，这些线圈都是螺线管。在等时性回旋加速器中，场成形线圈64中的某些线圈可以具有不同的形状(例如，螺旋形线圈)用于生成磁场的颤动分量，或者可以被用于颤动分量的冷铁尖65替换，或者可以使用以上的组合，如图15和图16中所示。

如果由LTS制成，则磁场屏蔽线圈31-36可以是冷质量的一部分，或者如果高温超导体(HTS)用于其设计，则可以与辐射屏蔽组合。在任一情况下，初级线圈12、14中的和磁场屏蔽线圈31-36中的电流相反，对机械线圈支架的设计的选择有影响。

具有图17和图18中所示的拉杆66的设计(或与其相似的拉杆)会是最有利的选项。由高强度且低热传导性结构材料制成的拉杆66用于支撑冷质量离开低温恒温器70的外壁。冷质量的上半部和下半部通过刚性结构元件经中平面连接。冷到暖拉杆66被预拉伸并且被定位成使得它们始终承受拉力。磁场屏蔽线圈31-36及其绕线管由带67支撑离开初级线圈12、14与场成形线圈51-56的整合结构。磁场屏蔽线圈31-36的结构的上半部和下半部通过刚性结构元件经中平面连接。由于初级线圈12、14与磁场屏蔽线圈31-36之间的斥力，这些带67提供了磁场屏蔽线圈31-36的轴向和横向稳定性两者。在没有连接带67的情况下，初级线圈12、14与磁场屏蔽线圈31-36的组件形成倾斜自由度不稳定的机械系统；并且其磁轴的小的横向或角度偏移会产生易于翻转磁场屏蔽线圈31-36的力。这些力与偏移成比例并且如果偏移受到系统要求所允许的公差的限制则这些力较小。由于初级线圈12、14与磁场屏蔽线圈31-36之间的斥力引起的带67的张力远远抵消这些小的推翻力。

在所提出的回旋加速器11的另一个实施例中，可以从通过将磁场屏蔽线圈31-36与中间热辐射屏蔽或多个屏蔽整合来使用高温超导体(HTS)中取得优点。例如，由YBCO或稀土钡铜氧化物((REBCO)磁带形成的涂层HTS导体可以直接缠绕并且整合到例如20K到50K之间的温度下的热屏蔽上。热屏蔽将充当磁场屏蔽线圈31-36的支架和充当用于冷却并将磁场屏蔽线圈31-36保持在超导状态下的热质量散热器两者。典型地，热屏蔽由铜和铝制成，这两者都是极好的热导体。这种安排具有改进回旋加速器11的冷却时间的优点，因为该屏蔽可以直接与低温冷却器耦合，因此与热屏蔽同时冷却磁场屏蔽线圈31-36。磁场屏蔽线圈31-36与磁场成形线圈51-56之间的电磁力仍然使用线圈间结构。

在无铁设计中，所有线圈和电磁(EM)力被包含在低温恒温器70内。仅冷质量上的外力由重力和与来自设备或磁体附近的磁化铁的可能磁交互引起，所有这些力通常比线圈之间的内部电磁力小得多。来自设备的磁场包含在可允许的极限内；或者，如果那不可能的话，在回旋加速器11周围安装一个笼子。回旋加速器11磁体的场附近的并且由其引起的铁磁化被其磁屏蔽减轻。

无铁回旋加速器11的磁体内的EM力的牵制较具有室温轭23和杆21的传统设计呈现出显著优点，其中，冷质量被吸引至轭23并且关于实际上所有自由度在机械上不稳定。这些力引起冷质量支架的附加要求，这限制了其绝热效率。

G)模块化系统设计

所提出的无铁和铁减少的回旋加速器11的设计可以是模块化的，在低温恒温器70中包括磁体和束加速子系统，这些子系统包括但不限于束室68、RF空腔、离子源29(见图4)、以及束引出系统。束加速子系统结合到单个盒式模块71中，如图19和图20中所示，该盒模块可以插入到中平面通道68内并且被引用为磁体系统低温恒温器70中的接入端口。

束加速子系统可以包含在低温恒温器70的壁与封闭中平面通道68的真空密封法兰形成的并且在图18中所示的圆柱形轴向孔72透穿处的真空空间内。圆柱形轴向孔72透穿可以包含外部束源或一对用于对低束能量下的弱聚焦所需的场进行成形的附加室温螺线管。

为了方便两种类型的加速离子的切换，两个外部或内部离子源可以沿着回旋加速器11的中心轴28从竖孔72的对端安装。将通过使磁离子源组件轴向地移位来完成离子源之间的切换。由于离子源组件的两端处的波纹管，束真空空间将保持原封不动。可以类似地完成用于束引出的磁凸点组件之间的切换，仅此凸点组件在中平面通道68中径向地移入和移出回旋加速器11。

在其他回旋加速器中使用的但对在此讨论的实施例不是特别有吸引力(因为本设计的各实施例中中平面18周围的大的间隙)的另一个选项是插入到低温恒温器70的中平面通道68内的模块化真空密封盒71(组合了束室、RF空腔、离子源和束引出系统)。此开放空间通道的轴向范围可以大于10cm，这比具有铁轭23和杆21的传统同步回旋加速器中的大得多，其中，开放空间局限于铁指状物24、26所限定的创建适当的场分布所需的小的轴向间隙。本设计的某些实施例可以使用与其他子系统整合在中平面通道68内并且用于进行微调以实现更好的场质量的室温螺线管和铁插入件。在铁垫片的情况下，场定标定律或者不适用或者有某些限制地适用。

具有特别设计并且调谐用于特定粒子和/或束能量的可替换盒的设计可以与根据从一种能量或离子种类到另一种能量或离子种类的可预测的过渡时间来使用。

H)制造相对容易

通常来讲，预期无铁回旋加速器11制造以及运行起来比起常规等效物更容易。

常规回旋加速器的制造的主要不确定性在于，尽管指定了固定材料，但铁轭23和杆21可以在各批次之间并且甚至在每个组件内的不同位置之间具有显著变化。这意味着可能需要单独调整常规回旋加速器的场分布以实现粒子加速所需的分布。这种校正是对解释初级线圈12、14、轭23和杆21的制造公差所需的任何调整的补充。第二，其低温恒温器70内的初级线圈对12、14需要在冷却下来后与保持在室温下的铁轭23和杆21仔细对齐。通常在回旋加速器已经安装在其最终使用位置后执行此对齐过程。

相比之下，因为无铁回旋加速器11中的所有线圈组刚性地互连作为单个低温恒温器冷质量的一部分，所以设想到可以在冷质量被插入到其低温恒温器70内之前在工厂对所需的加速场分布进行绘图和调整，并且将不需要现场对齐过程。仅可能在此过程期间需要校正的场误差将是与线圈组的制造公差相关联的那些公差。

I)讨论

以上描述了一组磁场屏蔽线圈31-36的使用。存在优点和缺点，但磁场屏蔽线圈31-36的使用显著减小了回旋加速器11的重量。

在超导磁场屏蔽线圈31-36的情况下，尽管系统的总重量明显减小，但低温恒温器70的尺寸相比具有铁轭23和杆21的常规等效物的大小大幅度增加。在磁场屏蔽线圈31-36的情况下，低温恒温器70围绕着初级线圈12、14和磁场屏蔽线圈31-36。当使用超导场成形线圈51-56时，低温恒温器70还围合住磁场成形线圈51-56。低温恒温器70可以由磁性材料制成(例如，铁)；但针对重量最小化，优选方法可以是使用铝低温恒温器。为了避免与铝低温恒温器的使用相关的结构担忧，可以通过使用具有覆盖层的铝低温恒温器来解决结构要求。覆盖层可以由铁或不锈钢形成。铁对磁场屏蔽的影响极小。

无铁(或铁减少的)设计对高场、紧凑式回旋加速器特别有吸引力，因为铁将以其他方式在这些装置中饱和。然而，该概念还可以对用于减小重量的低场回旋加速器有用(如果不减小回旋加速器的尺寸话)。

因为由于无铁或铁减少的概念的使用改进了中平面入口和支架，可以容易地改变回旋加速器11的内构件，包括放置/修改内靶、修改束加速结构、改变束检测器、改变束引出半径和能量等。

本申请与目前现有技术水平相比提供了显著优点。除了上述优点以外，磁场屏蔽线圈31-36的使用所促成的中平面18周围的大间隙允许通过连接低温恒温器70的上半部和下半部的立柱之间的窗口容易进入此区域，从而允许容易径向维护室、离子源、和加速结构。具体地，束室可以针对不同的引出半径和束能量被制成可替换的和模块化的(例如，通过结合到可交换的盒71内)。

在描述本发明实施例的过程中，为了清晰性，使用了特定的术语。为了描述的目的，特定的术语旨在至少包括技术的和功能等效物，这些等效物以相似的方式操作从而实现相似的结果。另外，在某些情况中，本发明的具体实施例包含多个系统元素或方法步骤，这些元素或步骤可以被替换为单个元素或步骤；同样，单个元素或步骤可以被替换为多个元素或步骤，其目的是相同的。进一步地，当针对本发明的实施例，在此指定了各特性和其他值的参数时，除非另外指明，否则那些参数或值可以被上调或下调1/100、1/50、1/20、1/10、1/5、1/3、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10、19/20、49/50、99/100等(或者上调1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100等的因数)或者其四舍五入近似值。此外，尽管已经参照其具体实施例示出和描述了本发明，本领域的技术人员将会理解，可以做出形式和细节上的不同的替换和改变，而不背离本发明的范围。仍进一步地，其他方面、功能和优点同样在本发明的范围内；并且本发明的所有实施例不需要必须地获得所有这些优点或具有所有这些上述的特征。另外，在此讨论的与一个实施例有关的步骤、元素和特征可以同样连同其他实施例被使用。包括参考文本、期刊文章、专利、专利申请书等且贯穿本文被引用的参考文档的内容通过引用以其全文结合在此；并且来自这些参考文档的适当的组件、步骤、和特征可以包含在或不包含在本发明的实施例中。仍进一步地，在背景部分标识的这些部件和步骤与本公开是一体的，并且可以与这些部件或步骤结合使用或替代使用，这些部件和步骤在本公开的别处描述，在本发明的范围之内。在方法权利要求中，以特定的顺序直接引用一些阶段(增加或不增加有序的引语符号以方便参考)，这些阶段并不是作为被暂时地受限于它们被直接引用的次序而被理解的，除非另有说明或被这些术语和语法措辞所隐含。

Claims

1.一种用于在离子加速过程中使回旋加速器的磁场成形的方法，该方法包括：

使电流传递通过第一超导初级线圈和第二超导初级线圈，其中，每个超导初级线圈围绕一条中心轴对称地定中心，在与该中心轴垂直相交的一个中平面的每一侧上有一个超导初级线圈，其中，该电流以与电流传递通过该第二超导初级线圈的方向相同的方向传递通过该第一超导初级线圈；

使电流传递通过至少一个第一磁场屏蔽线圈和一个第二磁场屏蔽线圈，其中，该第一磁场屏蔽线圈与该第一超导初级线圈在该中平面的同一侧上并且在该第一超导初级线圈的外半径以外，其中，该第二磁场屏蔽线圈与该第二超导初级线圈在该中平面的同一侧上并且在该第二超导初级线圈的外半径以外，其中，电流以一个与电流传递通过这些超导初级线圈的方向相反的方向传递通过该第一磁场屏蔽线圈和第二磁场屏蔽线圈，并且其中，使电流传递通过这些磁场屏蔽线圈生成一个抵消磁场，该抵消磁场使在距离该中心轴超过这些磁场屏蔽线圈的半径处的磁场减小；

将来自一个离子源的一个离子释放到最接近该中心轴的该中平面内并且通过至少部分地由这些超导初级线圈生成的一个磁场以一个从该中心轴向外扩展的轨道轨迹使该离子加速；以及

使用至少一个第一超导磁场成形线圈和一个第二超导磁场成形线圈对该中平面中的该磁场进行成形，其中，该第一超导磁场成形线圈和第二超导磁场成形线圈定位在比这些超导初级线圈距离该中心轴更短的半径处。

2.如权利要求1所述的方法，其中，该回旋加速器在这些超导初级线圈周围缺少一个连续轭和杆结构。

3.如权利要求2所述的方法，其中，该中平面中的该磁场由一个磁场生成结构生成，该磁场生成结构基本上由这些超导初级线圈、这些超导磁场成形线圈以及这些磁场屏蔽线圈组成。

4.如权利要求2所述的方法，进一步包括通过改变传递通过这些超导初级线圈和通过这些磁场屏蔽线圈的电流量来改变在该中平面中所生成的该磁场同时保持磁屏蔽，并且通过按比例改变这些超导初级线圈中的、这些超导磁场成形线圈中的以及这些磁场屏蔽线圈中的电流来保持该中平面中的磁场分布，从而使得该磁场的幅度改变但该磁场的归一化梯度保持不变。

5.如权利要求4所述的方法，进一步包括从该回旋加速器引出具有一个最终能量的离子，其中，所引出的离子的最终能量随着该磁场的变化而变化。

6.如权利要求1所述的方法，其中，该回旋加速器是同步回旋加速器。

7.如权利要求1所述的方法，其中，该回旋加速器具有小于5,000kg的质量。

8.如权利要求1所述的方法，其中，该中平面中在小于这些超导初级线圈的内半径的半径处所生成的磁场大于5特斯拉。

9.如权利要求1所述的方法，其中，在这些超导初级线圈的外半径以外大于1米的半径处生成的磁场被这些磁场屏蔽线圈减少到小于0.001特斯拉。

10.如权利要求1所述的方法，其中，在该回旋加速器中具有不同质量的不同离子被加速并且针对这些不同离子生成不同幅值的磁场。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括在这些不同离子的加速之间替换一个包括该离子源、多个射频电极、一个束室和一个束引出系统的束加速模块。

12.如权利要求1所述的方法，其中，这些磁场屏蔽线圈中的至少某些定位在距离该中心轴大于这些超导初级线圈的半径1.5倍的一个半径处。

13.如权利要求1所述的方法，其中，一个基本上由这些磁场屏蔽线圈组成的磁场屏蔽结构提供了对这些超导初级线圈在距离该中心轴超过这些超导初级线圈的半径处所生成的磁场的屏蔽。

14.如权利要求13所述的方法，其中，这些磁场屏蔽线圈是超导的。

15.一种具有磁场成形的紧凑式回旋加速器，包括：

第一超导初级线圈和第二超导初级线圈，其中，每个超导初级线圈围绕一条中心轴定中心，在与该中心轴垂直相交的一个中平面的每一侧上有一个超导初级线圈；

一个电流源，其与该第一超导初级线圈和第二超导初级线圈电耦合并且被配置成用于引导电流在同一方向上通过该第一超导初级线圈和第二超导初级线圈；

至少一个第一磁场屏蔽线圈和一个第二磁场屏蔽线圈，其围绕该中心轴定中心并且位于距离该中心轴超过这些超导初级线圈的半径的半径处，其中，该第一磁场屏蔽线圈与该第一超导初级线圈定位在该中平面的同一侧上，其中，该第二磁场屏蔽线圈与该第二超导初级线圈定位在该中平面的同一侧上，其中，该电流源与该第一磁场屏蔽线圈和第二磁场屏蔽线圈电耦合并且被配置成用于以与电流传递通过这些超导初级线圈的方向相反的一个方向引导该电流通过该第一磁场屏蔽线圈和第二磁场屏蔽线圈；

一个离子源，其被定位成用于将一个离子释放在该中平面中以便向外轨道加速；以及

至少一个第一超导磁场成形线圈和一个第二超导磁场成形线圈，其中，该第一超导磁场成形线圈和第二超导磁场成形线圈定位在比这些超导初级线圈距离该中心轴更短的半径处。

16.如权利要求15所述的回旋加速器，其中，该回旋加速器是一个同步回旋加速器。

17.如权利要求16所述的回旋加速器，其中，该同步回旋加速器包括一个磁场生成结构，该磁场生成结构基本上由这些超导初级线圈、这些超导磁场成形线圈以及这些磁场屏蔽线圈组成。

18.如权利要求15所述的回旋加速器，其中，该回旋加速器是一个生成一个方位固定磁场和一个方位可变磁场的等时性回旋加速器。

19.如权利要求18所述的回旋加速器，其中，该等时性回旋加速器包括一个用于生成该方位固定磁场的磁场生成结构，该磁场生成结构基本上由这些超导初级线圈、这些超导磁场成形线圈以及这些磁场屏蔽线圈组成。

20.如权利要求19所述的回旋加速器，其中，该等时性回旋加速器包括一个用于生成该方位可变磁场的磁场生成结构，该磁场生成结构基本上由螺旋导电线圈绕组的扇区组成。

21.如权利要求19所述的回旋加速器，其中，该等时性回旋加速器包括一个磁场生成结构，该磁场生成结构用于生成该方位可变磁场。

22.如权利要求15所述的回旋加速器，其中，这些磁场屏蔽线圈是超导的。

23.如权利要求15所述的回旋加速器，进一步包括：

一个射频加速器系统，其被定位成并且被配置成用于在该中平面中生成一个射频交流电磁场以便在该回旋加速器中使一个轨道离子加速；以及

一个引出系统，其被定位成并且被配置成用于从该回旋加速器引出该轨道离子。