CN106298405B - 激光驱动离子束的激光激活磁场操纵 - Google Patents

Abstract

公开了用于产生带电粒子的脉冲的系统，其包括发射激光脉冲的高强度脉冲激光器，激光脉冲当撞击目标时，产生带电粒子的脉冲。粒子穿过由包括光激活开关的低电感电流馈电器通电的电磁体，以接通和断开通电电流。激光脉冲的光的部分被引导到光激活开关上，使得磁场与带电粒子的所产生的脉冲光学地同步。这使只在脉冲通过期间使磁体通电变得可能，使得它比使用CW电磁体的现有技术系统更轻和更能量有效。同步还通过对磁场的激活定时来使得其偏转到只有具有预定能量范围的粒子的选定波束路径中，从而实现具有预定范围的粒子能量的带电粒子的选择。

Description

激光驱动离子束的激光激活磁场操纵

本申请是申请日为2013年1月31日，名称为“激光驱动离子束的激光激活磁场操纵”，申请号为201380012167.3的发明专利申请的分案申请。

发明领域

本发明涉及激光驱动快离子和带电粒子束操纵(尤其是使用激光激活磁场)的领域。

发明背景

快离子束对各种应用——包括放射性同位素的产生、中子产生、射线照相术、聚变和各种形式的放射疗法——是有益的。快离子束一般在各种配置的加速器例如回旋加速器或同步加速器中产生。加速器是运行和维护起来昂贵的相对大和费钱的机器。

能够提供极高强度和电场的极短脉冲激光器的发展刺激在使物质暴露于激光电场以从其产生快离子中的研究。在基于激光的加速器中，高强度激光束聚焦在包含被加速的离子的元素的目标上，激光器与目标交互作用，使它离子化并使离子加速。很多论文和专利文件描述了使用激光器来提供相对廉价的快离子源的这样的方法。例如，T.Tajima的“Laser driven ion accelerator”的US 6906338描述了使用被聚焦到在大约10¹⁸到10²³W/cm²之间的能量密度以产生可用于医疗目的的高通量的高能离子(例如质子)的“具有在大约1到500飞秒(fs)之间的脉冲长度”的激光脉冲。脉冲贯注于与各种设计的目标交互作用，并提供辐射分量，其“包括不同种类的离子(例如质子)、x射线、电子、脉冲102的残余部分以及不同的能量分量(例如在某个能带或窗口内的MeV、10's MeV和100's MeV)”。本申请的一些发明人的国际专利申请No.WO 2010/070648“A System for Fast Ions Generation anda Method Thereof”描述了用于产生快离子束的系统和方法。系统包括：目标基底，其具有图案化表面，图案包括实质上均匀地沿着公共轴定向的纳米级图案特征；以及光束单元，其适合于接收高功率相干电磁辐射束并将它聚焦到目标基底的所述图案化表面上以引起在所述辐射束和所述基底之间的交互作用，实现快离子的产生。在WO 2010/070648的背景和一般描述章节中引用了其它论文。

一旦产生快离子的这样的高能波束，就必须从它选择要使用那些离子执行的处置所需的期望能量范围的离子，并且也使波束指向由波束处置的体积。波束可被聚焦并通过磁场的使用来引导，但由于使高能离子束转向(divert)所需的非常高的磁场，常规电磁体非常重、昂贵并需要相当多的能量，以便产生所需的场。

因此需要用于产生在引导高能离子束并使高能离子束成形时使用的高磁场并用于波束能量范围选择的系统和方法，该系统和方法克服了现有系统和方法的至少一些缺点。

在本章节中和说明书的其它章节中提到的每个公布物的公开特此通过引用被全部并入。

发明内容

本公开描述了用于产生高能带电粒子的脉冲流并用于使用与带电粒子的脉冲同步的脉冲磁场通过光耦合在空间上和在能量方面操纵那些带电粒子的新的示例性系统。这在本公开中被称为“光学同步”。在这样的系统中，可通过使高强度脉冲激光束撞击到适当的目标上来产生带电粒子的脉冲。因为带电粒子的这些脉冲的时间长度小于1皮秒，连续通电的电磁体的使用是不利的，在能量上是非常低效的。为了利用带电粒子脉冲的时间特征，粒子穿过由包括光激活开关的电流馈电器供电的电磁体，以使供电电流与激光脉冲光学同步地并因此与带电粒子脉冲同步地接通和断开。电磁体和电流馈电器都应具有非常低的电感，使得磁场可以在短至纳秒或数百或甚至数十皮秒的时间内以高速切换。电流馈电器可有利地被构造在传输线(例如带状线)中，电磁体本身是单匝、在带状线的端部上的短路线或在接近在带状线的端部上的短路线的带状导体之间的电介质上的孔。激光脉冲的光的部分例如通过使用分束器而分离，并被引导到光激活开关上，使得磁场可与激光脉冲同步地并因此与带电粒子的所产生的脉冲同步地接通和断开。因为用于产生脉冲磁场的电磁体需要仅在带电粒子通过期间被通电，平均功率耗散很低，使得本申请的系统实质上比使用可能需要连续地或至少在实质上比脉冲长度更长的时间期间保持被通电的电磁体的现有系统更小、更轻和更有能量效率。

同步化通过磁场的定时激活而实现对具有预定范围的粒子能量的带电粒子的选择，使得它在穿过场的脉冲粒子的飞行时间期间被操作以仅使具有所需能量范围的粒子转向到选定束路径中。这可通过在具有期望能量范围的带电粒子的脉冲的那部分的通过的持续时间期间施加磁场或通过在粒子的期望能量范围开始时施加第一磁场以使脉冲转向并在粒子的期望能量范围结束时施加具有相等但相反方向的强度的第二磁场以停止脉冲的转向来实现。这个实施方式使更准确的能量选择能够实现，如在下文中将进一步详述的。

因此根据在本公开中描述的设备的示例性实施方式提供了用于产生带电粒子的脉冲的系统，其包括：

(i)脉冲激光源，其发射激光脉冲，

(ii)目标，其适合于在被激光脉冲撞击时产生带电粒子的脉冲，

(iii)电流馈电组件，其适合于将电流供应到至少一个电磁体，所述电磁体定位成使得它的磁场指向带电粒子的至少一个脉冲的至少部分，电流馈电组件包括光激活开关，当光照落在光激活开关上时，光激活开关使电流能够流到至少一个电磁体，以及

(iv)控制系统，其适合于将从激光脉冲得到的光照引导到光激活开关上，使得电磁体与带电粒子的脉冲的产生同步地被通电。

在这样的系统中，电流馈电组件可包括带状线，带状线包括由介电材料隔开的一对平行布置的导体带。此外，电磁体可包括连接到电流馈电组件的单个回路或在电流馈电组件的端部处的短路线或在接近在电流馈电组件的端部处的短路线的介电材料中形成的孔。

额外的实施方式可包括如上所述的系统，其中磁场适合于通过下列操作中的任一个引导带电粒子的至少一个脉冲的至少部分：扫描、偏转(deflect)或操纵带电粒子束。

带电粒子的至少一个脉冲的至少部分可包括至少一个脉冲的全部，或它可以是具有粒子能量的预选范围的一部分。在后一情况下，控制系统应配置成只在具有预选范围的粒子能量的至少一个脉冲的至少一部分横穿电磁体时将从激光脉冲得到的光照引导到光激活开关上。此外，电磁体应位于离目标一段距离处，使得在至少一个脉冲中的粒子的能量分散是足以使得可通过电流馈电组件和至少一个电磁体的响应时间来在时间上(temporally)分解预选范围的粒子能量。

最后，在上述系统中的任一个中，控制系统可包括适合于控制从激光脉冲得到的光照施加到光激活开关时的时间的光延迟元件。

另一示例性实施方式可涉及产生带电粒子的脉冲的方法，其包括：

(i)将激光脉冲投影到适合于在被激光脉冲撞击时产生带电粒子的脉冲的目标上，

(ii)借助于由电流通电的电磁体产生脉冲磁场，电磁体定位成引导带电粒子的至少一个脉冲的至少部分，

(iii)借助于光激活开关来切换电流，以及

(iv)使用从激光脉冲得到的光来照射光激活开关，使得脉冲磁场与带电粒子的脉冲的产生同步地被启动。

在这样的方法中，带电粒子的至少一个脉冲的至少部分的引导可包括下列操作中的任一个：扫描、转向或操纵带电粒子束。此外，脉冲磁场可被激活来引导带电粒子的至少一个脉冲的全部，或它可被激活来引导带电粒子的至少一个脉冲的至少一部分。在后一情况下，带电粒子的至少一个脉冲的至少一部分可以是具有预选范围的粒子能量的一部分，且脉冲磁场可接着将具有预选范围的粒子能量的粒子引导远离在至少一个脉冲中的其它粒子。在这些方法中的任一个中，脉冲磁场应在预定的至少一个激光脉冲的那部分期间被激活，使得脉冲磁场使至少一个脉冲中的具有预选范围的粒子能量的部分转向。

又一些其它示例性实施方式涉及通过在目标上的激光脉冲的撞击而产生的带电粒子的脉冲的能量选择系统，该系统包括：

(i)电流源，其包括由来自激光脉冲的光激活的光激活开关，

(ii)由电流源馈电的至少一个电磁体，产生与激光脉冲同步地可切换的磁场，至少一个电磁体布置成使得当被通电时，使带电粒子从其原始路径转向，以及

(iii)控制系统，其配置成在适合于使带电粒子的脉冲的该部分转向的预定时间段期间激活磁场，带电粒子的脉冲的该部分包括待选择的能量范围的粒子。

在这样的能量选择系统中，至少一个电磁体应布置在离目标一段距离处，使得在至少一个脉冲中的粒子的能量分散是足以使得待选择的能量范围的粒子可在时间上被控制系统分解。

在这些系统的任一个中，控制系统可配置成从预定时间段开始到预定时间段结束来激活至少一个电磁体，使得预定时间段由磁场的存在来限定。在这些系统的任一个中，控制系统可包括光可变延迟线。

又一些其它实施方式执行从由激光脉冲在目标上的撞击产生的带电粒子的脉冲选择具有预定能量范围的带电粒子的方式，该方法包括：

(i)将来自光学地切换的源的电流提供到产生磁场的至少一个电磁体，该磁场布置成使得当被激活时，使带电粒子从其原始路径转向，以及

(ii)在预定时间段期间与激光脉冲同步地切换至少一个磁场，使得包括待选择的能量范围的粒子的带电粒子的脉冲的该部分被至少一个磁场转向。

在这个方法中，磁场应布置在离目标一段距离处，使得在至少一个脉冲中的粒子的能量分散是足以使得待选择的能量范围的粒子可在时间上被分解。此外，至少一个磁场可从预定时间段开始到预定时间段结束被激活。在这些方法中的任一个中，可通过可变光延迟线的使用来选择预定时间段。

一种用于从带电粒子的脉冲选择具有预定能量范围的带电粒子的可选的能量选择系统可包括：

(i)第一和第二电磁体，每个电磁体产生与激光脉冲同步可切换的磁场，第一和第二电磁体布置成相互接近且布置在使得当被通电时使带电粒子从其原始路径转向的位置上，以及

(ii)控制系统，其配置成在当在能量的范围的一端处的粒子横穿第一电磁体时的时间激活第一电磁体以产生第一预定磁场，并在当在能量的范围的另一端处的粒子横穿第二电磁体时的时间激活第二电磁体以产生具有与第一预定磁场相同的强度但相反的符号的磁场。在这样的系统中，可以可选地通过激光脉冲在目标上的撞击产生带电粒子的脉冲，且可通过对到电磁体的电流的光学控制来切换磁场。

最后，从带电粒子的脉冲选择具有预定能量范围的带电粒子的可选方法可包括：

(i)给第一和第二电磁体供电，第一和第二电磁体布置成相互接近且在使得当被通电时使带电粒子从其原始路径转向的位置上，

(ii)在当在能量的范围的一端处的粒子横穿第一磁场时的时间激活第一磁场，以及

(iii)在当在能量的范围的另一端处的粒子横穿第二磁场时的时间激活第二磁场，

其中第一和第二磁场具有本质上相等的强度但相反的符号。在这个方法中，可以可选地通过激光脉冲在目标上的撞击产生带电粒子的脉冲，且可通过对激活第一和第二磁场的电流的光学控制来切换磁场。

虽然在本公开中描述的示例性系统和方法特别涉及基于激光的粒子加速器且针对在放射疗法(特别是通过质子流)中的应用，应理解，这些实施方式并不旨在限制这样的系统和方法，以及其它源和其它使用也旨在由本公开涵盖。

附图说明

从结合附图做出的下面的详细描述中将更充分地理解和认识到本发明，其中：

图1示意性示出现有技术的基于激光的高能束产生系统；

图2示意性示出以包括光激活开关的平行带配置的形式的电流馈电系统，其在提供用于产生短脉冲高磁场的电流脉冲时使用；

图3和4示出使使用图2的电流馈电器产生的高电流脉冲能够产生期望磁场脉冲的可选电磁体；

图5和6示意性示出方法，图3和4的电磁体中的电流密度可通过所述方法增加，高于在带状线馈电器和光激活开关中流动的电流；

图7示意性示出包括与激光脉冲的脉冲磁场的同步的激光激励的带电粒子生成系统；

图8以图形形式示意性示出磁场同步可如何在新颖的能量选择系统中被使用；

图9示意性示出用于实现图8所示的粒子能量选择方法的激光激励的带电粒子生成系统；

图10示出使用磁场同步来选择粒子能量的可选方法，其中磁场脉冲的前沿用于限定由设备选择的质子能量扩展度；

图11示意性示出如实际上由磁场实现的图10的质子选择过程；以及

图12是对于图10和11的能量选择系统实施方式的外加磁场与时间的关系的时间曲线。

详细描述

现在参考图1，其示意性示出例如在上面提到的US 6906338中描述的现有技术的基于激光的高能波束产生系统。极短脉冲高峰值功率激光器10将穿过波束操纵系统12的激光的脉冲11引导到目标13上，目标13被选择成产生高能离子化粒子15的流，其可包含具有不同类型的粒子并具有不同能量的频谱。借助于一个或多个磁体16来选择特定类型的粒子和所期望的能量，磁体16使在波束17中所需的特定高能粒子朝着处置区域14转向，同时允许不需要的粒子和能量被吸收在波束收集器18中。额外的磁体或磁体19可用于将波束聚焦在目标区域14上，其中它可用于肿瘤的处置或其它医学或工业应用。此外，可使用未在图1中示出的波束缝、偏振器、准直仪和其它波束操纵部件。在这样的现有技术系统中，磁体16、19通常是具有铜线圈的电磁体。这样的电磁体是大的、昂贵的和耗能的。

现在参考图2，其示意性示出以包括光激活开关21的平行带配置的形式的电流馈电系统20，用于提供用于产生短脉冲高磁场的电流脉冲。如将在下文中所示的，将在本公开的示例性系统和方法中使用这样的短脉冲磁场，以便为激光激励的快离子或其它带电粒子束发生器提供有效的波束操纵。馈电系统包括间隔开一段距离d的一对低电感导体22，且每个导体具有宽度A。电源在端子23处被施加，且线由在其远端24处的匹配阻抗R_L终止。介电材料24布置在带之间以实现较高输入电压23的施加，而没有击穿的危险。光激活开关21可以是硅光电导半导体开关(PCSS)，如在本领域中已知的，例如在G.Mourou的本文引用的US4301362“Light activated solid state switch”中和在P.G.McMullin的US 4186409“Light activated silicon switch”中描述的。当由具有至少高达在设备中使用的半导体的带隙能量的光子能量的具有适当波长的激光照亮时，这样的PCSS可用于在一般具有纳秒数量级的非常短的时间间隔中切换高电压(高达100kV的数量级)和高电流(高达几kA)。

现在参考图3，其示出一种方法，高电流脉冲可通过该方法用于产生期望磁场脉冲。电流回路31用作电流馈电系统20的终止端。通过选择电流回路31的适当几何结构，非常高的磁场脉冲可在回路31内产生。

现在参考图4，其示出另一种方法，高电流脉冲可通过该方法用于产生期望磁场脉冲。在图3中，带状线电流馈电器终止于短路41处，且期望磁场脉冲在带状线的高介电材料中钻出的孔42内产生。这样的配置通常具有比图2的配置更有限的体积，但可达到的磁场可能更高。

图3和4被理解为仅仅两个可能的几何实施方式，可通过所述几何实施方式从高电流脉冲产生高磁场脉冲，且并不旨在以任何方式限制本公开。可同样很好地使用任何可选的磁场产生几何结构。此外，这些选项可通过将两个这样的磁体定位成产生偶极子场、四个这样的磁体产生四极子或任何其它期望的场结构来扩展。

现在如果通常提供10kV和10kV的这样的带状线电流源在CW处被操作，则所需的功率将非常高，达到100kW。这样的电磁体由于所涉及的铜的数量而非常昂贵，且非常重和体积大。然而通过操作该源作为具有低到中等重复率(1-10000Hz)和纳米数量级的脉冲宽度(使用当前可用的PCSS，所有这些是可能的)的脉冲源，可使用可接受的低的平均功率耗散得到脉冲磁场。

作为例子，在1kHz重复率下，使用V＝10kV和I＝10kA，只需要1千瓦的平均功率来提供具有10纳秒持续时间的磁场脉冲。

现在参考图5和6，其示意性示出实际方法，可通过该实际方法将所需电流有效地传送到小电磁体线圈。图5是图3所示的回路布置的顶视图，而图6是图4所示的钻孔布置的顶视图。在待产生磁场的区域，带宽度A减小，使得电流密度增加。这个增加与宽度减小的比率成反比。这个宽度减小在图5中的位置51上和图6中的位置61上示出。其它项目具有与前面附图中相同的轮廓。这个几何结构是有利的，因为它允许使用大区域带状线，具有伴随的较低电流密度和电感，同时产生在适当地小的体积中的用于操纵带电粒子束的磁场。

现在参考图7，其示意性示出激光激励的带电粒子生成系统，其中具有激光脉冲的脉冲磁场的同步实现能量的相当大的节约和减小的系统体积。

带电粒子(例如质子)被产生并当它辐射在适当的目标(例如箔、气体喷嘴、纳米结构材料)上时在高强度激光的聚焦区处被加速。激光器可以是在兆瓦或甚至千兆瓦范围内的高峰值功率激光器，其一般可以是CO₂、Ti:蓝宝石、Nd:玻璃激光器或这些激光器的组合。通常这样的质子脉冲具有完全在纳秒之下的时间宽度，取决于加速激光脉冲的脉冲持续时间。虽然图7的示例性系统可用于多种不同类型的带电粒子或离子的产生，将在下文中从质子束产生方面来描述系统及其不同的方面，虽然应理解，这并不旨在以任何方式限制本申请。

在上文中在图2到6中所示的高电流源的使用使极短脉冲磁场能够产生。因为通过光学启动PCSS部件的打开来确定磁场的定时，从激光脉冲提取的激活光信号的使用使磁场脉冲能够容易与激光所产生的带电粒子的脉冲同步。在图7中，来自脉冲激光器70的脉冲光束被显示为射在分束器71上，分束器71将脉冲光束的一部分反射到可选地包括受控延迟线74的光路中，这可通过使用自由空间传播或在光纤中的传播来实现。这个波束被称为门控波束，并用于选通在脉冲磁场发生器中的PCSS光激活开关77。这个场发生器在图7中被示为具有低电感线圈76的类型。同时主脉冲激光束继续到交互作用室72，其中高能带电粒子流被产生用于由在线圈76中产生的脉冲磁场操纵。在操纵或能量选择之后，带电粒子束被引导到处置区域73。除了分束器以外，其它选项可用于提供磁场同步脉冲，例如分离泵浦激光器之一、使用来自压缩机的未使用的反射(来自光栅的零阶反射)、使用从谐波发生器留下的基频等。此外应注意，这样的脉冲磁场也可与由其它装置(例如同步加速器、回旋加速器、同步-回旋加速器等)产生的带电粒子脉冲串同步。

为了用于实际应用，通过高强度激光器或任何其它方法加速的带电粒子需要朝着期望应用区域被聚集、聚焦和/或准直并转向。在例如放射疗法中，期望应用区域是待处置的肿瘤部位。在一些情况中，带电粒子束可甚至需要对准在肿瘤内并借助于被称为笔形波束扫描的方法扫描的特定区段，其中窄质子束在逐个像素“画出”的肿瘤体积内部被操纵。

而且，很多有疗效的处置需要具有特定的能量频谱的质子。如果所产生的质子束的能量频谱对于特定处置的要求不足够窄，则需要通过经由能量选择系统(ESS)传送来从初始波束提取期望能量的质子，能量选择系统(ESS)可构成某种类型的磁性分析器或某个其它配置。

现在参考图8，其以图形形式示意性示出磁场同步可如何在新颖的能量选择系统中被使用。在图8中，示出了在沿着路径Z从在目标处的生成点传播的质子束80中的质子的强度的示意图。因为这是传播质子的“快照”，它也可被考虑为显示在沿着其传播路径的预定点处的质子的强度的时间曲线图。质子本质上都同时从目标开始其飞行，与激光的脉冲长度相称。因为不同能量的质子以不同的速度传播，将有沿着质子传播的路径的空间分散，且不同能量的质子将到达在不同的时间将磁场应用于波束所在的区域。这在图8的底部图形中被看到，其中传播质子80的束被标记有通过其路径z中的预定点的时间t。质子能量从在时间t₃通过预定点的在束的前面的最快质子扩展到在时间t₁通过预定点的在束的末尾处的最慢质子。

借助于高强度激光在目标上的撞击产生的质子的能量扩展非常大，一般从最大能量的10％延伸到100％。由于对磁场相对于生成时间点和因此还有质子束的飞行时间的确切应用进行定时的能力，通过在预先选择的时间t₂开启磁场，只有在t₂具有期望能量的质子被磁场影响，朝着处置区域转向，同时所有更快和更慢的质子继续不受影响。这在图8的上部轨迹中示出，其中质子能量的窄带82被选择用在处置区域中。一般，在离发端目标的范围从1-5m的距离处，在10-200psec的时间期间磁场的脉冲的施加将导致所发射的能量的总范围的百分之几的质子能量的选择的分辨率。这样的方法作为独立偏转器或与磁性分析器/2B/4B/或其它系统平行可因此用作能量选择系统(ESS)。因为可以以非常高的精确度——一般好于1皮秒——控制在质子脉冲和磁性脉冲之间的延迟，且磁性脉冲的上升时间也非常快，所以这个系统实现对仅仅具有期望能量的那些质子的操纵的选择。

现在参考图9，其示意性示出激光激励的带电粒子产生系统，其类似于图7所示的系统，但其中按照图8所示的方法在能量选择系统中使用与激光脉冲同步的脉冲磁场。通常指定与图7的部件共同的系统的各种部件。在图8的实现中，使用一对电磁体线圈91、92，其布置成使得粒子束95在垂直于在线圈91、92之间产生的磁场的方向上通过。在这个几何结构中，当光激活开关93、94闭合时，波束路径95由磁场偏转到方向96，其中偏转方向由磁场的水平和粒子能量确定。开关93、94的闭合的定时由可调节延迟线74的控制系统调节，使得偏转磁场91、92在带电粒子的能量分散束通过期间在确切的时间位置处工作，使得期望能量的粒子偏转到输出波束96中，用于应用在处置区域中。可允许未选择的粒子进入位于未转向的波束95的方向上的波束收集器。

然而，由于两个主要原因，图8和9所示的简单配置可能不是能量选择的最有效的方式。首先，由于所涉及的极短切换时间以及低电感电磁体和带状线电流馈电电路的谐振性质，虽然磁场脉冲的接通时间可能非常短，具有下至几皮秒的上升时间，但是可能更难以在质子束横穿场期间在所需时期末尾处断开电流。由于电路的谐振性质且由于从带状线回到磁体线圈的反射，存在振荡电流在光激活开关的切断之后继续流动的趋势。

此外，对至少用在质子束上的图8和9的方法的实现存在实际问题。一般能量用于肿瘤的处置，这是这样的质子束的一般用途，对于从5到32cm的一般使用的身体组织穿透水平，范围从大约70到230MeV。然而，在能量的这个范围内的质子的速度非常高，对于230Mev质子达到光速的大约三分之二。最佳地需要1MeV的最低能量范围分辨率，以便例如执行肿瘤的逐个切片扫描，一般几毫米的每个切片需要几MeV的增量来克服增加的吸收深度。然而，为了在空间上足够分散这个能量范围的质子束，以便能够选择具有在这个方法中可实现的磁性脉冲宽度的1MeV的数量级的能量范围，必须允许束从源目标行进至少几米的距离。这样的长距离是不实际的，并使整个安装变得难处理。由于这些限制，能量选择的更有效的方式将是有用的。

因为磁场的上升时间可能短至几皮秒的数量级，使用磁场同步来选择能量的更有效的方法在图10中示出，其中磁场脉冲的前沿用于限定由设备选择的质子能量扩展。在这个配置中，质子被选择时的时间点由第一磁体中的磁场在期望开始在选定能带中的质子的操纵时的时刻的应用，接着是在相反方向上的第二磁体中的磁场在期望终止在选定能带的另一端的质子的操纵时的时刻的应用来限定。在图10中，具有范围从束的末尾的最慢质子101到束的头部的最快质子102的质子能量的分散范围的质子束100被显示为沿着其路径z移动。期望质子能带由分散质子束的带括号部分103表示。一般具有上面描述的类型的两个高速磁体线圈105、106位于质子能量的选择点处，第二线圈106接近第一线圈105且横向偏离第一线圈。

现在参考图11，其示出如在磁体105和106中的磁场实现的质子选择过程。当没有磁场被施加时，质子束沿着其原始路径z继续，如最快质子112所示的。在第一磁体105中的场被施加的时刻，来自该时间点的质子沿着路径Z_θ以角度θ从其原始轨迹z转向。当质子的期望能量频谱的选择完成时，第二磁场施加到线圈106，第二场具有与第一场相同的场强但相反的符号，使得它抵消来自线圈105的第一磁场。在质子束上操作的净磁场因此本质上返回到零，且从该时间点向前，由质子组111表示的质子在其原始未转向的路径z上继续。一旦这个选择过程完成，两个磁场可被允许落到零。角度和时间选择的这种形式的优点是，可依赖于磁场的非常快的上升时间，其可通过电流馈电器和场生成几何结构例如在上文中在图2到6中所示的那些几何结构的使用来实现。因此，初始波束转向时间可被确定为在第一场上升时间的几皮秒内，且波束转向的结束也可被确定为在第二场上升时间的几皮秒内。可以比在上文中在图8所示的系统中的接近得多地控制这样选择的能量的范围。

现在参考图12，其为对于图10和11的ESS实施方式的外加磁场与时间的关系的时间曲线。正迹线120示出上升到+B₀的场强的第一场，在该水平处，质子从其原始轨迹指向角θ。第一场+B₀在时间t₁被施加，且这个场的上升时间由时段t₂-t₁给出。负迹线121示出在时间t₃被施加的第二场-B₀，且这个场的上升时间由时段t₄-t₃给出。时间ΔΤ(在其期间，净场+B₀施加到分散质子束)因此由下式给出：

ΔΤ＝t₃-t₂ (1)

如前面提到的，因为场的上升时间可产生得这么快，一般在几百皮秒的脉冲选择时间中的几皮秒，

t₂-t₁＝t₄-t₃＜＜ΔT (2)

应注意，场不需要在其落到零时同步，因为除了水平+B₀以外的任何净场将不导致质子束从其原始轨迹在其期望角度θ下被引导，该角度是具有所需能量的质子被选择用在处置区域中时的角度。

使用例如回旋加速器的现有技术系统的一个缺点是它们产生高水平的中子。每当高于大约10MeV的激活水平的能量的快质子束击中目标时，中子产生。在这样的现有技术系统中，通过使用插入波束中的双楔以吸收质子来控制回旋加速器的能量。如在上文中在图8到12中描述的在本公开中所示的飞行时间能量选择配置的一般优点是，它们导致比这样的现有技术回旋加速器系统实质上更低水平的中子生成。在当前描述的配置中，未选择的质子都沿着单个路径被引导，其中很好地屏蔽的波束收集器可位于远处，且不需要使用其它波束吸收器。

本领域中的技术人员认识到，本发明不限于在上文中特别示出和描述的内容。更确切地，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合以及本领域中的技术人员在阅读上面的描述时将想到的且不在现有技术中的对本发明的变化和修改。

Claims (6)

1.一种用于从具有一能量范围的带电粒子的脉冲选择具有预定能量范围的带电粒子的系统，所述系统包括：

第一电磁体和第二电磁体，其相互接近使得当所述第一电磁体和所述第二电磁体中的任一个被激活时所述带电粒子从其原始路径转向；以及

控制系统，其适合于当期望开始对处于所述预定能量范围的一端的带电粒子的所述脉冲进行转向时激活所述第一电磁体以产生用于开始的第一磁场脉冲，并当期望终止对处于所述预定能量范围的另一端的所述带电粒子进行转向时激活所述第二电磁体以产生在相反方向上的第二磁场脉冲。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，由所述第一磁场脉冲和所述第二磁场脉冲的前沿限定所述预定能量范围。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，由激光脉冲在目标上的撞击产生带电粒子的所述脉冲，所述系统还包括光控制开关，所述光控制开关用于切换产生所述第一磁场脉冲和所述第二磁场脉冲的电流。

4.一种从具有一能量范围的带电粒子的脉冲选择具有预定能量范围的带电粒子的方法，包括：

提供相互接近的第一磁场脉冲和第二磁场脉冲，使得当所述第一磁场脉冲和所述第二磁场脉冲中的任一个被施加到带电粒子的所述脉冲时，所述带电粒子从其原始路径转向；

施加所述第一磁场脉冲以定义在期望开始对处于所述预定能量范围的一端的带电粒子的所述脉冲进行转向时的时间，并且在相反的方向上施加所述第二磁场脉冲以定义在期望终止对处于所述预定能量范围的另一端的所述带电粒子进行转向时的时间。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，由所述第一磁场脉冲和所述第二磁场脉冲的前沿限定所述预定能量范围。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，由激光脉冲在目标上的撞击产生带电粒子的所述脉冲，并且通过对激活所述第一磁场脉冲和所述第二磁场脉冲的电流的光学控制来切换所述第一磁场脉冲和所述第二磁场脉冲。