CN107079577B - 高频紧凑型低能量直线加速器设计 - Google Patents

Abstract

一种用于加速带电粒子的紧凑型射频四极“RFQ”加速器，该RFQ加速器包括：聚束部分，其被配置为具有窄的射频“rf”接受度，使得仅捕获入射在聚束部分上的粒子束的一部分，并且其中聚束部分聚束粒子束的一部分；加速部分，其用于将粒子束的所聚束的部分加速到输出能量；以及，用于供应射频功率的装置。

Description

高频紧凑型低能量直线加速器设计

技术领域

本公开总体涉及粒子加速器领域，并且更具体地涉及直线加速器，所述直线加速器利用射频四极(RFQ)腔来聚束、聚焦和加速带电粒子。

背景技术

射频四极直线加速器设计最初是在20世纪70年代构想的，并且起初呈现为高功率射束的“缺失的环节”。RFQ的早期设计允许有效地制备用于在漂移管直线加速器(DTL)中加速的高强度、低能量强子束，从而将源与DTL加速器之间的传输效率从50％提高到超过90％。

典型的RFQ加速器被配置为在保持发射率的同时以高效率聚焦、聚束和加速连续的带电粒子束。RFQ的聚束通常在若干单元上绝热地执行，以便确保最大的射束捕获。现有的RFQ设计旨在最大化捕获并由此最小化射束损失，因为射束损失传统上与诸如周围环境的激活的风险相关。

现有的RFQ设计的示例是CERN Linac4RFQ，其被设计成能够达到高达3MeV的能量，并且需要3米的长度来实现这一输出能量。在某些应用中，如注射到用于癌症治疗的强子治疗直线加速器中，需要高得多的能量，例如5MeV或10MeV或甚至更高。然而，更高的能量通常需要更长的RFQ；并且这可能使得在诸如医院的环境中使用RFQ是不切实际的。例如，IPHIRFQ可以达到5MeV能量输出，但是在长度超过6米时，这可能太大而不实用。

因此，需要能够产生高能粒子束的紧凑型RFQ设计。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于加速带电粒子的紧凑型射频四极“RFQ”加速器，所述RFQ加速器包括：聚束部分，其被配置为具有窄的射频“rf”接受度，使得仅捕获入射在聚束部分上的粒子束的一部分，并且其中聚束部分聚束粒子束的一部分；加速部分，其用于将粒子束的所聚束的部分加速到输出能量；以及，用于供应射频功率的装置。

通过将聚束部分配置为具有窄rf接受度，使得仅捕获一部分入射粒子，可以实现基本上更短的RFQ设计。传统设计保持rf接受度大，以便尽可能多地捕获铲斗中的粒子，并且逐渐增加同步相位以将所有粒子聚束到低发射率。通过保持rf接受度窄并接受所得的射束损失，在较小的铲斗中捕获的粒子可以聚束并且在短得多的长度上加速。

在一些示例实施方式中，聚束部分进一步被配置为快速增加聚束部分的入射的粒子束的同步相位。通过快速增加入射粒子束的同步相位，聚束部分可以保持较短，因为需要更少的单元来改变相位。这种快速增加可以是非绝热增加的形式。

在一些示例性实施方式中，窄rf接受度由具有大于-50度，优选大于-40度，且更优选-30度的同步相位的聚束部分的输入引起。与具有-90度的同步相位并且缓慢地将其增加到加速器级处的相位相比，同步相位在-50度处开始得高得多。这种较高的初始相位导致较窄的rf接受度，但是导致聚束部分长度短得多。

在一些示例性实施方式中，聚束部分被配置为将聚束部分的入射的粒子束的同步相位增加到-25度与-15度之间。

在一些示例实施方式中，RFQ加速器还包括径向匹配部分，所述径向匹配部分用于将入射在匹配部分上利用时间无关的聚焦的粒子束转换成利用时变聚焦的粒子束。

在一些示例性实施方式中，聚束部分的长度小于40cm，并且优选在20cm与30cm之间。

在一些示例实施方式中，用于供应射频功率的装置包括沿着RFQ加速器分布的多个射频电源。通过多个分布式rf电源供应rf功率允许更小、更便宜的rf源，同时仍然能够实现高功率。

在一些示例实施方式中，用于供应射频功率的装置以大于500MHz，优选地在700MHz与1GHz之间的频率供应功率。供应高于500MHz的频率可实现更紧凑的RFQ设计。

在一些示例实施方式中，RFQ加速器还包括用于调整电场和磁场分布的一个或多个可调调谐器，所述可调调谐器中的每一个可借助于螺旋量规来调整。

在一些示例实施方式中，每个所述可调调谐器具有调谐器头部，所述调谐器头部具有至少部分锥形形状，所述部分锥形形状具有圆形尖端。以这种方式成形调谐器头部导致高的Q值和低于典型的圆柱形调谐器的灵敏度。

在一些示例性实施方式中，部分锥形形状具有介于五分之三与五分之四之间，优选三分之二的高度与半径比。这个高度与半径的比可以导致最佳的Q值。

在一些示例性实施方式中，RFQ加速器的长度小于6m，优选为5m，并且输出能量为至少7MeV，优选地介于10MeV与12MeV之间。在相对较短长度的高能量具有若干优点。例如，紧凑的设计允许RFQ足够短并且足够轻以放置得更靠近他们需要的地方，例如在医院室内。较小的设计还可以减少材料需求，并且可以更具成本效益。

在一些示例性实施方式中，RFQ加速器的长度小于3m，优选为2m，并且输出能量为至少4MeV，优选为5MeV。

在一些示例实施方式中，RFQ加速器包括至少两个谐振腔，所述至少两个谐振腔中的每一个通过叶片之间的漂移区与相邻的谐振腔隔开。通过使用由漂移区隔开的两个或更多个空腔，可以实现比使用单个加速部分更高的能量输出，从而降低对机械误差的灵敏度。此外，所述模块化设计具有附加的优点，例如更便宜的更换和制造成本。

在一些示例性实施方式中，加速的带电粒子包括质子、氘核和α粒子中的任一种。

根据本发明的另一方面，提供了一种使用紧凑型射频四极“RFQ”加速器加速带电粒子的方法，所述方法包括：在聚束部分处仅捕获入射在聚束部分上的粒子束的一部分，其中聚束部分被配置为具有窄的rf接受度，使得仅捕获粒子束的一部分；在聚束部分处聚束粒子束的一部分；在加速部分处将粒子束的所聚束的部分加速到输出能量；以及通过用于供应射频功率的装置供应射频功率。

在一些示例性实施方式中，所述方法还包括通过使用RFQ加速器使目标物质处的带电粒子加速来产生锝、砹和氟化物中的至少一种。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明提出的设备的示例，在所述附图中：

图1是包括所提出的RFQ设计的系统的示意图；

图2示出所提出的RFQ设备的立体图；

图3示出所提出的RFQ设备的横截面图；

图4示出所提出的RFQ设备的叶片结构的横截面图；

图5示出RFQ中的叶片结构的纵向调制；

图6是示出射束在常规RFQ的聚束阶段期间的变化的一系列相空间图；

图7是示出所提出的RFQ设备的同步相位与常规RFQ如何不同的曲线图；

图8是示出在所提出的RFQ设备中孔径、调制和同步相位随单元数的变化的曲线图；

图9是示出沿着所提出的RFQ设备的单元的射束能量和粒子损失的变化的曲线图；

图10是示出所提出的RFQ设备中损失的粒子的能量分布的曲线图；

图11是示出所提出的RFQ设备中的分布式RF馈送的示意图；

图12是示出调谐端口的位置的RFQ模块的横截面图；

图13是示出不同调谐器形状的一系列示图；

图14示出不同调谐器形状及其相应的Q0和df/dY值的比较；并且

图15是示出2/3锥形调谐形状的尺寸的示图。

具体实施方式

现在将参考图1，图1是并入所提出的RFQ设备的系统的示意图。具体地，附图示出耦合到RFQ系统120的源110，RFQ系统120经由磁体130将加速的源粒子输出到一个或多个目标141至143。

源110向RFQ系统120供应带电粒子，诸如质子、氘和α粒子。由源110供应的粒子的类型取决于RFQ系统的预期用途，并且RFQ设计的确切参数可以适于适应预期用途。由源110提供给RFQ 120的粒子可以是可选地聚焦到RFQ 120的孔径的任何带电粒子。

源110将带电粒子发射到可包含一个或多个耦合的RFQ 121和122的RFQ系统120中。可以使用单个RFQ 121，但是可以设想的是，可以根据需要添加附加的RFQ。提供这种模块化方法相对于制造用于更高能量加速器的单个长RFQ具有制造和成本益处。在所提供的示例中，每个RFQ大约为2m长，并且可以使粒子加速约5MeV，因此将这些RFQ中的两个耦合在一起可以在5m上产生10MeV的输出能量。

RFQ系统120将射束加速到输出能量。然后，输出射束可以通过附加的加速器(诸如DTL)进一步加速，或者可以被直接发送到目标141。可以使用多个目标，在这种情况下，可以使用一种形式的射束偏转或重定向，诸如磁体130。由于RFQ能够进行脉冲操作，例如，通过触发脉冲之间的重定向，可以将射束重定向到各个目标。

图2示出安装在支撑件230上的所提出的RFQ设备210的立体图。单个RFQ设备210可以包括已经沿着直线路径连接在一起而在它们之间没有大的间隙的若干“模块”211、212、213和214。输入射束220进入第一模块211的开口孔径260，之后作为最终模块214的加速射束211输出。加速射束211可以被发送到另一RFQ设备、目标或另一不同类型的加速器。

法兰240可以位于每个模块的每一端部处，并且可以用于将相邻模块连接在一起，并且在将RFQ设备搁置在支撑设备230上时提供支撑。支撑设备230可以由铝型材制成，并且将RFQ保持在必要高度处以使射束与适当的源和目标对齐。

端口250可以沿着每个模块定位，并且提供对RFQ的内部的外部访问。这可以用于附接调谐器以调整RFQ腔内的场。

图3示出图2所示的RFQ设备的横截面图310。横截面是沿着长度并穿过RFQ的中心的垂直平面截取的，并且示出中心射束路径330。可以看到模块311、312、313和314牢固地连接到它们相邻的模块，而在它们之间没有实质的间隙，以确保沿着叶片的调制不会中断。

位于第一模块311的前部处的法兰320大部分被开口321覆盖，以允许粒子进入射束路径330中。位于最终模块314的端部处的法兰将具有与前法兰320类似的设计。内部模块之间的中间法兰340围绕模块的芯部并且可以看到搁置在支撑结构350的顶部上。

图4示出图2所示的RFQ设备的横截面图。横截面是沿着切过中心射束轴线的垂直平面截取的，以示出连续通过RFQ的长度的四叶片结构的切片。所述视图示出四个叶片411、412、413和414如何延伸到RFQ的中心以围绕粒子行进穿过的中心孔径420。RFQ内部的空区域限定谐振腔430，通常将谐振腔430维持在真空状态下。

叶片结构可以在水平441和垂直442轴线上基本上对称(四重对称)。叶片优选地由高度导电的金属诸如铜构成。优选地，将叶片设计成细长的，以便最小化功率消耗，同时仍然足够厚以确保足够的冷却效率。

沿着RFQ的长度延伸的叶片可以由单片金属形成，但是从制造的观点来看，优选地由接合在一起的单独元件构造叶片结构。例如，在图4所示的结构中，四个单独的部件安装在一起，从而在接头451、452、453和454处接触。在所提供的示例中，上叶片411和下叶片413可以通过相同的过程制造，而侧叶片412和414也可以彼此相同，从而对于这四个叶片仅需要两个不同的制造过程。

插图460示出叶片411、412、413和414的尖端和孔径420周围的区域的更详细的视图。叶片尖端优选地是弯曲的，并且距离Rho 480限定绕每个叶片尖端的曲率中心481的叶片尖端的曲率半径。如稍后将讨论的，相对叶片之间的距离将沿着RFQ的长度调制，但是距离2Ro 470限定相对叶片之间的平均长度。

图4所示的叶片结构示出适合于所提出的RFQ的一种可能的叶片结构的横截面切片。然而，叶片结构可以沿着RFQ的长度变化，不仅通过叶片尖端的调制，而且在谐振腔430的尺寸和形状上变化。

束流动力学

所提出的RFQ设备的优点之一是它允许利用比现有解决方案短得多的长度形成高能量射束。所提出的RFQ的紧凑尺寸的一个贡献因素是新的射束动态设计。

图5是典型RFQ中的叶片结构的纵向调制的图示。叶片尖端511、512、513和514对应于图4中的叶片411、412、413和414，但是图5还示出叶片尖端521、522、523和524沿着RFQ的射束轴线560的调制。

叶片尖端与射束轴线560之间的最小距离由孔径值“a”531定义，而沿着调制的距轴线的最大距离由“ma”532定义，其中“m”是调制因数。通常，值“a”531确定RFQ的聚焦强度和接受度，而调制“m”的大小确定可用于加速的场。

相对叶片尖端通常将镜像对称彼此的调制。换句话说，当上叶片尖端521位于距射束轴线最小距离“a”处时，下叶片尖端523也是如此，而当一侧叶片尖端524位于其最近距离“a”处时，相对叶片尖端522也是如此。此外，相邻叶片尖端的调制彼此异相，换句话说，当上叶片尖端521位于距射束轴线最近距离“a”处时，相邻叶片尖端524和522将位于它们的最远距离“ma”处。类似地，提供给相邻叶片尖端的电压将彼此异相。

RFQ的单位单元被定义为沿着叶片调制的波峰与波谷之间的区域(或波峰之间的距离的一半)。当向叶片施加波长λ的高频电流时，如果单位单元的长度为βλ/2，则行进通过单位单元的粒子应当在射频波形的同一点(相位)到达每个单位单元的开始处。换句话说，当单位单元长度为βλ/2时，参考同步粒子(通常是一束粒子的中心)在进入每个后续单位单元时将经历相同的相位(同步相位)。注意，β是粒子在其轨迹上的那个点的速度，作为光速c的一部分，因此βc是以米每秒为单位的粒子速度。

同步粒子在每个单位单元处经历的rf波的相位定义了粒子的行为。例如，当同步粒子的相位是0°时，则粒子将沿着RFQ经历平稳加速。然而，这种平稳加速将仅应用于参考同步粒子的位置处的粒子，并且在同步粒子稍微之后或稍微之前到达的任何粒子将变得不稳定，并且它们的轨迹沿着RFQ并且可能丢失。

因此，传统的RFQ设计通过确保在大的加速度之前在同步粒子附近使得许多粒子“聚束”，以确保束中的所有粒子都能够加速而不损失，从而将RFQ的整体设计的很大比例专用于防止这种损失。

图6示出一系列相空间图610、620、630和640，所述相空间图示出射束在常规RFQ中的聚束过程期间的变化。其中相空间图的x轴示出束中的粒子相对于中心处的参考同步粒子的相位，y轴表示粒子的能量。

相空间图610示出进入RFQ的均匀射束的射束特性，其中同步相位接近-90°的“稳定”相位。在射束轮廓中的这一点处，大多数粒子611均匀地分布在所有相位(由水平展开表示)上并且能量几乎不变化(由缺乏垂直扩展表示)。包围粒子611的分界线612表示稳定粒子与不稳定粒子之间的边界。在这一阶段，同步粒子将不经历或几乎没有加速度，而前面的粒子将经历朝向中心同步粒子的减速，并且后面的粒子将经历朝向中心同步粒子的加速。

在常规RFQ中，将选择RFQ中的早期单元的参数，使得分界线612完全围绕所有输入粒子611，以确保没有粒子位于稳定区域之外并且丢失。在单元上，随着射束粒子开始聚束更接近同步粒子并且能量扩散增加，典型的RFQ将增加沿着单元的同步相位，以确保分界线仍然包括尽可能多的通过称为绝热聚束的过程的射束粒子。同步相位的这种变化可以通过用公式改变单位单元的大小来实现，其中是相邻单元之间所需的同步相位的变化。

相空间图620示出示例性常规RFQ进一步向下的射束特性，其中粒子621已经开始增加能量的扩散，并且分界线622已经改变形状以适应能量扩散的增加，虽然位于分界线622外的具有较低相位的粒子具有一些损失。相空间图630示出进一步沿着RFQ的示例性常规RFQ的射束特性，其中同步相位进一步增加以确保分界线632包括粒子631的不断加宽的能量扩散。

相空间图640示出示例性常规RFQ的第300个单元的射束特性，其中大多数粒子641在同步粒子附近聚束，并且分界线642包括粒子641的这种扩展。随着粒子641在参考同步粒子附近合适地成束，通过维持沿着RFQ的剩余长度的低同步相位，粒子束现在可以保持一致的加速度。

虽然图6中的常规RFQ设计的示例性图示不代表完美的绝热聚束，但是由于一些粒子丢失，大多数现有的RFQ设计旨在针对绝热聚束以确保射束损失保持在10％以下，并且优选地更低。事实上，慢速但稳定的绝热聚束的概念在常规RFQ设计中是如此普遍，几乎每个创建的RFQ都包含这个聚束阶段，其试图捕获尽可能多的输入粒子，并将这些粒子聚束成适合于高加速度的分布。

在加速器设计领域，特别是RFQ设计中，对于射束损失存在显著的偏见，并且RFQ通常被设计成确保超过90％的输入束粒子被“捕获”。这种常规教导的背后的原因是未捕获的粒子可能造成显著的风险，因为它们将以不稳定的方式沿着加速器加速。这些高能量、不稳定的粒子可能偏离其预期的路径并且导致对设备或周围环境的损坏(激活)。此外，低射束损失通常是RFQ设计的高优先级，使得源粒子不被浪费，并且可以实现高射束电流。

所提出的RFQ设计的束流动力学基本上偏离了传统的智慧，以实现比常规RFQ设计显著更短的RFQ。

图7是示出所提出的RFQ和常规RFQ的同步相位如何随着沿着RFQ的长度而变化的曲线图，并且进一步示出所提出的RFQ的射束特性如何不同。

线710示出使用常规射束设计，示例性RFQ的同步相位如何沿着RFQ的长度变化。由线710表示的RFQ被设计成在3.5m的长度上将粒子从0.04MeV加速到5MeV。这已经表示对于给定的能量增益的相对短的RFQ设计，因为正在使用750MHz的高频。通常，所使用的频率越高，rf波长越低，因此单位单元越小。虽然较高的频率可能导致更短的RFQ长度，但是精确地制造初始短单元可能是困难的，因此，选择750MHz来提供RFQ不足与易于制造之间的适当平衡。然而，可以设想较低和较高频率，因为更精确的制造技术可以用于较高频率，而较廉价的技术可以用于较低频率。

常规射束设计通常可以分成四个部分。第一相对较短的部分是径向匹配部分(未示出)，其中大的输入孔径在没有调制(m＝1)的情况下以特大块形状减小到较小的孔径，并且聚焦强度从0增加到其余RFQ的值。径向匹配部分通常仅延伸几个单元并且绝热地将dc输入射束匹配到强横向聚焦结构。

常规射束设计的下一部分是由区域711指示的成形部分。成形部分通常在-90°的同步相位处开始，以捕获连续射束中的所有粒子，并缓慢增加同步相位以使射束聚焦，使聚束部分开始并在射束上施加某一加速度。如在图6中的相空间图620中可以看到的，这些部分经常引起一些损失，因为过程不是完全绝热的，但是这些损失通常在数量上最小。在约40cm或190个电池之后，成形部分711将同步相位增加到-60°。

常规射束设计的下一部分是(温和的)聚束部分，其通常绝热地聚束射束并将其加速到中间能量。在这个示例中，聚束部分延伸超过30cm或70个单元，并将同步相位从-60°增加到-30°。

一旦粒子适当聚束并且同步相位已经增加到适于高加速度的同步相位，则最终加速部分713开始。在这一加速部分713上，同步相位在2.9m或210个单元内保持恒定或从-30°至-20°非常缓慢地增加。

从图7可以看出，使用常规射束设计的RFQ将RFQ长度的第一个70cm专用于对射束进行成形和聚束，以确保捕获许多进入的粒子并且使它们在一起去往加速可以开始的位置。

线720示出所提出的RFQ设计的同步相位的变化，并且表示从传统射束设计的显著偏移。在所提出的RFQ设计中，成形和聚束部分的等同物包含在第一个10cm或52个单元721内。与常规射束设计710的70cm或260个单元相比，这显著更短。

与在-90°的“稳定”同步相位启动RFQ以捕获所有输入粒子不同，同步相位在-30°时开始得高得多。虽然-90°同步相位处的分界线将覆盖输入射束处的大多数粒子，但是在-30°起始同步相位处的分界线将覆盖进入粒子的显著更窄的相位范围。因此，在所提出的RFQ设计中，只有约30％至40％的粒子将在分界线的“稳定”区域内。

然而，在分界线的稳定区域内的那些30％至40％的粒子可以在非常少的单元上快速聚束，使得当加速部分722开始时，那些聚束的粒子准备好在接下来的1.9m加速到最终能量5MeV。

所提出的RFQ束设计的结果是，粒子可以在仅2m上从0.04MeV加速到5MeV。忽略现在的射束损失(这将在后面讨论)，所提出的RFQ设计提出了在每米长度的能量增益方面对任何现有RFQ设计的显著改进。

图8是示出所提议的RFQ的参数在沿着RFQ的每个单元处的变化的曲线图。针对所提出的RFQ设计的参数“a”820、“m”830和同步相位810相对于单元数绘制。在x轴上使用单元数而不是长度，因为它更好地示出RFQ的较早区域中的参数值的变化。

径向匹配部分841可以通过具有恒定调制因数的孔径值的快速减小来看到。快速聚束部分842示出同步相位从-30°至-20°的增加以及调制因数的逐渐增加。在加速部分843开始时，同步相位保持恒定在-20°，同时调制因数增加得更快。在单元数78至94之间，调制因数快速加倍，而同步相位保持恒定，孔径减小。从单元95至115，同步相位开始从-20°进一步增加到其保持的相位-15°，而孔径保持相对恒定并且调制因数略微减小。

虽然同步相位趋势的差异表示与常规射束设计的显著偏离，但是沿着RFQ的长度的伴随的调制因数和孔径分布也有助于这种新颖的射束设计。

图9示出所提出的RFQ射束设计的一些显著效果，示出沿着所提出的RFQ设备的单元的射束能量920和粒子损失910的变化。

射束能量线920示出在200个单元上能量增加至5MeV，而粒子损失线910示出在第一单元处的100％的输入粒子的能量，在输出射束中仅发现30％的粒子。在传统的智慧下，这种高的射束损失将被视为是非常不期望的。然而，在所提出的射束设计中，已仔细且有意地控制这些射束损失，以确保它们不具有通常与射束损失相关联的相同缺点。

在快速聚束阶段931期间，将射束损失保持为最小。虽然输入射束中的许多粒子将位于-30°同步相位的分界线的窄稳定区域之外，但是这些粒子不会立即损失。虽然分界线内的粒子聚束在接下来的五十个单元上，但分界线外的粒子保留在前进的射束内，尽管处于不稳定状态。只有一旦加速部分开始时，稳定粒子和不稳定粒子变得分离，因为聚束在分界线内的稳定粒子以受控的加速度前进，而分离线外的那些快速失去。实际上，在这个说明性示例中，在几个单元的空间上，射束中的70％的粒子损失。

在传统的智慧下，这种量级的射束损失是非常不期望的，不只是是对于安全隐患而言。通常，当由于不完全的绝热聚束而引起射束损失时，等到粒子到达加速阶段，那些未充分聚束的粒子将在加速阶段损失，从而导致高能粒子逃逸到周围环境中。

回顾图7，如果在加速器部分713开始时在分界线之外存在粒子，则这些粒子在初始的70cm的成形和聚束阶段期间已经被加速到高能量，因此如果它们在加速阶段损失，这些高能粒子将逃逸到周围环境中。相比之下，在图9中，可以看出，尽管在单元60与70之间损失了相当大比例的粒子，但是这些粒子的能量异常低，大多在0.07MeV与0.1MeV之间。

图10更详细地示出这些射束损失的这些分布。在所生成的100,000个粒子中，图10示出损失的粒子的能量分布。很清楚，损失的大多数粒子具有非常低的能量1010，而可忽略的数量达到高达0.5MeV 1020。

这说明了所提出的RFQ射束设计中显著不同的方法。从一开始就接受将会有高的射束损失，但是选择RFQ参数使得将丢失的那些粒子在其能量仍然低的很早期阶段全部丢失。从图9可以看出，一旦加速开始并且粒子开始获得显著的能量，则没有进一步的射束损失，因为已经捕获的那些粒子被非常有效地加速。

典型的射束设计方法是在所有输入粒子周围产生分界线或“铲斗”，并且将铲斗中的所有粒子轻轻地引导到准备用于加速部分而没有大的损失的形状。提供捕获所有初始粒子的铲斗产生非常长的聚束部分，因为相空间图的末端处的所有粒子(即，最远离同步粒子)需要很长时间以缓和到适合于加速器相位且无损失的相位。

代替围绕射束形成铲斗，所提出的方法快速捕获落入预限定的窄铲斗内的对象，并且允许其余者在粒子已经获得太多能量从而引起威胁之前在RFQ中较早地丢失。

常规的常识已传统上惩罚了不完美的绝热聚束，好像在加速器部分开始时粒子略微位于铲斗外面，那些高能量粒子一旦不适当地加速和损失将导致损坏。因此，常规的观点是设计具有尽可能接近完美的绝热聚束的RFQ，其中任何偏差会导致高能量射束损失。所提出的解决方案完全偏离了传统的教学，通过完全忽略绝热聚束，并且意识到可以忽略它，只要那些损失的粒子在早期损失，并且被捕获的那些粒子被安全地保持在加速铲斗内。

虽然已经在图8中示出用于所提出的RFQ的示例性参数，但是应当清楚的是，在不脱离总体发明构思的情况下，可以设想出各种不同的参数配置。例如，起始同步相位不必为-30°，而是可以更高或更低，并且参数的精确轮廓可以根据预期应用和接受的射束损失而变化。此外，虽然750MHz的示例性频率是优选的，但是所提出的解决方案同样适用于整个频率范围，特别是较高的频率范围。

分布式RF馈送

虽然新颖的射束设计表示对所提出的RFQ的紧凑性质的贡献因素，但是另一个特征是所使用的高频率。然而，高频电源可能非常昂贵；因此，许多现有的RFQ设计以紧凑性为代价避免了较高的频率。所提出的RFQ设备可以使用分布式RF馈送以允许实现高频率的成本有效的方法。

图11是示出在所提出的RFQ设备中使用分布式RF馈送的示意图。与使用单独的、昂贵的RF源来为整个RFQ供电相比，所提出的解决方案使用更小、更便宜的RF源。单个小的主振荡器1110可以用于生成RFQ 1140所需的高频率。振荡器1110的输出可以连接到固态驱动器1120，固态驱动器1120继而将信号发送以由若干固态放大器1131、1132、1133和1134放大。这若干个固态放大器1131、1132、1133和1134可以在连接点1141、1142、1143和1144处沿着RFQ 1150的整个长度分布。在图11所提供的示例中，每个RFQ提供四个固态放大器，然而，可以使用不同的量。

使用所提出的分布式RF馈送配置，可以使用小型低功率RF源并且其由沿着RFQ分布的若干廉价放大器放大。

分布式RF馈送配置可以是具有大致16个机架的基于IOT的(感应输出管)系统。可替代地，基于速调管的系统可以与两个速调管和调制器一起使用。设想了所提出的分布式RF馈送解决方案的若干实现方式，其不限于所提供的示例。

调谐器

调谐器可以用于通过将对象插入具有高磁场的空腔的区域中来调整RFQ内的谐振腔的谐振频率。虽然希望调谐器将RFQ调节到所需的频率，但是它们在减小谐振腔的Q因数以及如果它们太敏感时可能是有害的。因此，期望设计具有低灵敏度并且可以提供高Q因数的可调调谐器。

图12是RFQ模块的横截面图，示出调谐端口沿着RFQ模块的定位。例如，每个象限可以有三个端口，其中端口1211、1212和1213是顶部象限的端口，底部象限的端口1221、1222和1223，以及其他两个象限的端口没有显示。一些端口可以留空，而其他端口包含可调调谐器。在一些配置中，八个端口可用于调谐器，而四个用于真空泵或RF功率耦合器。如果需要，真空泵和RF功率耦合器都可用于粗调。

图13示出所提出的RFQ设备的调谐器的不同的可能形状。每个形状在RFQ的单个象限的上下文中示出。例如，1310示出RFQ中的单个叶片，而1320表示象限的谐振腔。模拟了若干不同形状的调谐器头部，例如圆形调谐器头部1330、锥形调谐器头部1340和不同类型的锥形头部，诸如由它们的锥形尺寸限定的con2 1350和con 2/3 1360。

图14示出不同调谐器形状(从简单的矩形头部到圆形头部)(通过一系列不同类型的锥形形状)的性能的比较。曲线图1410示出Q因数如何受到不同形状的影响，并且发现最佳形状是2/3锥形形状。

还在曲线图1430中对灵敏度(即，调谐器进入空腔中的每个位移的频率的变化)进行建模。虽然锥形形状2.0和3.0表示最低的灵敏度，但它们也对应于非常差的Q因数。因此，Q因数与灵敏度之间的最佳折衷似乎是2/3锥形调谐器头部。尽管在示例中使用2/3锥形调谐器头部，但是可以根据其他因素选择其他调谐器头部形状，因素诸如制造的容易性或者基于对低灵敏度的更高偏好。

图15是示出2/3锥形调谐形状的尺寸的示图。调谐器头部1510被示出为突出到空腔1530中，并且叶片1540的一部分也被示出用于参考。锥形高度1510和锥形半径1512的比率显示为2/3。调谐器1550的端部可以通过RFQ上的端口访问，并且可以通过例如转动螺纹量规来调节，以提供对空腔1530内的位移的精确控制。

模块性

如图1所示，单独的RFQ可以耦合在一起以形成更大、更高能量的RFQ系统。例如，间隔开50mm间隙的相邻RFQ可导致在间隙处的有限的射束损失，只要两个RFQ的相位彼此独立以确保最佳匹配。过渡处的单元也可能需要被优化以实现无损过渡。

在750MHz的频率和80kV的叶片电压下，设想单个1.8m RFQ可以使粒子加速高达5MeV，同时粒子保持率为30％。更长的2.4m RFQ可以使粒子加速高达5MeV，同时保持率增加到38％，这反映了附加单元可用于更大的捕获。可替代地，两个1.4m RFQ可以与50mm间隙耦合在一起，以获得具有类似损耗的类似能量。

甚至更多的RFQ可以连接，例如，三个1.2m RFQ与50mm间隙耦合以产生具有高达90％的保持率的5MeV粒子。因此，一对1.2m RFQ可以用于快速捕获，但是低效率加速，但是如果需要，可以容易地添加另一1.2m RFQ以提高整个RFQ系统的效率。

用途

所提出的RFQ设备的紧凑性和潜在的模块性允许新的和实际的使用情况。

RFQ可以用作Hadron治疗加速器(直线加速器或其他)的注射器。在这种使用情况下，由四个模块组成的单个RFQ可以用于在2m上将质子加速至2MeV的能量。将需要约400kW的RF功率，并且射束电流将小于1mA，因为Hadron治疗不需要大的吞吐量。与竞争的回旋加速器不同，例如，所提出的RFQ设备将不需要大体积的混凝土屏蔽，从而允许其在不使用太多空间的情况下适合医院。

RFQ可以用于低成本生产的SPECT(单光子发射计算机断层扫描)同位素。两个RFQ和另一个加速器(诸如DTL)可以耦合在一起以在7m上产生具有15MeV至19MeV能量的质子束。使用1400kW的RF功率，这样的设置可以允许射束电流从1mA至5mA。据设想，^99mTe也可以通过用加速质子束撞击¹⁰⁰Mo，通过¹⁰⁰Mo(p，2n)^99mTc反应将钼转化为锝而制备。这优于包括大型回旋加速器或核电厂的²³⁵U裂变的现有方法。射束可以针对高电流使用的多个目标。

RFQ可以用于产生PET断层摄影同位素，诸如¹⁸F和¹⁴C。通过将两个RFQ耦合在一起成为4m至6m长度的RFQ设置，可以在1mA至5mA的电流下以600kW至800kW的RF功率发射7-12MeV质子。

RFQ可用于²¹¹A砹生产，以及其他靶向α粒子治疗。通过产生α粒子束，RFQ可以从²⁰⁹Bi(α，2n)²¹¹At反应产生²¹¹At。应当将α粒子加速到高于20MeV以使得进行反应，但是能量应当保持在30MeV以下，以便防止²¹⁰At的产生，其通常衰减到²¹⁰Po。达到这些能量可以通过将两个RFQ与另一个加速器(诸如DTL)耦合来实现。

RFQ可以通过在重金属靶上加速氘而用于中子产生。两个RFQ可以耦合在一起以在1mA至5mA的射束电流下将氘加速到5MeV至10MeV。所得到的中子随后可以用于中子活化分析。

RFQ可以用作通过氢注入(即，硅离子切割)切割硅晶片的有效方式。单个2m RFQ可以用于将质子加速到0.2MeV至1MeV的能量。这种硅离子切割的方法可能对现有的静电加速器具有成本竞争力。

RFQ还可以用于促进IBA(离子束分析)。单个RFQ提供了一个非常紧凑的加速器，该加速器可用于通过PIXE(质子诱导X射线发射)、NRA(核反应分析)和RBS或ERDA进行分析。质子或α粒子可以加速到2.5MeV的能量，并且可以使用偏转磁体和狭缝来减小能量扩散。

RFQ可以通过加速¹⁴C⁺粒子而用作原子质谱中串联加速器的替代物。两个RFQ可以耦合在一起以将碳¹⁴C⁺粒子加速到4MeV至5MeV以用于碳年代。

应当理解，本公开包括在上述实施方式中阐述的可选特征的组合的排列。特别地，应当理解，在所附从属权利要求中阐述的特征与可以提供的任何其他相关独立权利要求组合地公开，并且本公开不限于这些从属权利要求的特征的组合，声称拥有他们最初所依赖的独立权利要求。

Claims (17)

1.一种用于加速带电粒子的紧凑型射频四极“RFQ”加速器，所述RFQ加速器包括：

聚束部分，其被配置为具有窄的射频接受度，使得仅捕获入射在所述聚束部分上的未聚束的粒子束的一部分，并且其中所述聚束部分聚束所述粒子束的所述一部分，并且其中所述窄的射频接受度由具有大于-50度的同步相位的所述聚束部分的输入引起；

加速部分，其用于将所述粒子束的所聚束的部分加速到输出能量；以及，

用于供应射频功率的装置。

2.根据权利要求1所述的RFQ加速器，其中所述聚束部分进一步被配置为快速增加所述聚束部分的入射的所述粒子束的同步相位。

3.根据权利要求1或2所述的RFQ加速器，其中所述同步相位大于-30度。

4.根据权利要求1或2所述的RFQ加速器，其中所述聚束部分被配置为将所述聚束部分的入射的所述粒子束的所述同步相位增加到-25度与-15度之间。

5.根据权利要求1或2所述的RFQ加速器，其还包括径向匹配部分，所述径向匹配部分用于将入射在所述匹配部分上利用时间无关的聚焦的粒子束转换成利用时变聚焦的粒子束。

6.根据权利要求1或2所述的RFQ加速器，其中所述聚束部分的长度小于40cm。

7.根据权利要求1所述的RFQ加速器，其中所述用于供应射频功率的装置包括沿着所述RFQ加速器分布的多个射频电源。

8.根据权利要求1或2所述的RFQ加速器，其中所述用于供应射频功率的装置以大于500MHz。

9.根据权利要求1或2所述的RFQ加速器，其还包括用于调整磁场分布的一个或多个可调调谐器，所述可调调谐器中的每一个可借助于螺旋量规来调整。

10.根据权利要求9所述的RFQ加速器，其中每个所述可调调谐器具有调谐器头部，所述调谐器头部具有至少部分锥形形状，所述部分锥形形状具有圆形尖端。

11.根据权利要求10所述的RFQ加速器，其中所述部分锥形形状具有介于五分之三与五分之四之间的高度与半径比。

12.根据权利要求1或2所述的RFQ加速器，其中所述RFQ加速器的长度小于6m，并且所述输出能量为至少7MeV。

13.根据权利要求1或2所述的RFQ加速器，其中所述RFQ加速器的长度小于3m，并且所述输出能量为至少4MeV。

14.根据权利要求1或2所述的RFQ加速器，其中所述RFQ加速器包括至少两个谐振腔，所述至少两个谐振腔中的每一个通过叶片之间的漂移区与相邻的谐振腔隔开。

15.根据权利要求1或2所述的RFQ加速器，其中所加速的带电粒子包括质子、氘核和α粒子中的任一种。

16.一种使用紧凑型射频四极“RFQ”加速器加速带电粒子的方法，所述方法包括：

在聚束部分处仅捕获入射在所述聚束部分上的未聚束的粒子束的一部分，其中所述聚束部分被配置为具有窄的射频接受度，使得仅捕获所述粒子束的所述一部分，并且其中所述窄的射频接受度由具有大于-50度的同步相位的所述聚束部分的输入引起；

在所述聚束部分处聚束所述粒子束的所述一部分；

在加速部分处将所述粒子束的所聚束的部分加速到输出能量；以及

通过用于供应射频功率的装置供应射频功率。

17.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括通过使用所述RFQ加速器使目标物质处的带电粒子加速来产生锝、砹和氟化物中的至少一种。