CN107371316B - 用于回旋加速器的梯度校正器 - Google Patents

Abstract

一种用于等时性扇形聚焦回旋加速器的磁极包括围绕中心轴线Z交替分布的丘扇块和谷扇块，每个丘扇块包括以如下四条边缘为边界的上表面：上外围边缘、上中心边缘、第一和第二上侧边缘、以及从所述上外围边缘延伸到下外围线的外围表面。至少一个丘扇块的上外围边缘进一步包括相对于所述中心轴线限定凹陷的凹形部分，所述凹陷至少部分在对应的丘扇块的外围边缘上延伸。

Description

用于回旋加速器的梯度校正器

发明领域

本发明涉及回旋加速器。具体地，本发明涉及等时性扇形聚焦回旋加速器，所述回旋加速器具有对引出的激励带电粒子束的增强聚焦。

技术背景

回旋加速器是一种圆形粒子加速器，其中带负电粒子或带正电粒子沿螺旋路径从回旋加速器的中心向外加速直到若干MeV的能量。除非另外指明，术语“回旋加速器”在以下内容中用于指等时性回旋加速器。回旋加速器用于各种领域，例如用于核物理、医疗治疗，诸如质子疗法，或用于放射性药物学。具体地，回旋加速器可以用于生产适合于PET成像(正电子发射X线断层摄影术)的短寿命正电子发射同位素、或生产例如用于 SPECT成像(单光子发射计算机断层成像术)的伽马发射同位素(例如， Tc99m)。

回旋加速器包括若干元件，包括注入系统、用于使带电粒子加速的射频(RF)加速系统、用于沿着精确路径引导加速粒子的磁系统、用于收集如此加速的粒子的引出系统、和用于在回旋加速器中创造并维持真空的真空系统。

通过注入系统以相对低的初始速度将带电离子组成的粒子束在回旋加速器中心处或附近引入间隙中。如图3中所展示的，该粒子束通过RF加速系统按顺序并且重复地加速并且通过磁系统产生的磁场沿着所述间隙内的螺旋路径朝外引导。当粒子束达到其目标能量时，通过提供在引出点 PE的引出系统从回旋加速器中引出所述粒子束。该引出系统可以包括例如由薄石墨片组成的剥离器。例如，穿过剥离器的H^-离子失去两个电子并且变为正的。因此，磁场中的它们的路径的曲率改变其符号，并且因此从回旋加速器朝目标引出粒子束。存在本领域的技术人员众所周知的其他引出系统。

磁系统产生磁场，所述磁场沿着螺旋路径引导带电粒子束并使其聚焦，直到其加速到其目标能量。在以下内容中，术语“粒子”、“带电粒子”和“离子”作为同义词无区别地使用。通过缠绕在两个磁极上的两个电磁线圈14在这些极之间限定的间隙中产生磁场。回旋加速器的磁极经常分成围绕中心轴线分布的交替的丘扇块和谷扇块。两个磁极之间的间隙在丘扇块处较小而在谷扇块处较大。因此在丘扇块内的丘间隙部分中创造强磁场而在谷扇块内的谷间隙部分中创造较弱的磁场。这类方位角磁场变化在粒子束每次到达丘间隙部分时使粒子束径向和竖直聚焦。出于此原因，这类回旋加速器有时被称为扇形聚焦回旋加速器。在一些实施例中，丘扇块具有与一份蛋糕类似的圆形扇块几何形状，具有朝中心轴线基本上径向延伸的第一和第二侧表面、总体上弯曲的外围表面、与中心轴线相邻的中心表面、和限定丘间隙部分的一侧的上表面。上表面由第一和第二侧边缘、外围边缘和中心边缘定界。

实际上，粒子束具有截面积。回旋加速器的目标是产生尽可能多聚焦 (即，具有小的截面面积)的具有给定能量的带电粒子束。所述相继丘扇块和谷扇块创造的磁场的变化以与透镜可以使光束聚焦类似的方式使束聚焦。然而，当将粒子束引出两个磁极之间限定的间隙时，粒子束穿过磁场失去其均匀性的边界区域，这对粒子束的聚焦不利。这是一个特别敏感的问题，因为一方面粒子束在引出点具有其最大能量，并且另一方面，在磁极的、磁场快速下降的外围边缘处控制磁场更加困难。为了增强引出的粒子束的聚焦，本技术领域已经提出了通过经添加梯度校正器形成到所述外围边缘的突出物来修改丘扇块的外围边缘的几何形状。梯度校正器相对于丘扇块的大小而言是相对小的钢块，所述钢块联接至丘扇块的外围边缘。这类梯度校正器允许修改外围边缘附近的磁场并且因此局部修改丘扇块的外围边缘附近的磁场以改进出射粒子束的聚焦。然而，突出式梯度校正器的使用具有若干缺点。首先，容纳磁极的真空室的容积必须相应地增大，因此需要更多的能量和时间来从真空室泵送气体。第二，回旋加速器的总体重量增大，因为一方面梯度校正器本身的重量，并且另一方面真空室的外壁的增大的总体大小，并且因此的通量回轭的大小；两者促成回旋加速器重量大幅度增大。第三，突出式梯度校正器的位置是至关重要的；小的位置偏差可能产生大的磁场变化。梯度校正器必须由熟练的技术人员手动精确固定在所有丘扇块的外围表面的相同位置处。当然，这是一项关键且昂贵的操作。第四，突出式梯度校正器具有使磁场向外偏移的效果，其朝一对相对的丘扇块之间的丘间隙部分的外围边缘向外拉动粒子束的路径，在所述外围边缘，磁场失去其均匀性。这种移位还导致损失有用的磁场并且因此需要增大线圈电流以便补偿这种损失。因此，控制引出的粒子束的特性更加困难和昂贵。

因此，本领域仍然需要一种允许以高效且有成本效益的方式引出更加聚焦且更加可预测的粒子束的等时性扇形聚焦回旋加速器。

发明内容

以所附的独立权利要求限定了本发明。在从属权利要求中限定了优选的实施例。

本发明涉及一种用于回旋加速器的磁极，所述磁极包括至少3个丘扇块和相同数目的包括底表面的谷扇块，所述丘扇块和谷扇块围绕中心轴线 Z交替地分布，每个丘扇块包括：

(a)由以下各项限定的上表面：

●上外围边缘，所述上外围边缘以第一和第二上远端为边界，并且被限定为所述上表面的、位置离所述中心轴线最远的边缘；

●上中心边缘，所述上中心边缘以第一和第二上近端为边界并且被限定为所述上表面的、位置离所述中心轴线最近的边缘；

●第一上侧边缘，所述第一上侧边缘将所述第一上远端与第一上近端相连接；

●第二上侧边缘，所述第二上侧边缘将所述第二上远端与第二上近端相连接；

(b)第一和第二侧表面，每个侧表面从所述第一和第二上侧边缘横向地延伸至位于丘扇块的任一侧的对应谷扇块的底表面，从而将所述第一和第二下侧边缘限定为使侧表面与相邻底表面相交的边缘，所述第一和第二下侧边缘各自具有位置离所述中心轴线最远的下远端；

(c)外围表面，所述外围表面从所述上外围边缘延伸到下外围线，所述下外围线被限定为以所示第一和第二下侧边缘的下远端为边界的段；

其特征在于，至少一个丘扇块的上外围边缘包括相对于所述中心轴线限定凹陷的凹形部分，所述凹陷至少部分在对应的丘扇块的外围边缘上延伸。

优选地，所述凹陷总体上是楔形的，其中第一和第二会聚线(优选地直线)以会聚角θ延伸远离所述上外围边缘，所述会聚角优选地包括在70°与130°之间、更优选地在80°与110°之间、最优选地为90°±5°。

所述凹陷远离所述上外围边缘具有会聚部分，所述会聚部分具有以下几何形状之一：

●形成三角形凹陷的急拐角；

●形成梯形凹陷的直边缘；或

●形成拱形凹陷的圆化边缘。

优选地，所述上外围边缘具有方位角长度Ah，并且其中，所述凹形部分在所述上外围边缘的所述方位角长度的3％与30％之间、优选地在5％与 20％之间、更优选地在8％与15％之间延伸。

优选地，所述凹陷与所述第一和第二上侧边缘分离开。可替代地，所述凹陷与所述第一上侧边缘相邻。

所述凹陷可以在所述外围表面的一部分上延伸。

优选地，所述凹陷延伸过所述外围表面的与所述外围表面的高度的一部分ζ相对应的一部分，所述高度是平行于所述中心轴线在所述上外围边缘与所述下外围线之间测得的，其中，所述部分ζ包括在25％与75％之间、优选地在40％与60％之间、最优选地在45％与55％之间。

为了具有磁场的平滑变化，所述外围边缘形成与所述上外围边缘相邻的斜切面。

优选地，所述上外围边缘是圆弧，所述圆弧的中心相对于所述中心轴线偏移、并且半径不超过从所述中心轴线到所述上外围边缘的中点的距离的85％，所述中点到所述第一和第二上远端的距离相等。

丘扇块的数目N优选地为3个、4个、5个、6个、7个或8个，更优选地N＝4。

本发明还涉及一种用于在包括在间隙内的给定路径上使粒子束加速的回旋加速器，所述回旋加速器包括如上所述的第一和第二磁极，其中，所述第一和第二磁极被定位成关于与第一和第二磁极的中心轴线相垂直的正中面对称，所述磁极之间形成所述间隙，其中在两个相反丘扇块之间形成丘间隙部分和在两个相反谷扇块之间形成谷间隙部分。

优选地，所述回旋加速器的凹陷具有第一和第二凹陷远点，所述第一和第二凹陷远点彼此分离开距离L10，并且其中，所述第一和第二磁极的一对丘扇块之间的丘间隙部分具有平均高度Gh，并且其中，所述比率 Gh/L10包括在5％与100％之间、优选地在10％与50％之间、更优选地在 20％与33％之间。

所述回旋加速器还可以包括位于所述第一和第二磁极的丘扇块的两个相反上表面之间的丘间隙部分中的引出点，所述粒子束的所述给定路径是朝外螺旋路径，所述朝外螺旋路径围绕所述中心轴线循环直到能够沿引出路径从所述回旋加速器中驱动出具有给定能量的所述粒子束的所述第一引出点为止，并且其中，所述凹陷位于所述引出点下游，其中下游是相对于粒子束方向限定的，从而使得所述引出路径以包括在80°与100°之间、优选地在85°与95°之间的角与所述凹陷线相交。

优选地，所述回旋加速器进一步包括位于限定第二引出路径的丘扇块中的第二引出点，并且包括位于所述第二引出点下游的第二凹陷，从而使得所述第二引出路径以包括在80°与100°之间、优选地在85°与95°之间的角与所述第二凹陷线相交来。

附图简要说明

本发明的这些和进一步方面将通过实例方式并且参考附图进行更详细解释，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的回旋加速器的(a)侧视剖面图和(b) 俯视图；

图2示出了根据本发明的回旋加速器的丘扇块和谷扇块的实例；

图3示出了半个回旋加速器与带电粒子加速路径的局部透视图(为了增强可见性，未示出通量回轭中引出粒子的出口)；

图4示出了根据本发明的丘扇块的实例，所述丘扇块包括梯度校正器；

图5示出了具有和不具有梯度校正器的磁场线的实例；

图6示出了根据本发明的丘扇块的上外围线的凹形部分的几何形状的实例；

图7示出了根据本发明的凹陷的几何形状的实例；

图8示出了根据本发明具有两个凹陷和两个引出点的磁极的实例

图9示出了根据本发明的丘扇块的另一个实例，所述丘扇块包括丘扇块的经改进的上外围边缘设计；

图10示出了根据本发明的并且具有凹陷(a)和极插入件(b)的丘扇块的第三实例。

详细说明

根据本发明的回旋加速器的几何形状

本发明涉及等时性扇形聚焦回旋加速器，下文中称为在以上技术背景部分中讨论的类型的回旋加速器。如图3中所示，根据本发明的回旋加速器使带电粒子沿螺旋路径12从回旋加速器的中心区域向外加速直到它们以若干MeV能量被引出。例如，如此引出的带电粒子可以是质子H⁺、或氘核D⁺。优选地，引出的粒子达到的能量包括在5MeV与30MeV之间、更优选地在15MeV与21MeV之间、最优选地为18MeV。具有这类能量的回旋加速器例如用于生产适合于在PET成像(正电子发射X线断层摄影术)中使用的短寿命正电子发射同位素或适合于生产用于SPECT成像 (单光子发射计算机断层成像术)的伽马发射同位素(例如，Tc99m)。

如图1中所示，根据本发明的回旋加速器1包括两个基板5和一起形成轭的通量回轭6。通量回轭形成回旋加速器的外壁并且通过将线圈14外的磁场控制为将其容纳在回旋加速器内。所述回旋加速器进一步包括位于真空室中的第一和第二磁极2，所述磁极关于垂直于中心轴线Z的正中面 MP对称地面向彼此并且彼此分开一定间隙7。所述轭与磁极全都由磁性材料、优选地低碳钢制成并且形成磁系统的一部分。磁系统是通过将由导电线制成的第一和第二线圈14缠绕在第一和第二磁极上并且配合在所述磁极与通量回轭之间限定的环形空间内来完成。

如图1(b)和图2中所示，第一和第二磁极2中的每一者包括围绕中心轴线Z径向分布的至少N＝3个丘扇块3(图1(b)展示了N＝4的优选实施例)。图1(b)中表示为光阴影区域的每个丘扇块3具有在丘方位角αh范围内延伸的上表面3U。第一和第二磁极2中的每一者进一步包括相同数目N的围绕中心轴线Z径向分布的谷扇块4，在图1(b)中表示为暗阴影区域。每个谷扇块4两侧是两个丘扇块3并且具有在谷方位角αv 范围内延伸的底表面4B，从而使得αh+αv＝360°/N。

第一磁极2的丘扇块3和谷扇块4分别面向第二磁极2的相对丘扇块 3和谷扇块4。图3中展示的粒子束所沿的路径12包括在将第一磁极与第二磁极分开的间隙7内。第一磁极与第二磁极之间的间隙7因此包括两个相对丘扇块3的上表面3U之间限定的丘间隙部分7h与两个相对谷扇块4 的底表面4B之间限定的谷间隙部分7v。丘间隙部分7h具有平均间隙高度 Gh，被限定为丘间隙部分在两个相对上表面3U的区域上的平均高度。

平均丘和谷间隙高度被对应地测量为丘扇块与谷扇块的整个上表面与下表面上的间隙高度平均值。谷间隙高度的平均值忽略了底表面上的任何开口。

上表面3U由以下各项限定(参见图2)：

●上外围边缘3up，所述上外围边缘以第一和第二上远端3ude为边界，并且被限定为上表面的、位置离中心轴线Z最远的边缘；

●上中心边缘3uc，所述上中心边缘以第一和第二上近端3upe为边界并且被限定为所述上表面的、位置离所述中心轴线最近的边缘；

●strai

●第二上侧边缘3ul，所述第二上侧边缘将所述第二上远端与所述第二上近端相连接；

丘扇块3进一步包括(参见图2)：

●第一和第二侧表面3L，每个侧表面从第一和第二上侧边缘横向地延伸至位于丘扇块的任一侧的对应谷扇块的底表面，从而将第一和第二下侧边缘3ll限定为使侧表面与相邻底表面相交的边缘，所述第一和第二下侧边缘各自具有位置离中心轴线最远的下远端3lde；

●外围表面3P，所述外围表面从上外围边缘延伸到下外围边缘3lp，所述下外围边缘被限定为以第一和第二下侧边缘的下远端3lde为边界的段。

丘扇块的平均高度Hh是在下侧边缘与上侧边缘之间平行于中心轴线测得的平均距离。

边缘的末端被限定为对限定所述边缘的端进行限制的两个极端之一。近端是边缘的、位置离中心轴线Z最近的末端。远端是边缘的、位置离中心轴线Z最远的末端。末端可以是被限定为两条或更多条线相遇的点的转折点。转折点还可以被限定为曲线的切线改变符号或呈现出不连续性的点。

边缘是两个表面相遇的线段。边缘如以上所限定的以两端为边界，并且限定两个相遇的表面中的每个表面的一边。由于机加工工具的局限性原因、以及为了减少应力集中，两个表面经常以给定的曲率半径R相遇，这使得难以精确限定边缘与两个表面相交的几何位置。在这种情况下，边缘被限定为与外推为以无限曲率(1/R)彼此相交的两个外推表面相交的几何线。上边缘是与丘扇块的上表面3U相交的边缘，并且下边缘是与谷扇块的底表面4B相交的边缘。

外围边缘被限定为表面的包括位置离中心轴线Z最远的点的边缘。如果最远点是两条边缘共享的转折点，则外围边缘还是表面的、距离中心轴线Z的平均距离最大的边缘。例如，上外围边缘是上表面的包括位置离中心轴线最远的点的边缘。如果将丘扇块比作一份水果蛋糕，外围边缘将是水果蛋糕的外围外皮。

以类似的方式，中心边缘被限定为表面的包括位置离中心轴线Z最近的点的边缘。例如，上中心边缘是上表面的包括位置离中心轴线Z最近的点的边缘。

侧边缘被限定为将近端处的中心边缘连结至远端处的外围边缘的边缘。侧边缘的近端因此是所述侧边缘的与中心边缘相交的末端，并且所述侧边缘的远端是所述侧边缘的与外围边缘相交的末端。

取决于回旋加速器的设计，上中心边缘/下中心边缘可以具有不同的几何形状。最常见的几何形状是相对于中心轴线具有有限长度(≠0)的经常为圆形的凹线(或凹曲线)，所述凹线以彼此分开的第一和第二上近端/下近端为边界。这种构型在清空空间来引入粒子束与其他元件的间隙时是有用的。在第一替代性构型下，第一和第二中心近端合并成单个中心近点，从而形成上表面3U的顶点，所述顶点仅包括三条边缘，中心边缘具有零长度。如果再次将丘扇块比作一份水果蛋糕，则这份的尖头将与如此减小为单个点的中心边缘相对应。在第二替代性构型下，从第一侧边缘到第二侧边缘的过渡相对于中心轴线Z可以是弯曲凸面，从而产生没有任何转折点的平滑过渡。在这种构型下，中心边缘也减小成单个点，所述单个点被限定为切线改变符号的点。通常，甚至在第一和第二替代性构型下，丘扇块没有一直延伸到中心轴线，让出直接环绕中心轴线的中心区域以允许插入粒子束或安装其他元件。

如图2中所示，第一和第二侧表面3L优选地是斜切的，从而分别在第一和第二上侧边缘形成斜切面3ec。斜切面被限定为通过切掉已经由不存在斜切面的两个表面形成的边缘而获得两个表面之间的中间表面。斜切面减小了在两个表面之间的边缘处形成的角。斜切面经常使用在机械器件中以用于减小应力集中。然而，在回旋加速器中，在丘扇块的上表面的水平的斜切侧表面在粒子束到达丘间隙部分7h时增强粒子束的聚焦。丘扇块的外围表面3P也可以在上外围边缘处形成斜切面，其改进了外围边缘附近的磁场的均匀性。

根据本发明的回旋加速器优选地包括N＝3到8个丘扇块3。更优选地，如在图中所展示的，N＝4。对于N的偶数值，丘扇块3和谷扇块4必须围绕中心轴线根据2n的任意对称性分布，其中n＝1到N/2。优选地，n＝ N/2，使得所有N个丘扇块彼此完全相同，并且所有N个谷扇块彼此完全相同。对于N的奇数值，丘扇块3和谷扇块4必须围绕中心轴线根据N的任意对称性分布。在优选实施例中，对于所有N＝3-8(即根据N的对称性)，N个丘扇块3围绕中心轴线均匀分布。第一和第二磁极2被定位成它们相应的上表面3U面向彼此并且关于与同轴的第一和第二磁极2的相应中心轴线Z垂直的正中面MP对称。

丘扇块的形状与一份水果蛋糕(经常如之前所讨论的，其中没有尖端) 一样经常是楔形的，其中第一和第二侧表面3L从外围表面朝中心轴线Z 会聚(通常没有够到所述中心轴线)。丘方位角αh与在侧表面的(外推) 上侧边缘的、在中心轴线Z处或与其相邻的相交点的水平测得的会聚角相对应。丘方位角αh优选地包括在360°/2N±10°之间、更优选地在360°/2N ±5°之间、最优选地在360°/2N±2°之间。

在中心轴线Z的水平测得的谷方位角αv优选地包括在360°/2N±10°之间、更优选地在360°/2N±5°之间、最优选地在360°/2N±2°之间。谷方位角αv可以等于丘方位角αh。在对称度N的情况下，αv＝360°/N-αh，例如，对于N＝4，αv是αh的余角，其中αv＝90°-αh。

中心轴线与外围边缘之间的最大距离Lh优选地包括在200mm与 2000mm之间，更优选地在400mm与1000mm之间、最优选地在500mm 与800mm之间。对于18MeV的质子回旋加速器，最大距离Lh通常小于750mm，并且可以是大约500mm到750mm、典型地是520mm到550mm。上外围边缘具有在第一与第二上外围端之间测得的方位角Ah，并且可以接近于Ah＝Lh×αh[rad]。

两个磁极2和缠绕在每个磁极上的电磁线圈14形成在磁极之间的间隙 7中产生磁场的(电)磁体，所述磁场沿着图3所展示的、起始于回旋加速器的中心区域(围绕中心轴线Z)的螺旋路径12引导并聚焦带电粒子束 (＝粒子束)，直到其达到例如18MeV的目标能量，从而引出所述带电粒子束。如之前所讨论的，磁极经常分成围绕中心轴线Z分布的交替的丘扇块和谷扇块。因此在丘扇块内的具有平均高度Gh的丘间隙部分7h中创造强磁场，而在谷扇块内的具有平均高度Gv>Gh的谷间隙部分7v中创造较弱的磁场，从而创造粒子束的竖直聚焦。

当粒子束被引入回旋加速器中时，在称为d字形电极(未示出)的高压电极与附接至磁极的侧边缘上、定位在谷扇块中的地电压电极之间创造的电场使所述粒子束加速，在所述谷扇块中，磁场较弱。每次加速粒子穿入丘间隙部分7h时，所述加速粒子比其在前一个丘扇块中具有更高的速度。丘扇块中存在的高磁场使加速粒子的轨迹偏离以沿着具有的半径比其在前一个丘扇块中所沿半径更大的基本上圆形路径。一旦粒子束已经加速到其目标能量，则在被称为引出点PE的点从回旋加速器引出所述电子束，如图3中所示。例如，可以通过将加速H^-离子束驱动通过由薄箔石墨片组成的剥离器来引出能量质子H⁺。经过剥离器的H^-离子失去两个电子并且变为正H⁺。通过改变粒子电荷符号，磁场中的其路径的曲率改变符号，并且因此从回旋加速器朝目标引出粒子束(未示出)。本领域的技术人员已知其他引出系统并且所使用的引出系统的类型和细节对于本发明而言不是必不可少的。通常，引出点位于丘间隙部分7h中。回旋加速器在同一丘部分中可以包括若干引出点。因为回旋加速器的对称性要求，有多于一个丘扇块包括引出点。对于N的对称度，所有N个丘扇块包括相同数目的引出点。引出点可以单独(一次仅一个)或同时(一次若干个)使用。

梯度校正器

图4(a)和图4(b)示出了包括N＝4个丘扇块和N＝4个包括底表面的谷扇块的回旋加速器的磁极的优选实施例的实例，所述丘扇块和谷扇块围绕中心轴线Z根据N＝4的对称性交替地分布。根据本发明的回旋加速器的这类丘扇块包括如上限定的第一和第二侧表面3L、外围表面3P和上表面3U。至少一个丘扇块的上表面的上外围边缘3up包括与相对于中心轴线的凹形部分相邻的凸形部分，从而限定部分地在对应的丘扇块的外围表面的一部分上延伸的凹陷。优选地，至少一个丘扇块的上表面的上外围边缘3up包括通过凹形部分分离开的2个凸形部分。

因为之前讨论的对N的偶数值的2n的对称性要求和对N的奇数值的 N的对称性要求，相同的对称性必须适用于这些不同丘扇块的上外围边缘上存在或不存在相对于中心轴线的凹形部分的情况。因此，每个丘扇块的上外围边缘优选地包括相对于中心轴线的凹形部分3upc，从而限定部分在对应的丘扇块的外围表面上在两个凸形部分之间延伸的凹陷10。

术语“凹形的”是指内弯曲或向内凹陷。相对于边缘的中心轴线的凹形部分是边缘的朝中心轴线弯曲的部分。该术语与指从轴心轴线弯曲出去或朝外延伸的术语“凸形的”相反。

凹陷的位置可以与第一和第二侧边缘分离开，或者与第一或第二侧边缘相邻。优选地，丘扇块包括与侧边缘分开的至少一个凹陷。

在现有技术回旋加速器中，使用突出式梯度校正器。突出式梯度校正器具有若干缺点：

●增大了真空室的体积，

●增大了轭的和整个回旋加速器的体积，

●增加了回旋加速器的重量，

●必须手动完成的梯度校正器精确定位困难，

●磁场向外偏移。

使用凹陷式梯度校正器代替突出式梯度校正器具有若干优点。首先，其允许减小容纳磁极的真空室的大小，从而引起从真空室排出气体所需的能量减少并且减少气体排放的时间。第二，因为一方面丘扇块的重量略微减轻而不是增大并且另一方面通量回轭的内表面的总直径减小，所以回旋加速器的总重量减小。第三，可以通过数控机加工来精确制造和定位凹陷的位置，从而允许优化粒子束穿过丘扇块的外围边缘所成的角度。第四，当突出式梯度校正器使磁场向外偏离时，通过凹陷式梯度校正器使磁场向内凹陷，从而引起粒子路径的最后循环向内移位，进一步远离丘扇块的外围边缘，此时与接近外围边缘相比，磁场更均匀。图4示出了通过凹陷式梯度校正器(图5(a))和没有任何梯度校正器(图5(b))偏移的磁场线的实例。因此，控制引出粒子束的特性、并且特别是其聚焦更容易且更可预测。这种朝加速区域的偏离还允许减少馈送到线圈的功率。

优选地，上外围边缘3up包括第一和第二凹陷远点10rdp，所述从凹陷远点限定凹陷的边界并且被限定为上外围边缘的切线改变符号或呈现出不连续性的点。第一和第二凹陷远点彼此分开距离L10。所述凹陷还包括凹陷近点10rpp，所述凹陷近点被限定为位置离中心轴线Z最近的凹陷点的。第一和第二凹陷远点10rdp通过第一和第二凹陷会聚边缘10rc连结凹陷近点10rpp。

凹陷深度H10被限定为由第一和第二凹陷远点10rdp与凹陷近点 10rpp形成的、并且经过凹陷近点10rpp的三角形的高度。凹陷深度H10 包括在上外围边缘的方位角长度Ah的3％与30％之间、优选地在5％与20％之间、更优选地在8％与15％之间。优选地，凹陷深度H10和中心轴线与丘扇块的外围边缘之间的最大距离Lh的比率H10/Lh包括在2％与20％之间、优选地在4％与15％之间、更优选地在6％与10％之间。

上外围边缘3up具有在第一和第二上远端3ude之间测得的方位角长度Ah。将第一凹陷远点连结至凹陷近点的第一凹陷会聚边缘10r1具有长度L101并且将第二凹陷远点连结至凹陷近点的第二凹陷会聚边缘10r2具有长度L102。第一和第二凹陷会聚边缘的长度L101和L102包括在上外围边缘的方位角长度Ah的5％与30％之间。优选地，长度L101等于长度 L102的±40％(L101＝L102±40％)。

优选地，第一和第二凹陷远点之间的距离L10范围在上外围边缘的方位角长度Ah的5％与50％之间、优选地在10％与30％之间、最优选地在15％与20％之间。

优选地，所述凹陷还在外围表面3P的一部分上从上外围边缘3up朝下外围线3lp延伸。所述凹陷因此在外围表面上延伸过外围表面高度的一部分ζ，该部分是平行于中心轴线在上外围边缘与下外围边缘之间测得的。所述部分ζ优选地包括在25％与100％之间、优选地在40％与75％之间、最优选地在45％与55％之间。

如图6所展示的，上外围边缘的凹形部分可以具有在第一与第二凹陷远点之间打开的以下几何形状中的任一者：(a)矩形、(b)梯形、(c)具有直边缘或(朝内或朝外)弯曲边缘的三角形、(d)圆弧、(e)两个圆弧、 (f)抛物线、(g)正方形、(h)平行四边形、(i)多边形、(j)平滑曲线。基本上，可以实施通过数值分析确定的任何几何形状。例如，在梯形情况下，小的基础可以包括凹陷近点10rpp，而大的基础可以由第一和第二凹陷远点10rdp来限定。可替代的，小的基础可以由第一和第二凹陷远点 10rdp来限定，而大的基础可以包括凹陷近点10rpp。三角形可以是不等边的、等腰的或等边的。其还可以是直角的，其中直角形成在凹陷近点 10rpp处。在两个(或更多)圆弧的情况下，它们可以是向内((e)向右) 或向外((e)向左)。凹形部分优选地被设计成使得其一条边缘以80°-100°、优选地85°-95°、基本上为90°的角与粒子束的引出路径相交。

优选地，凹陷10平行于中心轴线在外围表面的一部分上延伸。可替代地，其可以从上表面以与中心轴线Z成一定角度地向下延伸。距离L10和 /或高度H10可以沿外围边缘的高度彼此独立地或同时地增大或减小。垂直于中心轴线Z的凹陷的截面的面积可以因此根据距离上表面的距离而减小或增大。在更复杂的实施例中，凹陷的截面的几何形状和面积可以随着外围表面而变化。凹陷的高度也可以随着外围表面而不同。图7展示了凹陷的几何形状的一些实例。例如，凹陷可以具有以下形状：(a)平行于中心轴线从上表面延伸的棱柱形、(b)垂直于中心轴线从外围表面延伸的棱柱形、(c)金字塔形(的一部分)、或在外围表面上延伸的更复杂的体积。

优选地，凹陷通常是楔形的，其中第一和第二凹陷会聚边缘是直(或稍微向内或向外弯曲)线。楔形的尖端对应于凹陷近点和朝中心轴线的总方向上的点。会聚角θ在楔形的尖端处优选地包括在70°与130°之间、更优选地在80°与110°之间、最优选地为90°±5°。在此使用的表述“向内”和“向外”应分别理解为“朝向”或“远离”中心轴线。

更普通地，楔形凹陷的会聚部分可以具有以下几何形状之一：

●形成三角形凹陷的尖锐拐角，与之前讨论的楔形凹陷相对应；

●形成梯形凹陷楔子的直边缘；或

●形成拱形凹陷的圆化边缘楔形。

本发明还涉及一种包括如之前限定的磁极的回旋加速器。如之前所述，回旋加速器使粒子束在给定路径上加速，直到将具有给定能量的粒子束从回旋加速器驱动出去的第一引出点为止。回旋加速器的第一和第二磁极的一对丘之间的丘间隙部分具有平均高度Gh。优选地，第一和第二凹陷远点10rdp之间的距离L10与丘间隙部分的高度Gh的比率包括在1与20 之间、优选地在2与10之间、更优选地在3与5之间。例如，对于高度为Gh＝20-40mm的丘间隙，距离L10可以是大约10-100mm，从而产生可以包括在1-5之间、优选地在3与3.5之间的比率L10/Gh，即Gh/L10≤ 1。

优选地，引出点位于与一对相对丘扇块的外围边缘相邻的丘间隙部分内。凹陷位于所述第一引出点下游，其中下游是相对于粒子束方向限定的。相对于引出点并且相对于引出路径精确地机加工凹陷10，使得粒子束以 90°±15°的角与第一会聚凹陷边缘10r1相交。粒子束因此基本上垂直于磁场离开丘间隙部分，这改进了引出的粒子束的聚焦。凹陷的位置和几何形状是通过数字计算和/或测试确定的。

如图8所示，所述回旋加速器可以进一步包括位于第一引出点PE1下游并且位于同一对相对丘扇块的同一丘间隙部分内的第二引出点PE2。可以在所述第二引出点处将与在所述第一引出点处具有相同能量的粒子束驱动离开回旋加速器。在这种情况下，包括两个引出点的丘扇块还包括两个凹陷，每个凹陷位于对应的引出点下游。

图9示出了根据本发明的回旋加速器的磁极的优选实施例的实例。在该实施例中，上外围边缘3up以第一和第二上远端为边界，并且丘扇块的上外围边缘包括圆弧3ac，所述圆弧的中心相对于中心轴线偏移、并且半径Rh不超过从中心轴线到上外围边缘的中点的距离Lh的85％(Rh/Lh≤ 85％)，所述中点到第一和第二上远端的距离相等。

优选地，半径Rh与距离Lh的比率Rh/Lh不超过75％(Rh/Lh≤75％)、更优选地不超过65％(Rh/Lh≤65％)。

具有的上外围边缘包括其中心相对于中心轴线偏移的圆弧的目的是至少使得上外围边缘的一部分与螺旋路径12的在回旋加速器的丘间隙部分 7h中的最高能量(＝最后的)轨道相位似近似。“与所述轨道相位似近似”是指上外围边缘的圆弧部分与和引出点相邻的最后粒子轨道两者均是共享同一中心、具有不同半径的圆弧。所述圆弧因此大致平行于所述最后轨道的紧邻引出点并且在其上游的部分。引出轨道的路径的长度和轨道与上外围边缘之间的角变得不取决于引出系统(例如，剥离器)的方位角位置。因此，引出的束的特征(几乎)不取决于引出点的位置。

优选地，所述圆弧从上外围边缘的第一上远端延伸到第二上远端，从而限定丘扇块的整个外围边缘，并且所述圆弧的中心位于上表面的平分线上，所述平分线被限定为将中心轴线与上外围边缘连结的直线。

优选地，外围表面形成与上外围边缘相邻的斜切面。

如之前所述，回旋加速器使粒子束在给定路径上加速，直到可以将具有给定能量的粒子束从回旋加速器驱动出去的第一引出点为止。有利地，丘扇块可以包括多于一个引出点，例如两个。两个磁极的相对于正中面 MP相反的两个丘扇块的上外围边缘的圆弧部分平行于就在第一引出点上游的给定路径部分并且位似地重现所述部分。所述圆弧在整个外围边缘上与所述部分给定路径共享同一中心并且与之平行。术语“上游”和“下游”是相对于粒子束方向限定的。

当粒子束已经达到其目标能量时，所述粒子束在引出点引出并且然后所述粒子束遵循所述引出点下游的引出路径。该引出路径的一部分位于第一和第二磁极之间并且因此仍然包括在丘间隙部分内并且受到磁场影响。如果这对相对的丘扇块包括第一和第二引出点，则可以在第一引出点或第二引出点、或在两个引出点处引出粒子束。粒子束然后沿着第一或第二引出点下游的第一或第二引出路径。根据本发明的上外围边缘的至少一部分的圆形几何形状的情况下，包括在第一引出点下游的间隙内的引出路径长度L1、和包括在第二引出点下游的间隙内的引出路径长度L2基本上相等。

在第一和第二引出点具有相同引出路径长度的主要优点是确保了从一个引出点引出的粒子束具有与从第二引出点引出的粒子束相似的光特性。

图10示出了回旋加速器的磁极的优选实施例的实例，其中，至少一个丘扇块的上表面进一步包括：

-凹陷8，所述凹陷沿与上外围边缘和上中心边缘相交的纵向轴线8rl 延伸了凹陷近端8rpe与凹陷远端8rde之间的长度L8；所述凹陷与第一和第二上侧边缘分离开其长度L8的至少80％，以及

-极插入件9，所述极插入件具有配合所述凹陷的几何形状并且定位在所述凹陷内并且可逆地与所述凹陷联接。

术语“配合”是指极插入件具有能够精确插入嵌套在所述凹陷内的总体形状。

在包括极插入件的现有技术回旋加速器中，极插入件定位在从丘扇块的上表面的侧边缘机加工出的凹陷中。然而，RF加速系统的与上侧边缘区域重叠的部分使得难以触及到这类极插入件。触及到这类极插入件要求首先移除RF系统的重叠部分。通过将极插入件定位在上表面上，可以容易且直接触及到所述极插入件，以便移除、机加工和重新插入凹陷中。根据本实施例，因此达到产生预测磁场和粒子路径的最佳插入件形貌更加容易且高效。

优选地，所有极插入件具有相同的形状并且由相同的材料制成。优选地，极插入件由与对应的丘扇块相同的材料制成。

优选地，所述凹陷沿与中心轴线相交的纵向轴线延伸，并且所述凹陷在两端是末端开放的并且从上中心边缘一直延伸到上外围边缘。在又一个优选实施例中，纵向轴线在位于距离第一和第二上远端相等距离的点处与上外围边缘相交，并且其中，第一和第二上远端优选地关于纵向轴线对称。例如，除了与中心边缘相邻的近侧部分9p外，极插入件具有总体上平行六面体的形状，如图10(b)中所展示的。

在图10(b)的实施例中，所述凹陷延伸到上外围边缘并且在那是末端开放的情况下，极插入件9dc的远端形成上外围边缘的一部分。上外围边缘的由极插入件形成的部分优选地不超过上外围边缘的长度的Ah的 10％、更优选地不超过5％。优选地，该远端在外围表面处形成斜切面。

所述极插入件嵌套在所述凹陷中并且可逆地紧固到对应的丘扇块上。例如，所述极插入件可以使用螺钉9S联接至丘扇块。

如之前讨论的，极插入件沿着纵向轴线在其长度L9的80％范围内优选地具有棱柱几何形状，长度为L9p的会聚近侧部分9p除外。丘上表面 3U与丘侧表面之间的脊是斜切的，于是凹陷的近侧部分的对应脊也可以是斜切的。

可以机加工极插入件上表面9U和/或第一和第二侧表面9L(图10(b) 中所展示)的形貌以形成上表面的或侧表面的横向于或平行于纵向轴线的凹槽9gu、9gl。所述凹槽可以沿直线、曲线或折线延伸。可替代地，可以透过所述表面钻出孔9hu、9hl。所述孔可以是盲孔(即，具有有限深度) 或者可以是通孔。如之前解释的，出于对称性原因，每个丘扇块包括极插入件，所述极插入件因此是单独机加工或者并排对齐并且所有的在一起机加工的。机加工后的极插入件的所得外貌可以与机加工之前的方面显著不同。

总之，本发明提供了以下优点：其允许减小真空室的大小和减轻回旋加速器的总体总量。第三，可以精确地制造和定位凹陷的位置。第四，通过凹陷式梯度校正器使磁场向内凹陷，从而引起粒子路径的最后循环向内移位，此时与接近外围边缘相比，磁场更均匀。因此，控制引出粒子束的特性、并且特别是其聚焦更容易且更可预测。

Claims (15)

1.一种用于回旋加速器(1)的磁极(2)，包括至少3个丘扇块(3)和相同数目的包括底表面(4B)的谷扇块(4)，所述丘扇块和谷扇块围绕中心轴线Z交替地分布，每个丘扇块包括：

(a)由以下各项限定的上表面(3U)：

-上外围边缘(3up)，所述上外围边缘以第一上远端和第二上远端(3ude)为边界，并且被限定为所述上表面的、位置离所述中心轴线最远的边缘；

-上中心边缘(3uc)，所述上中心边缘以第一上近端和第二上近端(3upe)为边界并且被限定为所述上表面的、位置离所述中心轴线最近的边缘；

-第一上侧边缘(3ul)，所述第一上侧边缘将所述第一上远端与所述第一上近端相连接；

-第二上侧边缘(3ul)，所述第二上侧边缘将所述第二上远端与所述第二上近端相连接；

(b)第一侧表面和第二侧表面(3L)，每个侧表面从所述第一上侧边缘和所述第二上侧边缘横向地延伸至位于丘扇块的任一侧的对应谷扇块的底表面，从而将第一下侧边缘和第二下侧边缘(3ll)限定为使侧表面与相邻底表面相交的边缘，所述第一下侧边缘和所述第二下侧边缘各自具有位置离所述中心轴线最远的下远端；

(c)外围表面(3P)，所述外围表面从所述上外围边缘延伸到下外围线(3lp)，所述下外围线被限定为以所述第一下侧边缘和所述第二下侧边缘的下远端(3lde)为边界的段；

其中，至少一个丘扇块的上外围边缘包括相对于所述中心轴线限定凹陷的凹形部分，所述凹陷至少部分地在对应的丘扇块的外围表面的一部分上延伸，

其特征在于，

所述凹陷总体上是楔形的，其中第一会聚线和第二会聚线以会聚角θ延伸远离所述上外围边缘，所述会聚角包括在70°与130°之间，以及

凹陷深度(H10)与所述中心轴线和丘扇块的外围边缘之间的最大距离(Lh)的比率H10/Lh包括在2％与20％之间，其中所述凹陷深度(H10)被限定为由第一凹陷远点和第二凹陷远点(10rdp)与凹陷近点(10rpp)形成的三角形的高度。

2.根据权利要求1所述的磁极，其中，所述会聚角θ包括在80°与110°之间。

3.根据权利要求2所述的磁极，其中，所述凹陷具有远离所述上外围边缘的会聚部分，所述会聚部分具有以下几何形状之一：

·形成三角形凹陷的急拐角；

·形成梯形凹陷的直边缘；或

·形成拱形凹陷的圆化边缘。

4.根据权利要求1所述的磁极，其中，所述上外围边缘具有方位角长度Ah，并且其中，所述凹形部分在所述上外围边缘的所述方位角长度的3％与30％之间延伸。

5.根据权利要求1所述的磁极，其中所述凹陷与所述第一上侧边缘和所述第二上侧边缘分离开。

6.根据权利要求1所述的磁极，其中所述凹陷与所述第一上侧边缘相邻。

7.根据权利要求1所述的磁极，其中，所述凹陷延伸过所述外围表面的与所述外围表面的高度的一部分ζ相对应的一部分，所述高度是平行于所述中心轴线在所述上外围边缘与所述下外围线之间测得的，其中，所述部分ζ包括在25％与75％之间。

8.根据权利要求1所述的磁极，其中，所述外围表面形成与所述上外围边缘相邻的斜切面。

9.根据权利要求1所述的磁极，其中，所述上外围边缘是圆弧，所述圆弧的中心相对于所述中心轴线偏移、并且半径不超过从所述中心轴线到所述上外围边缘的中点的距离的85％，所述中点到所述第一上远端和第二上远端的距离相等。

10.根据权利要求1所述的磁极，其中，丘扇块的数目N为3个、4个、5个、6个、7个或8个。

11.用于在包括在间隙内的给定路径上使粒子束加速的回旋加速器，所述回旋加速器包括第一磁极和第二磁极，所述第一磁极和所述第二磁极中的每一个是根据权利要求1所述的第一磁极和第二磁极，其中，所述第一磁极和所述第二磁极被定位成关于与所述第一磁极和所述第二磁极的中心轴线相垂直的正中面对称，所述第一磁极和所述第二磁极之间形成所述间隙，其中在两个相对丘扇块之间形成丘间隙部分并且在两个相对谷扇块之间形成谷间隙部分。

12.根据权利要求11所述的回旋加速器，其中，所述凹陷具有第一凹陷远点和第二凹陷远点，所述第一凹陷远点和所述第二凹陷远点彼此分离开距离L10，并且其中，所述第一磁极和所述第二磁极的一对丘扇块之间的丘间隙部分具有平均高度Gh，并且其中，比率Gh/L10包括在5％与100％之间。

13.根据权利要求11至12中任一项所述的回旋加速器，包括位于所述第一磁极和所述第二磁极的丘扇块的两个相反上表面之间的丘间隙部分中的第一引出点，其中：

·所述粒子束的所述给定路径是朝外螺旋路径，所述朝外螺旋路径围绕所述中心轴线循环直到能够沿第一引出路径从所述回旋加速器中驱动出具有给定能量的所述粒子束的所述第一引出点为止，

·所述凹陷位于所述第一引出点下游，其中下游是相对于所述粒子束的方向限定的，使得

·所述第一引出路径通过以包括在80°与100°之间的角与所述凹陷相交来离开对应的丘间隙部分。

14.根据权利要求13所述的回旋加速器，包括位于限定第二引出路径的丘扇块中的第二引出点，并且包括位于所述第二引出点下游的第二凹陷，从而使得所述第二引出路径通过以包括在80°与100°之间的角与所述第二凹陷相交来离开对应的丘间隙部分。

15.根据权利要求14所述的回旋加速器，其中，所述第一引出点和所述第二引出点位于同一丘间隙部分中。