CN107615891A - 具有超导颤振线圈和非磁性增强件的等时性回旋加速器 - Google Patents

具有超导颤振线圈和非磁性增强件的等时性回旋加速器 Download PDF

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Abstract

一种等时性回旋加速器，包括：至少两个超导线圈；围绕所述线圈并且包含射束室的至少一部分的磁轭；在中央加速平面的每一侧上的多个超导颤振线圈；非磁性增强结构，所述非磁性增强结构填充所述超导颤振线圈之间的谷部以便维持所述超导颤振线圈的定位；安装在所述超导颤振线圈之内的内部增强结构；以及与所述超导线圈并且与所述磁轭热耦合的深冷制冷器。

Description

具有超导颤振线圈和非磁性增强件的等时性回旋加速器
发明背景
在美国专利号1,948,384(发明人：Ernest O.Lawrence，专利授权：1934年)中披露了一种用于使用来自一对电极的电场脉冲和磁体结构来加速向外螺旋中的离子(带电粒子)的回旋加速器。Lawrence的加速器设计现今通常称为“经典”回旋加速器，其中电极提供固定的加速平率，且磁场随着半径增加而减小，从而提供用于维持轨道中的离子的竖直相稳定性的“弱聚焦”。
在现代回旋加速器中，一种类型是特征为“等时性”的类别，其中与经典回旋加速器一样，由电极提供的加速频率是固定的，通过随着半径增大而增大的磁场来补偿相对性；并且在离子加速过程过程中经由方位角不断改变的磁场分量(从具有区段周期性的有轮廓的铁极片获得)来施加轴向恢复力。大多数等时性回旋加速器使用电阻性磁体技术并且在1-3特斯拉的磁场水平下工作。一些等时性回旋加速器使用超导磁体技术，其中超导线圈将温的铁极磁化，这些铁极提供用于离子加速的引导及聚焦场。这些超导等时性回旋加速器对于质子可以在低于3特斯拉的场水平下工作并且当被设计用于加速更重的离子时可以在最高3-5特斯拉下工作。本发明人在20世纪80年代初期在密芝根州立大学在第一个超导等时性回旋加速器工程中工作。
在美国专利号8,558,495B2中对本发明人的另一种新近的等时性回旋加速器设计进行了描述。这份专利描述了包括与磁轭处于热接触的超导主线圈的紧凑型冷超导等时性回旋加速器，其中主线圈和磁轭都保持在深冷温度下。
回旋加速器的另一个类别是同步回旋加速器。与经典回旋加速器或等时性回旋加速器不同，同步回旋加速器中的加速频率随着离子向外螺旋运动而减小。还与等时性回旋加速器不同的——虽然类似于经典回旋加速器——同步回旋加速器中的磁场随着半径增大而减小。同步回旋加速器以往曾经具有温的铁极和冷的超导线圈，如已有的超导等时性回旋加速器一样，但是在加速过程中以不同的、扩展到较高场的方式来保持射束聚焦，并且因而可以用例如约9特斯拉的场来工作。
发明内容
本文中描述了等时性回旋加速器和用于使用等时性回旋加速器来加速离子的方法，其中所述设备和方法的各种实施例可以包括下文所描述的元件、特征和步骤中的一部分或全部。
本文中描述的等时性回旋加速器包括关于中轴线基本对称的至少两个超导线圈，其中所述线圈位于中央加速面的相反两侧。磁轭围绕所述超导主线圈并且包含射束室的至少一部分，其中所述中央加速平面延伸穿过所述射束室。在所述中央加速平面的每一侧上有多个超导颤振线圈。每个超导颤振线圈或超导颤振线圈对用作区段极尖端，在所述中央加速平面的每一侧上在所述区段极尖端之间有谷部，并且所述区段极尖端跨所述中央加速平面被空隙径向分开，所述空隙比跨所述中央加速平面将所述谷部分开的非磁性空隙(呈空间或非磁性材料的形式)更窄。非磁性增强结构填充所述超导颤振线圈之间的谷部以便维持所述超导颤振线圈的定位。内部增强结构安装在所述颤振线圈之内；并且深冷制冷器(深冷冷却器)与超导线圈以及磁轭热耦合。
附图说明
图1是具有双重低温恒温器和基板的等时性回旋加速器的部分截面侧视图，包括在每个低温恒温器内嵌入非磁性增强结构62中的超导颤振线圈21。
图2是来自图1的等时性回旋加速器的低温恒温器56、基板13和射束室24的放大图。
图3是图1的等时性回旋加速器中的磁轭10和主线圈30和32的截面侧视图，其中所指示的测量值以毫米计。
图4是沿着等时性回旋加速器的中轴线28安装的高强度外部离子注入器的侧视图的简图。
图5是用于在等时性回旋加速器之内的离子轨道的轴向参照系的简图。
图6是等时性回旋加速器中双重低温恒温器结构的透视图，每个低温恒温器56包括包含基板的线轴，所述基板包含了被容纳在铝支撑结构中的超导颤振线圈。
图7是图6的低温恒温器56的顶部段90的俯视图，示出在图8中展示的截平面。
图8是沿图7中的截面8-8获得的侧截面图，示出了包含基板13(带有超导颤振线圈21和顺服性铝支撑结构)的双重低温恒温器56以及超导线圈和线轴11。
图9是容纳在低温恒温器之内的基板组件的透视图，其中基板组件包括基板13、主线圈30和线轴11。
图10是在图9中所示的基板组件的俯视图。
图11是带有超导主线圈30和超导颤振线圈21以及线轴11的基板13的截面侧视图，其中所指示的测量值以mm计。
图12是带有超导线圈21和30以及线轴11的基板13的俯视图，示出了取得图11的视图的截面(A-A)。
图13是主线圈30/32的截面图。
图14是来自图13的线圈30/32的截面的放大视图。
图15是等时性回旋加速器85的实施例的截面图(在本图和其他图中，所指示的尺寸以mm计)。
图16是来自图15的画圈段的放大视图。
图17是等时性回旋加速器的实施例的侧视图。
图18是图17的等时性回旋加速器的俯视图。
图19包括在等时性回旋加速器的实施例中在冷物质(cold mass)下的部件(包括六个颤振线圈21)的透视图和分解视图。
图20包括图19的在冷物质下的部件具有轴向支撑件的透视图和分解视图。
图21包括在等时性回旋加速器的实施例中低温恒温器热屏蔽物55的透视图和部分分解视图。
图22包括在等时性回旋加速器的实施例中低温恒温器组件的透视图和分解视图。
图23包括在等时性回旋加速器的实施例中上半部80的透视图和分解视图。
图24包括等时性回旋加速器的实施例的透视图和示出此等时性回旋加速器的分开的上半部80和下半部81的分解视图。
图25示出具有夹套系统87的回旋加速器的顶半部和底半部。
图26示出等时性回旋加速器的实施例的截面图。
图27示出等时性回旋加速器的实施例中磁铁轭10的截面视图。
图28和29示出等时性回旋加速器的实施例的三区段、六颤振线圈构型。
图30示出用在等时性回旋加速器的实施例中的六个D形射频(RF)电极之一。
图31示出用在等时性回旋加速器中的D形组件的实施例的制造和组装过程。
图32示出等时性回旋加速器的实施例的制造和组装的另外的截面视图。
图33示出在等时性回旋加速器的实施例中使用的颤振线圈21。
图34示出图34的颤振线圈21的截面视图，示出了形成颤振线圈21的导线绕组的圆形横截面。
图35示出等时性回旋加速器的实施例中D形RF电极覆盖在颤振线圈21上。
图36示出外部ECR离子注入器的实施例的截面视图。
图37是ECR离子源82的实施例的简图。
图38是示出离子束提取结构和单透镜75(用于将来自ECR离子源82的离子束77在途中聚焦到射束室)周围的三个电极的电压等势曲线97的展示。
图39是三颤振线圈构型的俯视图。
图40是六颤振线圈构型的俯视图。
图41是水平安装的低温冷却器38的俯视图。
图42是竖直安装的低温冷却器38的侧视图。
在附图中，贯穿这些不同的视图，类似的参考字符指代相同或相似的部分；并且撇号用来区分共用相同参考数字的相同或相似项的多个实例。该附图不一定是按比例绘制的；而是将重点放在展示以下讨论的示例中的具体原理上。
具体实施方式
从以下对本(这些)发明的较宽界限内的多种不同概念和具体实施例的更具体说明中，本发明的各个方面的以上以及其他的特征和优点将变得清楚。上文介绍的且在下文更详细讨论的主题的多个不同方面可以按众多方式中的任一种来实现，因为该主题不局限于任何具体的实现方式。具体实现方式和应用的实例主要是为了展示的目的来提供的。
除非本文另作定义、使用或表征，否则本文所使用的术语(包括技术类和科学类术语)应解释为具有与其在相关领域的背景下可接受的含义相一致的含义、并且不得在理想化的或过度正式的意义上进行解释，除非本文明确地如此定义。例如，如果提及了具体的成分，则该成分可以基本上是纯的但不是完全纯的，因为可能适用了实际而不完美的现实；例如，潜在存在至少痕量杂质(例如，少于1％或2％)可以理解为是在本说明的范围之内；同样，如果提及具体的形状，则该形状旨在包括相对于理想形状的不完美变体，例如由于制造公差。本文表达的百分比或浓度可以是由按重量计或按体积计来代表的。下文描述的工艺、程序和现象可以在环境压力(例如，约50-120kPa—例如约90-110kPa)和温度(例如-20至50℃—例如约10-35℃)下发生，除非另外指定。
虽然本文使用了术语第一、第二、第三等等来描述不同的要素，但这些要素不受这些术语的限制。这些术语只是用来将一个要素与另一个要素进行区分。因此，如下文讨论的第一要素可以被称为第二要素，而并不背离这些示例性实施例的传授内容。
为了描述方便，本文可以使用与空间相关的术语，例如“上方”、“下方”、“左”、“右”、“前方”、“后方”等等来描述一个要素相对于另一个要素的关系，如附图中展示的。应理解的是，这些与空间相关的术语以及所展示的构型旨在除了本文描述的和附图中描绘的取向之外还涵盖设备在使用中或在运行中的不同取向。例如，如果将附图中的设备翻转，则描述为在其他要素或特征“下方”或“之下”的要素将定向成在这些其他要素或特征的“上方”。因此，示例性的术语“上方”可以涵盖上方和下方取向二者。可以按其他方式来定向这种设备(例如，旋转90度或处于其他取向)并且本文使用的与空间相关的描述语句应相应地进行解释。
又另外，在本披露中，当一个要素被称为“在”、“连接到”、“联接到”、或“接触”(等等)另一个要素上时，它可以是直接地在、连接到、联接到、或接触到该另一个要素上，或者可以是存在介入要素的，除非另外指明。
本文使用的术语是出于描述具体实施例的目的的而并不旨在限制示例性的实施例。如本文所使用的，单数形式如“一个”和“一种”旨在也包括复数形式，除非上下文另外指明。此外，术语“包括”、“包括了”、“含有”和“含有了”指明了所叙述的要素或步骤的存在，但不排除存在或添加有一个或多个其他要素或步骤。
此外，本文所指明的这些不同部件可以以组装的或成品的形式提供的；或者这些部件中的一些或全部部件可以被包装在一起并作为套件与用于使顾客进行组装和/或修改来产生成品产品的说明书(例如，书面的、视频的或音频的形式)一起被出售。
术语索引：
在等时性离子加速的背景下使用的以下的变量可以在下文中引用：
BZ＝与中央加速平面26正交的磁场；
E0＝离子的剩余质量能量；
f＝磁性颤振极尖端提供的磁场颤振；
frms＝颤振场的均方根；
Fz＝与中央加速平面26正交的磁力；
m＝离子的质量；
m0＝离子的剩余质量；
n＝场索引参数；在等时性回旋加速器中，
p＝离子的动量；
q＝离子的电荷；
r＝距中轴线28的半径；
t＝时间；
T＝经加速的离子的动能；
V0＝固定的加速电压；
Ve＝电极电压；
α＝离子的动量压缩(动量如何随半径变化)；
γ(r)＝粒子质量增益与随半径变化的加速度的相对性因数；
ζ＝螺旋边缘角；
θ＝离子围绕中轴线28的角坐标；
νz＝经加速的离子的与中央加速平面26正交的振荡频率；
νr＝经加速的离子的径向振荡频率；
τ＝经加速的离子的旋转周期；
＝当离子横穿加速空隙时的正弦电压(＝ωt-θ)；
ω＝离子的角速度。
N＝等时性回旋加速器区段数，即，每个磁极的相同的成角度磁性颤振区段的数目。
将等时性回旋加速器应用于质子疗法
本文描述的回旋加速器和方法的一个重要的应用可以是应用于为癌症患者提供的质子疗法。
质子可以提供比X射线更精确的肿瘤治疗，从而减少对患者的总辐射剂量。具体而言，不存在延伸超出肿瘤进入后方的正常健康组织中的出射剂量；并且在肿瘤前方的正常健康组织中存留显著更低的剂量。
优选当前的质子疗法模式是笔形束扫描，其中将小直径的质子束跨肿瘤逐层地、从肿瘤的背面(需要最高能量)到肿瘤的前面(较低能量)光栅扫描。当质子束降级到较低能量以上移一层时，损失了质子束强度。对于大型肿瘤，这种损失可以是一千倍。由于这种强度损失，整个治疗花费更久(例如几十秒到两分钟)。当患者在治疗过程中移动时，肿瘤也移动，从而降低了质子治疗的高精确度的正面效果。
人们正在努力追踪肿瘤并且调整质子束路径以追踪肿瘤运动，但是这种手段将要求大量的技术开发并且预期是非常昂贵的。将会更有利的是，在患者一次屏息过程中(例如在约3-4秒中)当肿瘤完全静止时经由超快速笔形束扫描完成整个治疗。实现这一速度被认为要求超过已知存在的质子疗法加速器能力的质子束强度。
现存技术连续波(CW)回旋加速器采用质子束生成技术[即，在回旋加速器中心中的内部Penning(或PIG)离子源]，该技术对于超快速笔形束扫描是不够的。内部Penning离子源具有耐火阴极，该阴极在使用数日之后就磨损，从而要求回旋加速器停机时间以更换所使用的阴极并且将回旋加速器重新调谐以将离子束恢复到质子疗法所要求的高质量和稳定性。内部Penning还在回旋加速器的中心处呈现气体负载，这不利地影响回旋加速器的操作和稳定性——尤其影响已经用于高电荷的重离子束的RF加速系统[如在T.A.Antaya等人，“The Development of Heavy Ion PIG Sources for theNSCL K-500SuperconductingCyclotron(用于NSCL K-500超导回旋加速器的重离子PIG源的发展)”，10th Int.ConfCyclotrons and Their Applications(第10次国际回旋加速器及其应用会议)，E.Lansing126-129(1984)中描述的]，因为RF加速系统可能由于这个气体负载以不规则的间隔打火花并关闭。另外，PIG离子源不能产生具有足够用于超快速笔形束扫描的质子强度的质子束。
本文中描述的回旋加速器设计可以用先进的无阴极受限等离子体束技术提供更高强度的质子源，被称为电子回旋加速器共振(ECR)离子源82，用于创造被注入回旋加速器85中的初始质子束。ECR离子源82可以生成在非常小横截面的束中的主要呈质子形式的离子。没有已知的现存技术回旋加速器采用这种先进的离子生成技术来产生质子束，因为源必须是在回旋加速器85外部，从而要求注入方案以将质子束递送到回旋加速器85的中心，在该中心处开始加速。采用ECR离子源82可以显著增加笔形束扫描可用的强度，从而首次允许超快速笔形束扫描，同时消除了在治疗过程中回旋加速器的不稳定性、由于RF火花的停机时间以及阴极替换维修、以及为了产生用于质子疗法治疗的高质量质子束而后续重新调谐回旋加速器。
现存技术CW等时性回旋加速器，无论包括电阻性磁体还是超导磁体，可能受限于小于3特斯拉的磁场。这个相对较低的磁场量值使得回旋加速器更大且更昂贵。因此，与需求相比，系统的总数很少；并且少于5％的癌症患者可以获取它们。
CW等时性回旋加速器具有在每个RF循环(每秒几百万次)离开回旋加速器的质子，从而提供几毫秒的层扫描，该层扫描将用来自回旋加速器的超过一千个小强度脉冲重绘该层。这种重复确保了用射束多次重绘肿瘤，以保证在这个层扫描过程中在这一层上没有漏掉肿瘤的任何部分。
一般而言，笔形束扫描不容易用低强度、低占空比的同步回旋加速器完成，即使是高场紧凑型超导回旋加速器。超快速笔形束扫描对这些装置而言是完全禁止的。现有的同步回旋加速器还采用内部Penning离子源来创造初始质子束，并具有所有相关联的不利效果。
CW等时性回旋加速器可以制造得更小且更便宜。将工作磁场水平从2特斯拉加倍到4特斯拉，将成本减少到三分之一，并且这种成本减少将会显著改善这种救治生命的精确治疗对更多癌症患者的可用性。
CW等时性回旋加速器可以通过以下所实现的三项而被制造得更紧凑：(1)提供具有正确的径向特征取向的磁场，以实现从中心到要实现最终能量的半径处的等时性加速；(2)提供具有正确的轴向分布的磁场，被称为“颤振”，这是在射束室24中磁场的方位角变化，以便提供在完全加速上的轴向束稳定性；以及(3)提供在射束室24中的足够间隙，以便允许具有足够的随时间变化的电压和频率的一组RF加速结构的安装和工作，从而将质子从回旋加速器中心的低能量加速到最终半径处的完全能量。另外，质子疗法使用至少230MeV的最终质子能量，对应于在水中20cm的质子范围，这个深度被认为是达到平均人类体内(人类大体上由水组成)的肿瘤所需的，以便实现下一代超快速笔形束扫描所要求的强度水平，从而在多个扫描层中从后向前治疗整个的大型肿瘤，高强度制造束从外部的ECR离子源82注入到回旋加速器85中。
在已知的现存世代的回旋加速器中，这组三个基本和同时存在的回旋加速器要求加上所要求的用于质子疗法的最终能量，尚未对具有大于约2.5T的中心场的CW等时性质子回旋加速器实现。因此，这些回旋加速器是庞大的并且实际上不能以组装后的状态运输；并且它们是沉重的(例如100吨到250吨，或90700kg到226800kg)。这些回旋加速器过于昂贵而无法广泛部署于基本上任何社区，这与当前世代的(较低级的)X射线治疗系统不同。
没有任何用于质子疗法的已知的现存技术CW等时性回旋加速器被配置为允许来自无阴极外部ECR离子源82的高强度质子束注入。
本文中描述的等时性回旋加速器85可以同时解决对于在具有大于4T的中心场和小于35吨质量的230MeV CW等时性回旋加速器85的超快速笔形束扫描的所有这五项要求，从而得到具有足够小的总包络线而使其可以在完全组装状态下被运输到基本上任何地方并部署在几乎任何社区中(类似于现有X射线治疗系统的部署)的紧凑低成本系统。因为需要治疗的人们可能病得很重，在其家庭社区中提供快速、准确、低成本、高级的治疗可能是非常有益的。
等时性回旋加速器的设计
等时性回旋加速器85的实施例从不同角度并且通过截面展示在图1-3和6-12中。如在图3和8-10中所示，等时性回旋加速器85包括超导主线圈30和32；磁轭10，包括一对磁极12和14以及旁轭22；地板13，包括多个超导螺旋形颤振线圈21(例如具有遵循螺旋常数为2的阿基米德螺旋路径的边缘)；包围颤振线圈21的非磁性外部增强结构62；以及颤振线圈21之内的内部增强结构60。轭10包含集束室24的至少一部分，用于离子加速的中央加速平面26穿过其中。磁极12和14展示出跨中央加速平面26大致的镜像对称性并且通过旁轭22在磁轭10的周界处接合。轭10中围绕中轴线28的切口96提供用于在回旋加速器85中等时性离子加速所需的磁场特征曲线的场成形。
超导主线圈对30和32在射束室24中生成磁场并且定位在中央加速平面26的相反两侧并在其中心处环绕中轴线28。超导主线圈30和32的截面视图展示在图13和14中，其中图14是图13所指示的截面的放大视图。如在图14中所示，主线圈30/32的绕组31通过S2玻璃绝缘物分开；并且超导体导线的外绕组31被间隔物35包围，该间隔物在周界处填充由缠绕过程产生的空隙；并且接地包裹物37在周界处包围间隔物35。每个超导体导线包封在U形的导体(例如铜)通道中，当该超导体在工作过程中(例如由于低温恒温器56中的真空损失)达到正常(非超导)温度时，该导体通道可以载带电流流动。主线圈30和32被设计为具有高电感(例如，线圈的电感L线圈可以大于30H)。在具体实施例中，主线圈30和32可以各自具有27列绕组31(在图13的图像中水平地计算)以及71行(在图13的图像中竖直计算)绕组31；并且每个主线圈30/32可以与中央加速平面26间隔57mm。
经由与电压源耦合的低温传导电流引线对超导主线圈30和32供应电流，如在下文中所述。同时，经由深冷冷却器38提供深冷冷却，该深冷冷却器通过覆盖线轴11的低温恒温器56的段88中的切口94送入并且在深冷冷却器38的第二阶段52末端螺栓固定到线轴11，例如像在图9和10中所示，并且将深冷冷却递送到主线圈30和32以将线圈30和32深冷冷却到其临界温度以下并类似地冷却线轴11和基板13(包括超导颤振线圈21)。如在图8-12中所示，线轴11包围这两个主线圈30/32并与之齐平，并且与非磁性外部增强结构62齐平，以提供机械支撑和容纳。线轴11可以例如由铝形成。基板13、超导主线圈30和线轴11的示例性尺寸在图11中示出(以毫米计)，该图是沿图12中所示的截面A-A获得的截面侧视图。
在图13和14中提供主线圈30和32的部分示意性截面展示。在一个实施例中，单股线缆可以载带100-400安培并且提供约一百万安培匝数。一般而言，当需要在不超过超导线股的临界载流能力的情况下产生对于所希望的磁场水平所需的安培匝数时，线圈可以设计有许多绕组31(例如3816个绕组)。超导材料可以是低温超导体，如铌-钛(NbTi)、铌-锡(Nb3Sn)、或铌-铝(Nb3Al)；在具体实施例中，超导材料是类型II的超导体，尤其是具有A15类晶体结构的Nb3Sn。也可以使用高温超导体，如Ba2Sr2Ca1Cu2O8、Ba2Sr2Ca2Cu3O10、MgB2或YBa2Cu3O7-x。
主线圈30和32可以直接从超导导线或通道导体内超导导线(superconducting-wire-in-channel conductor)形成。在铌-锡(Nb3Sn)的情况下，未反应的铌和锡(以3:1的摩尔比)线股还可以缠绕成线缆。然后将线缆加热到约650℃的温度以使铌和锡反应形成Nb3Sn。然后将Nb3Sn线缆焊接到U形铜通道以形成复合导体。铜通道提供机械支撑、在淬火过程中的热稳定性、以及当超导材料正常(即非超导)时电流的传导路径。然后将复合导体缠绕在玻璃纤维中，然后缠绕在向外的覆盖层中。还可以将例如由不锈钢形成的条带加热器插入到复合导体的缠绕层之间以提供当磁体淬火时的快速加热还有在淬火已经发生之后跨线圈的径向截面的温度平衡，以便使可能损伤线圈的热应力和机械应力最小化。在缠绕之后，施加真空，并且将经缠绕的复合导体结构用环氧化物浸渍以形成最终线圈结构中的纤维/环氧化物复合填料。所得到的、经缠绕的复合导体嵌入其中的环氧化物玻璃复合物提供电绝缘和机械刚性。主线圈30和32的实施例的特征及其建造在美国专利号7,696,847B2和美国专利号7,920,040B2中进一步描述和展示。
在其他实施例中，主线圈30和32可以由单独的股(小的圆形导线)形成并且用环氧化物湿缠绕然后固化、或者干缠绕并在缠绕后浸渍以形成复合线圈。
每个主线圈30/32可以通过接地包裹物、另外的环氧化物玻璃复合物外层和带-箔片的热外包裹物(thermal overwrap)覆盖，该外包裹物例如由铜或铝形成，如在美国专利号8,525,447B2中描述的；并且每个主线圈30/32与至少一个深冷冷却器38的第二阶段52在热学上并在物理上耦合。
超导主线圈30和32在中央加速平面26的相反两侧包绕射束室24的离子被加速的区域并且用于在中央加速平面26中直接生成极高的磁场。当经由外加电压激活时，超导主线圈30和32进一步磁化轭10，使得轭10还产生磁场，该磁场可以看作是与由超导主线圈30和32直接生成的场不同的。
超导主线圈30和32是围绕中轴线28基本上(在方位角上)对称安排的、在加速离子的中央加速平面26上方和下方是等距的。超导主线圈30和32通过足够的距离分开，以允许射束室24中D形射频(RF)加速电极40在其间延伸，在该射束室内可以维持室温或接近室温的温度(例如约10℃至约30℃)。
主线圈30和32可以容纳在分开的低温恒温器56(包括段88和90)中，如在图6-8中所示；或者单一的低温恒温器56可以用为电极和射束室24设计的温的、隔热的贯穿式箱体来包含整个磁体结构。超导主线圈30和32中的每一个包括导体材料的连续路径，该材料在所设计的工作温度下(通常在4-40K的范围内)是超导的但是还可以在低于2K下工作，其中可以获得额外的超导性能和范围。在回旋加速器85要在较高温度工作的情况下，可以使用如铋-锶-钙-铜氧化物(BSCCO)、钇-钡-铜氧化物(YBCO)或MgB2的超导体。
非磁性外部增强结构62可以是从(例如铝制)实心板上机器切割的，以产生具有与颤振线圈21基本上相同形状的螺旋形孔口，但是非磁性外部增强结构62的螺旋线孔口在室温(例如约25℃)下略大于颤振线圈21的周界，以在室温下在非磁性外部增强结构62与颤振线圈21之间产生空间/空隙。类似地，内部增强结构60(由例如铜或不锈钢形成)具有与颤振线圈21基本上相同的形状，但是螺旋形的内部增强结构60在室温下略小于颤振线圈21的内表面，以便类似地在每个内部增强结构60与颤振线圈21之间留下在室温下将其容纳的空隙。室温空隙的大小控制颤振线圈21的应力状态并且该大小被确立为保证超导颤振线圈21如预期地进行工作。
当深冷冷却器38激活时，热量通过非磁性外部增强结构62并通过线轴11从颤振线圈21提取到深冷冷却器38，由此将颤振线圈21的温度降低到其临界温度(在该临界温度它们变为超导)以下。非磁性外部增强结构62和内部增强结构60与颤振线圈21同时冷却；并且非磁性外部增强结构62被构造成随着温度降低比颤振线圈21收缩更多，而颤振线圈21被构造成随着温度降低比内部增强结构60收缩更多。因此，当这些部件降低到临界温度(例如4k)以下时，每个颤振线圈21围绕其外周界与非磁性外部增强结构62齐平地接触并且沿其内周界与内部增强结构60齐平地接触，以便由此固定、容纳并支撑颤振线圈21以维持颤振线圈21在轭10之内的位置和结构完整性。
图15和16中示出了等时性回旋加速器85的截面视图，示出进入低温恒温器56和线轴11中的高温引线23、冷头部端口44、热屏蔽物55、和围绕主线圈30和32的基板13。还示出了轭10、RF引线通道64和径向支撑接头68。在图17和18中分别示出带有夹套系统87和三深冷冷却器38构型(用于三区段颤振线圈结构的强化冷却)的回旋加速器85的侧视图和俯视图。
如在图19、28、29和35的实施例中所示，可以在等时性回旋加速器85的三区段构型中提供六个(或三个)颤振线圈21。具有三个均匀间隔开的颤振线圈21的设计在图39中示出，而具有六个颤振线圈21的设计在图40中示出。图28和29示出呈六线圈构型的两组颤振线圈21’和21”。如果穿过第一组中的线圈21’的电流顺时针流动，则穿过第二组中的线圈1”的电流就逆时针流动。每个颤振线圈21可以具有15×80mm的截面并且可以由电流密度Je/WP为263A/mm2的640匝(绕组)超导体导线形成。每个颤振线圈可以在4.80K的最大温度T最大工作并且可以生成10.3T的最大场B最大。没有任何现有构型的已知的等时性回旋加速器具有10.3T这个值两倍以内的最大场。
图19是等时性回旋加速器85的实施例在冷物质下的部件的分解视图。此实施例包括围绕内部增强结构60(由AISI3016不锈钢形成)并且在基板盖15(由Al6061-T6铝合金形成)之下经由螺栓41固定基板13其余部分(也由Al6061-T6铝合金形成)的六个颤振线圈21(由Nb3Sn形成)。中心支撑接头43穿过基板盖15。还示出超导主线圈32以及主线圈32周围的铜包裹物29。在图19中示出的辅助线圈19改变了边缘径向磁场以达到完全能量。
用于六颤振线圈构型的六个D形射频(RF)电极40之一的实施例在图30中示出。D形件40包括电极板67和杆部46。用于安装六个D形件40的顶板/基板63在图31中示出，其中D形件40的杆部46被铜焊到板63中的对应狭槽中。如在图31的最后一个图像和图32中所示的，对应的D形电极40的电极板67跨彼此堆叠，一个铜焊在顶板63’中而另一个铜焊在基板63”中，中央加速平面26在每对电极板67之间延伸。
颤振线圈21可以由单股低温超导体导线(例如具有0.5mm到2.0mm的直径的圆形截面的NbTi、Nb3Sn、Nb3Al)形成。初始地由反应物(例如铌和锡)粉末形成导线，并且导线在芯轴周围向外缠绕许多次(例如超过100个独立匝，如在图34中所示)。然后，在缠绕之后，粉末发生反应(例如在600K持续200小时)以产生超导体(例如Nb3Sn)。然后将经反应的导线绕组用纤维玻璃/环氧化物基质渗透，该基质设定了整体形状并提供在所获得的颤振线圈中对热收缩和磁应力的机械支撑，如在图33中所见。然后用(例如由环氧化物玻璃复合物形成的)接地包裹物覆盖复合颤振线圈21。颤振线圈21被设计为具有低电感(低于主线圈30和32的电感)。复合颤振线圈21可以具有小于20cm的截面高度和小于10cm的宽度。虽然颤振线圈21和RF电极都在图35中示出，但它们在组装后的等时性回旋加速器85中被低温恒温器56分开——颤振线圈21容纳在上低温恒温器和下低温恒温器56中，而RF电极定位在低温恒温器56之间。在其他实施例中，RF电极可以具有螺旋形。
非磁性外部增强支撑结构62，如在图12中所示，可以由金属如铝形成，并且内部增强结构60可以由金属如不锈钢或铜形成；并且这些组合物可以提供随温度降低的对应的收缩率，以在深冷工作温度产生这些结构之间的齐平接触。在具体实施例中，内部增强结构60的组合物的热膨胀系数(CTE)小于颤振线圈21的组合物的CTE；并且颤振线圈21的组合物的CTE小于非磁性外部增强结构62的CTE。换言之，颤振线圈21比内部增强结构60收缩更多；并且外部增强结构62比颤振线圈21收缩更多，以随着冷却将整个结构置于压缩下。外部增强结构62和内部增强结构60的组合物还可以是非磁性的并且具有高的热传导率。
在图20中示出了图19的冷物质的支撑部件的分解视图，包括用于主线圈32的盖16、盖安装件17和轴向支撑环18。盖16和盖安装件17可以由奥氏体镍-铬基超合金(例如Inconel 718合金)形成。在图21中示出了低温恒温器热屏蔽物55的透视(和部分分解的)视图，包括热屏蔽物基部57、用于基部57的安装件59以及热屏蔽物中心段61，所有这些都可以由铜合金(例如CU10100)形成。另外，在图22中示出了低温恒温器组件的透视和分解视图，包括与低温恒温器真空室基部47耦合的深冷冷却器盒49(深冷冷却器38穿过其中)，还有中心支撑安装件45[由奥氏体镍-铬基超合金(例如Incolnel 718合金)形成]以及低温恒温器真空盖53。深冷冷却器49还可以由奥氏体镍-铬基超合金(例如Incolnel 718合金)形成，而低温恒温器真空盖53和低温恒温器真空室基部47可以由316不锈钢形成。
在图23中示出了回旋加速器85的上半部80的透视和分解视图，其中由铁(例如1010钢)形成的轭10包围低温恒温器56，径向支撑接头68(例如由316不锈钢形成)和深冷冷却器38从该低温恒温器延伸。回旋加速器的上半部80和下半部81(各自包含对应的低温恒温器56)在图25的分解透视图中示出，真空环83定位在其间。图25示出与回旋加速器85耦合的夹套系统87。
在图26中提供了等时性回旋加速器85的实施例的另一个截面图，示出离子源82、轴向支撑件66、径向支撑件68、深冷冷却器38、颤振线圈组件20、主线圈30和32、以及线轴11。在图27中提供了用于回旋加速器85的轭10的顶部半部的截面图。轭10可以由具有190GPa弹性模量和305MPa屈服强度的AISI 1010钢形成，并且整个轭10可以重约14吨(12700kg)。
等时性回旋加速器85的轭10可以被设计为产生100-300MeV的射束，如在图1中所示，可以具有跨其基部和顶表面(在所示的取向中)2米的直径以及约1.4m的高度(在根据图5中提供的坐标框架所示的取向中沿z轴竖直测量)。具有150mm直径的用于离子注入的中心圆柱通道65由磁极12和14限定。最顶部的圆柱形切口段96’具有90mm的高度和340mm的直径，并且延伸到距顶表面297.5mm的距离。中部圆柱形切口段96”具有类似于最顶部切口段96’的高度以及540mm的直径。底部圆柱形切口段具有60mm的高度和740mm的直径。射束室24具有37mm的高度。在图3中也指示了轭10和回旋加速器85的其他部件的不同尺寸(以mm计)。基板13(如在图8中所示)可以是距中央加速平面26为36.5mm，并且外部增强结构62的非磁性组合物0.6mm厚的壁在(a)颤振线圈21(内部增强结构60容纳在其中)与(b)低温恒温器56的基板段90的内壁(面向射束室24)之间延伸。超导主线圈30和32可以由在中央加速平面26的相反两侧上约114mm的距离分开。
超导主线圈30和32以及轭10[包括旁轭22、磁极12和14、以及螺旋形颤振线圈21]一起生成例如在中央加速平面26中4-6特斯拉的峰组合场(磁场在更大半径处增大)。当将电压施加到超导主线圈以启动和维持通过超过主线圈30和32的连续超导电流流动时，超导主线圈30和32可以在中央加速平面26中直接生成例如3.6特斯拉或更大的磁场。轭10通过由超导主线圈30和32生成的场磁化并且对在室14中生成的用于离子加速的磁场做出贡献。
两个磁场分量(即，从超导主线圈30和32直接生成的场分量以及由磁化的轭10生成的场分量)都穿过接近与中央加速平面26正交地穿过中央加速平面26。轭10被配置为(包括磁极12和14之间的空隙增大的磁极切口96)将磁场沿中央加速平面26成形，使得磁场随着从中轴线28到射束室24中提取离子的半径处的半径增大而增大，从而对加速过程中的相对性粒子质量增益进行补偿。
用于维持离子加速的电压在所有时候通过电流引线提供到D形高压电极对40，这些电极在射束室24内平行于中央加速平面26并在其上方和下方定向。轭10被配置为给D形电极40提供足够的空间，这些电极延伸穿过在磁体结构中的真空穿通部(feed-through)。电极设备由导电金属形成，D形电极40的数目可以匹配颤振线圈21的数目，每个D形电极40在围绕中轴线28的环中相邻的颤振线圈21之间(但更靠近中央加速平面26而非颤振线圈21)成角度定位。
D形电极40通过RF电流引线用RF电压供应(例如对于三级谐波解决方案在205.7MHz)，这些电流引线与竖直(z)轴平行地穿通了穿过非磁性外部增强结构62的RF引线孔口64，以便激发D形件40使其具有在回旋加速器频率或回旋加速器频率的整数倍下的振荡电压。递送到每个线圈21的电压的频率可以是加速离子的轨道频率的四倍(例如，当射束室24中的离子轨道272在68MHz的频率下，电压频率为272MHz)；并且递送到对应的颤振线圈21的RF电压可以被排序为，使得当在跨每个D形件40和在每个D形件40之间的电压正弦波中以180度跨度与每一个线圈边缘对齐时，加速离子经受峰值电压。
在工作过程中，超导主线圈30和32可以维持在“干”的状态(即，没有浸没在液体制冷剂中)；而是，超导主线圈30和32可以被一个或多个深冷制冷器(深冷冷却器)38冷却到低于超导体临界温度的温度(例如，低于临界温度多达5K，或者在一些情况下，低于临界温度少于1K)。在其他实施例中，超导主线圈30和32可以与用于从超导主线圈30和32向深冷制冷器38传热的液体深冷剂处于接触。当超导主线圈30和32被冷却到深冷温度(例如，在从4K到30K的范围内，取决于组成)，由于深冷冷却器38、线轴11、超导主线圈30和32、非磁性外部增强结构62、颤振线圈21以及内部增强结构60之间的热接触，基板13类似地冷却到近似相同的温度。
深冷冷却器38可以在Gifford-McMahon制冷循环中使用压缩氦气或者可以是具有较高温度的第一阶段50和较低温度的第二阶段52的脉冲管深冷冷却器设计(在图1和2中示出)。深冷冷却器38的较低温度的第二阶段52可以在约4.5K工作并且与线轴11在热学上和机械上耦合(例如经由螺栓)，线轴与超导主线圈30和32以及基板13处于紧密热接触。深冷冷却器38可以相应地将每个超导主线圈30/32和每个超导颤振线圈21冷却到每个线圈30/32/21中的导体为超导的温度(例如约4.5K)。替代地，当使用较高温度的超导体时，深冷冷却器38的第二阶段52可以在例如4-30K操作。
深冷冷却器38的较温热的第一阶段50可以在例如40-80K的温度操作，并且可以与中间热屏蔽物54热学耦合，该中间热屏蔽物相应地被冷却到例如约40-80K，以提供在磁体结构(包括轭10和其中容纳的其他部件)与低温恒温器56(在图8中示出)之间的中间温度屏障，其可能处于室温(例如在约300K)。深冷冷却器56包括真空端口58，真空泵可以耦合到该真空端口以提供低温恒温器56之内的高真空并且由此限制低温恒温器56、中间热屏蔽物54和磁体结构10之间的对流传热。低温恒温器56、热屏蔽物54和轭10各自可以彼此间隔开使传导传热最小化的量；并且这些结构可以由隔热间隔物在结构上进行支撑。
磁轭10提供磁回路，该磁回路将由超导主线圈30和32生成的磁通量载带到射束室24。穿过磁轭10的磁回路(尤其，由颤振线圈21提供的方位角变化的场)还提供场成形以便在射束室24中将离子强力聚焦。通过在磁回路的外部部分中包含大多数的磁通量，磁回路还强化了在射束室24的加速离子部分中的磁场水平。在具体实施例中，磁轭10(不包括颤振线圈21)由低碳钢形成，并且它包围超导主线圈30和32。纯铁可能过于脆弱并且可能具有过低的弹性模量；因此，可以用足够量的碳和其他元素对铁进行掺杂以提供适当的强度或使其更坚硬，而同时保留所希望的磁性水平。
图9和10中展示的实施例在中央加速平面26的每一侧上包括四个螺旋超导掺杂线圈21，但是其他实施例可以在中央加速平面26的每一侧包括例如三个、六个或八个均匀间隔的掺杂线圈21。在图39和40中分别示出了三颤振线圈和六颤振线圈构型，其中区段的数目N对于三线圈和六线圈构型中的每一种都是三。颤振线圈区段I、II和III展示在图39和40中，并且穿过每个颤振线圈21的电流流动方向用箭头展示(图39将每个颤振线圈21中的电流流动I2示出为在顺时针方向上，但是电流I2可以替代性地在每个颤振线圈21中在逆时针方向上。如所示的，在三线圈构型中颤振线圈21可以比四线圈构型更胖(包括每个线圈21更大的安培匝数)。相应地，三线圈构型中的电流I2比流线圈构型中的电流I1更强。例如，I2可以大约等于2×I1，并且同样的内容适用于四线圈和八线圈构型。
颤振线圈21的三线圈或六线圈构型被认为是N＝3区段的等时性回旋加速器，每个磁极面具有三个相等的120度角宽度磁性区段。在三线圈实施例中，颤振线圈电流方向在所有三个线圈21中是相同的。在六颤振线圈实施例中，当从上方观看时，颤振线圈电流方向从一个线圈21到下一个线圈21(顺序地)在顺时针和逆时针之间交替。颤振线圈21的四线圈或八线圈构型被认为是N＝4区段的等时性回旋加速器，每个磁极面具有四个相等的90度角宽度磁性区段。在四线圈实施例中，颤振线圈电流方向在所有四个线圈21中是相同的。在八颤振线圈实施例中，当从上方观看时，颤振线圈电流方向从一个线圈21到下一个线圈21(顺序地)在顺时针和逆时针之间交替。
径向轨道稳定性的争论[参见John J.Livingood，“Principles of CyclicParticle Accelerators(环式粒子加速器的原理)”，D.Van Nostrand Co.，Princeton，NJ，第239-240页(1961)]暗示对于最终能量超过200MeV的质子束，最小区段数目必须为N＝4区段，并且具有高于200MeV的最终能量的N＝3区段质子回旋加速器是禁止的。确切地说，这种径向稳定性的争论假定，如果νr<N/2，则在等时性回旋加速器中的径向轨道振荡是稳定的。对于N＝3区段的回旋加速器，νr<1.5应适用。由于在等时性回旋加速器中νr～γ，γ为加速情况下粒子质量增益的相对性因数，所以这将限制最终γ<1.5，或0.5x质子剩余质量的最终能量——约450MeV。在实践中，其他因素向νr的最终值增加了0.3，限制γ<1.2，或最终能量为200MeV。通过本发明，我们已经首次证实，N＝3区段的质子回旋加速器允许具有超过200MeV的最终能量。N＝3区段的等时性回旋加速器具有更多的颤振并且由于降低的颤振磁极复杂度而固有地具有低成本且更容易建造。
如上讨论的，螺旋形的颤振线圈21用作区段磁体以提供磁场中方位角的变化，其中螺旋形状强化了场的变化(即“颤振”)。超导颤振线圈21可以由与主线圈30和32相同的组合物形成[例如低温超导体，如铌-钛(NbTi)、铌-锡(Nb3Sn)、或铌-铝(Nb3Al)；或者高温超导体，如Ba2Sr2Ca1Cu2O8、Ba2Sr2Ca2Cu3O10、MgB2或YBa2Cu3O7-x]并且可以具有圆形截面并且如上所讨论地被缠绕。在使用六个或更多个颤振线圈21的情况下，RF电压可以有差别地施加到对应的颤振线圈21，使得电流在每个颤振线圈21中以在相邻颤振线圈21中流动方向相反的方向上流动。
具有对应线轴11和主线圈30/32的一对基板13，如在图9和10中所示，容纳在对应的低温恒温器56(如在图6中所示，各自带有段88和90)中。如在图8中所示，低温恒温器56的段88包裹在基板13周围，基板包括颤振线圈21和周围的非磁性外部增强结构62。深冷冷却器38从相反两侧穿透低温恒温器56以对容纳在其中的经增强的磁体结构提供深冷冷却。
深冷冷却器38在此并且在图41中以水平取向展示。每个深冷冷却器38经由真空凸缘接合到低温恒温器56的深冷冷却器盒49。如在图41中所示，深冷冷却器38还包括接触主超导线圈30/32(并与之紧密热接触)的冷足部锚定件100(在3-5K)。一体式维护靴组件101安装在冷足部锚定件100(并与之紧密热接触)并且延伸到深冷冷却器38的第一阶段109)。一体式维护靴组件101形成冷足部锚定件100与引导向深冷冷却器38的第二阶段110的冷足部延伸部112之间的接头。一体式维护靴组件10可以由具有低热传导率的复合材料形成，从而形成冷足部锚定件100周围的隔热靴，深冷冷却器38可以可替换地被插入其中并被移除(例如为了维护或更换)而并不打破低温恒温器中的真空并且不需要加热回旋加速器85中的磁体结构。这种构型与用于安装深冷冷却器的传统方式相反，在传统方式中深冷冷却器典型地“硬连接”到第一阶段的屏蔽物和在第二阶段的回旋加速器中的冷物质。深冷冷却器38的第一阶段触点106(在第一阶段109的远端)可以维持在30-70K，而深冷冷却器38的第二阶段触点103(在第二阶段110的远端)可以维持在3-5K。在体积102中围绕深冷冷却器38的第一和第二阶段维持真空。
在深冷泵38的每一侧上有电流引线和真空穿通部105，电流通过该穿通部经由电力总线(维持在近真空环境)供应到主线圈30/32。电力总线包括冷的、电阻性的电流引线107(例如由铜形成)，该电流引线将电流从温的(室温)电流引线馈送到高温超导体引线104(在与冷的电阻性的电流引线107接合处为30-70K)。高温电流引线104在其远端与主超导线圈30/32处于热接触(在与高温电流引线104接合处为3-5K。同时，周围的低温恒温器处于室温(例如293K)。
在替代实施例中，如在图42中所示，深冷冷却器38可以被竖直折叠以减少暴露于由回旋加速器85生成的磁场造成的潜在损伤。在这个具体实施例中，冷足部锚定件100再次从主线圈32和冷物质108水平延伸(平行于中央加速平面)。然而，此处，一体式维护靴组件从冷足部锚定件100向上正交地取向(并且与中央加速平面正交地取向)。深冷冷却器38的第一和第二阶段109和110还竖直地取向，将深冷冷却器的头部111放置在主线圈32上方且在回旋加速器的轭上方。
如在图7和图9-10中所见，还穿过低温恒温器56并穿过非磁性外部增强结构62限定孔口64以提供对应RF共振器穿过其中的通道，从而向等时性回旋加速器85中的颤振线圈21中的每一个提供RF电压。示出了穿过低温恒温器56和非磁性外部增强结构62的、用于离子注入装置的离子注入或插入的另一个孔口65。
在图4和37中示出用于将离子注入到等时性回旋加速器85的射束室24中的外部高强度离子注入器82的实施例，其中注入器柱84提供从离子注入器82中的ECR离子源82向射束室24中的路径。在回旋加速器85外部，来自气体源69的气体[例如氢气(H2)]的流动和来自微波源70(在106Hz的频率)的微波被引导到等离子体室71中，以形成将离子流77发射到回旋加速器85的加速室中的等离子体。在等离子体室中，当产生质子时，来自电压源93的电子与来自氢气源69的H2分子碰撞，以产生(半倍的)两个氢(H)离子和游离电子。当电子与氢(H)离子碰撞时，产物是H+和两个电子。在H2/电子相互作用的另外一半中，电子与H2分子的碰撞产生了H2 +和两个电子。H+离子(即质子)可以穿过在等离子体室71的基部处的孔口79逸出。
正离子77(即质子)穿过这个孔口79进入注入器柱84，其中质子首先穿过离子焦点73、快速偏转板74、匹配/停止单透镜三联组75并且最后穿过限制孔口76才进入射束室24。
在图36-38中提供了ECR离子源82和单透镜三联组75的另外的实施例展示。如在图38中所示，离子从ECR离子源82穿过离子焦点73中的提取孔口、跨过提取空隙并且然后穿过三联单透镜75。虽然典型单透镜75的电极序列具有：(1)负、(2)正、(3)负电荷序列，如在图38中所示，此处使用的单透镜75具有序列为(1)正、(2)负、(3)正电荷的三个环状电极的序列。相应地，可以增大第一个电极上的正电以关闭来自ECR离子源82的正离子流动。在图37的单透镜三联组75的第一个电极的弯曲尖端使离子束汇聚。如在图38中所示，电场垂直于跨电极的电压曲线97。当跨过电极之间的第一个空隙时离子77减速，并且跨过下一个空隙时离子加速。在图36和37中示出的周期性聚焦结构89由四极永磁体形成，该永磁体维持离子束的均匀特征曲线。
在图36中还示出了用于中心场成形的铁段113以及将离子(例如H+)束向内或外翻转到监视器并调节注入到回旋加速器中的离子束流的拦截束收集器114。图36的展示还示出微波源70的微波注入波导，但没有示出微波电源。另外，图36的展示示出氢气源69的氢气供应管道，但没有示出氢气的储罐或其他储器。
在替代实施例中，可以跨等离子体室71在其基部附近提供金属屏障。金属屏障可以阻挡微波并且从而防止在屏障下方形成等离子体。在此实施例中，负离子可以沿中轴线28在z轴方向上穿过注入柱84并进入用于等时加速的射束室24。在射束室24的中心处，离子被一对设置有相反电荷的螺旋屈折器78(例如经由将对应电压源与每一个耦合)重新引导到沿x-y平面的轨迹上，以在跨中央加速平面26向外扩展的螺旋中加速。
径向支撑接头68和轴向支撑接头66穿过低温恒温器56的外部段88并且与线轴11中的安装件92耦合(在图9中所示)以将线轴11和所容纳的磁体结构保持在固定位置。支撑接头66和68可以由在径向上受压缩并在纵向上(沿支撑接头66/68的纵轴线)拉伸的复合物(例如纤维玻璃/环氧化物复合物或碳纤维/环氧化物复合物)形成。支撑接头66和68在每一端用氰基丙烯酸酯粘合剂(作为来自加拿大安大略的Super Glue Corp.的SUPER GLUE可商购)齐平地紧固到安装杯92中。径向支撑接头68以某一构型与主线圈30和32以及线轴11耦合，其中径向支撑接头68可以在(x/y平面中)多个点对线轴11提供向外的紧箍力，以便使线轴11处于径向向外拉伸力下并将主线圈30和32保持围绕中轴线28定中心(即，围绕中轴线基本上对称)。如此，径向支撑接头68提供抵抗离中心磁力的径向支撑，其中在一侧接近铁的冷物质遇到指数增长的力并且移动得更靠近铁。径向支撑接头68可以包括两个或更多个具有通过线性片段接合的修圆末端(例如以大致常规赛道或跑道的形状)并具有正圆截面的弹性拉伸带。这些带例如由螺旋缠绕的玻璃或用环氧化物浸渍的碳带形成、并且被设计为使从回旋加速器85的高温外部框架到低温主线圈30和32的传热最小化。可以将向外的力施加到径向支撑接头68以在径向支撑接头68的中任何一个处施加额外的拉伸力，从而在不同的离中心力作用在主线圈30和32上时维持定中心。适合的支撑接头在US 7,656,258B1中描述并且在此引用为“拉伸力接头”。
类似地，轴向支撑接头66可以沿平行于z轴的轴线被附接到线轴11以抵消轴向的离中心磁力，以便维持主线圈30和32的位置关于中央加速平面26对称并且平衡主线圈30和32之间的吸引力。除了提供所要求的定中心力之外，这组轴向和径向的支撑接头66和68抵抗重力来支撑主线圈30和32以及线轴11的质量。如在图8-12中所示，线轴11包围这两个主线圈30/32并与之齐平，并且与非磁性外部增强结构62齐平，以提供机械支撑和容纳。
在工作中，通过从微波源70和气体(例如氢气)源69向腔室中引入微波能量(在例如10GHz的频率)以在用于产生质子的腔室外侧周围产生具有正电荷的等离子体，电子回旋加速器共振(ECR)离子源82生成离子(例如质子)。腔室包括在其基部的孔口79，质子可以穿过该孔口逸出。逸出的离子从ECR离子源82沿中轴线28跨过提取空隙注入并且然后通过单透镜三联组75聚焦。在穿过单透镜三联组75之后，离子穿过限制孔口76，并且离子的路径然后通过进入中央加速平面26中的螺旋屈折器电极78弯曲而正交地进入加速平面中，如图4中所示。然后离子通过施加到射束室24中的D形电极42的RF电压加速。将电压递送到主线圈30和32以及颤振线圈21以生成用于在跨射束室24在向外螺旋中到达外半径(在外半径处将离子从室24提取出来)的离子的等时加速的磁场。如在图10中所示，将电压经由电流引线34递送到颤振线圈21，该电流引线分别与电压源的阳极和阴极电连接。电压通过经由在颤振线圈21之间形成电流通路的超导冷总线36串联的颤振线圈21循环。
电流引线34从电压源穿过低温恒温器56中的电绝缘的密封件延伸(例如作为铜引线)并且通过中间热屏蔽物54(该中间热屏蔽物与深冷冷却器38的第一阶段50(例如在约40K))穿过低温恒温器56之内的真空室，并且然后以由例如铋-锶-钙-铜氧化物(BSCCO)、钇钡铜氧化物(YBCO)或MgB2形成的高温超导引线的形式到达颤振线圈21。其他的电流引线34同样将电压源与超导主线圈30和32耦合。电流引线34可以随着深冷冷却器38延伸穿过轭10。
与本文传授内容一致的另外的实例在以下带编号的条款中阐释：
1.一种等时性回旋加速器，包括：
关于中轴线基本对称的至少两个超导主线圈，其中所述超导主线圈位于中央加速平面的相反两侧；
围绕所述超导主线圈并且包含射束室的至少一部分的磁轭，其中所述中央加速平面延伸穿过所述射束室；
在所述中央加速平面的每一侧上的多个超导颤振线圈，其中每个超导颤振线圈或颤振线圈对用作区段极尖端，在所述中央加速平面的每一侧上在所述区段极尖端之间有谷部，并且其中所述区段极尖端跨所述中央加速平面被空隙径向分开，所述空隙比跨所述中央加速平面将所述谷部分开的非磁性空隙更窄；
非磁性外部增强结构，所述非磁性外部增强结构填充所述颤振线圈之间的谷部以便维持所述超导颤振线圈的定位；
安装在所述超导颤振线圈之内的内部增强结构；以及
与所述超导主线圈、与所述超导颤振线圈并且与所述磁轭热耦合的至少一个深冷制冷器。
2.如条款1所述的等时性回旋加速器，其中所述非磁性外部增强结构包括铝。
3.如条款1或2所述的等时性回旋加速器，其中第一低温恒温器包含所述超导主线圈中的第一超导主线圈、所述超导颤振线圈中的第一超导颤振线圈、以及第一非磁性外部增强结构；并且其中第二低温恒温器包含所述超导主线圈中的第二超导主线圈、所述超导颤振线圈中的第二超导颤振线圈、以及第二非磁性外部增强结构。
4.如条款3中任一项所述的等时性回旋加速器，进一步包括一体式维持靴组件，所述一体式维持靴组件将所述深冷制冷器与同其热耦合的所述主线圈分开并且被配置用于当所述深冷制冷器被移除时在所述低温恒温器中保持真空。
5.如条款1-4中任一项所述的等时性回旋加速器，其中所述非磁性外部增强结构限定多个孔口，通向D形电极的电流引线能够穿过所述孔口。
6.如条款1-5中任一项所述的等时性回旋加速器，其中所述超导颤振线圈在与所述中央加速平面平行的平面中具有螺旋形状。
7.如条款1-6中任一项所述的等时性回旋加速器，其中与所述超导颤振线圈相比，所述内部增强结构随着温度降低而收缩更少，并且其中，与所述非磁性外部增强结构相比，所述超导颤振线圈随着温度降低而收缩更少。
8.如条款1-7中任一项所述的等时性回旋加速器，其中在200K-300K之间的温度下，在所述颤振线圈中的每一个的内表面与其对应的内部增强结构之间存在空隙，并且在所述颤振线圈中的每一个的外表面与所述非磁性外部增强结构之间存在空隙。
9.如条款1-8中任一项所述的等时性回旋加速器，其中所述内部增强结构包括选自铜和不锈钢的至少一种金属。
10.如条款1-9中任一项所述的等时性回旋加速器，其中所述超导颤振线圈仅采用围绕所述中轴线的三区段构型。
11.如条款10所述的等时性回旋加速器，其中所述等时性回旋加速器中包括正好3个或6个超导颤振线圈。
12.如条款1-9中任一项所述的等时性回旋加速器，其中所述超导颤振线圈采用围绕所述中轴线的四区段或更多区段构型。
13.如条款1-12中任一项所述的等时性回旋加速器，其中所述等时性回旋加速器具有小于35吨的质量。
14.如条款1-13中任一项所述的等时性回旋加速器，其中每个深冷制冷器包括头部，并且其中每个深冷制冷器与所述主线圈的耦合被定向且被配置用于将每个深冷制冷器的所述头部放置在与所述中央加速平面相距超过所述磁轭的距离处。
15.一种用于等时性离子加速的方法，所述方法包括：
采用等时性回旋加速器，所述等时性回旋加速器包括：
a)关于中轴线基本对称的至少两个超导主线圈，其中所述超导主线圈位于中央加速平面的相反两侧；
b)围绕所述超导主线圈并且包含射束室的至少一部分的磁轭，其中所述中央加速平面延伸穿过所述射束室；
c)在中央加速平面的每一侧上的多个超导颤振线圈，其中每个超导颤振线圈或颤振线圈对用作区段极尖端，在所述中央加速平面的每一侧上在所述区段极尖端之间有谷部，并且其中所述区段极尖端跨所述中央加速平面被空隙径向分开，所述空隙比跨所述中央加速平面将所述谷部分开的非磁性空隙更窄；
d)外部增强结构，所述外部增强结构填充所述谷部以便维持所述超导颤振线圈的定位；
e)安装在所述颤振线圈之内的内部增强结构；
f)与所述超导线圈并且与所述磁轭热耦合的深冷制冷器；以及
g)多个电极，所述电极与射频电压源耦合并且安装在所述射束室内；
以内半径将离子引入所述中央加速平面；
从所述射频电压源向所述电极提供电流，以在固定频率下在跨所述中央加速平面的扩展轨道中加速所述离子；
用所述深冷制冷器将所述超导主线圈和所述超导颤振线圈冷却，其中所述超导主线圈和所述超导颤振线圈被冷却到不高于其超导转变温度的温度；
向经冷却的超导主线圈提供电压以在所述超导主线圈中生成超导电流，所述超导电流在所述中央加速平面中产生从所述超导主线圈并且从所述磁轭径向增大的磁场；
向经冷却的超导颤振线圈提供电压以在所述超导颤振线圈中生成超导电流；以及
以外半径从射束室提取经加速的离子。
16.如条款15所述的方法，其中经加速的离子达到10MeV-250MeV的能量。
17.如条款15或16所述的方法，其中，在加速所述离子时将所述磁轭维持在高于200K的温度。
18.如条款15-17中任一项所述的方法，其中所述等时性回旋加速器包括与颤振线圈同样多的电极，并且其中所述电极围绕所述中轴线在所述颤振线圈之间成角度定位。
19.如条款15-18中任一项所述的方法，进一步包括：将所提取的离子引导到人类患者的肿瘤。
20.如条款19所述的方法，其中经由笔形束扫描将所提取的离子的射束跨所述肿瘤扫描。
21.如条款20所述的方法，其中所述笔形束扫描过程在不超过10秒内完成。
22.如条款20所述的方法，其中所述笔形束扫描过程在不超过5秒内完成。
23.如条款15-22中任一项所述的方法，其中通过从外部的电子回旋加速器共振离子源注入所述离子，将所述离子引入到所述中央加速平面中。
24.如条款15-23中任一项所述的方法，其中所提取的离子是具有至少220MeV能量的质子。
25.如条款15-24中任一项所述的方法，其中所述等时性回旋加速器在所述中央加速平面中生成大于3.5T的中心磁场。
26.如条款15-25中任一项所述的方法，所述方法是使用如条款1-14中任一项所述的等时性回旋加速器来执行的。
在描述本发明的实施例时，为清楚起见使用了特定的术语。为了描述的目的，特定的术语旨在至少包括以类似方式起作用而实现类似结果的技术上和功能上的等效物。此外，在本发明的具体实施例包括多个系统要素或方法步骤的一些情形下，这些要素或步骤可以用单一要素或步骤替代；同样地，单一要素或步骤可以用起到相同目的的多个要素或步骤来替代。进一步，在本文针对本发明的实施例指定了多种不同特性的参数或其他值的情况下，这些参数或值可以上下调整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等等(或向上调整1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100倍等等)、或调整其四舍五入近似值，除非另外指明。此外，虽然已参照本发明的具体实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员应理解的是，可以对其在形式和细节上作出多种不同替代和更改而不背离本发明的范围。又另外的其他方面、功能和优点也是在本发明的范围之内的；并且本发明的所有实施例不必实现所有这些优点或者具有上文描述的所有特性。此外，本文结合一个实施例所讨论的步骤、要素和特征可以同样地结合其他实施例来使用。本文全篇引用的参考文献的内容(包括参考文本、杂志文章、专利、专利申请等)都以其全部内容通过援引并入本文；并且来自这些参考文献中的适当的部件、步骤和特征可以包括在或可以不包括在本发明的实施例中。还进一步地，背景部分中明确的部件和步骤是与本披露一体的并且可以结合在本发明的范围内在本披露的其他地方描述的部件和步骤来使用、或代替这些部件和步骤。在以具体顺序叙述了多个级的方法权利要求中(为了方便引用而添加了或未添加顺序性的前序字符)，这些级不得解释为在时间上受限于对其进行叙述的顺序，除非用术语和短语另外指明或暗示出。

Claims (28)

1.一种等时性回旋加速器，包括：
关于中轴线基本对称的至少两个超导主线圈，其中所述超导主线圈位于中央加速平面的相反两侧；
围绕所述超导主线圈并且包含射束室的至少一部分的磁轭，其中所述中央加速平面延伸穿过所述射束室；
在所述中央加速平面的每一侧上的多个超导颤振线圈，其中每个超导颤振线圈或超导颤振线圈对用作区段极尖端，在所述中央加速平面的每一侧上在所述区段极尖端之间有谷部，并且其中所述区段极尖端跨所述中央加速平面被空隙径向分开，所述空隙比跨所述中央加速平面将所述谷部分开的非磁性空隙更窄；
非磁性外部增强结构，所述非磁性外部增强结构填充所述超导颤振线圈之间的谷部以便维持所述超导颤振线圈的定位；
安装在所述超导颤振线圈之内的内部增强结构；以及
与所述超导主线圈、与所述超导颤振线圈并且与所述磁轭热耦合的至少一个深冷制冷器。
2.如权利要求1所述的等时性回旋加速器，其中所述非磁性外部增强结构包括铝。
3.如权利要求1所述的等时性回旋加速器，其中第一低温恒温器包含所述超导主线圈中的第一超导主线圈、所述超导颤振线圈中的第一超导颤振线圈、以及第一非磁性外部增强结构；并且其中第二低温恒温器包含所述超导主线圈中的第二超导主线圈、所述超导颤振线圈中的第二超导颤振线圈、以及第二非磁性外部增强结构。
4.如权利要求3所述的等时性回旋加速器，进一步包括一体式维持靴组件，所述一体式维持靴组件将所述深冷制冷器与同其热耦合的所述主线圈分开并且被配置用于当所述深冷制冷器被移除时在所述低温恒温器中保持真空。
5.如权利要求1所述的等时性回旋加速器，其中所述非磁性外部增强结构限定多个孔口，通向D形电极的电流引线能够穿过所述孔口。
6.如权利要求1所述的等时性回旋加速器，其中所述超导颤振线圈在与所述中央加速平面平行的平面中具有螺旋形状。
7.如权利要求1所述的等时性回旋加速器，其中与所述超导颤振线圈相比，所述内部增强结构随着温度降低而收缩更少，并且其中，与所述非磁性外部增强结构相比，所述超导颤振线圈随着温度降低而收缩更少。
8.如权利要求1所述的等时性回旋加速器，其中在200K-300K之间的温度下，在所述超导颤振线圈中的每一个的内表面与其对应的内部增强结构之间存在空隙，并且在所述超导颤振线圈中的每一个的外表面与所述非磁性外部增强结构之间存在空隙。
9.如权利要求1所述的等时性回旋加速器，其中所述内部增强结构包括选自铜和不锈钢的至少一种金属。
10.如权利要求1所述的等时性回旋加速器，其中所述超导颤振线圈仅采用围绕所述中轴线的三区段构型。
11.如权利要求10所述的等时性回旋加速器，其中所述等时性回旋加速器中包括正好3个或6个超导颤振线圈。
12.如权利要求1所述的等时性回旋加速器，其中所述超导颤振线圈采用围绕所述中轴线的四区段或更多区段构型。
13.如权利要求1所述的等时性回旋加速器，其中所述等时性回旋加速器具有小于35吨的质量。
14.如权利要求1所述的等时性回旋加速器，其中每个深冷制冷器包括头部，并且其中每个深冷制冷器与所述主线圈的耦合被定向且被配置用于将每个深冷制冷器的所述头部放置在与所述中央加速平面相距超过所述磁轭的距离处。
15.如权利要求1所述的等时性回旋加速器，其中所述等时性回旋加速器包括3个或4个超导颤振线圈，并且其中每个超导颤振线圈用作区段极尖端。
16.如权利要求1所述的等时性回旋加速器，其中所述等时性回旋加速器包括6个或8个超导颤振线圈，并且其中每对超导颤振线圈用作区域极尖端，并且其中所述超导颤振线圈与电压源耦合以便在每对超导颤振线圈中的对应的超导颤振线圈中产生交替的电流流动方向。
17.一种用于等时性离子加速的方法，所述方法包括：
采用等时性回旋加速器，所述等时性回旋加速器包括：
a)关于中轴线基本对称的至少两个超导主线圈，其中所述超导主线圈位于中央加速平面的相反两侧；
b)围绕所述超导主线圈并且包含射束室的至少一部分的磁轭，其中所述中央加速平面延伸穿过所述射束室；
c)在所述中央加速平面的每一侧上的多个超导颤振线圈，其中每个超导颤振线圈或超导颤振线圈对用作区段极尖端，在所述中央加速平面的每一侧上在所述区段极尖端之间有谷部，并且其中所述区段极尖端跨所述中央加速平面被空隙径向分开，所述空隙比跨所述中央加速平面将所述谷部分开的非磁性空隙更窄；
d)外部增强结构，所述外部增强结构填充所述谷部以便维持所述超导颤振线圈的定位；
e)安装在所述超导颤振线圈之内的内部增强结构；
f)与所述超导主线圈和所述超导颤振线圈并且与所述磁轭热耦合的至少一个深冷制冷器；以及
g)多个电极，所述电极与射频电压源耦合并且安装在所述射束室内；
以内半径将离子引入所述中央加速平面；
从所述射频电压源向所述电极提供电压，以在固定频率下在跨所述中央加速平面的扩展轨道中加速所述离子；
用所述深冷制冷器将所述超导主线圈和所述超导颤振线圈冷却，其中所述超导主线圈和所述超导颤振线圈被冷却到不高于其超导转变温度的温度；
向经冷却的超导主线圈提供电压以在所述超导主线圈中生成超导电流，所述超导电流在所述中央加速平面中产生从所述超导线圈并且从所述磁轭径向增大的磁场；
向经冷却的超导颤振线圈提供电压以在所述超导颤振线圈中生成超导电流；以及
以外半径从射束室提取经加速的离子。
18.如权利要求17所述的方法，其中经加速的离子达到10MeV-250MeV的能量。
19.如权利要求17所述的方法，其中在加速所述离子时将所述磁轭维持在高于200K的温度。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述等时性回旋加速器包括与超导颤振线圈同样多的电极，并且其中所述电极围绕所述中轴线在所述超导颤振线圈之间成角度定位。
21.如权利要求17所述的方法，进一步包括将所提取的离子引导到人类患者的肿瘤。
22.如权利要求21所述的方法，其中经由笔形束扫描将所提取的离子的射束跨所述肿瘤扫描。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述笔形束扫描过程在不超过10秒内完成。
24.如权利要求22所述的方法，其中所述笔形束扫描过程在不超过5秒内完成。
25.如权利要求17所述的方法，其中通过从外部的电子回旋加速器共振离子源注入所述离子，将所述离子引入到所述中央加速平面中。
26.如权利要求17所述的方法，其中所提取的离子是具有至少220MeV能量的质子。
27.如权利要求17所述的方法，其中所述等时性回旋加速器在所述中央加速平面中生成大于3.5T的中心磁场。
28.如权利要求17所述的方法，其中所述等时性回旋加速器包括6个或8个超导颤振线圈，并且其中每对超导颤振线圈用作区域极尖端，并且其中提供给所述超导颤振线圈的所述电压在每对中的对应的超导颤振线圈中产生交替的电流流动方向。
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