CN114531769B - 同步加速器的多能量引出方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种同步加速器的多能量引出方法，包括如下步骤：在射频电场电压作用下，通过二极铁磁场变化使带电粒子的能量先后经过适于引出带电粒子束流的若干束流引出阶段以及衔接在这些束流引出阶段之间的若干减速降能阶段，在上述过程中，通过调节四极铁磁场的磁场强度对带电粒子进行聚焦，并通过调节横向相稳定三角形面积以及横向射频激励束流发射度增长在束流引出阶段将带电粒子束流以相应的能量引出，在各个束流引出阶段中，调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，使得各束流引出阶段中的横向相稳定三角形面积的平均值之间的差处在同步加速器的引出效率所容许的变化范围内，并且使若干束流引出阶段结束时与开始时的横向相稳定三角形面积不相等。
Description
技术领域
本发明涉及一种同步加速器的多能量引出方法，用于在同步加速器的同一周期引出多个能量的束流。
背景技术
同步加速器是一种使带电粒子在高真空中受磁场力控制沿固定环形轨道运动，受电场力作用不断加速(升能)达到高能量的装置。为了维持升能过程的粒子轨道稳定，同步加速器需要保持磁场幅度和设置高频加速电场频率随粒子能量同步变化，最终引出粒子束流为基础科学研究、临床医学以及工业生产领域提供各种粒子束和辐射线。在同步加速器的很多应用场合需要不同能量的粒子束流，例如在临床医疗中同步加速器通过多次改变粒子束流的能量来控制Bragg峰在人体内的位置从而精准覆盖病灶部位又不损伤周围正常组织。图1示出了同步加速器切换引出能量的过程。粒子束流在图1中示例性地示出的、夹在虚线之间的能量平台E1、E2和E3处从同步加速器中引出。
传统的、从同步加速器中引出束流的方式可以称为单能量引出。在单能量引出方式下，同步加速器在一个循环周期之内只能引出单能量的束流，要切换引出能量只能在周期与周期之间进行。如图1所示，束流被加速到某个能量E1后保持磁铁、高频腔的频率不变以保证粒子的能量不变，在该能量平台下将束流引出，如果需要改变引出能量，在下一个周期内将束流加速到新的能量E2并在新的能量平台下引出，以此类推。图1中的能量E1、E2和E3分别处于三个同步加速器循环周期内，因此引出束流能量从E1依次变为E2、E3需要三个同步加速器周期才能实现。如果需要N个能量的束流，则至少需要N个同步加速器循环周期才能实现。
由于在同步加速器的每个周期内通过单一的能量平台引出单能束流，因此要在新的能量下引出束流，就要在新的周期内进行，因此每个周期的引出结束后需要将磁铁的磁场下降重置为初始值，再重新注入束流将其加速到新的能量平台，这导致每次切换能量都需要磁场重置以及重新加速的过程，能量切换时间长。而且，在同步加速器的每个周期内某个能量需要的粒子数达到要求后，同步加速器内剩余的束流只能因为切换能量而损失，并无法被利用，因此这导致了对束流的利用率低。
为此，现有技术下提出了多能量引出的概念，在多能量引出方式下，在同步加速器运行的一个周期内提供用于引出的多个能量平台。能量平台数由需求决定，可以实现单周期多个能量的束流引出，大大节省改变引出束流能量所需的时间和提高对束流的利用率。目前在国际上已经有关于多能量引出的实验以及报道。日本的HIMAC(Heavy Ion MedicalAccelerator in Chiba)以及德国的HIT(Heidelberg Ion-Beam Therapy Center)都进行了多能量引出的实验，其中HIMAC采用的是先加速到高能量再降能量引出的方式，HIT采用的是在加速过程中进行多能量引出的方式。
独立行政法人放射线医学综合研究所于2007年3月5日在日本申请了相关发明专利，授权公告号为JP4873563B2。
惠州离子科学研究中心和中国科学院近代物理研究所于2018年5月22日申请了发明名称为“同步加速器单周期多步主动变能慢引出方法”的相关中国发明专利，授权公告日为2020年8月21日，授权公告号为CN108939317B。
另外，本申请的申请人清华大学也于2021年11月19日提交了申请号为202110867950.4、发明名称为“一种同步加速器的控制方法”的发明专利申请，该申请已公布，申请公布号为CN113677084A。
同步加速器中束流的运动可以用位置-斜率相空间进行描述，在水平方向的相空间中相图的横纵坐标分别为x、x’，代表束流在x方向的位置坐标和散角。当粒子的水平工作点接近三分之一整数共振线，并且存在六极磁场的情况下，在水平方向的相空间中就会形成一个三角形状的相稳定区，下文中称作横向相稳定三角形。当粒子的发射度小于横向相稳定三角形的面积时(如图1A所示)该粒子的运动是稳定的，当粒子的发射度大于横向相稳定三角形的面积时(如图1B所示)该粒子的运动是不稳定的，粒子会沿着横向相稳定三角形的边界线向外运动，图1A以附图标记100示出了被约束在横向相稳定三角形的面积内的粒子，而图1B以附图标记100’示出了逸出横向相稳定三角形的面积的粒子。慢引出正是利用了该特性，通过激励束流的发射度增长或者通过缩小横向相稳定三角形的面积，使粒子从由横向相稳定三角形限定的稳定区中进入横向相稳定三角形之外的非稳定区，实现将粒子可控地引出。
上文述及的工作点指的是同步加速器中粒子横向运动自由振荡的频率，以水平工作点和垂直工作点为横纵坐标可以得到共振线图如图1C所示。图1C中黑点代表同步加速器的工作点，图中的线条代表不同阶数的共振线。在三阶共振慢引出中，由于三阶共振只发生在水平方向，水平、垂直两个方向的运动没有耦合，因此此时的三阶共振线就是图中垂直的三阶共振线。在图1C中，最接近水平工作点的三分之一共振线是Qx＝5/3的垂线，水平工作点到该三分之一共振线的距离即图中黑点到该垂线的距离。工作点由磁铁聚焦参数和布局决定，当磁铁布局确定后由磁铁聚焦参数决定，聚焦四极铁强度越大水平工作点越大，散焦四极铁强度越大水平工作点越小，反之亦然。因此，通过调节聚焦四极铁和/或散焦四极铁的磁场强度，可以调节工作点到三分之一共振线的距离。
横向相稳定三角形的面积反比于六极铁磁场强度的平方，正比于水平工作点到三分之一整数共振线距离的平方，即六极铁磁场强度越大，稳定区面积越小，水平工作点到三分之一整数共振线的距离越大，稳定区面积越大。因此，可以通过调节聚焦四极铁和/或散焦四极铁的磁场强度使工作点接近或远离三分之一共振线和/或直接通过调节六极铁磁场强度的大小来改变横向相稳定三角形的面积。
目前已有的降能多能量引出方案中，每个能量引出时横向(即束流的x方向)相稳定三角形面积保持不变，在下一个能量引出时增大横向相稳定三角形的面积，即随着能量越来越低，引出时横向相稳定三角形的面积越来越大。这是因为粒子在能量降低会引起横向发射度增长，如果粒子横向发射度大于下一个能量的横向相稳定三角形的面积，就会导致粒子在下一个能量横向相稳定三角形形成的过程中被引出，这种情况下引出束流的流强比正常引出流强要大，形成引出过冲。引出过冲的相空间形状和在减速降能后正常引出的束流的相空间形状不一样，并且束流强度不可控制，需要尽量避免。为了尽量减小引出过冲，在下一个能量引出时需要增大横向相稳定三角形的面积。但这个方法存在以下缺点：如果每次降能横向相稳定三角形的面积变化过大，随着引出能量越来越多，横向相稳定三角形面积越来越大，引出效率会下降；如果为了保证引出效率，那么需要使每次降能横向相稳定三角形面积的变化有限，则无法有效抑制引出过冲。
为此，希望能够提供一种新的用于同步加速器的降能多能量引出方法，该方法能够有效地抑制引出过冲，同时兼顾引出效率。
发明内容
因此，本发明提供了一种同步加速器的多能量引出方法，包括如下步骤：在射频电场电压的作用下，通过二极铁磁场的变化使带电粒子的能量先后经过适于引出带电粒子束流的若干束流引出阶段以及衔接在这些束流引出阶段之间的若干减速降能阶段，其中，在上述过程中，通过调节四极铁磁场的磁场强度对带电粒子进行聚焦，并通过调节横向相稳定三角形面积以及横向射频激励束流发射度增长在束流引出阶段将带电粒子束流以相应的能量引出，其中，在各个所述束流引出阶段中，调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，使得对应于各个能量的各束流引出阶段中的横向相稳定三角形面积的平均值之间的差处在同步加速器的引出效率所容许的变化范围内，并且使若干所述束流引出阶段结束时的横向相稳定三角形面积不等于该束流引出阶段开始时的横向相稳定三角形面积。
引出效率是引出带电粒子总量与同步加速器内减少的带电粒子总量之比。每个束流引出阶段中的横向相稳定三角形面积的平均值决定了在该能量下引出的带电粒子总量与同步加速器内减少的带电粒子总量之比，也就决定了同步加速器在该能量的引出效率。因此，本发明的方法通过使各束流引出阶段中的横向相稳定三角形面积的平均值被调节成尽可能一致(即在容许的变化范围内)而使得同步加速器在应用中保持引出效率尽可能始终一致。
由于不同能量稳定三角形的面积变化范围差别不大，因而在不同能量下的引出效率基本也是一样的，不会出现稳定三角形面积随着引出能量越来越低而变得越来越大导致引出效率下降的情况。这有助于在同一周期实现多个能量的引出并保证引出效率。
尽管图3A-图5中示出了对应于三个能量E1、E2和E3的能量平台，但应当理解，显然可以根据实际应用的需求，在同步加速器的一个周期内引出两个或多于三个能量的带电粒子束流。
根据本发明的同步加速器的多能量引出方法的一种优选实施形式，在若干相邻的束流引出阶段之间调节射频电场电压以及二极铁、四极铁和/或六极铁的磁场强度，以使得所述相邻的束流引出阶段中的前一个束流引出阶段的束流引出结束时的横向相稳定三角形面积小于后一个束流引出阶段的束流引出开始时的横向相稳定三角形面积。
根据本发明的同步加速器的多能量引出方法的一种优选实施形式，在最后一个束流引出阶段之前的若干束流引出阶段中调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，以便还使得各束流引出阶段结束时的横向相稳定三角形面积小于该束流引出阶段开始时的横向相稳定三角形面积。
虽然降能导致束流发射度增长，但由于各束流引出阶段结束时横向相稳定三角形面积相比于束流引出阶段开始时减小，这为横向相稳定三角形面积在下一束流引出阶段开始时的增大留出了裕量。在此情形下，在下一束流引出阶段开始时，横向相稳定三角形面积仍可以增大到既够抑制上述束流发射度增长、又不损失引出效率的程度。如果不使各束流引出阶段结束时横向相稳定三角形面积相对束流引出阶段开始时减小，就有可能会由于下一束流引出阶段开始时的增大而在下一束流引出阶段无法达到要求的引出效率。
应当理解，对于包括最后一个束流引出阶段在内的各个束流引出阶段而言，只要在最后一个束流引出阶段之前的各束流引出阶段使得束流引出结束时的横向相稳定三角形面积小于束流引出开始时的横向相稳定三角形面积，就足以使带电粒子以逐次降低的能量引出而不损失引出效率，从而实现了在一个同步加速器周期内的多能量引出。不过，为简化控制，也可以考虑同样地在最后一个束流引出阶段中调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，以使得束流引出结束时的横向相稳定三角形面积也小于束流引出开始时的横向相稳定三角形面积。
如上文所述，横向相稳定三角形的面积反比于六极铁磁场强度的平方，正比于水平工作点到三分之一整数共振线距离的平方，即六极铁磁场强度越大，稳定区面积越小，水平工作点到三分之一整数共振线的距离越大，稳定区面积越大。因此，调节六极铁磁场强度或调节四极铁磁场强度都能够达到使束流引出结束时的横向相稳定三角形面积小于束流引出开始时的横向相稳定三角形面积的目的。应当理解，可以同时按照使横向相稳定三角形面积在束流引出结束时比束流引出开始时减小的目标调节六极铁磁场强度和调节四极铁磁场强度，也可以将六极铁磁场强度和四极铁磁场强度之一按照减小横向相稳定三角形面积的目标进行调节而同时按照增加横向相稳定三角形面积的目标调节它们中的另一个，只要两种调节的最终效果能够使横向相稳定三角形面积在束流引出结束时比束流引出开始时减小即可。
根据本发明的同步加速器的多能量引出方法的一种优选实施形式，在引出束流时，保持四极铁磁场强度不变，而使六极铁的磁场强度增加。优选的是，六极铁的磁场强度单调地增加，比如线性地增加、越来越陡峭地增加、越来越平缓地增加，等等。六极铁的磁场强度增加导致横向相稳定三角形面积的减小。显然，也可以将线性地增加、越来越陡峭地增加、越来越平缓地增加的时间段相互任意地组合，只要它们组成的曲线仍然满足增加或单调增加的要求即可。
类似地，亦可以考虑在引出束流时，保持六极铁的磁场强度不变，而这样地调节四极铁磁场强度，使得同步加速器的水平工作点到三分之一整数共振线的距离减小，优选单调地减小，比如线性地减小、越来越陡峭地减小、越来越平缓地减小，等等。水平工作点到三分之一整数共振线的距离减小导致导致横向相稳定三角形面积的减小。显然，也可以将线性地减小、越来越陡峭地减小、越来越平缓地减小的时间段相互任意地组合，只要它们组成的曲线仍然满足使得同步加速器的水平工作点到三分之一整数共振线的距离减小或单调增减小的要求即可。
仅单独调节四极铁磁铁强度或六极铁磁铁强度简化了操作。显然，应当理解，如果通过复杂的设计，在同步加速器的一个周期中、或者在同步加速器的每个不同周期中，任意地对每个能量不同地使用四极铁单独调节、使用六极铁单独调节、或者组合使用四极铁和六极铁进行调节，也应当属于本发明请求保护的技术方案的范畴。
不同能量下的横向相稳定三角形面积的变化范围是灵活可调的，不同能量下的横向相稳定三角形面积的变化范围可以是不一样的，并且不限定于每个能量引出时都必须收缩横向相稳定三角形面积，完全可以在某些能量下引出时不使横向相稳定三角形面积收缩。优选的是，调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，以使得各束流引出阶段的束流引出结束时与束流引出开始时的横向相稳定三角形面积之差都是相同的。替代的是，亦可以调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，以使得各束流引出阶段的束流引出结束时与束流引出开始时的横向相稳定三角形面积之差不都是相同或都是不同的。
根据本发明的同步加速器的多能量引出方法的另一种优选实施形式，在若干束流引出阶段中调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，以便还使得各束流引出阶段结束时的横向相稳定三角形面积大于该束流引出阶段开始时的横向相稳定三角形面积。
优选的是，在最后一个束流引出阶段中调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，以便还使得束流引出结束时的横向相稳定三角形面积大于束流引出开始时的横向相稳定三角形面积。
还优选的是，在若干相邻的束流引出阶段之间调节射频电场电压以及二极铁、四极铁和/或六极铁的磁场强度，以使得所述相邻的束流引出阶段中的前一个束流引出阶段的束流引出结束时的横向相稳定三角形面积大于后一个束流引出阶段的束流引出开始时的横向相稳定三角形面积。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
下面结合附图详细解释本发明的实施方式。在附图中：
图1示意地示出了同步加速器切换引出多个能量的过程；
图1A示意地示出了带电粒子被约束在横向相稳定三角形的面积内的情形；
图1B示意地示出了带电粒子逸出横向相稳定三角形的面积的情形；
图1C示意地示出了同步加速器的工作点和不同阶数的共振线；
图2为本发明实施例中的同步加速器的结构示意图；
图3A为根据本发明的一种同步加速器的多能量引出方法的射频电场电压、二极铁磁场强度、聚焦四极铁磁场强度、六极铁磁场强度和稳定三角形面积的时序图，其中，聚焦四极铁磁场强度在束流引出阶段保持不变；
图3B为与图3A所示时序图相对应的射频电场电压、二极铁磁场强度、散焦四极铁磁场强度、六极铁磁场强度和稳定三角形面积的时序图，其中，散焦四极铁磁场强度在束流引出阶段保持不变；
图4A为根据本发明的一种同步加速器的多能量引出方法的射频电场电压、二极铁磁场强度、聚焦四极铁磁场强度、六极铁磁场强度和稳定三角形面积的时序图，其中，六极铁磁场强度在束流引出阶段保持不变；
图4B为与图4A所示时序图相对应的射频电场电压、二极铁磁场强度、散焦四极铁磁场强度、六极铁磁场强度和稳定三角形面积的时序图，其中，六极铁磁场强度在束流引出阶段保持不变；
图5为根据本发明的一种同步加速器的多能量引出方法的RF-KO激励的时序图；
图6为根据本发明的一种同步加速器的多能量引出方法的流程图。
附图用于解释本申请技术方案并构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
具体实施方式
同步加速器是指在环形路径上利用射频电场加速带电粒子的加速装置。带电粒子在同步加速器中进行回旋运动。
在本实施例中，如图2所示，同步加速器包括环形路径6、高频腔4、射频激励装置和多组约束磁体。高频腔4(RF Cavity)设置在环形路径6上。多组约束磁体绕环形路径6的周向分布。每组约束磁体包括二极铁1、聚焦四极铁2、散焦四极铁5、六极铁3。
二极铁1的磁场用于偏转粒子，使得带电粒子做回旋运动。聚焦四极铁2、散焦四极铁5的磁场用于对束流的横向进行聚焦以保持束流在横向的稳定性。由于各种原因粒子可能偏离中心轨道，因此要使粒子在横向受到聚焦力，使其返回到中心轨道上来而不致丢失，四极铁便起到在横向聚焦的作用。聚焦四极铁2、散焦四极铁5的磁场强度决定了同步加速器的工作点。六极铁3的磁场用于在横向相空间形成约束束流运动的三角形相空间稳定区(即，横向相稳定三角形)，六极铁3的磁场强度越大则横向相稳定三角形的面积越小。六极铁3的磁场强度大到一定程度时，束流便从横向相稳定三角形的三个顶点开始，沿着横向相稳定三角形的边长延长线发射度迅速增大。发射度增大到一定程度时，带电粒子便能被引出环形路径6。横向相稳定三角形的大小正比于束流水平工作点到1/3共振线距离的平方，反比于共振六极铁3的磁场强度的平方。高频腔4用于加速、减速粒子或者只维持纵向聚束不改变粒子的能量，当射频电场的同步相位不为0时带电粒子每次经过高频腔4都能受到射频电场作用而被加速或减速一次，当射频电场的同步相位为0时用于保持纵向聚束，不会改变粒子的能量。保持同步加速器所有磁铁的磁场和高频腔4的射频电场的参数与带电粒子的能量同步，从而约束粒子在固定的环形路径6上进行运动。
射频激励装置用于施加RF-KO激励，以引出束流。RF-KO(transverse RadioFrequency Knock Out)激励是指通过产生横向射频电场对束流产生踢轨作用，从而使束流发射度逐渐增大而引出的现象。在带电粒子引出前，束流的发射度小于横向相稳定三角形的面积。RF-KO的作用为在保持同步加速器所有参数不变的情况下，利用作用于束流的横向电场，使得束流发射度增大，当束流发射度增大到大于或等于横向相稳定三角形的面积时，束流便沿着三角形的边角延长线迅速增大而引出。该横向电场即为RF-KO激励。采用RF-KO的方式进行引出，可以在引出时保持其他参数不变，大幅降低了同步加速器的运行和操作难度。
本实施例中提出了一种同步加速器的多能量引出方法，该方法用于在同步加速器的一个循环周期内将带电粒子以逐级下降的多个能量引出。一个循环周期指的是加速器运行的循环周期，通常是几秒钟的时间量级，在该循环周期内，带电粒子能沿着环形路径6运动几百万至上千万圈。
如图3A至图6所示，下文中以在一个同步加速器周期内三次引出能量为例对本申请的同步加速器的多能量引出方法进行说明，但在同步加速器周期内引出能量的次数显然只是示例性而非限制性的。该同步加速器的多能量引出方法包括以下步骤：
步骤S1：通过射频电场将带电粒子加速到第一能量，形成束流。
高频腔4中施加射频电场，该射频电场对带电粒子施加与带电粒子的运动方向大致相同的作用力。带电粒子带正电荷时，射频电场的方向与带电粒子的运动方向相同。带电粒子带负电荷时，射频电场的方向与带电粒子的运动方向相反。带电粒子每次经过高频腔4时能被射频电场加速，从而提升能量。在带电粒子加速的过程中，二极铁1、聚焦四极铁2、散焦四极铁5和六极铁3的磁场的强度进行相应的变化，使得带电粒子保持沿着环形路径6运动。将带电粒子加速到预设的能量为现有技术，不再赘述。
步骤S2：将束流中的带电粒子在第一束流引出阶段维持在第一能量，在该第一束流引出阶段内引出部分束流。
根据第一能量的大小、环形路径6的半径的大小以及二极铁1、聚焦四极铁2、散焦四极铁5、六极铁3各自分布的位置可以计算出将带电粒子维持在第一能量并使得带电粒子沿环形路径6运动所需的二极铁1、聚焦四极铁2、散焦四极铁5、六极铁3的磁场大小以及高频腔4中射频电场的电压、频率和相位。将带电粒子加速到第一能量后，通过射频激励装置施加RF-KO激励，将一部分束流引出。束流引出阶段的时间长度由射频激励装置引出束流所需的时间决定的。第一能量则由被引出的带电粒子所要轰击的目标的需求所决定的。
由于在该过程中需要引出部分束流，在第一束流引出阶段内需要保持高频腔4中的射频电场的电压处于一个较低的值，可以降低引出束流的动量分散，在本实施例中，能量为60MeV的质子在射频电场的电压处于100V时，束流的最大动量分散下降到0.1％。
在第一束流引出阶段中，使六极铁磁场强度单调增加，从而使横向相稳定三角形面积逐渐减少。如图3所示，稳定三角形面积曲线在第一束流引出阶段从束流引出开始时到束流引出结束时逐渐下降。
步骤S3：提升射频电场的电压值至减速电压值，在此过程中，二极铁1的磁场强度不变，聚焦四极铁2的磁场强度上升或散焦四极铁5的磁场强度下降，六极铁3的磁场强度下降。
减速电压值可以是500V。在该步骤中，六极铁3的磁场强度下降的幅度为50％～100％，即六极铁3的磁场强度下降至下降前的磁场强度的0～50％。
步骤S4：转变射频电场的同步相位使得射频电场对带电粒子施加与其运动方向相反的作用力，维持减速电压值使得带电粒子的能量下降直至带电粒子的能量从第一能量降低至第二能量，二极铁1的磁场强度逐渐降低，聚焦四极铁2或散焦四极铁5的磁场强度逐渐降低，六极铁3的磁场强度保持不变。
在该步骤中，由于高频腔4中的射频电场对带电粒子所施加的作用力的方向与带电粒子的运动方向相反，带动粒子每次在经过高频腔4时都会被减速而导致能量下降。
可以根据高频腔4中的射频电场的电压值、带电粒子的质量、带电粒子的电荷、环形路径6的半径、第一能量以及第二能量可以计算出带电粒子从第一能量下降到第二能量所需要的第一减速时间段的时长。这样，在对带电粒子进行减速时维持射频电场维持在减速电压值长达第一减速时间段即可将第一能量下降到第二能量。
这样，在步骤S3中进行降能准备，先将射频电场的电压值进行提升，增大纵向相稳定区的面积，在步骤S4中，将射频电场的电压值保持在该较高的电压值下对带电粒子进行减速，可以降低束流在降低到第二引出能量过程中的纵向引起的损失。同时，在步骤S3中，聚焦四极铁2的磁场归一化强度升高或散焦四极铁5的磁场归一化强度降低能使降能前水平工作点远离共振线，六极铁3的磁场归一化强度降低，增大横向三角形相稳定区的面积，可以降低束流在降低到第二引出能量过程中的横向引起的束流损失。
步骤S5：降低射频电场的电压值，改变射频电场的同步相位使得射频电场不再对带电粒子进行减速，以将带电粒子维持在第二能量。
在带电粒子的能量降低至第二能量后，二极铁1的磁场强度停止下降，聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，同时提升六极铁3的磁场强度直至一个低于第一束流引出阶段的束流引出结束时的六极铁磁场强度，使得第一束流引出阶段的束流引出结束时的横向相稳定三角形面积小于第二束流引出阶段的束流引出开始时的横向相稳定三角形面积。
在第二束流引出阶段开始时，聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，六极铁3的磁场的归一化强度提升后，缩小横向相稳定三角形的面积来为下一次带电粒子的引出做准备。然而，由于在步骤S2结束时，横向相稳定三角形的面积已相对减小，因而在第二束流引出阶段开始时的横向相稳定三角形面积仍大于第一束流引出阶段结束时的横向相稳定三角形面积。
步骤S6：将束流中的带电粒子维持在第二能量达到第二束流引出阶段，在该第二束流引出阶段内引出部分束流。
将带电粒子减速到第二能量，聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，且提升六极铁3的磁场强度后，需要将带电粒子维持第二束流引出阶段的时长。在该第二引出时间内，可以通过射频激励装置将一部分束流引出。在该第二束流引出阶段内，射频激励装置施加RF-KO激励，可以将一部分束流引出。第二束流引出阶段的长度由射频激励装置引出束流所需的时间决定的。第二能量则由被引出的带电粒子所要轰击的目标的需求所决定的。第二能量小于第一能量。
在第二束流引出阶段中，使六极铁磁场强度单调增加，从而使横向相稳定三角形面积逐渐减少。如图3所示，稳定三角形面积曲线在第二束流引出阶段从束流引出开始时到束流引出结束时逐渐下降。
步骤S7：提升射频电场的电压值至减速电压值，在此过程中，二极铁1的磁场强度不变，聚焦四极铁2的磁场强度上升或散焦四极铁5的磁场强度下降，六极铁3的磁场强度下降。
减速电压值可以是500V。在该步骤中，六极铁3的磁场强度下降的幅度为50％～100％，即六极铁3的磁场强度下降至下降前的磁场强度的0～50％。
步骤S8：转变射频电场的同步相位使得射频电场对带电粒子施加与其运动方向相反的作用力，维持减速电压值使得带电粒子的能量下降直至带电粒子的能量从第二能量降低至第三能量，二极铁1的磁场强度逐渐降低，聚焦四极铁2或散焦四极铁5的磁场强度逐渐降低，六极铁3的磁场强度保持不变。
在该步骤中，由于高频腔4中的射频电场对带电粒子所施加的作用力的方向与带电粒子的运动方向相反，带动粒子每次在经过高频腔4时都会被减速而导致能量下降。
可以根据高频腔4中的射频电场的电压值、带电粒子的质量、带电粒子的电荷、环形路径6的半径、第二能量以及第三能量可以计算出带电粒子从第二能量下降到第三能量所需要的第二减速时间段的时长。这样，在对带电粒子进行减速时维持射频电场维持在减速电压值长达第二减速时间段即可将第二能量下降到第三能量。
这样，在步骤S7中进行降能准备，先将射频电场的电压值进行提升，增大纵向相稳定区的面积，在步骤S8中，将射频电场的电压值保持在该较高的电压值下对带电粒子进行减速，可以降低束流在降低到第三能量过程中的纵向引起的损失。同时，在步骤S7中，聚焦四极铁2的磁场归一化强度升高或散焦四极铁5的磁场归一化强度降低能使降能前水平工作点远离共振线，六极铁3的磁场归一化强度降低，增大横向相稳定三角形的面积，可以降低束流在降低到第三能量过程中的横向引起的束流损失。
步骤S9：降低射频电场的电压值，改变射频电场的同步相位使得射频电场不再对带电粒子进行减速，以将带电粒子维持在第三能量。
在带电粒子的能量降低至第三能量后，二极铁1的磁场强度停止下降，聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，同时提升六极铁3的磁场强度直至一个低于第二束流引出阶段的束流引出结束时的六极铁磁场强度，使得第二束流引出阶段的束流引出结束时的横向相稳定三角形面积小于第三束流引出阶段的束流引出开始时的横向相稳定三角形面积。。
在第三束流引出阶段开始时，聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，六极铁3的磁场的归一化强度提升后，缩小横向相相稳定三角形的面积来为下一次带电粒子的引出做准备。同样，由于在步骤S6结束时，横向相稳定三角形的面积已相对减小，因而在第三束流引出阶段开始时的横向相稳定三角形面积大于第二束流引出阶段结束时的横向相稳定三角形面积。
步骤S10：将束流中的带电粒子维持在第三能量达到第三束流引出阶段，在该第三束流引出阶段内引出部分束流。
将带电粒子减速到第三能量，聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，且提升六极铁3的磁场强度后，需要将带电粒子维持第三束流引出阶段的时长。在该第三引出时间内，可以通过射频激励装置将一部分束流引出。在该第三束流引出阶段内，射频激励装置施加RF-KO激励，可以将一部分束流引出。第三束流引出阶段的长度由射频激励装置引出束流所需的时间决定的。第三能量则由被引出的带电粒子所要轰击的目标的需求所决定的。第三能量小于第二能量。
在一个示意性的实施例中，二极铁1、四极铁、六极铁3的磁场强度在随时间变化时按照以下算式变化：
其中，Bi为变化前的磁场的强度值，Bf为变化后的磁场的强度值，Tr为变化总时长(单位为s)，B(t)为在时刻t时的磁场的强度值(二极铁时单位为T，四极铁时单位为T/m，六极铁时单位为T/m2)，t为时刻(单位为s)。该算式提供了一种特定的磁场随时间变化的变化曲线，但不限于该变化曲线，只要时候平滑过渡的曲线都可以。
在一个示意性的实施例中，高频腔4中的射频电场可以是高频电场。该射频电场的频率根据二极铁1的磁场同步变化。可以采用下列算式来计算射频电场的频率：
其中B(t)为二极铁磁场(单位为T)，ρ为二极铁的偏转半径(单位为m)，c为真空中光速(单位为m/s)，e为带电粒子的电荷量，E0为带电粒子的静止能量(单位为eV)，R为同步加速器的等效半径(单位为m)。
在一个示意性的实施例中，高频腔4中的射频电场的相位采用以下算式计算：
其中，V(t)为射频电压(单位为V)，
为二极铁磁场随时间的变化率(单位为T/s)，φ为随时间t变化的相位(单位为rad)，ρ为二极铁的偏转半径(单位为m)，R为同步加速器的等效半径(单位为m)。
需要说明的是，该同步加速器在一个循环周期中并不限于两次降能，即不限于将带电粒子从第一能量下降至第二能量，再将带电粒子从第二能量下降至第三能量，上述实施例提供一个具体且直观的示例。实际上，该同步减速器可以对带电粒子进行N次降能来实现N+1次的束流引出，在N+1次束流引出中的引出束流的能量逐次降低，带电粒子能量降低的次数N由实际需求确定。在带电粒子第i次降能的过程中，带电粒子从第i能量降低到第i+1能量过程中，只要包含以下步骤就能达到降低束流损失的效果，其中，i<N：
S2a：将束流中的带电粒子维持在第i能量达到第i束流引出阶段，在该第i束流引出阶段内引出部分束流，其中，在第i束流引出阶段中，使六极铁磁场强度从束流引出开始时到束流引出结束时增加，从而使横向相稳定三角形面积从束流引出开始时到束流引出结束时逐渐减小；
S3a：提升射频电场的电压值至减速电压值，在此过程中，二极铁1的磁场强度不变，聚焦四极铁2的磁场强度上升或散焦四极铁5的磁场强度下降，六极铁3的磁场强度下降；
S4a：转变射频电场的同步相位使得射频电场对带电粒子施加与其运动方向相反的作用力，维持减速电压值使得带电粒子的能量下降直至带电粒子的能量从第i能量降低至第i+1能量，二极铁1的磁场强度逐渐降低，聚焦四极铁2或散焦四极铁5的磁场强度逐渐降低，六极铁3的磁场强度保持不变；
S5a：降低射频电场的电压值，改变射频电场的同步相位使得射频电场不再对带电粒子进行减速，以将带电粒子维持在第i+1能量；
在带电粒子的能量降低至第i+1能量后，二极铁1的磁场强度停止下降，聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，同时提升六极铁3的磁场强度直至一个低于第i束流引出阶段的束流引出结束时的六极铁磁场强度，使得第i束流引出阶段的束流引出结束时的横向相稳定三角形面积小于第i+1束流引出阶段的束流引出开始时的横向相稳定三角形面积。
聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，六极铁3的磁场的归一化强度提升后，缩小横向相稳定三角形的面积来为下一次带电粒子的引出做准备。同样，由于在步骤S2a结束时，横向相稳定三角形的面积已相对减小，因而在第i+1束流引出阶段开始时的横向相稳定三角形面积大于第i束流引出阶段结束时的横向相稳定三角形面积。
应当理解，在上述各束流引出阶段中，将对应于各个能量的各束流引出阶段中的横向相稳定三角形面积的平均值之间的差处在同步加速器的引出效率所容许的变化范围内甚至是它们的平均值相等，有助于为各个能量实现相同的引出效率。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
Claims (14)
1.一种同步加速器的多能量引出方法，包括如下步骤：
在射频电场电压的作用下，通过二极铁磁场的变化使带电粒子的能量先后经过适于引出带电粒子束流的若干束流引出阶段以及衔接在这些束流引出阶段之间的若干减速降能阶段，其中，在上述过程中，通过调节四极铁磁场的磁场强度对带电粒子进行聚焦，并通过调节横向相稳定三角形面积以及横向射频激励束流发射度增长在束流引出阶段将带电粒子束流以相应的能量(E1、E2、E3)引出，
其特征在于，
在各个所述束流引出阶段中，调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，使得对应于各个能量的各束流引出阶段中的横向相稳定三角形面积的平均值之间的差处在同步加速器的引出效率所容许的变化范围内，并且使若干所述束流引出阶段结束时的横向相稳定三角形面积不等于该束流引出阶段开始时的横向相稳定三角形面积。
2.根据权利要求1所述的同步加速器的多能量引出方法，其特征在于，
在最后一个束流引出阶段之前的若干束流引出阶段中调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，以便还使得各束流引出阶段结束时的横向相稳定三角形面积小于该束流引出阶段开始时的横向相稳定三角形面积。
3.根据权利要求2所述的同步加速器的多能量引出方法，其特征在于，在最后一个束流引出阶段中调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，以便还使得束流引出结束时的横向相稳定三角形面积小于束流引出开始时的横向相稳定三角形面积。
4.根据权利要求3所述的同步加速器的多能量引出方法，其特征在于，
在若干相邻的束流引出阶段之间调节射频电场电压以及二极铁、四极铁和/或六极铁的磁场强度，以使得所述相邻的束流引出阶段中的前一个束流引出阶段的束流引出结束时的横向相稳定三角形面积小于后一个束流引出阶段的束流引出开始时的横向相稳定三角形面积。
5.根据权利要求1所述的同步加速器的多能量引出方法，其特征在于，
在若干束流引出阶段中调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，以便还使得各束流引出阶段结束时的横向相稳定三角形面积大于该束流引出阶段开始时的横向相稳定三角形面积。
6.根据权利要求5所述的同步加速器的多能量引出方法，其特征在于，在最后一个束流引出阶段中调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，以便还使得束流引出结束时的横向相稳定三角形面积大于束流引出开始时的横向相稳定三角形面积。
7.根据权利要求6所述的同步加速器的多能量引出方法，其特征在于，
在若干相邻的束流引出阶段之间调节射频电场电压以及二极铁、四极铁和/或六极铁的磁场强度，以使得所述相邻的束流引出阶段中的前一个束流引出阶段的束流引出结束时的横向相稳定三角形面积大于后一个束流引出阶段的束流引出开始时的横向相稳定三角形面积。
8.根据权利要求4或7所述的同步加速器的多能量引出方法，其特征在于，调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，以使得各束流引出阶段的束流引出结束时与束流引出开始时的横向相稳定三角形面积之差都是相同的或者不都是相同的或者都是不同的。
9.根据权利要求8所述的同步加速器的多能量引出方法，其特征在于，在若干束流引出阶段，保持四极铁磁场强度不变，而使六极铁的磁场强度增加。
10.根据权利要求9所述的同步加速器的多能量引出方法，其特征在于，在若干束流引出阶段，保持四极铁磁场强度不变，而使六极铁的磁场强度单调地增加。
11.根据权利要求10所述的同步加速器的多能量引出方法，其特征在于，在若干束流引出阶段，保持四极铁磁场强度不变，而使六极铁的磁场强度线性地、或者越来越陡峭地、或者越来越平缓地增加。
12.根据权利要求8所述的同步加速器的多能量引出方法，其特征在于，在若干束流引出阶段，保持六极铁的磁场强度不变，而这样地调节四极铁磁场强度，使得同步加速器的水平工作点到三分之一整数共振线的距离减小。
13.根据权利要求12所述的同步加速器的多能量引出方法，其特征在于，在若干束流引出阶段，保持六极铁的磁场强度不变，而这样地调节四极铁磁场强度，使得同步加速器的水平工作点到三分之一整数共振线的距离单调地减小。
14.根据权利要求13所述的同步加速器的多能量引出方法，其特征在于，在若干束流引出阶段，保持六极铁的磁场强度不变，而这样地调节四极铁磁场强度，使得同步加速器的水平工作点到三分之一整数共振线的距离线性地、或者越来越陡峭地、或者越来越平缓地减小。
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