ES2626631T3 - Fuente de partículas interrumpida con partes separadas - Google Patents

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ES2626631T3
ES2626631T3 ES08855024.9T ES08855024T ES2626631T3 ES 2626631 T3 ES2626631 T3 ES 2626631T3 ES 08855024 T ES08855024 T ES 08855024T ES 2626631 T3 ES2626631 T3 ES 2626631T3
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Gerrit Townsend Zwart
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/02—Synchrocyclotrons, i.e. frequency modulated cyclotrons

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  • Plasma & Fusion (AREA)
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  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

Un sincrociclotrón que comprende: una cavidad (8) que contiene una región de aceleración; estructuras magnéticas (6a, 6b) para proporcionar un campo magnético a dicha cavidad (8); una fuente de partículas (18) para proporcionar una columna de plasma a dicha cavidad, teniendo dicha fuente de partículas una envolvente (44) para contener la columna de plasma, estando interrumpida dicha envolvente (44) en la región de aceleración para exponer dicha columna de plasma, en donde dicha envolvente (44) comprende dos partes que están completamente separadas de manera que dicha envolvente (44) está completamente separada en dicha región de aceleración; y una fuente de tensión para proporcionar una tensión de radiofrecuencia (RF) a dicha cavidad (8) para acelerar las partículas de dicha columna de plasma en dicha región de aceleración.

Description

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DESCRIPCION
Fuente de partfculas interrumpida con partes separadas.
Campo tecnico
Esta solicitud de patente describe un acelerador de partfculas que tiene una fuente de pardculas que es interrumpida en una region de aceleracion.
Antecedentes
Con el fin de acelerar las partfculas cargadas a altas energfas, se han desarrollado muchos tipos de aceleradores de partfculas. Un tipo de acelerador de pardculas es un ciclotron. Un ciclotron acelera las partroulas cargadas en un campo magnetico axial aplicando un voltaje alterno a una o mas des en una camara de vado. El nombre de es descriptivo de la forma de los electrodos en los primeros ciclotrones, aunque pueden no parecerse a la letra D en algunos ciclotrones. La trayectoria en espiral desarrollada por las partfculas aceleradas es perpendicular al campo magnetico. A medida que las partroulas salen en espiral, se aplica un campo electrico de aceleracion en el espacio entre los des. La tension de radiofrecuencia (RF) crea un campo electrico alterno a traves del espacio entre los des. La tension de RF, y por lo tanto el campo, se sincroniza con el periodo orbital de las partroulas cargadas en el campo magnetico, de manera que las partroulas son aceleradas por la forma de onda de radiofrecuencia cuando cruzan repetidamente el espacio. La energfa de las partroulas aumenta hasta un nivel de energfa muy superior a la tension de pico de la tension de RF aplicada. A medida que las partroulas cargadas aceleran, sus masas crecen debido a los efectos relativistas. En consecuencia, la aceleracion de las partroulas vana la coincidencia de fase en el espacio.
Dos tipos de ciclotrones empleados actualmente, un ciclotron isocrono y un sincrociclotron, superan el reto de aumentar la masa relativista de las partroulas aceleradas de diferentes maneras. El ciclotron isocrono utiliza una frecuencia constante de la tension con un campo magnetico que aumenta con el radio para mantener la aceleracion adecuada. El sincrociclotron utiliza un campo magnetico decreciente con un radio creciente para proporcionar un enfoque axial y vana la frecuencia de la tension de aceleracion para que coincida con el aumento de masa causado por la velocidad relativista de las partroulas cargadas.
El documento WO 2007/061937 A2 describe un acelerador que esta montado en un portico para permitir que el acelerador se mueva a traves de un intervalo de posiciones alrededor de un paciente sobre un soporte de paciente. El acelerador esta configurado para producir un haz de protones o iones que tiene un nivel de energfa suficiente para alcanzar cualquier blanco arbitrario en el paciente desde las posiciones dentro del intervalo. El haz de protones o iones pasa esencialmente directamente desde el acelerador al paciente.
El documento WO 2006/012467 A2 describe un sincrociclotron que comprende un circuito resonante que incluye electrodos que tienen un espacio entre ellos a traves del campo magnetico. Una entrada de tension oscilante, que tiene una amplitud y una frecuencia variables determinadas por un generador de forma de onda digital programable, genera un campo electrico oscilante a traves del espacio. El sincrociclotron puede incluir un condensador variable para variar la frecuencia de resonancia. El sincrociclotron puede incluir ademas un electrodo de inyeccion y un electrodo de extraccion que tienen tensiones controladas por el generador de forma de onda digital programable.
T. Yamaya et al: "Una pequena fuente de catodo fno de iones pesados o un ciclotron compacto", Instrumentos y metodos nucleares en investigacion rtsica, vol. 226, paginas 219 - 222 (1984), describe el desarrollo de una pequena fuente de catodo fno de iones PIG para iones pesados de carga multiple para el ciclotron compacto de la Universidad de Tohoku.
W. Kleeven: “ciclotrones para inyeccion y extraccion”, Procedimientos de la escuela especializada de aceleradores del CERN en pequenos aceleradores, 26 de octubre de 2006, paginas 271-296, describe los objetivos de diseno para la inyeccion de haces y los problemas especiales relacionados con una region central con la fuente de iones interna. Se discuten los principios de ciclotrones con fuentes de iones internas, en particular una fuente PIG y se dan varios ejemplos de simulaciones numericas. Se describe que el uso de una fuente de iones interna es la solucion mas simple y menos costosa para la inyeccion de iones en un ciclotron. Ademas de la eliminacion de la lrnea de inyeccion, una ventaja principal reside en la compacidad del diseno.
Resumen
La invencion se refiere a un sincrociclotron como se define en la reivindicacion 1.
El sincrociclotron comprende estructuras magneticas para proporcionar un campo magnetico a una cavidad y una fuente de partroulas para proporcionar una columna de plasma a la cavidad. La fuente de partroulas tiene una envolvente para contener la columna de plasma, en donde la envolvente es interrumpida de tal manera que la envolvente esta completamente separada en la region de aceleracion. La envolvente comprende dos partes que estan completamente separadas en una region de aceleracion para exponer a la columna de plasma. Una fuente de tension esta configurada para proporcionar una tension de radiofrecuencia (RF) a la cavidad para acelerar las partroulas de la columna de plasma en la region de aceleracion. El sincrociclotron descrito anteriormente puede
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incluir una o mas de las siguientes caractensticas, solas o en combinacion, como se describe en las reivindicaciones adjuntas.
El campo magnetico puede estar por encima de 2 Tesla (T) y las parffculas pueden acelerarse de la columna de plasma hacia el exterior en espirales con radios que aumentan progresivamente. La fuente de tension puede comprender un primer de que esta conectado electricamente a una tension alterna y un segundo de que esta conectado electricamente a tierra. Al menos parte de la fuente de parffculas puede pasar a traves del segundo de. El sincrociclotron puede comprender un tope en la region de aceleracion. El tope puede ser para bloquear la aceleracion de al menos algunas de las parffculas de la columna de plasma. El tope puede ser, en esencia, ortogonal a la region de aceleracion y puede estar configurado para bloquear determinadas fases de parffculas de la columna de plasma.
El sincrociclotron puede comprender catodos para su uso en la generacion de la columna de plasma. Los catodos pueden ponerse en funcionamiento para impulsar una tension para ionizar gas para generar la columna de plasma. Los catodos pueden estar configurados para impulsar a tensiones entre aproximadamente 1 kV y aproximadamente 4 kV. Los catodos no necesitan ser calentados por una fuente de calor externa. El sincrociclotron puede comprender un circuito para acoplar la tension desde la tension de RF al al menos uno de los catodos. El circuito puede comprender un circuito capacitivo.
Las estructuras magneticas pueden comprender yugos magneticos. La fuente de voltaje puede comprender un primer de que esta conectado electricamente a una tension alterna y un segundo de que esta conectado electricamente a tierra. El primer de y el segundo de pueden formar un circuito resonante ajustable. La cavidad a la que se aplica el campo magnetico puede comprender una cavidad resonante que contiene el circuito resonante ajustable.
En general, esta solicitud de patente tambien describe un acelerador de parffculas que no es parte de la invencion que comprende un tubo que contiene un gas, un primer catodo adyacente a un primer extremo del tubo y un segundo catodo adyacente a un segundo extremo del tubo. Los catodos primero y segundo son para aplicar tension al tubo para formar una columna de plasma a partir del gas. Las parffculas estan disponibles para ser extrafdas de la columna de plasma para la aceleracion. Un circuito esta configurado para acoplar energfa desde un campo de radiofrecuencia (RF) externo a al menos uno de los catodos. El acelerador de parffculas descrito anteriormente puede incluir una o mas de las siguientes caractensticas, ya sea solas o en combinacion.
El tubo puede ser interrumpido en una region de aceleracion a la que las parffculas se han extrafdo de la columna de plasma. El primer catodo y el segundo catodo no necesitan ser calentados por una fuente externa. El primer catodo puede estar en un lado diferente de la region de aceleracion que el segundo catodo.
El acelerador de parffculas puede comprender una fuente de tension para proporcionar el campo de RF. El campo de RF puede ser para acelerar las parffculas de la columna de plasma en la region de aceleracion. La energfa puede comprender una parte del campo de RF proporcionado por la fuente de tension. El circuito puede comprender un condensador para acoplar energfa desde el campo externo a al menos uno del primer catodo y el segundo catodo.
El tubo puede comprender una primera parte y una segunda parte que estan completamente separadas en un punto de interrupcion en la region de aceleracion. El acelerador de parffculas puede comprender un tope en la region de aceleracion. El tope puede utilizarse para bloquear al menos una fase de las parffculas de una aceleracion adicional.
El acelerador de parffculas puede comprender una fuente de tension para proporcionar el campo de RF a la columna de plasma. El campo de RF puede ser para acelerar las parffculas de la columna de plasma en la region de aceleracion. El campo de RF puede comprender una tension que es inferior a 15 kV. Los yugos magneticos se pueden utilizar para proporcionar un campo magnetico que cruza la region de aceleracion. El campo magnetico puede ser mayor que aproximadamente 2 Tesla (T).
En general, esta solicitud de patente tambien describe un acelerador de parffculas que no es parte de la invencion que comprende una fuente de un manometro de ionizacion Penning (PIG) que comprende una primera parte tubular y una segunda parte tubular que estan separadas al menos parcialmente en una region de aceleracion. La primera parte tubular y la segunda parte tubular son para contener una columna de plasma que se extiende a traves de la region de aceleracion. Se utiliza una fuente de tension para proporcionar una tension en la region de aceleracion. La tension es para acelerar las parffculas fuera de la columna de plasma en la region de aceleracion. El acelerador de parffculas descrito anteriormente puede incluir una o mas de las siguientes caractensticas, ya sea solas o en combinacion.
La primera parte tubular y la segunda parte tubular pueden estar completamente separadas entre sf. Alternativamente, solo una o mas partes de la primera parte tubular pueden estar separadas de las partes correspondientes de la segunda parte tubular. En esta ultima configuracion, la fuente PIG puede comprender una conexion ffsica entre una parte de la primera parte tubular y la segunda parte tubular. La conexion ffsica puede permitir que las parffculas que se aceleran fuera de la columna de plasma completen un primer giro al escapar de la columna de plasma sin entrar en la conexion ffsica.
La fuente PIG puede pasar a traves de un primer de que esta conectado electricamente a tierra. Un segundo de que esta conectado electricamente a una fuente de tension alterna puede proporcionar la tension en la region de aceleracion.
El acelerador de partfculas puede comprender una estructura que encierra, en esencia, la fuente PIG. El acelerador 5 de partfculas puede comprender yugos magneticos que definen una cavidad que contiene la region de aceleracion. Los yugos magneticos pueden ser para generar un campo magnetico a traves de la region de aceleracion. El campo magnetico puede ser al menos 2 Tesla (T). Por ejemplo, el campo magnetico puede ser al menos 10,5 T. La tension puede comprender una tension de radiofrecuencia (RF) que es inferior a 15 kV.
El acelerador de partfculas puede comprender uno o mas electrodos para el uso en la aceleracion de las partfculas 10 fuera del acelerador de partfculas. Al menos un catodo puede utilizarse para generar la columna de plasma. El al menos un catodo utilizado para generar la columna de plasma puede comprender un catodo fno (por ejemplo, uno que no este calentado por una fuente externa). Un circuito capacitivo puede acoplar al menos parte de la tension al catodo fno. El catodo fno puede estar configurado para impulsar la tension para generar la columna de plasma a partir del gas en la primera parte tubular y la segunda parte tubular.
15 Cualesquiera de las caractensticas anteriores pueden combinarse para formar las implementaciones no descritas espedficamente en la presente memoria.
Los detalles de uno o mas ejemplos se presentan en los dibujos adjuntos y en la descripcion siguiente. Otras caractensticas, aspectos y ventajas resultaran evidentes a partir de la descripcion, los dibujos y las reivindicaciones.
Descripcion de los dibujos
La Fig. 1A es una vista en seccion transversal de un sincrociclotron.
20 La Fig. 1B es una vista lateral en seccion transversal del sincrociclotron mostrado en la Fig. 1A.
La Fig. 2 es una ilustracion de una forma de onda idealizada que se puede usar para acelerar partfculas cargadas en el sincrociclotron de las Fig. 1A e 1B.
La Fig. 3A es una vista lateral de una fuente de partfculas, tal como una fuente de un manometro de ionizacion Penning.
25 La Fig. 3B es una vista lateral en primer plano de una parte de la fuente de partfculas de la Fig. 3A que pasa a traves de una de de ensayo y adyacente a una de de RF.
La Fig. 4 es una vista lateral de la fuente de partfculas de la Fig. 3 que muestra la aceleracion en espiral de una partfcula de una columna de plasma generada por la fuente de partfculas.
La Fig. 5 es una vista en perspectiva de la fuente de partfculas de la Fig. 4
30 La Fig. 6 es una vista en perspectiva de la fuente de partfculas de la Fig. 4 que contiene un tope para bloquear una o mas fases de partfculas.
La Fig. 7 es una vista en perspectiva de un ejemplo alternativo que no forma parte de la invencion en el que se ha eliminado una parte sustancial de la fuente de iones.
Descripcion detallada
En la presente memoria se describe un sistema basado en sincrociclotron. Sin embargo, los circuitos y metodos 35 descritos en la presente memoria pueden utilizarse con cualquier tipo de ciclotron o acelerador de partfculas.
Haciendo referencia a las Fig. 1A y 1B, un sincrociclotron 1 incluye bobinas electricas 2a y 2b alrededor de dos polos ferromagneticos 4a y 4b separados, que estan configurados para generar un campo magnetico. Los polos magneticos 4a y 4b estan definidos por dos partes opuestas de los yugos 6a y 6b (mostradas en seccion transversal). El espacio entre los polos 4a y 4b define la camara de vacfo 8 o puede instalarse una camara de vacfo 40 separada entre los polos 4a y 4b. La intensidad del campo magnetico es generalmente una funcion de la distancia desde el centro de la camara de vacfo 8 y esta determinada en gran medida por la eleccion de la geometna de las bobinas 2a y 2b y la forma y el material de los polos magneticos 4a y 4b.
Los electrodos de aceleracion se definen como de 10 y de 12, que tienen un espacio 13 entre ellos. El de 10 esta conectado a un potencial de tension alterna cuya frecuencia cambia de alta a baja durante un ciclo de aceleracion 45 para tener en cuenta la masa relativista creciente de una partfcula cargada y el campo magnetico decreciente radialmente (medido desde el centro de la camara de vacfo 8) producido por las bobinas 2a y 2b y las partes polo 4a y 4b. En consecuencia, el de 10 se denomina como el de de radiofrecuencia (RF). El perfil idealizado de neumatico de la tension alterna en los des 10 y 12 se muestra en la Fig. 2 y se explicara en detalle a continuacion. En este ejemplo, el de 10 de RF es una estructura semicilindrica que es hueca en el interior. El de 12, tambien denominado
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"de de ensayo", no necesita ser una estructura cilmdrica hueca, puesto que esta conectado a tierra en las paredes de la camara de vado 14. El de 12, segun se muestra en las Fig. 1A y 1b, incluye una tira de metal, por ejemplo, cobre, que tiene una ranura conformada para coincidir con una, en esencia, ranura similar en el de 10 de rF. El de 12 puede conformarse para formar una imagen simetrica de la superficie 16 del de 10 de RF.
La fuente de iones 18 se encuentra aproximadamente en el centro de la camara de vado 8 y esta configurada para proporcionar partfculas (por ejemplo, protones) en un centro del sincrociclotron para la aceleracion, segun se describe a continuacion. Los electrodos de extraccion 22 dirigen las partfculas cargadas desde una region de aceleracion hacia el canal de extraccion 24, formando de este modo el haz 26 de las partfculas cargadas. Aqm, la fuente de iones 18 esta insertada axialmente en la region de aceleracion.
Los des 10 y 12 y otras piezas de hardware incluidas en un sincrociclotron definen un circuito resonante ajustable en virtud de una entrada de tension oscilante que crea un campo electrico oscilante a traves del espacio 13. El resultado es una cavidad resonante en la camara de vado 8. Esta frecuencia de resonancia de la cavidad resonante puede ajustarse para mantener su factor Q alto mediante la sincronizacion de la frecuencia que esta siendo barrida. En un ejemplo, la frecuencia de resonancia de la cavidad resonante se mueve, o "barre", dentro de un intervalo de aproximadamente 30 Megahertzios (MHz) y aproximadamente 135 MHz (intervalo VHF) a lo largo del tiempo, por ejemplo, durante aproximadamente 1 milisegundo (ms). En otro ejemplo, la frecuencia de resonancia de la cavidad resonante se mueve, o barre, entre aproximadamente 95 MHz y aproximadamente 135 MHz en aproximadamente 1 ms.
La resonancia de la cavidad puede controlarse en la forma descrita en la solicitud de patente de U.S. n° 11/948.359, titulada "Correspondencia entre una frecuencia de resonancia de una cavidad resonante y una frecuencia de un voltaje de entrada".
El factor Q es una medida de la "calidad" de un sistema resonante en su respuesta a las frecuencias cercanas a la frecuencia de resonancia. En este ejemplo, el factor Q se define como
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en donde R es la resistencia activa del circuito resonante, L es la inductancia y C es la capacitancia del circuito resonante.
El mecanismo de ajuste puede ser, por ejemplo, una bobina de inductancia variable o una capacitancia variable. Un dispositivo de capacitancia variable puede ser una lamina vibrante o un condensador giratorio. En el ejemplo mostrado en las Fig. 1A y 1B, el mecanismo de ajuste incluye el condensador giratorio 28. El condensador giratorio 28 incluye palas giratorias 30 que son accionadas por un motor 31. Durante cada ciclo del motor 31, cuando las palas 30 se engranan con las palas 32, la capacitancia del circuito resonante que incluye los des 10 y 12 y el condensador giratorio 28 aumenta y la frecuencia de resonancia disminuye. El proceso se invierte cuando las palas se desprenden. Por lo tanto, la frecuencia de resonancia se cambia modificando la capacitancia del circuito resonante. Esto sirve para el fin de reducir, por un factor importante, la energfa requerida para generar la alta tension aplicada en el espacio de/de de ensayo a la frecuencia necesaria para acelerar el haz de partfculas. La forma de las palas 30 y 32 puede mecanizarse para crear la dependencia requerida de la frecuencia de resonancia en el tiempo.
La rotacion de la pala puede sincronizarse con la generacion de frecuencia de RF, de modo que la frecuencia del circuito resonante definida por el sincrociclotron se mantenga cerca de la frecuencia del potencial de tension alterna aplicado a la cavidad resonante. Esto promueve la transformacion eficiente de la energfa de RF aplicada a la tension de RF en el de de RF.
Un sistema de bombeo de vado 40 mantiene la camara de vado 8 a una presion muy baja para no dispersar el haz de aceleracion (o para proporcionar relativamente poca dispersion) y para evitar, en esencia, descargas electricas del de de RF.
Para lograr la aceleracion, en esencia, uniforme en el sincrociclotron, la frecuencia y la amplitud del campo electrico a traves del espacio de se modifica para tener en cuenta el aumento de la masa relativista y la variacion radial del campo magnetico, asf como para mantener el enfoque del haz de partfculas. La variacion radial del campo magnetico se mide como una distancia desde el centro de una trayectoria en espiral hacia afuera de una partfcula cargada.
La Fig. 2 es una ilustracion de una forma de onda idealizada que puede ser necesaria para acelerar partfculas cargadas en un sincrociclotron. Muestra solo unos pocos ciclos de la forma de onda y no representa necesariamente los perfiles de modulacion de frecuencia y amplitud ideales. La Fig. 2 ilustra las propiedades de amplitud y frecuencia variables en el tiempo de la forma de onda utilizada en el sincrociclotron. La frecuencia cambia de alta a baja a medida que la masa relativista de la partfcula aumenta mientras que la velocidad de la partfcula se aproxima a una fraccion significativa de la velocidad de la luz.
La fuente de iones 18 se despliega cerca del centro magnetico del sincrociclotron 1, de modo que las partfculas estan presentes en el plano medio del sincrociclotron, donde pueden ser objeto del campo de RF (tension). La
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fuente de iones puede tener una geometna de un manometro de ionizacion Penning (PIG). En la geometna PIG, dos catodos de alto voltaje se colocan aproximadamente uno frente al otro. Por ejemplo, un catodo puede estar en un lado de la region de aceleracion y un catodo puede estar en el otro lado de la region de aceleracion y en lmea con las lmeas del campo magnetico. Las envolventes 12 de los des de ensayo del conjunto fuente pueden estar al potencial de tierra. El anodo incluye un tubo que se extiende hacia la region de aceleracion. Cuando una cantidad relativamente pequena de un gas (por ejemplo, hidrogenoff-h) ocupa una region en el tubo entre los catodos, una columna de plasma puede formarse a partir del gas mediante la aplicacion de una tension a los catodos. La tension aplicada provoca que los electrones fluyan a lo largo de las lmeas del campo magnetico, esencialmente paralelas a las paredes del tubo, y que se ionicen las moleculas del gas que se concentran dentro del tubo, creando asf la columna de plasma.
Una geometna de un manometro de ionizacion 18 (PIG), para su uso en el sincrociclotron 1, se muestra en las Fig. 3A y 3B. Haciendo referencia a la Fig. 3A, la fuente de iones 18 incluye un lado emisor 38a que contiene una alimentacion de gas 39 para recibir el gas y un lado reflector 38b. Una envolvente o tubo 44 contiene el gas, segun se describe a continuacion. La Fig. 3B, muestra la fuente de iones 18 que pasa a traves del de de ensayo 12 y adyacente al de de RF 10. En funcionamiento, el campo magnetico entre el de de RF 10 y el de de ensayo 12 provoca que las parffculas (por ejemplo, protones) se aceleren hacia afuera. La aceleracion es en espiral alrededor de la columna de plasma, con el radio de la parffcula a la columna de plasma que aumenta progresivamente. La aceleracion en espiral, marcada 43, se representa en las Fig. 5 y 6. Los radios de curvatura de las espirales dependen de la masa de una parffcula, la energfa impartida a la paiffcula por el campo de RF y una intensidad del campo magnetico.
Cuando el campo magnetico es alto, puede llegar a ser diffcil impartir suficiente energfa a una parffcula de manera que tenga un radio de curvatura lo suficiente grande como para salvar la envolvente ffsica de la fuente de iones en su(s) giro(s) inicial(es) durante la aceleracion. El campo magnetico es relativamente alto en la region de la fuente de iones, por ejemplo, del orden de 2 Tesla (T) o mas (por ejemplo, 8 T, 8,8 T, 8,9 T, 9 T, 10,5 T o mas). Como resultado de este campo magnetico relativamente alto, el radio inicial de la paiffcula a la fuente de iones es relativamente pequeno para las parffculas de baja energfa, donde las parffculas de baja energfa incluyen las parffculas que se extraen primero de la columna de plasma. Por ejemplo, un radio de este tipo puede ser del orden de 1 mm. Debido a que los radios son tan pequenos, al menos inicialmente, algunas parffculas pueden entrar en contacto con el area de la envolvente de la fuente de iones, evitando con ello una mayor aceleracion hacia fuera de dichas parffculas. En consecuencia, la envolvente de la fuente de iones 18 se interrumpe o se separa para formar dos partes, como se muestra en la Fig. 3B. Es decir, una parte de la envolvente de la fuente de iones se elimina en la region de aceleracion 41, por ejemplo, aproximadamente en el punto en donde las parffculas deben ser extrafdas de la fuente de iones. Esta interrupcion esta marcada 45 en la Fig. 3B. La envolvente tambien se puede retirar para distancias por encima y por debajo de la region de aceleracion. La totalidad o una parte del de de ensayo 12 en la region de aceleracion puede o no puede eliminarse tambien.
En el ejemplo de las Fig. 3A y 3B, la carcasa 44 incluye un tubo que contiene una columna de plasma que contiene parffculas que se aceleran. El tubo puede tener diferentes diametros en diferentes puntos, como se muestra. El tubo puede residir dentro del de de ensayo 12, aunque esto no es necesario. Una parte del tubo por aproximadamente un plano medio del sincrociclotron se elimina completamente, dando como resultado una envolvente compuesta por dos partes separadas con una interrupcion 45 entre las partes. En este ejemplo, la interrupcion es de aproximadamente 1 miffmetro (mm) a 3 mm (es decir, aproximadamente 1 mm a 3 mm del tubo se retira). La cantidad de tubo que se retira puede ser suficientemente significativa para permitir la aceleracion de parffculas de la columna de plasma, pero lo suficientemente pequena como para impedir una disipacion significativa de la columna de plasma en la parte interrumpida.
Mediante la eliminacion de la estructura ffsica, aqrn el tubo, en la region de aceleracion de parffculas, las parffculas pueden hacer giro(s) inicial(es) en relativamente pequenos radios de - por ejemplo, en presencia de campos magneticos relativamente altos - sin entrar en contacto con estructuras ffsicas que impidan aceleracion adicional. El(los) giro(s) inicial(es) puede(n) incluso cruzar de nuevo a traves de la columna de plasma, dependiendo de la intensidad de los campos magnetico y RF.
El tubo puede tener un diametro interior relativamente pequeno, por ejemplo, aproximadamente 2 mm. Esto conduce a una columna de plasma que es tambien relativamente estrecha y, por tanto, proporciona un conjunto relativamente pequeno de posiciones radiales de origen en las que las parffculas pueden comenzar a acelerarse. El tubo esta tambien suficientemente alejado de los catodos 46 utilizados para producir la columna de plasma - en este ejemplo, aproximadamente 10 mm desde cada catodo. Estas dos caracteffsticas, combinadas, reducen la cantidad de gas hidrogeno (H2) que fluye en el sincrociclotron a menos de 1 cenffmetro cubico estandar por minuto (SCCM), permitiendo de este modo que el sincrociclotron funcione con relativamente pequenas aberturas de conductancia de vacm en la RF del sincrociclotron/cavidad del haz y sistemas de bomba de vacm de capacidad relativamente pequena, por ejemplo, aproximadamente 500 litros por segundo.
La interrupcion del tubo tambien es compatible con una mayor penetracion del campo de RF en la columna de plasma. Es decir, puesto que no hay estructura ffsica presente en la interrupcion, el campo de RF puede alcanzar facilmente la columna de plasma. Ademas, la interrupcion en el tubo permite acelerar las parffculas de la columna de
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plasma utilizando diferentes campos de RF. Por ejemplo, pueden utilizarse campos de RF mas bajos para acelerar las partfculas. Esto puede reducir los requisitos de energfa de los sistemas utilizados para generar el campo de RF. En un ejemplo, un sistema de RF de 20 kilovatios (kw) genera un campo de RF de 15 kilovoltios (kV) para acelerar las partfculas de la columna de plasma. La utilizacion de campos de RF mas bajos reduce los requisitos de enfriamiento del sistema de RF y los requisitos de separacion de la tension de RF. En el sincrociclotron aqu descrito, se extrae un haz de partfculas utilizando un sistema de extraccion resonante. Es decir, la amplitud de las oscilaciones radiales del haz se incrementa por una perturbacion magnetica dentro del acelerador, que esta en resonancia con estas oscilaciones. Cuando se utiliza un sistema de extraccion resonante, se mejora la eficiencia de extraccion limitando la extension del espacio de fase del haz interno. Con atencion al diseno de las estructuras generadoras del campo magnetico y de RF, la extension del espacio de fase del haz en la extraccion esta determinada por la extension del espacio de fase al comienzo de la aceleracion (por ejemplo, a la aparicion de la fuente de iones). Como resultado, se puede perder relativamente poco haz en la entrada del canal de extraccion y se puede reducir la radiacion de fondo del acelerador.
Una estructura ffsica, o tope, se puede proporcionar para controlar la fase de las partfculas que se les permite escapar de la region central del sincrociclotron. Un ejemplo de un tope 51 de este tipo se muestra en la Fig. 6. El tope 51 actua como un obstaculo que bloquea las partfculas que tienen ciertas fases. Es decir, se evita que las partfculas que golpean el tope se aceleren aun mas, mientras que las partfculas que pasan el tope continuan su aceleracion fuera del sincrociclotron. Un tope puede estar cerca de la columna de plasma, como se muestra en la Fig. 6, con el fin de seleccionar fases durante el(los) giro(s) inicial(es) de las partfculas donde la energfa de las partfculas es baja, por ejemplo, inferior a 50 kV. Alternativamente, un tope puede estar situado en cualquier otro punto relativo a la columna de plasma. En el ejemplo mostrado en la Fig. 6, se situa un unico tope en la de de ensayo 12. Sin embargo, puede haber mas de un tope (no representado) por de.
Los catodos 46 pueden ser catodos "fnos". Un catodo fno puede ser un catodo que no es calentado por una fuente de calor externa. Ademas, los catodos pueden ser pulsados, lo que significa que emiten la(s) rafaga(s) de senal periodicamente en lugar de continuamente. Cuando los catodos son fnos y son pulsados, los catodos estan menos sujetos a desgaste y por lo tanto pueden durar relativamente largo tiempo. Ademas, pulsar los catodos puede eliminar la necesidad de refrigerar por agua los catodos. En una implementacion, los catodos 46 pulsan a una tension relativamente alta, por ejemplo, de aproximadamente 1 kV a aproximadamente 4 kV, y un catodo de picos moderados descarga corrientes desde aproximadamente 50mA hasta aproximadamente 200mA en un ciclo de trabajo entre aproximadamente 0,1% y aproximadamente 1% o 2% con tasas de repeticion entre aproximadamente 200Hz a aproximadamente 1KHz.
Los catodos fnos a veces pueden causar un salto temporal y retardo del encendido. Es decir, la falta de suficiente calor en los catodos puede afectar el tiempo en el que los electrones se descargan en respuesta a una tension aplicada. Por ejemplo, cuando los catodos no estan suficientemente calientes, la descarga puede ocurrir varios microsegundos mas tarde, o mas, de lo esperado. Esto puede afectar a la formacion de la columna de plasma y, por tanto, al funcionamiento del acelerador de partfculas. Para contrarrestar estos efectos, la tension del campo de RF en la cavidad 8 puede acoplarse a los catodos. Los catodos 46 estan alojados de otro modo en un metal, que forma un escudo de Faraday para proteger, en esencia, los catodos del campo de RF. En una implementacion, una parte de la energfa de RF se puede acoplar a los catodos del campo de RF, por ejemplo, se pueden acoplar aproximadamente 100 V a los catodos del campo de RF. La Fig. 3B muestra una implementacion, en la que un circuito capacitivo 54, en este caso un condensador, se carga por el campo de RF y proporciona tension a un catodo 46. Se puede usar un inductor de RF y una alimentacion de CC para cargar el condensador. Puede implementarse una disposicion correspondiente (no mostrada) para el otro catodo 46. La tension de RF acoplada puede reducir el salto de tiempo y reducir el retardo de descarga a aproximadamente 100 nanosegundos (ns) o menos en algunas implementaciones.
Un ejemplo alternativo que no forma parte de la invencion se muestra en la Fig. 7. En este ejemplo, una parte sustancial, pero no toda la envolvente de la fuente PIG se retira, dejando el haz de plasma parcialmente expuesto. Por lo tanto, partes de la envolvente PIG se separan de sus partes complementarias, pero no hay separacion completa como fue el caso anterior. La parte 61 que permanece ffsicamente conecta a la primera parte tubular 62 y la segunda parte tubular 63 de la fuente PIG. En este ejemplo, se retira suficiente de la envolvente para permitir que las partfculas realicen al menos un giro (orbita) sin afectar la parte 61 de la envolvente que queda. En un ejemplo, el primer radio de giro puede ser de 1 mm, aunque se pueden implementar otros radios de giro. El ejemplo mostrado en la Fig. 7 puede combinarse con cualquiera de las otras caractensticas descritas en la presente memoria.
La fuente de partfculas y las caractensticas que se acompanan descritas en la presente memoria no se limitan a utilizar con un sincrociclotron, sino que se pueden utilizar con cualquier tipo de acelerador de partfculas o ciclotron. Ademas, se pueden usar fuentes de iones distintas de las que tienen una geometna PIG con cualquier tipo de acelerador de partfculas y pueden tener partes interrumpidas, catodos fnos, topes y/o cualesquiera de las otras caractensticas descritas en la presente memoria.
Los componentes de las diferentes implementaciones descritas en la presente memoria se pueden combinar para formar otros ejemplos no presentados espedficamente anteriormente. El conjunto de reivindicaciones adjunto define y limita la invencion relacionada con la presente descripcion.

Claims (13)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    REIVINDICACIONES
    1. Un sincrociclotron que comprende:
    una cavidad (8) que contiene una region de aceleracion;
    estructuras magneticas (6a, 6b) para proporcionar un campo magnetico a dicha cavidad (8);
    una fuente de partfculas (18) para proporcionar una columna de plasma a dicha cavidad, teniendo dicha fuente de partfculas una envolvente (44) para contener la columna de plasma, estando interrumpida dicha envolvente (44) en la region de aceleracion para exponer dicha columna de plasma,
    en donde dicha envolvente (44) comprende dos partes que estan completamente separadas de manera que dicha envolvente (44) esta completamente separada en dicha region de aceleracion; y
    una fuente de tension para proporcionar una tension de radiofrecuencia (RF) a dicha cavidad (8) para acelerar las partfculas de dicha columna de plasma en dicha region de aceleracion.
  2. 2. El sincrociclotron de la reivindicacion 1, en donde dicho campo magnetico es superior a 2 Tesla (T), y dicho sincrociclotron esta configurado para acelerar dichas partfculas de la columna de plasma hacia el exterior en espirales con radios que aumentan progresivamente.
  3. 3. El sincrociclotron de la reivindicacion 1, en donde dicha fuente de tension comprende un primer de (10) que esta conectado electricamente a una tension alterna y un segundo de (12) que esta conectado electricamente a tierra; y en donde al menos parte de dicha fuente de partfculas (18) pasa a traves de dicho segundo de (12).
  4. 4. El sincrociclotron de la reivindicacion 1, que comprende ademas un tope (51) en dicha region de aceleracion, dicho tope (51) para bloquear la aceleracion de al menos algunas de dichas partfculas de dicha columna de plasma.
  5. 5. El sincrociclotron de la reivindicacion 4, en donde dicho tope (51) es, en esencia, ortogonal a dicha region de aceleracion y esta configurado para bloquear ciertas fases de las partfculas de dicha columna de plasma.
  6. 6. El sincrociclotron de la reivindicacion 1, que comprende ademas:
    catodos (46) para utilizar en generar dicha columna de plasma, haciendose funcionar dichos catodos (46) para impulsar una tension para ionizar el gas para generar dicha columna de plasma;
    en donde dichos catodos (46) no son calentados por una fuente de calor externa.
  7. 7. El sincrociclotron de la reivindicacion 6, en donde dichos catodos (46) estan configurados para impulsar a tensiones entre aproximadamente 1 kV a aproximadamente 4 kV.
  8. 8. El sincrociclotron de la reivindicacion 6, que comprende ademas:
    un circuito (54) para acoplar la tension de dicha tension de RF al al menos uno de dichos catodos.
  9. 9. El sincrociclotron de la reivindicacion 8, en donde dicho circuito (54) comprende un circuito capacitivo.
  10. 10. El sincrociclotron de la reivindicacion 1, en donde dichas estructuras magneticas (6a, 6b) comprenden yugos magneticos, en donde dicha fuente de tension comprende un primer de (10) que esta conectado electricamente a una tension alterna y un segundo de (12) que esta electricamente conectado a tierra, en donde dicho primer de (10) y dicho segundo de (12) forman un circuito resonante ajustable y en donde dicha cavidad (8) comprende una cavidad resonante que contiene dicho circuito resonante ajustable.
  11. 11. El sincrociclotron de la reivindicacion 8, en donde dichos catodos (46) comprenden: un primer catodo adyacente a un primer extremo de dicha envolvente (44); y
    un segundo catodo adyacente a un segundo extremo de dicha envolvente (44), dichos catodos primero y segundo configurados para aplicar tension a dicha envolvente (44) para formar dicha columna de plasma de dicho gas;
    en donde las partfculas estan disponibles para ser extrafdas de dicha columna de plasma para la aceleracion.
  12. 12. El sincrociclotron de la reivindicacion 11, en donde dicho primer catodo esta en un lado diferente de dicha region de aceleracion que dicho segundo catodo.
  13. 13. El sincrociclotron de la reivindicacion 1,
    en donde dichas estructuras magneticas (6a, 6b) comprenden yugos magneticos para proporcionar dicho campo magnetico que atraviesa dicha region de aceleracion, siendo mayor dicho campo magnetico de aproximadamente 2 Tesla (T).
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