ES2901895T3 - Diseño de acelerador lineal de alta frecuencia, compacto y de baja energía - Google Patents

Abstract

Acelerador (120, 1140) compacto de cuadrupolo de radiofrecuencia "RFQ" para acelerar partículas cargadas, comprendiendo el acelerador de RFQ: una sección (711) de agrupación configurada para tener una estrecha aceptación de radiofrecuencia "RF" de tal manera que sólo se capture una parte de un haz de partículas no agrupado incidente en la sección de agrupación, y en el que la sección de agrupación agrupa la parte del haz de partículas; una sección (713) de aceleración para acelerar la parte agrupada del haz de partículas a una energía de salida; y, unos medios (1110) para suministrar potencia de radiofrecuencia; en el que la estrecha aceptación de RF está provocada por una entrada de la sección de agrupación que tiene una fase síncrona de más de -50 grados; caracterizado porque los medios para suministrar potencia de radiofrecuencia están configurados para suministrar potencia a una frecuencia mayor de 500 MHz.

Description

DESCRIPCIÓN

Diseño de acelerador lineal de alta frecuencia, compacto y de baja energía

Campo de la tecnología

La presente divulgación se refiere en general al campo de los aceleradores de partículas y, más particularmente, a los aceleradores lineales que usan cavidades de cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQ) para agrupar, enfocar y acelerar partículas cargadas.

Antecedentes

El diseño del acelerador lineal de cuadrupolo de radiofrecuencia se concibió por primera vez en la década de 1970 y se presentó inicialmente como el “eslabón perdido” hacia los haces de alta potencia. Los primeros diseños de RFQ permitieron una preparación eficiente de haces de hadrones de alta intensidad y baja energía para la aceleración en un linac (acelerador lineal) de tubos de deriva (DTL), aumentando de ese modo la eficiencia de transferencia entre una fuente y un acelerador DTL desde el 50% hasta más del 90%.

Los aceleradores de RFQ típicos están configurados para enfocar, agrupar y acelerar un haz continuo de partículas cargadas con alta eficiencia, mientras preservan la emitancia. La agrupación de RFQ se realiza normalmente de manera adiabática en varias celdas para garantizar la máxima captura del haz. Los diseños de RFQ existentes tienen como blanco maximizar la captura y minimizar, de ese modo, las pérdidas de haz, ya que las pérdidas de haz se asocian tradicionalmente con riesgos tales como la activación del entorno circundante.

Un ejemplo de un diseño de RFQ existente es el Linac4 RFQ del CERN, que está diseñado para alcanzar energías de hasta 3 MeV y requiere una longitud de 3 metros para lograr esta energía de salida. En determinadas aplicaciones, tales como la inyección en los linac para terapia con hadrones para el tratamiento del cáncer, se requieren energías mucho mayores, como 5 MeV o 10 MeV o incluso más. Sin embargo, las energías mayores normalmente requieren RFQ mucho más largas; y esto puede hacer que no sea práctico usar los RFQ en entornos como los hospitales. Por ejemplo, el IPHI RFQ puede alcanzar una salida de energía de 5 MeV, pero con más de 6 metros de longitud, esto puede ser demasiado grande para ser práctico.

Por tanto, existe la necesidad de diseños de RFQ compactos que sean capaces de producir haces de partículas de alta energía.

Q. ZHAO ETAL.: “Design Improvement of the RIA 80.5 MHz RFQ”, PROCEEDINGS OF LINAC 2004, 2004, páginas 599-601, XP002737725; J. DEHEN ET AL.: “Transport of Ions in a RFQ Accelerator”, PROCEEDINGS OF EPAC 1992, 1992, páginas 967-969, XP002737726; R.E. LAXDAL ET AL.: “Beam Test Results with the ISAC 35 MHz RFQ”, PROCEEDINGS OF PAC 1999, 1999, páginas 3534-3536, XP002737727 y S. KOSCIELNIAK ET AL.: “Beam Dynamics Studies on the ISAC RFQ at TRIUMF”, PROCEEDINGS OF PAC1997, 1997, páginas 1102-1104, XP002737728 dan a conocer todos ejemplos de aceleradores de cuadrupolo de radiofrecuencia que están diseñados para aceptar y acelerar haces de partículas que se han agrupado previamente antes de llegar al acelerador de RFQ.

C. ROSSI ET AL.: “The Radiofrequency Quadrupole Accelerator for the LINAC4”, PROCEEDINGS OF LINAC08, 2008, páginas 157-159, XP002737729 y A. SCHEMPP: “Design of Compact RFQS”, PROCEEDINGS OF LINAC96, 1996, páginas 53-55, XP002737730 dan a conocer ejemplos adicionales de aceleradores de RFQ.

Sumario

Según un aspecto de la presente invención, se proporciona un acelerador compacto de cuadrupolo de radiofrecuencia “RFQ” para acelerar partículas cargadas, comprendiendo el acelerador de RFQ: una sección de agrupación configurada para tener una estrecha aceptación de radiofrecuencia “RF” de modo que sólo se captura una parte de un haz de partículas no agrupado que incide sobre la sección de agrupación, y en el que la sección de agrupación agrupa la parte del haz de partículas; una sección de aceleración para acelerar la parte agrupada del haz de partículas a una energía de salida; y unos medios para suministrar potencia de radiofrecuencia; en el que la estrecha aceptación de RF está provocada por una entrada de la sección de agrupación que tiene una fase síncrona de más de -50 grados; y los medios para suministrar potencia de radiofrecuencia están configurados para suministrar potencia a una frecuencia mayor de 500 MHz.

Configurando la sección de agrupación para que tenga una estrecha aceptación de RF de tal manera que sólo se capture una parte de las partículas incidentes, es posible lograr diseños de RFQ sustancialmente más cortos. Los diseños tradicionales mantienen una gran aceptación de RF para capturar la mayor cantidad posible de partículas en el segmento circular (bucket), y aumentan gradualmente la fase síncrona para agrupar todas las partículas a una baja emitancia. Manteniendo estrecha la aceptación de RF y aceptando las pérdidas de haz resultantes, pueden agruparse las partículas que se capturan en el segmento circular más pequeño y acelerarse en una longitud mucho más corta.

En algunas realizaciones de ejemplo, la sección de agrupación está configurada además para aumentar rápidamente la fase síncrona del haz de partículas incidente en la sección de agrupación. Al aumentar rápidamente la fase síncrona del haz de partículas incidente, la sección de agrupación puede mantenerse corta, ya que se necesitarían menos celdas para cambiar la fase. Este rápido aumento puede tener la forma de un aumento no adiabático.

En algunas realizaciones de ejemplo, la estrecha aceptación de RF está provocada por la entrada de la sección de agrupación que tiene una fase síncrona de más de -40 grados, y más preferiblemente de más de -30 grados. En lugar de tener una fase síncrona de -90 grados y aumentarla lentamente a la fase en la etapa del acelerador, la fase síncrona se inicia a mucho más de -50 grados. Esta mayor fase inicial da como resultado una aceptación de RF más estrecha, pero conduce a una longitud de sección de agrupación mucho más corta.

En algunas realizaciones de ejemplo, la sección de agrupación está configurada para aumentar la fase síncrona del haz de partículas incidente en la sección de agrupación hasta entre -25 y -15 grados.

En algunas realizaciones de ejemplo, el acelerador de RFQ comprende además una sección de adaptación radial para transformar un haz de partículas incidente en la sección de adaptación con una focalización independiente del tiempo en un haz de partículas con una focalización variable en el tiempo.

En algunas realizaciones de ejemplo, la sección de agrupación tiene menos de 40 cm de longitud y preferiblemente entre 20 y 30 cm de longitud.

En algunas realizaciones de ejemplo, los medios para suministrar potencia de radiofrecuencia comprenden una pluralidad de fuentes de potencia de radiofrecuencia distribuidas a lo largo del acelerador de RFQ. El suministro de potencia de RF a través de una serie de fuentes de potencia de RF distribuidas permite fuentes de RF más pequeñas y más económicas, al mismo tiempo que puede alcanzar una alta potencia.

En algunas realizaciones de ejemplo, los medios para suministrar potencia de radiofrecuencia están configurados para suministrar potencia a una frecuencia de entre 700 MHz y 1 GHz. El suministro de mayores frecuencias de 500 MHz conduce a un diseño de RFQ mucho más compacto.

En algunas realizaciones de ejemplo, el acelerador de RFQ comprende además uno o más sintonizadores ajustables para ajustar las distribuciones de campo eléctrico y magnético, siendo ajustable cada uno de dichos sintonizadores ajustables por medio de un calibrador de tornillo.

En algunas realizaciones de ejemplo, cada uno de dichos sintonizadores ajustables tiene un cabezal de sintonizador con una forma al menos parcialmente cónica, teniendo la forma parcialmente cónica una punta redondeada. Conformar el cabezal de sintonizador de esta manera conduce a un alto valor Q y una sensibilidad menor que la de los sintonizadores cilíndricos típicos.

En algunas realizaciones de ejemplo, la forma parcialmente cónica tiene una relación entre altura y radio de entre tres quintas partes y cuatro quintas partes, y preferiblemente dos terceras partes. Esta relación entre altura y radio puede dar como resultado un valor Q óptimo.

En algunas realizaciones de ejemplo, el acelerador de RFQ tiene menos de 6 m de longitud, preferiblemente 5 m, y la energía de salida es de al menos 7 MeV, preferiblemente entre 10 MeV y 12 MeV. Las altas energías en longitudes comparativamente cortas tienen varias ventajas. Por ejemplo, un diseño compacto permite que el RFQ sea lo suficientemente corto y ligero como para colocarlo más cerca de donde se necesitan, tal como dentro de una habitación de hospital. Los diseños más pequeños también pueden reducir los requisitos de material y pueden ser más rentables.

En algunas realizaciones de ejemplo, el acelerador de RFQ tiene menos de 3 m de longitud, preferiblemente 2 m, y la energía de salida es de al menos 4 MeV, preferiblemente 5 MeV.

En algunas realizaciones de ejemplo, el acelerador de RFQ comprende al menos dos cavidades resonantes, estando cada una de las al menos dos cavidades resonantes separada de las cavidades resonantes adyacentes por una región de deriva entre las aletas. Usando dos o más cavidades separadas por una región de deriva, es posible lograr mayores salidas de energía que si se usan secciones de aceleración individuales, reduciendo de ese modo la sensibilidad a los errores mecánicos. Además, este diseño modular tiene beneficios adicionales, tales como menores costes de reemplazo y fabricación.

En algunas realizaciones de ejemplo, las partículas cargadas aceleradas comprenden uno cualquiera de protones, deuterones y partículas alfa.

Según otro aspecto de la presente invención, método de aceleración de partículas cargadas usando un acelerador compacto de cuadrupolo de radiofrecuencia “RFQ”, comprendiendo el método: capturar en una sección de agrupación del RFQ sólo una parte de un haz de partículas no agrupado incidente en la sección de agrupación, en la que la sección de agrupación está configurada para tener una estrecha aceptación de RF de tal manera que sólo se captura la parte del haz de partículas, en el que la estrecha aceptación de R^f está provocada por una entrada de la sección de agrupación que tiene una fase síncrona de más de -50 grados; agrupar la parte del haz de partículas en la sección de agrupación; acelerar en una sección de aceleración del RFQ la parte agrupada del haz de partículas a una energía de salida; y, suministrar potencia de radiofrecuencia mediante unos medios para suministrar potencia de radiofrecuencia, en el que la potencia de radiofrecuencia suministrada tiene una frecuencia mayor de 500 MHz. En algunas realizaciones de ejemplo, el método comprende además producir al menos uno de tecnecio, astato y fluoruro acelerando partículas cargadas en sustancias blanco usando el acelerador de RFQ.

Breves descripciones de los dibujos

A continuación, se describirán con detalle ejemplos del presente aparato propuesto con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es un diagrama esquemático de un sistema que incluye el diseño de RFQ propuesto;

la figura 2 muestra una vista en perspectiva del aparato de RFQ propuesto;

la figura 3 muestra una vista en sección transversal del aparato de RFQ propuesto;

la figura 4 muestra una vista en sección transversal de la estructura de aletas del aparato de RFQ propuesto;

la figura 5 ilustra la modulación longitudinal de la estructura de aletas en un RFQ;

la figura 6 es una serie de diagramas de espacio de fase que ilustran los cambios de un haz durante una fase de agrupación de un RFQ convencional;

la figura 7 es un gráfico que ilustra cómo la fase síncrona del aparato de RFQ propuesto se diferencia de un RFQ convencional;

la figura 8 es un gráfico que muestra la variación en la apertura, modulación y fase síncrona con el número de celdas en el aparato de RFQ propuesto;

la figura 9 es un gráfico que muestra el cambio en la energía del haz y la pérdida de partículas a lo largo de las celdas del aparato de RFQ propuesto;

la figura 10 es un gráfico que muestra la distribución de energías de las partículas perdidas en el aparato de RFQ propuesto;

la figura 11 es un diagrama esquemático que ilustra la alimentación de RF distribuida en el aparato de RFQ propuesto;

la figura 12 es una vista en sección transversal de un módulo de RFQ que ilustra las posiciones de los puertos de sintonización;

la figura 13 es una serie de diagramas que muestran diferentes formas de sintonizador;

la figura 14 muestra comparaciones de diferentes formas de sintonizador y sus respectivos valores de Q0 y df/dY; y la figura 15 es un diagrama que muestra las dimensiones de una forma de sintonización cónica de 2/3.

Descripción detallada

Ahora se hará referencia a la figura 1, que es un diagrama esquemático de un sistema que incorpora el aparato de RFQ propuesto. Específicamente, la figura muestra una fuente 110 acoplada a un sistema 120 de RFQ que emite las partículas fuente aceleradas a uno o más blancos 141 a 143 a través de un imán 130.

La fuente 110 suministra al sistema 120 de RFQ partículas cargadas como tales protones, deuterio y partículas alfa. El tipo de partículas suministradas por la fuente 110 depende del uso previsto del sistema de RFQ, y pueden adaptarse los parámetros exactos del diseño de RFQ para adecuarse al uso previsto. Las partículas proporcionadas al RFQ 120 por la fuente 110 pueden ser cualquier partícula cargada que pueda enfocarse opcionalmente a una apertura del RfQ 120.

La fuente 110 emite las partículas cargadas al sistema 120 de RFQ que puede contener uno o más RFQ 121 y 122 acoplados. Puede usarse un único RFQ 121, pero se prevé que pueden añadirse RFQ adicionales según se requiera. Proporcionar este enfoque modular tiene beneficios tanto de fabricación como de costes en comparación con la fabricación de RFQ largos e individuales para aceleradores de mayor energía. En el ejemplo proporcionado, cada RFQ tiene aproximadamente 2 m de largo y puede acelerar las partículas en aproximadamente 5 MeV, por tanto, acoplar dos de estos RFQ juntos puede dar como resultado energías de salida de 10 MeV a lo largo de 5 m. El sistema 120 de RFQ acelera el haz a una energía de salida. El haz de salida puede acelerarse más con aceleradores adicionales (tales como un DTL), o puede enviarse directamente al blanco 141. Pueden usarse varios blancos, en cuyo caso puede usarse una forma de desviación o redirección del haz, tal como un imán 130. Como el RFQ es capaz de funcionar de manera pulsada, es posible redirigir el haz a blancos individuales activando la redirección entre pulsos, por ejemplo.

La figura 2 muestra una vista en perspectiva del aparato 210 de RFQ propuesto montado en un soporte 230. El único aparato 210 de RFQ puede comprender varios “módulos” 211,212, 213 y 214 que se han conectado entre sí a lo largo de un trayecto lineal sin huecos sustanciales entre ellos. Un haz 220 de entrada entra en la apertura 260 de abertura del primer módulo 211 antes de salir como un haz 211 acelerado del módulo 214 final. El haz 211 acelerado puede enviarse a un aparato de RFQ adicional, un blanco o un acelerador adicional de un tipo diferente. Pueden encontrarse bridas 240 en cada extremo de cada módulo, y pueden usarse para conectar módulos adyacentes entre sí y para proporcionar soporte cuando se apoya el aparato de RFQ sobre un aparato 230 de soporte. El aparato 230 de soporte puede estar compuesto por perfiles de aluminio y mantiene el RFQ a la elevación necesaria para que el haz se alinee con las fuentes y los blancos adecuados.

Los puertos 250 pueden estar ubicados a lo largo de cada uno de los módulos y proporcionar un acceso externo a los componentes internos del RFQ. Esto puede ser útil para conectar sintonizadores para ajustar los campos dentro de las cavidades de RFQ.

La figura 3 muestra una vista 310 en sección transversal del aparato de RFQ mostrado en la figura 2. La sección transversal se toma a lo largo de un plano vertical a lo largo y a través del centro del RFQ, y muestra el trayecto 330 de haz central. Puede observarse que los módulos 311, 312, 313 y 314 están conectados firmemente a su módulo adyacente, sin un hueco sustancial entre ellos para garantizar que las modulaciones a lo largo de las aletas sean ininterrumpidas.

La brida 320 en la parte delantera del primer módulo 311 está cubierta en su mayor parte con una apertura 321 para permitir que las partículas entren en el trayecto 330 de haz. La brida en el extremo del módulo 314 final tendría un diseño similar al de la brida 320 delantera. Las bridas 340 intermedias entre los módulos interiores rodean el núcleo de los módulos y puede observarse que se apoyan encima de la estructura 350 de soporte.

La figura 4 muestra una vista en sección transversal del aparato de RFQ mostrado en la figura 2. La sección transversal se toma a lo largo de un plano vertical que corta el eje de haz central para mostrar un corte de la estructura de cuatro aletas que continúa a lo largo del RFQ. La vista muestra cómo se extienden cuatro aletas 411, 412, 413 y 414 hacia el centro del RFQ para rodear la apertura 420 central a través de la que se desplazan las partículas. La región vacía en el interior del RFQ define la cavidad 430 resonante, que se mantendrá normalmente a vacío.

La estructura de aletas puede ser sustancialmente simétrica a través de los ejes 441 horizontal y 442 vertical (simetría cuádruple). Las aletas se construyen preferiblemente de un metal altamente conductor tal como el cobre. Es preferible diseñar las aletas para que sean delgadas para minimizar el consumo de potencia, sin dejar de ser lo suficientemente gruesas como para garantizar una eficiencia de enfriamiento adecuada.

Las aletas que se extienden a lo largo del RFQ pueden formarse a partir de una pieza de metal única, aunque sería preferible, desde el punto de vista de la fabricación, construir la estructura de aletas a partir de elementos independientes unidos entre sí. Por ejemplo, en la estructura mostrada en la figura 4, se montan juntos cuatro componentes independientes, entrando en contacto en las juntas 451,452, 453 y 454. En el ejemplo proporcionado, las aletas 411 superior y 413 inferior pueden fabricarse mediante el mismo proceso, mientras que las aletas laterales 412 y 414 también pueden ser iguales entre sí, requiriendo de ese modo sólo dos procesos de fabricación diferentes para estas cuatro aletas.

La inserción 460 muestra una vista más detallada de las puntas de las aletas 411, 412, 413 y 414 y la región alrededor de la apertura 420. Las puntas de las aletas son preferiblemente curvas, y la distancia 480 Rho define el radio de curvatura de las puntas de las aletas alrededor de un centro 481 de curvatura de cada punta de aleta. Tal como se comentará más adelante, las distancias entre las aletas opuestas se modularán a lo largo del RFQ, pero la distancia 4702Ro define la longitud promedio entre aletas opuestas.

La estructura de aletas mostrada en la figura 4 muestra un corte en sección transversal de una posible estructura de aletas adecuada para el RFQ propuesto. Sin embargo, la estructura de aletas puede cambiar a lo largo del RFQ, no sólo a través de las modulaciones de las puntas de aleta, sino también en el tamaño y la forma de la cavidad 430 resonante.

Dinámica del haz

Uno de los beneficios del aparato de RFQ propuesto es que permite la formación de haces de alta energía con una longitud mucho más corta que la de las soluciones existentes. Un factor que contribuye al tamaño compacto del RFQ propuesto es el novedoso diseño dinámico de haz.

La figura 5 es una ilustración de la modulación longitudinal de la estructura de aletas en un RFQ típico. Las puntas 511, 512, 513 y 514 de aleta corresponden a las aletas 411, 412, 413 y 414 en la figura 4, pero la figura 5 también ilustra la modulación de las puntas 521, 522, 523 y 524 de aleta a lo largo del eje 560 de haz del RFQ.

La distancia mínima entre una punta de aleta y el eje 560 de haz está definida por el valor de apertura “a” 531, mientras que la distancia máxima desde el eje a lo largo de las modulaciones está definida por “ma” 532, donde “m” es el factor de modulación. Normalmente, el valor “a” 531 determina la fuerza de enfoque y la aceptación del RFQ, mientras que el tamaño de las modulaciones “m” determina el campo disponible para la aceleración.

Las puntas de aletas opuestas reflejarán normalmente las modulaciones de las demás. Dicho de otro modo, cuando la punta 521 de aleta superior está a la distancia mínima “a” del eje de haz, también lo está la punta 523 de aleta inferior, mientras que cuando una punta 524 de aleta lateral está a su distancia más próxima “a”, también lo está la punta 522 de aleta opuesta. Además, las modulaciones de las puntas de aletas adyacentes están desfasadas entre sí, dicho de otro modo, cuando la punta 521 de aleta superior está en su distancia más próxima “a” al eje de haz, las puntas 524 y 522 de aletas adyacentes estarán en su distancia más lejana “ma”. De manera similar, las tensiones proporcionadas a las puntas de aletas adyacentes estarán desfasadas entre sí.

Una celda unitaria de un RFQ se define como la región entre un pico y un valle a lo largo de una modulación de aleta (o la mitad de la distancia entre picos). Cuando se aplica una corriente de alta frecuencia de longitud de onda A a las aletas, si las celdas unitarias tienen una longitud pi/2, entonces una partícula que se desplaza a través de las celdas unitarias debe llegar al comienzo de cada celda unitaria en el mismo punto (fase) de la forma de onda de radiofrecuencia. Dicho de otro modo, cuando las celdas unitarias tienen una longitud pi/2, una partícula síncrona de referencia (generalmente el centro de un grupo de partículas) experimentará la misma fase (la fase síncrona fs) de la onda de RF al entrar en cada celda unitaria posterior. Obsérvese que p es la velocidad de la partícula en ese punto de su trayectoria como una fracción de la velocidad de la luz, c, por tanto, pc es la velocidad de la partícula en metros por segundo.

La fase de la onda de RF que experimenta la partícula síncrona en cada celda unitaria define cómo se comporta la partícula. Por ejemplo, cuando la fase de la partícula síncrona js es de 0°, entonces la partícula experimentará una aceleración suave a lo largo del RFQ. Sin embargo, esta aceleración suave sólo se aplicaría a partículas en la posición de la partícula síncrona de referencia, y cualquier partícula que llegue un poco después o un poco antes de la partícula síncrona se volvería inestable y puede perderse su trayectoria a lo largo del RFQ.

Los diseños de RFQ convencionales, por tanto, dedican una proporción significativa del diseño general del RFQ a impedir tales pérdidas, garantizando que se “agrupen” tantas partículas cerca de la partícula síncrona antes de grandes aceleraciones para garantizar que todas las partículas en el grupo puedan acelerarse sin pérdida.

La figura 6 muestra una serie de diagramas 610, 620, 630 y 640 de espacio de fase que ilustran los cambios de un haz durante el proceso de agrupación en un RFQ convencional. Cuando el eje x de los diagramas de espacio de fase muestra la fase de las partículas en un grupo en relación con una partícula síncrona de referencia en el centro, el eje y indica la energía de las partículas.

El diagrama 610 de espacio de fase muestra las características de haz de un haz uniforme que entra en el RFQ, donde la fase síncrona js está cerca de la fase “estable” de -90°. En este punto del perfil de haz, la mayoría de las partículas 611 se distribuyen uniformemente en todas las fases (indicado por la dispersión horizontal) y con escasa variación en la energía (indicado por la falta de dispersión vertical). La separatriz 612 que rodea las partículas 611 indica el límite entre partículas estables e inestables. En esta fase, la partícula síncrona experimentará escasa o ninguna aceleración, mientras que las partículas más adelante experimentarán una desaceleración hacia la partícula síncrona central, y las partículas de detrás experimentarán una aceleración hacia la partícula síncrona central. En los RFQ convencionales, se elegirán los parámetros de las primeras celdas en un RFQ de modo que la separatriz 612 rodee por completo todas las partículas 611 de entrada para garantizar que ninguna de las partículas se encuentre fuera de la región estable y se pierda. Sobre las celdas, a medida que las partículas del haz comienzan a agruparse más cerca de la partícula síncrona y aumenta la dispersión de energía, los RFQ típicos aumentarán la fase síncrona a lo largo de las celdas para garantizar que la separatriz todavía incluya tantas partículas del haz como sea posible a través de un proceso conocido como agrupación adiabática. Este cambio en la fase síncrona Éí(

puede lograrse cambiando el tamaño de las celdas unitarias mediante la fórmula 2 \l

donde A f es el cambio requerido en la fase síncrona entre celdas adyacentes.

El diagrama 620 de espacio de fase muestra las características de haz más abajo del ejemplo de RFQ convencional, donde las partículas 621 han comenzado a aumentar en la dispersión de energía y la separatriz 622 ha cambiado de forma para adecuarse al aumento de dispersión de energía, aunque con algunas pérdidas de partículas con fases inferiores que se encuentran fuera de la separatriz 622. El diagrama 630 de espacio de fase muestra las características de haz del RFQ convencional de ejemplo más a lo largo del RFQ donde la fase síncrona se ha aumentado aún más para garantizar que la separatriz 632 incluye la dispersión de energía cada vez mayor de las partículas 631.

El diagrama 640 de espacio de fase muestra las características de haz de la celda 300-ésima de un ejemplo de RFQ convencional donde la mayoría de las partículas 641 se agrupan cerca de la partícula síncrona y la separatriz 642 incluye esta dispersión de partículas 641. Con las partículas 641 agrupadas adecuadamente cerca de la partícula síncrona de referencia, el grupo de partículas ahora puede mantener una aceleración constante manteniendo una baja fase síncrona a lo largo de la longitud restante del RFQ.

Aunque la ilustración de ejemplo de un diseño de RFQ convencional en la figura 6 no representa una agrupación adiabática perfecta, ya que se pierden algunas partículas, la mayoría de los diseños de RFQ existentes tienen como objetivo la agrupación adiabática para garantizar que las pérdidas de haz se mantengan por debajo del 10%, y preferiblemente menores. De hecho, el concepto de agrupación adiabática lenta pero estable es tan omnipresente en el diseño de RFQ convencional, que casi todos los RFQ creados incorporan esta fase de agrupación que intenta capturar tantas partículas de entrada como sea posible y agrupar estas partículas en una distribución adecuada para alta aceleración.

En el campo del diseño de aceleradores, particularmente el diseño de RFQ, existe un prejuicio significativo hacia las pérdidas de haz, y los RFQ se diseñan normalmente para garantizar que se “capturen” más del 90% de las partículas del haz de entrada. El motivo subyacente a esta enseñanza convencional es que las partículas que no se capturan pueden representar riesgos significativos ya que se acelerarán de manera inestable a lo largo del acelerador. Estas partículas inestables de alta energía pueden desviarse de su trayecto previsto y provocar daño (activación) al aparato o al entorno circundante. Además, la baja pérdida de haz es a menudo una alta prioridad del diseño de RFQ para que las partículas de la fuente no se desperdicien y pueda lograrse una alta corriente de haz. La dinámica de haz del diseño de RFQ propuesto se desvía sustancialmente de la creencia convencional para llegar a un RFQ significativamente más corto que un diseño de RFQ convencional.

La figura 7 es un gráfico que muestra cómo varía la fase síncrona del RFQ propuesto y un RFQ convencional con la longitud a lo largo del RFQ, y muestra además cómo difieren las características de haz del RFQ propuesto.

La línea 710 muestra cómo cambia la fase síncrona de un ejemplo de RFQ a lo largo del RFQ usando un diseño de haz convencional. El RFQ representado por la línea 710 está diseñado para acelerar partículas desde 0,04 hasta 5 MeV en una longitud de 3,5 m. Esto ya representa un diseño de RFQ relativamente corto para la ganancia de energía dada, ya que está usándose una alta frecuencia de 750 MHz. Normalmente, cuanto mayor es la frecuencia usada, menor es la longitud de onda de RF y, por tanto, más pequeñas son las celdas unitarias. Aunque mayores frecuencias pueden dar como resultado longitudes de RFQ más cortas, fabricar con precisión las celdas cortas iniciales puede ser difícil, por tanto, se elige 750 MHz para proporcionar un equilibrio adecuado entre la longitud corta del RFQ y la facilidad de fabricación. No obstante, se prevén frecuencias tanto menores como mayores, ya que pueden usarse técnicas de fabricación más precisas para mayores frecuencias, mientras que pueden usarse técnicas más económicas para menores frecuencias.

Los diseños de haz convencionales normalmente pueden dividirse en cuatro secciones. La primera sección, relativamente corta, es la sección de adaptación radial (no se muestra) donde una gran apertura de entrada se reduce a una apertura más pequeña en una forma similar a una trompa sin modulaciones (m = 1) y aumentando la fuerza de enfoque desde 0 hasta el valor para el resto del RFQ. La sección de adaptación radial normalmente sólo se extiende por unas pocas celdas y adapta de manera adiabática un haz de entrada de CC con una estructura de enfoque transversal fuerte.

La siguiente sección de un diseño de haz convencional es la sección de conformación indicada por la región 711. La sección de conformación comienza generalmente en una fase síncrona de -90° para capturar todas las partículas en el haz continuo y aumentando lentamente la fase síncrona para enfocar el haz, empezar la sección de agrupación y conferir cierta aceleración en el haz. Tal como puede observarse en el diagrama 620 de espacio de fase en la figura 6, estas secciones a menudo incurren en algunas pérdidas ya que el proceso no es completamente adiabático, pero estas pérdidas son normalmente de una cantidad mínima. Después de aproximadamente 40 cm o 190 celdas, la sección 711 de conformación habría aumentado la fase síncrona a -60°.

La siguiente sección de un diseño de haz convencional es la sección de agrupación (suave) que normalmente agrupa de manera adiabática el haz y lo acelera hasta una energía intermedia. En este ejemplo, la sección de agrupación se extiende por 30 cm o 70 celdas y aumenta la fase síncrona desde -60° hasta -30°.

Una vez que las partículas están agrupadas adecuadamente y la fase síncrona se ha aumentado hasta una adecuada para altas aceleraciones, comienza la sección 713 de aceleración final. Por esta sección 713 de aceleración, la fase síncrona se mantiene constante o aumenta muy lentamente desde -30° hasta -20° en 2,9 m o 210 celdas.

Tal como puede observarse en la figura 7, el RFQ que usa un diseño de haz convencional dedica los primeros 70 cm de la longitud del RFQ a conformar y agrupar el haz para garantizar que la mayor cantidad de partículas entrantes se capturen y reúnan en una posición en la que pueda comenzar la aceleración.

La línea 720 muestra la variación de la fase síncrona del diseño de RFQ propuesto y representa un cambio significativo con respecto a los diseños de haz tradicionales. En el diseño de RFQ propuesto, el equivalente de la sección de conformación y agrupación está contenido dentro de los primeros 10 cm o 52 celdas 721. En comparación con los 70 cm o las 260 celdas del diseño 710 de haz convencional, esto es sustancialmente más corto.

En lugar de iniciar el RFQ en la fase síncrona “estable” de -90° para capturar todas las partículas de entrada, la fase síncrona se inicia mucho mayor a -30°. Mientras que la separatriz en una fase síncrona de -90° cubriría la mayoría de las partículas en un haz de entrada, la separatriz en una fase síncrona inicial de -30° cubriría un rango de fases significativamente más estrecho de las partículas entrantes. Por tanto, sólo alrededor del 30% al 40% de las partículas estarían dentro de la región “estable” de la separatriz en el diseño de RFQ propuesto.

Sin embargo, ese 30 al 40% de las partículas que están dentro de la región estable de la separatriz pueden agruparse rápidamente en muy pocas células, de modo que cuando la sección 722 de aceleración comienza, esas partículas agrupadas están listas para la aceleración durante los siguientes 1,9 m hasta una energía final de 5 MeV. El resultado del diseño del haz de RFQ propuesto es que las partículas pueden acelerarse desde 0,04 MeV hasta 5 MeV a lo largo de sólo 2 m. Ignorando las pérdidas de haz por ahora, que se comentarán más adelante, el diseño de RFQ propuesto presenta una mejora significativa con respecto a cualquier diseño de RFQ existente en términos de ganancia de energía por metro de longitud.

La figura 8 es un gráfico que muestra las variaciones en los parámetros del RFQ propuesto en cada celda a lo largo del RFQ. Los parámetros “a” 820, “m” 830 y fase 810 síncrona js para el diseño de RFQ propuesto se representan gráficamente frente al número de celdas. El número de celdas se usa en el eje x en lugar de la longitud, ya que ilustra mejor los cambios en los valores de los parámetros en las regiones anteriores del RFQ.

La sección 841 de adaptación radial puede observarse por la rápida disminución del valor de apertura con un factor de modulación constante. La sección 842 de agrupación rápida muestra el aumento de la fase síncrona desde -30° hasta -20° y un aumento gradual del factor de modulación. Al comienzo de la sección 843 de aceleración, la fase síncrona se mantiene constante a -20° mientras que el factor de modulación aumenta más rápidamente. Entre los números de celdas 78 a 94, el factor de modulación se duplica rápidamente, mientras que la fase síncrona permanece constante y disminuye la apertura. Desde las celdas 95 a 115, la fase síncrona comienza un aumento adicional desde -20° hasta una fase de -15° donde permanece, mientras que la apertura permanece relativamente constante y el factor de modulación disminuye ligeramente.

Aunque la diferencia en la tendencia de la fase síncrona representa una desviación significativa del diseño de haz convencional, el factor de modulación y los perfiles de apertura que lo acompañan a lo largo del RFQ también contribuyen a este novedoso diseño de haz.

La figura 9 ilustra algunos de los efectos significativos del diseño de haz de RFQ propuesto, mostrando el cambio en la energía 920 del haz y la pérdida 910 de partículas a lo largo de las celdas del aparato de RFQ propuesto.

La línea 920 de energía de haz muestra que la energía aumenta hasta 5 MeV en 200 celdas, mientras que la línea 910 de pérdida de partículas muestra que del 100% de las partículas de entrada en la primera celda, sólo el 30% de las partículas se encuentran en el haz de salida. Según la creencia convencional, tales altas pérdidas de haz se considerarían muy indeseables. Sin embargo, en el diseño de haz propuesto, estas pérdidas de haz se han controlado cuidadosa e intencionadamente para garantizar que no presenten las mismas desventajas que se asocian normalmente con las pérdidas de haz.

Durante la fase 931 de agrupación rápida, las pérdidas de haz se mantienen al mínimo. Aunque muchas de las partículas en el haz de entrada estarán fuera de la estrecha región estable de la separatriz en la fase síncrona de -30°, estas partículas no se pierden inmediatamente. Mientras que las partículas dentro de la separatriz se agrupan en las siguientes cincuenta células, las partículas fuera de la separatriz permanecen dentro del haz que avanza, aunque en un estado inestable. Es sólo una vez que comienza la sección de aceleración cuando se separan las partículas estables e inestables, ya que las partículas estables agrupadas dentro de la separatriz avanzan en una aceleración controlada mientras que las que están fuera de la separatriz se pierden rápidamente. De hecho, en el espacio de unas pocas células, el 70% de las partículas del haz se pierden en este ejemplo ilustrativo.

Según la creencia convencional, las pérdidas de haz de esta magnitud son altamente indeseables, aunque sólo sea por las implicaciones de seguridad. Normalmente, cuando se producen pérdidas de haz debido a una agrupación adiabática imperfecta, cuando las partículas alcanzan la fase de aceleración, las partículas que no están agrupadas adecuadamente se perderán en la etapa de aceleración, lo que da como resultado que las partículas de alta energía escapen al entorno circundante.

Volviendo a la figura 7, si hubiera partículas fuera de la separatriz al comienzo de la sección 713 de acelerador, estas partículas ya se habrían acelerado hasta altas energías durante las fases de conformación y agrupación durante los 70 cm iniciales, por lo que si se pierden en la fase de aceleración, estas partículas de alta energía escaparían al entorno. Por el contrario, en la figura 9, puede observarse que aunque una proporción significativa de partículas se pierde entre las células 60 y 70, las energías de estas partículas son excepcionalmente bajas, en su mayoría de entre 0,07 y 0,1 MeV.

La figura 10 muestra esta distribución de estas pérdidas de haz con mayor detalle. De las 100.000 partículas generadas, la figura 10 muestra la distribución de energía de las partículas perdidas. Está claro que la mayoría de las partículas perdidas son de muy baja energía 1010, mientras que un número insignificante alcanza los 0,5 MeV 1020.

Esto ilustra el enfoque significativamente diferente en el diseño de haz de RFQ propuesto. Se acepta desde el comienzo que habrá altas pérdidas de haz, pero los parámetros de RFQ se eligen de modo que las partículas que se perderán se pierdan todas en una etapa muy temprana, mientras que sus energías todavía son bajas. Tal como puede observarse a partir de la figura 9, una vez que comienza la aceleración y las partículas comienzan a ganar energías significativas, no hay más pérdidas de haz, ya que las partículas que se han capturado se aceleran de manera muy eficiente.

El enfoque de diseño de haz típico es crear una separatriz o “segmento circular” alrededor de todas las partículas de entrada y guiar suavemente todas las partículas en este segmento circular en una forma lista para la sección de aceleración sin grandes pérdidas. Proporcionar un segmento circular que capture todas las partículas iniciales da como resultado una sección de agrupación muy larga, ya que todas las partículas en los extremos del diagrama de espacio de fase (es decir, las más alejadas de la partícula síncrona) requieren mucho tiempo para pasar suavemente a una fase adecuada para la fase de acelerador sin perdida.

En lugar de formar un segmento circular alrededor del haz, el enfoque propuesto captura rápidamente lo que cae dentro de un segmento circular estrecho predefinido y permite que el resto se pierda al principio en el RFQ antes de que las partículas hayan ganado demasiada energía como para representar una amenaza.

La creencia convencional ha castigado tradicionalmente la agrupación adiabática imperfecta, como si las partículas se encontraran ligeramente fuera del segmento circular en el momento en que comienza la sección de acelerador, esas partículas de alta energía provocarán daños una vez que se aceleren incorrectamente y se pierdan. Por tanto, la creencia convencional ha sido diseñar RFQ con una agrupación adiabática tan próxima a la perfecta como sea posible, donde cualquier desviación conduce a pérdidas de haz de alta energía. La solución propuesta se aparta por completo de la enseñanza tradicional al ignorar por completo la agrupación adiabática y al darse cuenta de que puede ignorarse siempre que las partículas que se pierden se pierdan al principio y las partículas que se capturan se mantengan de manera segura dentro del segmento circular de aceleración.

Aunque en la figura 8 se han mostrado parámetros de ejemplo para un RFQ propuesto, debería quedar claro que se prevé una gran variedad de configuraciones de parámetros diferentes sin apartarse del concepto inventivo general. Por ejemplo, la fase síncrona inicial no tiene que ser de -30°, sino que puede ser mayor o menor, y los perfiles exactos de los parámetros pueden variarse según las aplicaciones previstas y las pérdidas de haz aceptadas. Además, aunque es preferible la frecuencia de ejemplo de 750 MHz, la solución propuesta es igualmente aplicable a un rango completo de frecuencias, particularmente mayores.

Alimentación de RF distribuida

Aunque el nuevo diseño de haz representa un factor que contribuye a la naturaleza compacta del RFQ propuesto, otra característica es la alta frecuencia usada. Sin embargo, las fuentes de potencia de alta frecuencia pueden ser muy caras; por tanto, muchos diseños de RFQ existentes han evitado mayores frecuencias a expensas de la compacidad. El aparato de RFQ propuesto puede usar alimentación de RF distribuida para permitir un enfoque rentable para alcanzar altas frecuencias.

La figura 11 es un diagrama esquemático que ilustra el uso de alimentación de RF distribuida en el aparato de RFQ propuesto. En lugar de usar fuentes de Rf individuales y costosas para suministrar potencia a todo el RFQ, la solución propuesta usa fuentes de RF más pequeñas y más económicas. Puede usarse un único oscilador 1110 principal pequeño para generar la alta frecuencia requerida para el RFQ 1140. La salida del oscilador 1110 puede conectarse a un controlador 1120 de estado sólido que, a su vez, remite la señal para que se amplifique por varios amplificadores 1131, 1132, 1133 y 1134 de estado sólido. Estos diversos amplificadores 1131, 1132, 1133 y 1134 de estado sólido pueden distribuirse a lo largo de toda la longitud de un RFQ 1150 en los puntos 1141, 1142, 1143 y 1144 de conexión. En el ejemplo proporcionado en la figura 11, se proporcionan cuatro amplificadores de estado sólido por RFQ, sin embargo, pueden usarse diferentes cantidades.

Usando la configuración de alimentación de RF distribuida propuesta, pueden usarse y amplificarse fuentes de RF pequeñas y de baja potencia mediante varios amplificadores económicos distribuidos a lo largo del RFQ.

La configuración de alimentación de RF distribuida puede ser un sistema basado en IOT (tubo de salida inductiva) con aproximadamente dieciséis bastidores. Alternativamente, puede usarse un sistema basado en klistrones con dos klistrones y moduladores. Se prevén varias implementaciones de la solución de alimentación de RF distribuida propuesta que no se limitan a los ejemplos proporcionados.

Sintonizadores

Pueden usarse sintonizadores para ajustar las frecuencias de resonancia de las cavidades resonantes dentro de un RFQ insertando objetos en regiones de la cavidad con altos campos magnéticos. Aunque los sintonizadores son deseables para ajustar un RFQ a la frecuencia requerida, pueden ser perjudiciales para reducir el factor Q de la cavidad resonante y si son demasiado sensibles. Por tanto, es deseable diseñar un sintonizador ajustable con baja sensibilidad y que pueda proporcionar un alto factor Q.

La figura 12 es una vista en sección transversal de un módulo de RFQ que ilustra el posicionamiento de los puertos de sintonización a lo largo de un módulo de RFQ. Puede haber, por ejemplo, tres puertos por cuadrante, siendo los puertos 1211, 1212 y 1213 los puertos del cuadrante superior, los puertos 1221, 1222 y 1223 del cuadrante inferior, y no se presentan visualmente los puertos de los otros dos cuadrantes. Algunos puertos pueden dejarse vacíos, mientras que otros contienen sintonizadores ajustables. En algunas configuraciones, pueden usarse ocho puertos para sintonizadores, mientras que se usan cuatro para o bien acopladores de potencia de RF o bien bombeo a vacío. Tanto las bombas de vacío como los acopladores de potencia de RF pueden usarse para una sintonización aproximada si se requiere.

La figura 13 ilustra diferentes formas posibles para el sintonizador del aparato de RFQ propuesto. Cada forma se muestra en el contexto de un único cuadrante del RFQ. Por ejemplo, 1310 muestra una única aleta en un RFQ, mientras que 1320 representa la cavidad resonante de ese cuadrante. Se modelaron varias formas diferentes de cabezales de sintonizador, por ejemplo, un cabezal 1330 de sintonizador redondo, un cabezal 1340 de sintonizador cónico y diferentes tipos de cabezales cónicos, tales como con2 1350 y con 2/3 1360, que se definen por sus dimensiones cónicas.

La figura 14 muestra una comparación del rendimiento de diferentes formas de sintonizador, desde un simple cabezal rectangular hasta un cabezal redondeado, a través de una gama de diferentes tipos de formas cónicas. El gráfico 1410 muestra cómo se ve afectado el factor Q por las diferentes formas, y se encontró que la forma óptima era una forma cónica de 2/3.

La sensibilidad (es decir, el cambio de frecuencia por desplazamiento del sintonizador en la cavidad) también se modela en el gráfico 1430. Aunque las formas cónicas 2.0 y 3.0 representan las menores sensibilidades, también corresponden a factores Q muy deficientes. Por tanto, el mejor compromiso entre el factor Q y la sensibilidad parece ser el cabezal de sintonizador cónico de 2/3. Aunque en este ejemplo se usa el cabezal de sintonizador cónico de 2/3, pueden elegirse otras formas del cabezal de sintonizador dependiendo de otros factores, tales como la facilidad de fabricación o basándose en una mayor preferencia por bajas sensibilidades.

La figura 15 es un diagrama que muestra las dimensiones de una forma de sintonización cónica de 2/3. El cabezal 1510 de sintonizador se muestra adentrándose en la cavidad 1530, y parte de la aleta 1540 también se ilustra como referencia. Se muestra que la relación entre la altura 1510 cónica y el radio 1512 cónico es de 2/3. El extremo del sintonizador 1550 puede ser accesible a través de un puerto en el RFQ y puede ajustarse girando un calibrador de tornillo, por ejemplo, para proporcionar un control exacto del desplazamiento dentro de la cavidad 1530.

Modularidad

Tal como se muestra en la figura 1, pueden acoplarse RFQ independientes para formar un sistema de RFQ más grande y de mayor energía. Tener RFQ adyacentes separados por un hueco de 50 mm, por ejemplo, puede dar como resultado pérdidas de haz limitadas en el espacio siempre que las fases de los dos RFQ sean independientes entre sí para garantizar una adaptación óptima. Es posible que también sea necesario optimizar las celdas en la transición para permitir una transición sin pérdidas.

A una frecuencia de 750 MHz y una tensión de aleta de 80 kV, se prevé que un único RFQ de 1,8 m puede acelerar partículas de hasta 5 MeV con una retención de partículas del 30%. Un RFQ de 2,4 m más largo puede acelerar partículas hasta 5 MeV con una retención aumentada del 38%, lo que refleja las celdas adicionales disponibles para una mayor captura. Alternativamente, pueden acoplarse dos RFQ de 1,4 m con un hueco de 50 mm para lograr energías similares con pérdidas similares.

Pueden conectarse incluso más RFQ, por ejemplo, con tres RFQ de 1,2 m junto con huecos de 50 mm para producir partículas de 5 MeV con retenciones de hasta el 90%. Por tanto, pueden usarse un par de RFQ de 1,2 m para una aceleración de captura rápida, pero baja eficiencia, pero puede añadirse fácilmente un RFQ de 1,2 m adicional para mejorar la eficiencia del sistema de RFQ general si se requiere.

Usos

La naturaleza compacta y la modularidad potencial del aparato de RFQ propuesto permite casos de uso nuevos y prácticos.

Puede usarse el RFQ como inyector para aceleradores de terapia con hadrones (linac u otros). En tal caso de uso, puede usarse un único RFQ compuesto por cuatro módulos para acelerar protones hasta una energía de 5 MeV a lo largo de 2 m. Se requeriría una potencia de RF de aproximadamente 400 kW y la corriente de haz sería menor de 1 mA, ya que la terapia con hadrones no necesita un gran rendimiento. A diferencia de los aceleradores de ciclotrón de la competencia, por ejemplo, el aparato de RFQ propuesto no necesitaría un blindaje de hormigón voluminoso, lo que permitiría que quepa en hospitales sin ocupar demasiado espacio.

Puede usarse el RFQ para la producción de bajo coste de isótopos para SPECT (tomografía computarizada de emisión monofotónica). Pueden acoplarse dos RFQ y otro acelerador (tal como un DTL) para producir un haz de protones con energías de 15 a 19 MeV a lo largo de 7 m. Con una potencia de RF de 1400 kW, tal configuración puede permitir una corriente de haz de desde 1 hasta 5 mA. Se prevé que también puede producirse 99mTe golpeando 100Mo con un haz de protones acelerados para transmutar el molibdeno en tecnecio mediante la reacción 100Mo(p,2n)99mTc. Esto es preferible a los métodos existentes que incluyen ciclotrones grandes o la fisión de 235U en centrales nucleares. El haz puede dirigirse a múltiples blancos para un uso de alta corriente.

Puede usarse el RFQ para producir isótopos para tomografía PET tales como 18F y 14C. Al acoplar dos RFQ en una configuración de RFQ de 4 a 6 m de longitud, pueden emitirse protones de 7-12 MeV a una corriente de 1 a 5 mA con una potencia de RF de 600 a 800 kW.

Puede usarse el RFQ para la producción de 211astato, así como otras terapias con partículas a dirigidas. Al producir un haz de partículas a, el RFQ puede producir 211 At a partir de la reacción 209Bi(a,2n)211At. Las partículas a deben acelerarse hasta por encima de 20 MeV para permitir la reacción, pero la energía debe mantenerse por debajo de 30 MeV para impedir la producción de 210At, que normalmente se desintegra a 210Po en su lugar. Alcanzar estas energías puede lograrse acoplando dos RFQ con otro acelerador, tal como un DTL.

Puede usarse el RFQ para la producción de neutrones acelerando el deuterio en un blanco de metal pesado. Pueden acoplarse dos RFQ para acelerar el deuterio a de 5 a 10 MeV a una corriente de haz de 1 a 5 mA. Los neutrones resultantes pueden usarse posteriormente para el análisis por activación neutrónica.

Puede usarse el RFQ como una manera eficiente de cortar obleas de silicio mediante la implantación de hidrógeno (es decir, un corte de iones de silicio). Puede usarse un único RFQ de 2 m para acelerar los protones hasta energías de 0,2 a 1 MeV. Un método de corte de iones de silicio de este tipo puede tener un coste competitivo frente a los aceleradores electrostáticos existentes.

También puede usarse el RFQ para facilitar IBA (análisis por haz iónico). Un único RFQ proporciona un acelerador muy compacto que puede usarse para el análisis mediante PIXE (emisión de rayos X inducida por protones), NRA (análisis por reacción nuclear) y RBS o ERDA. Pueden acelerarse protones o partículas alfa hasta energías de 2,5 MeV y puede reducirse la dispersión de energía usando un imán deflector y rendijas.

Puede usarse el RFQ como alternativa a los aceleradores en tándem en espectroscopía de masa atómica al acelerar partículas de 14C+. Pueden acoplarse dos RFQ para acelerar las partículas de carbono 14C+ hasta de 4 a 5 MeV para su uso en la datación por carbono.

Debe entenderse que la presente divulgación incluye permutaciones de combinaciones de las características opcionales expuestas en las realizaciones descritas anteriormente. En particular, debe entenderse que las características expuestas en las reivindicaciones dependientes adjuntas se dan a conocer en combinación con cualquier otra reivindicación independiente relevante que pueda proporcionarse, y que esta divulgación no se limita sólo a la combinación de las características de las reivindicaciones dependientes con la reivindicación independiente de la que dependen originariamente.

El alcance de la invención está definido por las reivindicaciones.

Claims (12)

1. REIVINDICACIONES

   i. Acelerador (120, 1140) compacto de cuadrupolo de radiofrecuencia “RFQ” para acelerar partículas cargadas, comprendiendo el acelerador de RFQ:

   una sección (711) de agrupación configurada para tener una estrecha aceptación de radiofrecuencia “RF” de tal manera que sólo se capture una parte de un haz de partículas no agrupado incidente en la sección de agrupación, y en el que la sección de agrupación agrupa la parte del haz de partículas; una sección (713) de aceleración para acelerar la parte agrupada del haz de partículas a una energía de salida; y,

   unos medios (1110) para suministrar potencia de radiofrecuencia; en el que

   la estrecha aceptación de RF está provocada por una entrada de la sección de agrupación que tiene una fase síncrona de más de -50 grados; caracterizado porque

   los medios para suministrar potencia de radiofrecuencia están configurados para suministrar potencia a una frecuencia mayor de 500 MHz.
2. 2. Acelerador de RFQ según cualquier reivindicación anterior, en el que la sección de agrupación está configurada además para aumentar la fase síncrona del haz de partículas incidente en la sección de agrupación.
3. 3. Acelerador de RFQ según cualquier reivindicación anterior, en el que la entrada de la sección de agrupación tiene una fase síncrona de más de -40 grados, preferiblemente de más de -30 grados.
4. 4. Acelerador de RFQ según cualquier reivindicación anterior, en el que la sección de agrupación está configurada para aumentar la fase síncrona del haz de partículas incidente en la sección de agrupación hasta entre -25 y -15 grados.
5. 5. Acelerador de RFQ según cualquier reivindicación anterior, que comprende además una sección de adaptación radial para transformar un haz de partículas incidente en la sección de adaptación radial con una focalización independiente del tiempo en un haz de partículas con una focalización variable en el tiempo.
6. 6. Acelerador de RFQ según cualquier reivindicación anterior, en el que la sección de agrupación tiene menos de 40 cm de longitud y preferiblemente entre 20 y 30 cm de longitud.
7. 7. Acelerador de RFQ según cualquier reivindicación anterior, en el que los medios para suministrar potencia de radiofrecuencia comprenden una pluralidad de fuentes de potencia de radiofrecuencia distribuidas a lo largo del acelerador de RFQ.
8. 8. Acelerador de RFQ según cualquier reivindicación anterior, en el que los medios para suministrar potencia de radiofrecuencia están configurados para suministrar potencia a una frecuencia de entre 700 MHz y 1 GHz.
9. 9. Acelerador de RFQ según cualquier reivindicación anterior, que comprende además uno o más sintonizadores (1330, 1340, 1350, 1360) ajustables para ajustar las distribuciones de campo magnético, siendo ajustable cada uno de dichos sintonizadores ajustables por medio de un calibrador de tornillo.
10. 10. Acelerador de RFQ según la reivindicación 9, en el que cada uno de dichos sintonizadores ajustables tiene un cabezal de sintonizador con una forma al menos parcialmente cónica, teniendo la forma parcialmente cónica una punta redondeada.
11. 11. Acelerador de RFQ según la reivindicación 10, en el que la forma parcialmente cónica tiene una relación entre altura y radio de entre tres quintas partes y cuatro quintas partes, y preferiblemente dos terceras partes.
12. 12. Acelerador de RFQ según cualquier reivindicación anterior, en el que o bien:

    (a) el acelerador de RFQ tiene menos de 6 m de longitud, preferiblemente 5 m, y la energía de salida es de al menos 7 MeV, preferiblemente entre 10 MeV y 12 MeV;

    o bien

    (b) el acelerador de RFQ tiene menos de 3 m de longitud, preferiblemente 2 m, y la energía de salida es al menos 4 MeV, preferiblemente 5 MeV.

    Acelerador de RFQ según cualquier reivindicación anterior, en el que el acelerador de RFQ comprende al menos dos cavidades (430) resonantes, estando cada una de las al menos dos cavidades resonantes separadas de las cavidades resonantes adyacentes por una región de deriva entre las aletas.

    Acelerador de RFQ según cualquier reivindicación anterior, en el que las partículas cargadas aceleradas comprenden uno cualquiera de protones, deuterones y partículas alfa.

    Método de aceleración de partículas cargadas usando un acelerador (120, 1140) compacto de cuadrupolo de radiofrecuencia “RFQ”, estando el método caracterizado porque comprende:

    capturar en una sección (711) de agrupación del RFQ sólo una parte de un haz de partículas no agrupado incidente en la sección de agrupación, en el que la sección de agrupación está configurada para tener una estrecha aceptación de RF de modo que sólo se captura la parte del haz de partículas, en el que la estrecha aceptación de RF está provocada por una entrada de la sección de agrupación que tiene una fase síncrona de más de -50 grados;

    agrupar la parte del haz de partículas en la sección de agrupación;

    acelerar en una sección (713) de aceleración del RFQ la parte agrupada del haz de partículas a una energía de salida; y,

    suministrar potencia de radiofrecuencia mediante unos medios (1110) para suministrar potencia de radiofrecuencia, en el que la potencia de radiofrecuencia suministrada tiene una frecuencia mayor de 500 MHz.