TWI566645B - 小型的、冷的、弱聚焦的超導迴旋加速器 - Google Patents

Description

小型的、冷的、弱聚焦的超導迴旋加速器

本發明係有關於一種小型的、冷的、弱聚焦的超導迴旋加速器。

美國專利號1,948,384(發明人：Ernest O. Lawrence，專利公告：1934年)披露了一種迴旋加速器，該迴旋加速器使用來自一對電極的電場脈衝以及一種磁體結構在一個向外的螺旋中加速離子(帶電粒子)。Lawrence的加速器設計現在通常被稱為“傳統的”迴旋加速器，其中這些電極提供了一個固定的加速頻率，並且磁場隨著半徑的增大而減小，為維持在軌道中運行的離子的垂直相位穩定性而提供了“弱聚焦”。

現代迴旋加速器主要是“等時性(isochronous)”迴旋加速器，其中這些電極提供的加速頻率同樣是固定的，儘管磁場隨著半徑的增大而增大以對於相對性做出補償；並且在離子加速過程中透過一個方位角地變化的磁場部件來施加一個軸向恢復力，該部件源自多個具有磁區周期性的、波狀外形的鐵磁極件。大多數等時性迴旋加速器使用電阻式磁體技術並且在從1特斯拉到3特斯拉的磁場水平下運行。一些等時性迴旋加速器使用超導磁體技術，其中超導線圈使得為加速而提供所需要的導向和聚焦場的暖鐵磁極磁化。這些超導等時性迴旋加速器在從3到5T的磁場位準下工作。本發明人於1980年代早期在密西根州立大學在第一個超導迴旋加速器的專案中工作。

另一種迴旋加速器被稱為同步迴旋加速器。與傳統迴旋加速器或等時性迴旋加速器不同，同步迴旋加速器內的加速頻率隨著離子向外螺旋運動而減小。同樣，與等時性迴旋加速器不同，儘管與傳統迴旋加速器類似，同步迴旋加速器內的磁場隨著半徑的增大而減小。本發明人最近發明了一種用於質子束放射療法以及其他臨床應用的高磁場同步迴旋加速器(在美國專利號7,541,905 B2和7,696,847 B2中有所說明)。與現有的超導等時性迴旋加速器類似，這種同步迴旋加速器的實施例具有暖的鐵磁極以及冷的超導線圈，但是在加速過程中以一種不同的、適應於更高磁場的方式來維持射束聚焦並且因此可以在例如大約9特斯拉的磁場中運作。

在此描述了一種小型的、冷的、弱聚焦的超導迴旋加速器。用於其構造及使用的裝置和方法的不同實施例可以包括以下描述的元件、特點及步驟中的一些或全部。

該小型的、冷的、弱聚焦的超導迴旋加速器可以在一個中央加速平面的相對兩側上包括至少兩個超導線圈。一個磁軛圍繞這些線圈並且包含一個加速室。該磁軛與來自一個低溫致冷機的熱鏈結物以及這些超導線圈處於熱接觸，並且該中央加速平面延伸通過該加速室。

在迴旋加速器運作過程中，在一個內半徑處將一個離子導入該中央加速平面內。將來自一個射頻電壓源的射頻電壓施加到安裝在磁軛內部的一對電極上，以便在跨過該中央加速平面的一個不斷擴大的軌道內對該離子進行加速。這些超導線圈以及該磁軛由該低溫致冷機冷卻到不大於這些超導線圈的超導轉變溫度的一個溫度。將一個電壓供應給這些冷卻的超導線圈以便在這些超導線圈內產生一個超導電流，該電流在該中央加速平面內產生一個來自這些超導線圈以及該磁軛的磁場；並且當該已加速的離子到達一個外半徑時，將其從加速室中提取出來。

迴旋加速器可以具有一種建立在E.O. Lawrence的原始弱聚焦迴旋加速器上的傳統設計，它具有固定的頻率(類似於等時性迴旋加速器)以及一個簡單的磁路(類似於同步迴旋加速器)。為了使傳統迴旋加速器適應於高磁場，整個磁體(磁軛以及線圈)在運作過程中可以被冷卻到深冷溫度，而保留間隔和空隙用於使暖的加速部件駐留在磁軛內部。這種冷鐵、弱聚焦的迴旋加速器可以適應於具有減小的尺寸的高磁場，以便將其用作一種攜帶型迴旋加速器設備。對於質子而言，這種迴旋加速器可能被限制在小於25 MeV的能量下，但是大多數的迴旋加速器是為在該能量範圍內的應用而建造，並且存在大量的工業以及國防應用可以在這樣一種迴旋加速器的存在下付諸實際使用。

該小型的、冷的、弱聚焦的超導迴旋加速器可以包括一種簡單的圓柱形低溫恒溫器，該低溫恒溫器具有一個通過該迴旋加速器的中間部分的、有開槽的、暖的穿入部分。迴旋加速器內部的這些冷部件可以通過任何數目的方式來冷卻，例如，直接由機械低溫致冷、由採用機械冷卻器的熱虹吸電路、由連續供應的液體冷凍劑、或者由池沸騰冷凍劑的靜電裝料。迴旋加速器的運作溫度可以從4 K到80 K並且可以由為這些線圈選擇的超導體來決定。

可以將整個磁體結構(包括線圈、磁極、返回路徑鐵軛、微調線圈、永久磁體、成形的鐵磁性磁極表面、以及邊緣場抵消線圈或材料)安裝到一個單一而簡單的熱學支撐件上、安裝在一個低溫恒溫器內並且保持在這些超導線圈的運作溫度下。迴旋加速器的加速器結構(例如，離子源以及電極)可以整個處於低溫恒溫器中的、暖的外部中央開槽內並且可以因此與冷的超導磁體熱學地並且機械地隔離。人們認為這種設計代表了用於任何類型的迴旋加速器的一種基本上新的機電結構。在此，磁體被設計為在25 MeV或更小的情況下在暖的開槽內為所有正離子種類的、弱聚焦的、固定頻率的迴旋加速器加速操作提供所需要的加速以及聚焦場。

因為磁軛與這些線圈之間沒有間隙，不需要為這些線圈提供一種分離的機械支撐結構來減輕巨大的離心力，這些離心力典型地出現在現有的超導迴旋加速器內的高磁場處；而且，可以獨特地消除離心力。可以使用磁軛的冷磁體材料來同時地使磁場成形並且從結構上支撐這些超導線圈，從而進一步降低複雜度並且增大迴旋加速器的內在安全性。而且，隨著所有磁體被包含在低溫恒溫器之內，透過附加在低溫恒溫器內的中間溫度遮罩物上的多個抵消超導線圈亦或抵消超導表面，可以在不會不利地影響加速磁場的情況下抵消外部邊緣磁場。

在此描述的這些迴旋加速器設計可以提供許多優於現有的超導等時性迴旋加速器並優於現有的超導同步迴旋加速器的額外優點，它們已經比傳統的等同物更小型並且更便宜。例如，磁體結構可以被簡化，因為不需要使用分離的支撐結構來維持磁路組成物之間的力平衡，這可以降低總成本、提高總體安全性、並且降低對用於管理外部磁場的空間及主動保護系統的需要。此外，迴旋加速器可以在不需要複雜的變頻加速系統的情況下產生一個高磁場(例如，大約8特斯拉)，因為這些迴旋加速器的傳統設計可以在一個固定的加速頻率下工作。因此，本披露的迴旋加速器可以在移動背景以及更小的限制中使用。

初步的研究表明，與傳統的迴旋加速器相比，這些迴旋加速器可以在這些能量下提供因數為100或更大的尺寸減小，並且因此能夠以一種廣泛散佈的方式攜帶型地使用這些迴旋加速器，包括在遠磁場位置處，以及在港口和飛機場，用於航空以及潛水艇偵查，以及用於炸藥以及核威脅檢測。

本發明的不同方面的以上及其他特點和優點將從以下在本發明的更廣義的範圍內對不同概念及具體實施例的更具體說明中變得清楚。能夠以許多方式之一實施在以上介紹的並在以下更詳細討論的主題的不同方面，因為本主題並不限於任何具體的實現方式。主要為解說的目的提供了具體實現方式及應用的多個實例。

除非在此另外地定義、使用或表徵，在此使用的術語(包括技術及科學術語)應被解釋為具有與它們在相關技術的背景下所被接受的含義一致的含義並且不應以一種理想化或過分正式的含義來解釋，除非在此明確地那樣定義。例如，如果提及一種具體的成分，那麽該成分可以是基本上(儘管不是完全)純淨的，因為可能出現實際的及不完美的現實狀況；例如，可能存在至少微量的雜質(例如，按重量或體積計小於1%或2%)可以被理解為是在本說明書的範圍內；同樣，如果提及了一種具體的形狀，那麽該形狀旨在包括來自理想形狀的不完美的變體，例如，由於機械容差所造成者。

空間關係術語，如“之上”、“上部”、“在之下”、“之下”、“下部”、等等，可以為了易於描述而在此用於說明一個元件與另一個元件的關係，如在圖示中所展示的。應當理解的是，除了在圖示中描繪的定向，這些空間關係術語還旨在包括在使用或在運作中的裝置的不同定向。例如，如果將圖示中的裝置翻轉過來，那麽描述為在其他元件或特點“之下”或“在之下”的元件將會被定向為在其他元件或特點“之上”。因此，示例性術語“之上”可以包括之上和之下的定向。該裝置能夠以其他方式定向(例如，旋轉90度或處於其他定向)並且在此使用的空間關係描述符係相應地加以解釋。

仍進一步，在本披露中，當一個元件被稱為在另一個元件“上”、“連接到”另一個元件上或者“連結到”另一個元件上，它可以直接在另一個元件上、連接到或連結到另一個元件上或者可以存在中間元件，除非另外指明。

在此使用的術語是為了描述具體實施例的目的並不旨在限制這些示例性實施例。如在此所使用的，單數形式(如“一個”、“一種”以及“該”)旨在同樣包括複數形式，除非上下文另外清楚地指明。此外，術語“包含”、“包含著”、“包括”以及“包括著”指明存在所述元件或步驟但並不排除存在或附加有一個或多個其他的元件或步驟。

總體而言，迴旋加速器是粒子加速器的環形類別的構件。基於平衡軌道以及圍繞平衡軌道的電子感應加速器(betatron)震盪理念，環形粒子加速器的射束理論是已充分發展的。平衡軌道(EO)的原理可以被描述為如下：

‧由磁場捕獲的、具有給定動量的帶電離子將會轉構出(transcribe)一個軌道；

‧封閉的軌道表示對於離子的給定電荷、動量以及能量的平衡條件；

‧可以分析磁場承載一個平滑的平衡軌道集合的能力；並且

‧加速可以被視為從一個平衡軌道到另一個平衡軌道的轉換。

同時，微擾(perturbation)理論的弱聚焦原理可以被描述為如下：

‧粒子圍繞一個平均軌跡線(也稱為中央射線)震盪；

‧震盪頻率(ν_r，ν_z)對應地表徵出在徑向(r)和軸向(z)上的運動；

‧磁場被分解為多個座標場分量以及一個磁場指數(n)；並且ν_r=，同時ν_z=；並且

‧粒子震盪以及磁場分量之間的諧振，具體而言是磁場誤差項，決定了加速穩定性以及損失。

弱聚焦磁場指數參數， n ，如以上所指出的，被定義為如下：

其中r是離子距中央軸線16的半徑，如圖1中的小型的迴旋加速器的截面圖中所示出的；並且B是軸向磁場在該半徑處的大小。弱聚焦磁場指數參數 n 是在加速室46內的中央加速平面(在圖3中示出)的整個區域上處於從零到一的範圍內，離子在該平面上被加速(可能的例外是臨近中央軸線16的該室的中央區域，在此處離子被導入其中並且半徑接近零)以使得粒子在迴旋加速器內成功加速到全能量，在該迴旋加速器內由線圈產生的磁場決定磁場指數。具體而言，在加速過程中提供了一個恢復力以使得離子穩定地沿平均軌跡線震盪。可以示出當n>0時存在這個軸向恢復力，並且這個條件須要dB/dr<0，因為B>0並且r>0。迴旋加速器具有一個磁場，該磁場隨半徑增加而減小以匹配加速所要求的磁場指數。

如圖1和圖2所示，磁體結構10包括一個磁軛20以及一個回軛36，該磁軛20具有一對磁極38和40，它們限定了一個具有中央加速平面18的加速室46以用於離子加速。如圖3所示，磁體結構10由結構隔離物82支撐並且間隔開，該隔離物是由一種絕緣成分(如環氧樹脂-玻璃複合物)形成並且內含在一個外部低溫恒溫器66(例如，由不銹鋼或低碳鋼形成並且在所包含的體積內提供一個真空障礙物)以及一個熱遮罩物80(例如由銅或鋁形成)內。壓縮彈簧88在壓縮狀態下保持了80 K的熱遮罩物80以及磁體結構10。

一對磁線圈12和14(即，可以產生磁場的線圈)包含在磁軛20內並與其接觸(即，未由低溫恒溫器或自由空間完全地分隔開)，這樣使得磁軛20為磁線圈12和14提供支撐並且與其處於熱接觸。因此，磁線圈12和14不會受到離心力，並且沒有必要使用拉桿來將磁線圈12和14保持在中心處。

如圖5所示，每個線圈12/14是由環氧樹脂-玻璃複合物的一個接地包覆(ground-wrap)的額外外層90以及(例如)由銅或鋁形成的帶狀箔片的熱外包覆物92所覆蓋。熱外包覆物92與用於低溫冷卻的低溫傳導鏈結物58以及磁極38/40連同回軛36均處於熱接觸，儘管熱外包覆物92與磁極38/40以及回軛36之間的接觸可能是或不是處於外包覆物92的整個表面上(例如，可能僅在相鄰表面上的有限數目的接觸區域進行直接或間接的接觸)。對低溫傳導鏈結物58與磁軛20處於“熱接觸”的這種特性的描述是指，傳導鏈結物58與磁軛之間存在直接接觸、或者通過一種或多種導熱介入材料(例如，具有至少大約1 W/(m‧K)的熱導率)而存在物理接觸，如具有適當的熱差收縮的導熱填充物材料，該材料可以被安裝在熱外包覆物92與低溫傳導鏈結物58之間並且與它們齊平，以便在磁體結構的冷卻與升溫的情況下容納這些部件之間在熱膨脹上的差異。

低溫傳導鏈結物58進而與低溫冷卻器熱鏈結物37熱耦合(在圖1及圖2中示出)，該低溫冷卻器熱鏈結物進而與低溫冷卻器26熱耦合(在圖3中示出)。因此，熱外包覆物92在低溫冷卻器26、磁軛20以及線圈12和14之間提供熱接觸。

最終，可以在熱外包覆物92與低溫傳導鏈結物58之間安裝一種具有適當的熱差收縮的填充物材料並使該填充物材料與它們齊平，以便在磁體結構冷卻與升溫的情況下容納這些部件之間在熱膨脹上的差異。

磁線圈12和14圍繞加速室46(如圖1所示)，該加速室在中央加速平面18的相對兩側上包括射束室64(見圖3)並且用來直接在中央加速平面18內產生極高的磁場。當透過施加的一個電壓而被啟動時，磁線圈12和14進一步將磁軛20磁化，這樣使得磁軛20同樣產生一個磁場，可以將該磁場視為與由磁線圈12和14直接產生的磁場不同。

磁線圈12和14等距地在中央加速平面18之上和之下關於一個中央軸線16對稱地安排，離子在該平面內被加速。磁線圈12和14分離開一個足夠的距離以允許至少一個RF加速電極48以及一個周圍的超絕緣層30在加速室46內在它們之間延伸。每個線圈12/14包括導體材料的一條連續通路，該材料在所設計的運作溫度(總體上在4至30 K的範圍內)下是超導的，但同樣可以在2 K以下運作，其中可獲得額外的超導性能及裕度。當迴旋加速器有待在更高溫度下運作時，可以使用如鉍鍶鈣銅氧化物(BSCCO)、釔鋇銅氧化物(YBCO)或MgB₂的超導體。

每個線圈的外半徑大約是在離子被提取之前離子所到達的外半徑的1.2倍。對於大於6T的磁場而言，在大約7 cm的半徑處提取了加速到10 MeV的離子，而在大約11 cm的半徑處提取了加速到25 MeV的離子。因此，本披露的被設計為產生10-MeV射束的一種小型的、冷的迴旋加速器可以具有大約8.4 cm的外線圈半徑，而本披露的被設計為產生25-MeV射束的一種小型的、冷的迴旋加速器可以具有大約13.2 cm的外線圈半徑。

磁線圈12和14包括超導體電纜或通道內電纜導體，其中單獨的電纜股具有0.6 mm的直徑並且將它們纏繞以提供例如在2百萬至3百萬的總安培匝數之間的載流量。在一個實施例中，每股具有2,000安培的超導載流量，在線圈內提供了1500繞組的股以在線圈內提供一個3百萬安培匝數的容量。總體而言，線圈可以被設計為具有在不超過承載超導電纜股的臨界載流量的情況下產生一個所希望的磁場位準所需要的安培匝數所需要的繞數。超導材料可以是一種低溫超導體，如鈮鈦合金(NbTi)、鈮錫合金(Nb₃Sn)、或鈮鋁合金(Nb₃Al)；在特定實施例中，超導材料是類型II的超導體，具體而言是具有類型A15晶體結構的Nb₃Sn。還可以使用高溫超導體，如Ba₂Sr₂Ca₁Cu₂O₈、Ba₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀、MgB₂、或YBa₂Cu₃O_{7- x} 。

這些線圈可以直接由超導體的電纜或通道內電纜導體形成。在鈮錫合金的情況下，還可以將未反應的鈮和錫(3:1莫耳比)的股纏繞為電纜。然後，這些電纜可以被加熱到大約650℃的溫度用於使鈮和錫反應來形成Nb₃Sn。然後，Nb₃Sn電纜被焊接到一個U形銅通道內來形成複合導體。銅通道在淬火過程中提供機械支撐、熱穩定性；並且當超導材料是常態(即，不是超導的)時，為電流提供導電通路。然後，複合導體被包裹在玻璃纖維中並且然後被纏繞在一個外部覆蓋物內。還可以將(例如)由不銹鋼形成的帶狀加熱器插入到複合導體的繞線層之間，以便當將磁體淬火時提供快速加熱並且還在淬火已經發生後在線圈的徑向截面上提供溫度平衡，從而將可能損壞線圈的熱應力及機械應力最小化。繞線後，施加一個真空，並且用環氧樹脂填充繞線後的複合導體結構以便在最終的線圈結構內形成纖維/環氧樹脂複合填充物。所產生的、該繞線後的複合導體嵌入在其內的環氧樹脂-玻璃複合物提供了電絕緣和機械剛度。在美國專利號7,696,847 B2以及美國專利申請公開號2010/0148895 A1中進一步描述並展示了這些磁線圈的特點以及它們的構造。

借助於這些高磁場，可以將磁體結構製作得異常小。在一個實施例中，磁軛20的外半徑是從中央軸線16到磁線圈12和14的內部邊緣的半徑r的大約2倍，而磁軛20的高度(平行於中央軸線16而測量)是半徑r的大約三倍。

磁線圈12和14以及磁軛20一起在中央加速平面18內產生一個例如約8特斯拉的複合磁場。當將一個電壓施加到其上以發起並維持一個流經磁線圈12和14的連續電流時，磁線圈12和14可以在中央加速平面內產生大部分(例如，至少大約3特斯拉)的磁場。磁軛20被由磁線圈12和14產生的磁場所磁化並且可以為在用於離子加速的室內產生的磁場貢獻大約另外的2.5特斯拉。

兩個磁場分量(即，直接從線圈12和14產生的磁場分量以及由被磁化的磁軛20所產生的磁場分量兩者)都與中央加速平面18近似正交地通過中央加速平面18。然而，由完全磁化的磁軛20在該室內的中央加速平面18處產生的磁場比直接由磁線圈12和14在中央加速平面18處產生的磁場小得多。磁體結構10被構形為(透過使磁極38和40的內表面42成形、或透過提供額外的磁線圈以便在加速室46內產生一個相反的磁場、或透過兩者的組合)使磁場沿中央加速平面18而成形，這樣使得磁場隨著從中央軸線16到在加速室46內提取離子處的半徑的增大而減小以便能夠進行傳統迴旋加速器的離子加速。在圖6中示出了具有四個平臺(A、B、C以及D)、用於在中央加速平面內使磁場成形的錐形內部磁極表面42的一種實施例，以下將進一步對其進行討論。

磁體結構10還被設計為在加速室46內在帶電粒子(離子)的加速過程中提供弱聚焦和相位穩定性。弱聚焦在帶電粒子穿過磁場在向外的螺旋中加速時使其保持間距。相位穩定性確保帶電粒子獲得足夠的能量來將所希望的加速保持在該室內。確切地說，總是通過一個導電管68為加速室46內部的射束室64內的高壓電極48提供比用於保持離子加速所需要的電壓更高的電壓；並且磁軛20被構形為在加速室46內為射束室64以及電極48提供足夠的間隔。當使用一個電極48時，一個接地物(可以被稱為“假D形物”)相對於電極48被佈置為180°。在替代實施例中，可以使用兩個電極(關於中央軸線16間隔開180°，其中接地物與電極間隔開90℃)。使用兩個電極可以產生在軌道上運作的離子的更高的每匝增益以及離子軌道的更佳的定中心作用，從而減小了振盪並且產生了更好的束質量。

在運作過程中，超導磁線圈12和14可以被維持在一種“乾燥”狀態(即，未浸入液體致冷劑中)；相反，可以由一個或多個低溫致冷機26(低溫冷卻器)將磁線圈12和14冷卻到超導體的臨界溫度之下的一個溫度(例如，低於臨界溫度5 K，或者在一些情況中，在臨界溫度之下不到1 K)。當磁線圈12和14被冷卻到深冷溫度(例如，在4 K到30 K的範圍內，取決於成分)時，由於低溫冷卻器26、磁線圈12和14以及磁軛20之間的熱接觸，磁軛20同樣被冷卻到近似相同的溫度。

低溫冷卻器26可以在Gifford-McMahon致冷迴圈中使用壓縮氦、或者可以是設計有一個較高溫的第一級84和一個較低溫的第二級86的脈衝管低溫冷卻器。低溫冷卻器26的較低溫的第二級86可以在約4.5 K處運作並且透過熱鏈結物37及58而與多條低溫超導體(例如NbTi)電流引線59(在圖16中示出)是熱耦合的，這些電流引線包括與超導磁線圈12和14內的複合導體的相對兩端以及一個電壓源相連接的多條線以便驅動電流通過線圈12和14。低溫冷卻器26可以將每個低溫傳導鏈結物58以及線圈12/14冷卻到一個溫度(例如，大約4.5 K)，在該溫度下，每個線圈內的導體是超導的。可替代地，當使用一個更高溫的超導體時，低溫冷卻器26的第二級86可以在例如4至30 K處運作。因此，每個線圈12/14可以在運作過程中被保持在一種乾燥狀態下(即，未浸入在液體氦或其他液體致冷劑中)。

低溫冷卻器26的較溫熱的第一級84可以在例如40至80 K的溫度下運作並且可以與熱遮罩物80熱耦合，該熱遮罩物因此被冷卻到例如大約40至80 K以在磁體結構10與低溫恒溫器66之間提供一個中間溫度屏障，低溫恒溫器可以處於室溫(例如，大約300 K)下。由低溫恒溫器66限定的體積可以由一個真空泵(未示出)抽空以在其內提供高真空並且由此限制低溫恒溫器66、中間溫度遮罩物80以及磁體結構10之間的對流熱傳遞。低溫恒溫器66、熱遮罩物80以及磁體結構10分別彼此間隔開一個將對流熱傳遞最小化的量並且由多個絕緣隔離物82(例如由一種環氧樹脂-玻璃複合物形成)在結構上支撐。

使用乾燥的低溫冷卻器26允許迴旋加速器遠離低溫冷卻液體源而運作，如在隔離的醫療室內或在移動的平臺上。當配備有一對低溫冷卻器26時，即使這些低溫冷卻器之一發生故障，迴旋加速器仍可以繼續運作。

磁軛20包括一種鐵磁結構，該結構提供了一條磁路，該磁路將超導線圈12和14產生的磁通量運載到加速室46。通過磁軛20的磁路還為加速室46內的離子的弱聚焦提供磁場成形作用。磁路還透過在磁路的外部部分內包含大部分磁通量來加強加速室46內的磁場位準。磁軛20可以由低碳鋼形成，並且它圍繞線圈12和14以及一個圍繞射束室64的內部超絕緣層30(在圖4中示出並且例如由鋁化的聚酯薄膜和紙性材料形成)。純鐵可能太弱並且可能具有過低的彈性模量；因此，鐵可以摻雜有足夠量的碳以及其他元素以便在保持所希望的磁性位準的同時提供足夠的強度或者使其不那麽硬。磁軛20包圍了中央軸線16的與由線圈12和14以及超絕緣層30所包圍的區段相同的區段。

磁軛20進一步包括一對磁極38和40，該對磁極在中央加速平面18上展現了近似的鏡像對稱性。磁極38和40在磁軛20的周界處藉由一個回軛36連結。除允許有離散的埠(如射束提取通道60以及真空饋通埠100)以及特定位置處的其他離散的特徵之外，如在此的其他地方所描述或展示的，並且除在真空饋通埠100(在圖16中示出)處提供帶有額外磁接片96(在圖7至圖15中示出並且例如由鐵形成)的類似鞍的輪廓以便使磁極分離間隙在真空饋通埠100處變窄並且由此對磁軛20內更少的鐵進行平衡(其中由饋通埠100創建了一個空隙)之外，磁軛20展現了關於中央軸線16的近似的旋轉對稱性。在替代實施例中，磁接片96被結合到一個連續的帶之內，該帶包圍磁軛20的周長。

接片96的一個第一實施例是處於捲曲的條帶的形式，如圖8至圖10所示；圖8和圖9對應地提供了從頂部及側面的視圖(相對於圖7的定向)，而圖10提供了接片96的立體圖。接片96的一個第二實施例，這次如第一實施例一樣是處於捲曲條帶的形式，但是還包括一個在磁極翼98的表面上延伸的錐形覆蓋區域97，該表面向內朝向中央加速平面18。在這個實施例中，錐形覆蓋區域97的高度隨著距中央軸線16的距離的減小而在磁極翼98的表面上漸進地變窄。相對於下部磁極38的定向，在圖11的側面、圖12的中央軸線16、圖14和圖15對應的頂部和底部示出了帶有錐形覆蓋區域97的接片96，而在圖13中提供了接片96的這個實施例的立體圖。

磁極38和40具有錐形內表面42，如圖16所示，這些表面在磁極38和40之間並跨越加速室46聯合地限定了一個磁極間隙。錐形內表面42的輪廓是線圈12和14的位置的函數並且是距中央軸線16的距離的函數，這樣使得距中央加速平面18的距離在平臺B(在相對的兩個表面42之間)處最大(例如3.5 cm)，其中這個磁極間隙的擴大提供了已加速離子的足夠的弱聚焦和相位穩定性。

內磁極表面42距中央加速平面18的距離的平均值為例如2.5 cm，這個值既在緊鄰中央軸線的平臺A處、又在平臺B之後的平臺C處。這個距離在平臺D中在磁極翼94處變窄到例如0.8 cm以便對抗強超導線圈的有害影響而提供弱聚焦，同時適當地在用於提取的磁極邊緣附近定位全能量射束。在這個實施例中，線圈12和14在平臺E處的這些靠近的表面在中央加速平面18之上/之下間隔開3.5 cm。在替代實施例中，平臺A至D不是離散的並且取而代之地是錐形的，以便提供從一個平臺到下一個平臺的一種連續的、平滑的傾斜過渡。在另一種替代設計中，在內磁極表面42上提供了多於或少於四個平臺。

平臺A、B、C和D沿中央加速平面18從中央軸線16徑向地延伸基本上相等的距離，其中平臺A、B、C和D各自延伸了從中央軸線16到線圈12/14的內表面的距離的大約四分之一(或比四分之一稍小以便容納沿中央軸線的用於插入離子源的通道)。例如，當從中央軸線16到線圈12/14的內半徑的半徑是10 cm時，每個平臺平行於中央加速平面徑向地延伸大約2.5 cm的距離。在這個實施例中，這些平臺是離散的，儘管在替代實施例中，這些平臺可以是斜的和錐形的，以便在磁極表面上在多個平臺之間提供平滑的過渡。

這種磁極幾何形狀可以用於大範圍的加速操作，其中已加速粒子的能量位準的範圍在例如從3.5 MeV到25 MeV的任何位準。因此，所描述的磁極輪廓具有若干加速功能，即，在機器的中心處在低能量下的離子引導、捕獲到穩定的加速路徑中、加速、軸向及徑向聚焦、射束質量、射束損失最小化、達到最終所希望的能量和強度、以及對用於提取的最終射束位置的定位。具體而言，達到了弱聚焦以及加速相位穩定性的同時實現。

磁軛20還提供了至少一個徑向通道，如真空饋通埠100(在圖16中示出)，以及足夠的空隙用於將一個諧振器結構插入到加速室46內，該結構包括由導電金屬形成的射頻(RF)加速器電極48。加速器電極48包括一對平坦的半圓形平行板，該對板在加速室46內部平行於加速平面18並且在其上以及其下而定向(如在美國專利號4,641,057以及7,696,847中所描述並展示的)。離子可以由一個臨近中央軸線16而定位的內部離子源50產生、或者可以由一個外部離子源透過一種離子注入結構來提供。例如，內部離子源50的一個實例可以是一個加熱的陰極，該陰極與一個電壓源連結並且在一個氫氣源附近。

加速器電極48透過一個導電通路與一個射頻電壓源耦合，該電壓源產生一個固定頻率的振盪電場以在加速室46內在一個不斷擴大的螺旋軌道內對從離子源50射出的離子進行加速。在迴旋加速器是以一種同步迴旋加速器模式下運作的具體實施例中，射頻電壓源可以由一個射頻旋轉電容器來設置以提供可變頻率，這樣使得電場的頻率隨著離子在中央加速平面內螺旋向外而減小。

在加速室46內部，射束室64以及D形物電極48駐留在內部超絕緣結構30之內，如圖4所示，該結構在電極48(發出熱量)與低溫冷卻的磁軛20之間提供熱絕緣。電極48可以因此在比磁軛20以及超導線圈12和14的溫度高至少40 K的溫度下運作。圖4的圖示是分離的，其中在中央軸線16的左側提供了一個展示D形物電極48的內部截面，並且在中央軸線16的右側提供了接地物(假D形物)76的外部視圖，該接地物包括一個內面77和一個外電接地板79(例如處於銅襯層的形式)。

可以將加速系統射束室64以及D形物電極48的大小確定為，例如，在小於20 kV的加速電壓V ₀下產生20-MeV的質子射束(電荷=1，質量=1)。射束室64可以限定一個具有例如3 cm的高度以及16 cm的直徑的一個圓柱形體積。鐵磁性的鐵磁極以及回軛被設計為一種分離結構，以便有助於組裝及維護；並且回軛具有為磁極從中央軸線16到線圈12和14的半徑r _p 的大約兩倍或較小的一個外半徑(例如，大約20 cm，其中r _p 是10 cm)、大約3r _p 的總高度(例如，大約30 cm，其中r _p 是10 cm)、以及小於2噸(約2000 kg)的總質量。

離子在由磁線圈12、14以及磁軛20產生的磁場內加速後，具有一個平均軌跡線，該軌跡線處於沿距中央軸線16的半徑r擴大的螺旋軌道74的形式。離子還在這個平均軌跡線周圍進行小的正交振盪。平均半徑周圍的這些小振盪被稱為電子感應加速器振盪，並且它們定義了加速離子的具體特徵。

上部及下部磁極翼98透過移動特徵性的軌道諧振來使得用於提取的磁場邊緣銳化，這使得最終可獲得的能量離磁極邊緣更近。上部及下部磁極翼98額外地用於遮罩來自強分離線圈對12和14的內部加速磁場。可以透過提供有待圍繞上部及下部磁極翼98圓周地放置的、額外的多塊定域的鐵磁性上部及下部鐵尖端以建立一個足夠的、定域的、非軸向對稱的邊緣磁場來適應再生性離子提取或自提取。

在運作中，可以透過傳導鏈結物58內的電流引線將一個電壓(例如，足以在線圈有1500繞組的實施例中產生2000 A的電流，即如上所述者)施加到每個線圈12/14，以便例如當這些線圈處於4.5 K時在加速室46內產生一個至少8特斯拉的磁場。在其他實施例中，可以提供更多線圈繞組數，並且可以減小電流。磁場包括來自完全磁化的鐵磁極38和40的高達大約2.5特斯拉的貢獻；剩餘的磁場是由線圈12和14產生的。

這個磁體結構10用於產生一個足夠用於離子加速的磁場。例如，可以透過將一個電壓脈衝施加到一個加熱的陰極上來由離子源產生離子脈衝以便致使電子從陰極排出到氫氣中；其中，當電子與氫分子相撞時放射出質子。儘管加速室46被排空到例如小於10^-3大氣壓的真空壓力，以一個能夠維持低壓的量允許氫氣進入並對其進行調整，同時仍提供足夠數量的氣體分子用於產生足夠數量的質子。作為質子的替代方案，可以用這些裝置及方法對具有更重質量的其他離子進行加速，如氘核或α粒子一直到重得多的離子，如鈾；在運作中，可以為更重的元素減低電場的頻率。在運作過程中，電極48以及內部低溫恒溫器之內的其他部件可以處於一個相對溫熱的溫度下(例如，大約300 K或比磁軛20以及超導線圈12和14的溫度高至少40 K)。

在這個實施例中，電壓源(例如，高頻振盪電路)跨過RF加速器電極48的這些板維持一個例如20,000伏的交流或振盪電位差。由RF加速器電極48產生的電場具有固定的頻率(例如140 MHz)，該頻率與有待加速的質子離子的迴旋加速器軌道頻率相匹配。由電極48產生的電場產生一種聚焦作用，該聚焦作用保持離子在這些板的內部區域的中央部分附近移動，並且由電極48提供給離子的電場脈衝累積地增大了所發射出的和在軌道上運作的離子的速度。隨著離子由此在它們的軌道內被加速，離子在連續的旋轉中與電場中的振盪處於共振或同步而向外螺旋離開中央軸線16。

確切的說，當離子離開電極48時，電極48具有與在軌道上運作的離子的電荷極性相反的電荷，以便透過一種異性電荷的吸引力將離子拉回到其朝向電極48的弧形路徑內。當離子通過電極48的多個板之間時，電極48配備有與離子的電荷的符號相同的電荷，以便透過一種同性電荷的排斥力將離子送回其軌道內；並且重復這個循環。在與其路徑成直角的強磁場的影響下，離子被導引到在電極48與接地物76之間通過的一條螺旋路徑內。隨著離子逐漸地螺旋向外，離子的速度與其軌道半徑的增大成比例地增大，直至離子最終到達一個外半徑70處，在該外半徑處，離子被一個磁偏轉器系統(例如，處於位於加速室46的周長周圍的鐵尖端的形式)磁性地偏轉到一個收集器通道內，以便允許離子從磁場向外偏離並且允許從迴旋加速器將離子(處於脈衝射束的形式)抽取到一個線性射束提取通道60內，該通道通過回軛36從加速室46向例如一個外部靶延伸。

在描述本發明的實施例時，為了清晰的目的使用了特定的術語。為了描述的目的，特定的術語旨在至少包括以類似方式達到類似結果的技術上和功能上的等同物。另外，在一些實例中，其中本發明的一個具體實施例包括多個系統元件或方法步驟，這些元件或步驟可以用一個單一的元件或步驟替換；同樣，一個單一的元件或步驟可以用用於相同目的的多個元件或步驟替換。進一步地，當在此指定不同特性的參數用於本發明的實施例時，可以將這些參數以1/100，1/50，1/20，1/10，1/5，1/3，1/2，3/4等等向上或向下(或者由一個係數2、5、10等等向上)調整、或者將其近似取整數，除非另外指明。而且，儘管已經結合其具體實施例示出並描述了本發明，但是本領域的普通技術人員應當理解的是，可以在不背離本發明的範圍的情況下，做出形式及細節方面的不同替換和變更。仍進一步地，其他的方面、功能及優點同樣在本發明的範圍內；並且本發明的所有實施例不需要實現所有優點或擁有上述的所有特徵。此外，結合一個實施例在此討論的步驟、元件及特點同樣可以結合其他實施例使用。貫穿本文件所引用的參考內容(包括參考文件、期刊文章、專利、專利申請，等等)透過引用以其整體結合在此；並且來自這些參考內容的適當的部件、步驟和特徵任選地可以被包括或不被包括在本發明的實施例中。仍進一步，在背景技術部分指明的部件及步驟是本披露的一部分，並且在本發明的範圍內可以結合在本披露的其他地方描述的部件或步驟使用或替換它們。在方法的申請專利範圍中，其中以具體的順序列舉了多個階段，具有或不具有為易於引用而添加的有序的前序字元，這些階段不應被解釋為在時間上受限於它們所列舉的順序，除非另外指明或由術語和短語暗示。

10．．．磁體結構

12、14．．．一對磁線圈

16．．．中央軸線

18．．．中央加速平面

20．．．磁軛

26．．．低溫致冷機

30．．．周圍的超絕緣層

36．．．回軛

37．．．低溫冷卻器熱鏈結物

38、40．．．一對磁極

42．．．內表面

46．．．加速室

48．．．RF加速電極

50．．．內部離子源

58．．．低溫傳導鏈結物

59．．．電流引線

60．．．射束提取通道

64．．．射束室

66．．．外部低溫恒溫器

68．．．導電管

70．．．外半徑

74．．．螺旋軌道

76．．．接地物(假D形物)

77．．．內面

79．．．外電接地板

80．．．熱遮罩物

82．．．結構隔離物

84．．．較高溫的第一級

86．．．較低溫的第二級

88．．．壓縮彈簧

90．．．環氧樹脂-玻璃複合物的接地包覆的額外外層

92．．．熱外包覆物

96．．．磁接片

97．．．錐形覆蓋區域

98．．．磁極翼

100．．．真空饋通埠

圖1是一種小型的、冷的、弱聚焦的超導迴旋加速器的實施例的截面圖，未示出這些磁極的內表面上的一種工程訂制的輪廓。

圖2是圖1的迴旋加速器的一個立體圖。

圖3是該小型的、冷的、弱聚焦的超導迴旋加速器帶有一系列的低溫恒溫器以及一個低溫致冷機的實施例的側截面圖。

圖4是一個射束室的實施例的部分截面圖，該射束室位於這些磁極之間的加速室之內的一個內部低溫恒溫器內。

圖5是磁軛內的磁線圈以及周圍結構的一種實施例的截面圖。

圖6是磁軛以及線圈的一種實施例的截面圖，示出了一種訂制的內部磁極輪廓。

圖7是一種磁體結構的截面圖，其中磁軛的這些磁極具有圖6的磁極輪廓以及多個磁接片，用於在真空饋通埠處提供磁場補償。

圖8至圖10提供了沿磁極翼的外側佈置的磁接片的一種第一實施例的視圖。

圖11至圖15提供了沿磁極翼的外側佈置並且還包圍磁極翼的內表面的磁接片的一種第二實施例的視圖。

圖16是該小型的、冷的、弱聚焦的超導迴旋加速器的一種實施例的俯視截面圖。

在附圖中，貫穿這些不同的視圖，相同的元件符號參照到相同或相似的部件。這些附圖沒有必要是成比例的，相反地重點是在於解釋以上所討論的具體原理。

10．．．磁體結構

12、14．．．一對磁線圈

16．．．中央軸線

36．．．回軛

37．．．低溫冷卻器熱鏈結物

38、40．．．一對磁極

42．．．內表面

46．．．加速室

58．．．低溫傳導鏈結物

Claims (22)

1. 一種小型的、冷的、弱聚焦的超導迴旋加速器，其包括：至少兩個超導線圈，以一中央軸線為中心而圍繞該中央軸線且具有遠離該中央軸線的外表面，其中該等線圈位於一個中央加速平面的相對兩側上；一個磁軛，該磁軛圍繞該等線圈並且物理接觸跨過每個線圈的外表面且跨過每個線圈的面向該中央加速平面的表面的該等線圈以實質上減少或消除在該等線圈上由於離心力以及不具有中間恆溫器在該磁軛和該等線圈之間所產生的應力，其中該磁軛包含一個加速室，其中該磁軛與該等超導線圈處於熱接觸，其中該中央加速平面延伸通過該加速室，並且其中該磁軛包括一對位於該中央加速平面的相對兩側上的磁極，其中每個磁極的結構被形成為產生一個跨過該中央加速平面從一個用於離子導入的內半徑到一個用於離子提取的外半徑而徑向減小的磁場；以及一個低溫致冷機，該低溫致冷機與該等超導線圈以及該磁軛熱耦合，以及一恆溫器，其被固定在該磁軛的外側且容納該等線圈和該磁軛在一熱絕緣體積之內，在該熱絕緣體積之中，該等線圈和該磁軛可藉由該低溫致冷機而被維持在恆定溫度。
2. 如申請專利範圍第1項所述的迴旋加速器，其中該等超導線圈是由該磁軛物理地支撐。
3. 如申請專利範圍第1項所述的迴旋加速器，其進一步包括一對電極，該對電極與一個射頻電壓源連結並且安裝在該加速室內以便對該加速室內在軌道上運作的離子進行加速。
4. 如申請專利範圍第3項所述的迴旋加速器，其進一步包括一個將該等電極與該磁軛以及該等超導線圈分離開的熱絕緣結構。
5. 如申請專利範圍第1項所述的迴旋加速器，其中該磁軛包括一個徑向延伸的真空饋通埠，該埠允許通過該磁軛進入該加速室，並且其中該等磁極之間的一個分離間隙在該真空饋通埠上減小。
6. 如申請專利範圍第1項所述的迴旋加速器，其中該等磁極徑向地從一個中央軸線向該等超導線圈延伸大約10cm。
7. 如申請專利範圍第6項所述的迴旋加速器，其中每個磁極具有一種輪廓，該輪廓包括可以被指定為A、B、C和D的多個平臺，其中平臺A、B、C和D以字母順序徑向地從一個中央軸線向外延伸，並且其中該等磁極在平臺B處分離開大約7cm。
8. 如申請專利範圍第7項所述的迴旋加速器，其中該等磁極在平臺D處分離開大約1.6cm。
9. 如申請專利範圍第8項所述的迴旋加速器，其中該等磁極在平臺A和C中的每一個處分離開大約5cm。
10. 如申請專利範圍第9項所述的迴旋加速器，其中該 等超導線圈分離開大約7cm。
11. 如申請專利範圍第10項所述的迴旋加速器，其中平臺A、B、C和D各自跨過該中央軸線延伸一個徑向距離，該距離基本上與其他平臺延伸的徑向距離相同。
12. 如申請專利範圍第1項所述的迴旋加速器，其中該磁軛的結構被形成為當該磁軛被完全磁化時對該中央加速平面貢獻不超過2.5特斯拉。
13. 如申請專利範圍第12項所述的迴旋加速器，其中該等超導線圈的結構被形成為對該中央加速平面貢獻至少3特斯拉。
14. 如申請專利範圍第1項所述的迴旋加速器，其中該等超導線圈包括一種材料，該材料在至少4K的溫度處是超導的。
15. 如申請專利範圍第1項所述的迴旋加速器，其中該磁軛包括鐵。
16. 一種用於離子加速的方法，其包括：採用一個包括以下各項的迴旋加速器：a)至少兩個超導線圈，以一中央軸線為中心而圍繞該中央軸線且具有遠離該中央軸線的外表面，其中該等線圈位於一個中央加速平面的相對兩側上；b)一個磁軛，該磁軛圍繞該等線圈並且物理接觸跨過每個線圈的外表面且跨過每個線圈的面向該中央加速平面的表面的該等線圈以實質上減少或消除在該等線圈上由於離心力以及不具有中間恆溫器在該磁軛和該等線圈之間所產 生的應力，其中該磁軛包含一個加速室，其中該磁軛與該等超導線圈處於熱接觸，並且其中該中央加速平面延伸通過該加速室，並且其中該磁軛包括一對位於該中央加速平面的相對兩側上的磁極，其中每個磁極的結構被形成為產生一個跨過該中央加速平面從一個用於離子導入的內半徑到一個用於離子提取的外半徑而徑向減小的磁場；c)一個低溫致冷機，該致冷機與該等超導線圈以及該磁軛熱耦合；d)一個電極，該電極與一個射頻電壓源連結並且安裝在該加速室內；在一個內半徑處將一個離子導入該中央加速平面之內；以及e)一恆溫器，其被固定在該磁軛的外側且容納該等線圈和該磁軛在一熱絕緣體積之內，在該熱絕緣體積之中，該等線圈和該磁軛可藉由該低溫致冷機而被維持在恆定溫度；從該射頻電壓源為該電極提供一個射頻電壓以便對跨過該中央加速平面的一個不斷擴大的軌道內的離子進行加速；用該低溫致冷機冷卻該等超導線圈以及該磁軛，其中該等超導線圈被冷卻到不大於它們的超導轉變溫度的一個溫度；將一個電壓提供給該等冷卻的超導線圈以便在該等超導線圈內產生一個超導電流，該電流在該中央加速平面內 產生來自該等超導線圈以及來自該磁軛的一個磁場；並且在一個外半徑處從加速室提取該已加速的離子。
17. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中該磁軛被冷卻到不大於100K的溫度。
18. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中該電極被保持在比該磁軛以及該等超導線圈高至少40K的溫度下。
19. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中在該中央加速平面內產生的磁場達到至少8特斯拉。
20. 如申請專利範圍第19項所述的方法，其中該至少8特斯拉的磁場中的至少5特斯拉是由該等超導線圈產生的。
21. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中從用於離子導入的內半徑到用於離子提取的外半徑以一個固定頻率對該離子進行加速。
22. 一種圍繞中央軸線放置的迴旋加速器，該迴旋加速器包括：一個離子源，該離子源位於距離該中央軸線一個內半徑處，用於向一個加速室內引入一個有待由該迴旋加速器在該加速室內部的一個中央加速平面內加速的離子；一個離子提取裝置，該裝置位於距離該中央軸線一個外半徑處，用於從該加速室內提取離子；一個包括一對極板的電極，該對極板各自位於該中央加速平面的每一側上用於從該內半徑到該外半徑軌道式地對該離子進行加速；一對超導線圈，該對超導線圈以該中央軸線為中心而 圍繞該中央軸線且具有遠離該中央軸線的外表面，並且被配置為在該加速室內產生一個磁場；一個磁軛，該磁軛圍繞該電極以及該等超導線圈並且包括一對磁極，該對磁極在該電極的周長處結合並且跨過一個磁極間隙在該電極的相對兩側上分離開，其中每個磁極的結構被形成為產生一個跨過該中央加速平面從一個用於離子導入的內半徑到一個用於離子提取的外半徑而徑向減小的磁場，其中該磁軛是物理接觸跨過每個超導線圈的外表面且跨過每個超導線圈的面向該中央加速平面的表面的該等超導線圈以實質上減少或消除在該等超導線圈上由於離心力以及不具有中間恆溫器在該磁軛和該等超導線圈之間所產生的應力，其中該磁軛界定了一個真空饋通埠，該埠為該電極提供通道，並且其中該磁極間隙在穿過該真空饋通埠的與該中央軸線的多個角度處變窄並且在離開該真空饋通口的與該中央軸線的多個角度處擴大；一個導電管，該導電管延伸通過該真空饋通埠並且與該電極連結；以及一恆溫器，其被固定在該磁軛的外側且容納該等線圈和該磁軛在一熱絕緣體積之內，在該熱絕緣體積之中，該等超導線圈和該磁軛可藉由該低溫致冷機而被維持在恆定溫度。