專利名稱：全離子加速器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于加速離子的加速器，尤其涉及包括能夠加速全離子(all-ion) 的感應(yīng)同步加速器及其控制方法。
背景技術(shù)：
離子指元素周期表中處于特定電荷狀態(tài)的元素。全離子指元素周期表中這些 元素原則上能獲得所有電荷狀態(tài)的所有元素。此外，離子包括由大量分子構(gòu)成的粒 子，諸如化合物或蛋白質(zhì)。加速器是用于將諸如電子、質(zhì)子和粒子的帶電粒子加速至約幾兆電子伏特(幾 MeV)到幾百萬(wàn)兆電子伏特(幾TeV)的高能態(tài)的設(shè)備，并且根據(jù)計(jì)算原理大致 地分類成射頻加速器和感應(yīng)加速器。另外，根據(jù)它們的幾何形狀，加速器被分類成 線性加速器和回旋加速器。根據(jù)加速方法，射頻回旋加速器被歸類到回旋加速器和射頻(rf)同步加速器。 根據(jù)使用，有各種尺寸的射頻加速器；用于在原子核和粒子物理的研究中的大型加 速器能夠獲得極高的能量，并且用于癌癥治療的小型射頻同步加速器提供相對(duì)較低 的能量級(jí)的離子束。在射頻加速器中，射頻腔已被用于加速帶電粒子。通過(guò)射頻腔的諧振激勵(lì)， 射頻腔產(chǎn)生幾MHz到幾十MHz的、與帶電粒子的傳播同步的射頻電場(chǎng)。來(lái)自射 頻電場(chǎng)的能量被轉(zhuǎn)移到帶電粒子。諧振頻率在上述范圍內(nèi)變化，因?yàn)閹щ娏Ｗ訃@ 設(shè)計(jì)軌道旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)頻率隨著帶電粒子的能量的變化而增加。圖10示出了常規(guī)射頻同步加速器復(fù)合體34。在原子核和高能物理學(xué)中，射頻 同步加速器35已特別作為用于試驗(yàn)的基本設(shè)備。射頻同步加速器35是用于通過(guò)諧 振加速、強(qiáng)聚焦和相位穩(wěn)定性的原理將帶電粒子的能量增加至預(yù)定級(jí)別的加速器， 并且具有以下所述的配置。常規(guī)射頻同步加速器復(fù)合體34包括注入裝置15，它使用射頻線性加速器 17b將由離子源16產(chǎn)生的離子加速至光速的百分之幾或百分之幾十，并且使用由 諸如切隔磁體(septum magnet)、強(qiáng)磁體、碰撞磁體等的注入裝置構(gòu)成的注入器318將來(lái)自射頻線性加速器17b的離子注入到隨后的射頻同步加速器35;射頻同步 加速器35，它將離子束3加速至預(yù)定能量級(jí)；以及包括由各種磁體構(gòu)成的提取系 統(tǒng)20的提取裝置19，它提取從加速器環(huán)到離子束實(shí)用線(utility line) 21的被加速至預(yù)定能量級(jí)的離子束3，該離子束實(shí)用線是其中放置試驗(yàn)裝置21b等的工具 21a。這些裝置通過(guò)輸運(yùn)真空管16a、 17a和20a來(lái)連接。射頻同步加速器35包括保持在高真空狀態(tài)的環(huán)形真空管道4;使離子束3 保持沿著設(shè)計(jì)軌道的彎曲電磁體(bending electromagnet) 5;諸如四極電磁體的聚 焦電磁體6，它被設(shè)置成確保等離子束3在真空管道4中的水平及垂直方向上的強(qiáng) 聚焦；由射頻腔36a和控制裝置36b構(gòu)成的射頻加速裝置36，該射頻腔36a將射 頻加速電壓施加到真空管道4的離子束3并加速離子束3，而該控制裝置36b控制 所施加的射頻波的幅度和相位；位置監(jiān)視器35a，它沿著整個(gè)環(huán)境周期性地設(shè)置以 便測(cè)量真空管道4中的離子束的位置；轉(zhuǎn)向電磁體(steeringelectromagnet) 35b， 它使用通過(guò)位置監(jiān)視器35a獲得的離子束3的位置信息來(lái)更改離子束3的軌道(稱 為閉合軌道變形)；聚束監(jiān)視器7，它檢測(cè)離子束3的通過(guò)等等。在具有上述配置的射頻同步加速器復(fù)合體34中，通過(guò)射頻線性加速器17b加 速至特定能量級(jí)并被注入到射頻同步加速器的離子束3在真空管道4中沿著設(shè)計(jì)軌 道在前進(jìn)軸向上旋轉(zhuǎn)。如果此時(shí)射頻電壓被施加到射頻腔36a，則離子束3通過(guò)在 離子的傳播方向上的聚焦力沿著射頻電壓(稱為加速相位)的特定相位形成的帶電 粒子群(在下文中稱為聚束)。接著，施加到射頻腔36a的射頻電壓的頻率隨著彎曲電磁體5的激勵(lì)圖同步 增加，該彎曲電磁體5保持離子束3的設(shè)計(jì)軌道。而且，在聚束中央的射頻電壓的 相位朝著加速相位偏移，從而增加循環(huán)離子束3的動(dòng)量。射頻波的頻率必須是離子 的旋轉(zhuǎn)頻率的整數(shù)倍。眾所周知，滿足p二eBp關(guān)系，其中e是離子束3中的每個(gè)粒子的電荷，p是 其動(dòng)量，B是導(dǎo)向電磁體的磁通量密度，而p是磁場(chǎng)中彎曲的曲率半徑。而且，四 極電磁體用于聚焦離子束3的磁場(chǎng)強(qiáng)度在水平和垂直方向上隨著離子束3的動(dòng)量的 增加而同步增加。因而，在真空管道4中循環(huán)的離子束3總是被定位在預(yù)定的固定 軌道上。此軌道稱為設(shè)計(jì)軌道。對(duì)于離子束3的動(dòng)量的增加速率與磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化速率之間的同步，可用一 種方法，即使用磁場(chǎng)測(cè)量探測(cè)線圈測(cè)量彎曲電磁體5的磁場(chǎng)強(qiáng)度、在磁場(chǎng)強(qiáng)度每次 變化時(shí)生成離散控制時(shí)鐘(B時(shí)鐘)、以及基于B時(shí)鐘確定射頻波的頻率。
在彎曲電磁體5的磁場(chǎng)強(qiáng)度中的變化與射頻頻率中的變化未完全同步的情況下，離子束3的旋轉(zhuǎn)軌道半徑將減小或增加，從而使離子束3偏離設(shè)計(jì)軌道，最后 與真空管道4等碰撞，或消失。通常，加速器是不理想的。在大多數(shù)情況中，可能存在著使循環(huán)軌道變形而背離設(shè)計(jì)軌道的干擾，諸如差錯(cuò)的射頻電壓幅度。因而，系統(tǒng)被配置成通過(guò)用于檢測(cè)動(dòng)量偏移的位置監(jiān)視器8來(lái)測(cè)量離子束3與設(shè)計(jì)軌道之 間的位移、計(jì)算離子束3沿著設(shè)計(jì)軌道循環(huán)所需的射頻電壓的相位、以及施加反饋 從而將射頻加速電壓以適當(dāng)?shù)南辔皇┘拥骄凼醒搿Ｍㄟ^(guò)射頻加速電壓，各個(gè)離子在離子傳播的方向上受到聚焦力，并形成聚束， 而且在射頻同步加速器35中循環(huán)，同時(shí)在離子束3的傳播方向上往復(fù)移動(dòng)。這稱 為射頻同步加速器35的相位穩(wěn)定性。圖11示出了聚束通過(guò)常規(guī)同步加速器35中的射頻波來(lái)約束和加速的原理(相 位穩(wěn)定性)。在射頻同步加速器35的前進(jìn)軸向上的約束方法中和帶電粒子的加速方法中， 其中可約束聚束3a的相空間區(qū)域在原則上被特別地限制在前進(jìn)軸向上(時(shí)軸方 向)。具體地，在其中射頻波37處于負(fù)電壓的時(shí)間區(qū)域中，聚束3a的能量被減小， 而且在具有不同的電壓梯度的極性的時(shí)間區(qū)域中，帶電粒子在前進(jìn)軸向上擴(kuò)散而未 被約束。換言之，僅在所示虛線之間的時(shí)間段的加速電壓可用于加速離子束3。在加速電壓37a的時(shí)間段中，射頻波37被控制成將期望的恒定加速電壓37b 施加到聚束3b。因而，定位在聚束前端3c中的粒子具有較高能量，并且比聚束中 央3b中的粒子早到達(dá)射頻腔36a，因而，受到的加速電壓37c比聚束中央3b中受 到的加速電壓37b低，從而相對(duì)地減小它們速度。另一方面，位于聚束后端3d中 的粒子具有較低的能量，并且比聚束中央3b中的粒子晚到達(dá)射頻腔36，因而受到 的加速電壓37d比聚束中央3b的高，從而相對(duì)地增加它們的速度。在加速期間， 粒子重復(fù)此過(guò)程，使它們的所處位置在聚束前端、中央和后端中變化?？杀患铀俚碾x子束電流的最大值根據(jù)空間電荷力的大小來(lái)確定，該空間電 荷力是由在與離子束的前進(jìn)軸垂直的方向上離子束3自身所產(chǎn)生的電場(chǎng)導(dǎo)致的 擴(kuò)散力。加速器中的帶電粒子受到聚焦磁體周?chē)牧?，并?zhí)行類似于所謂電子 感應(yīng)加速器振蕩的諧波振蕩器的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)離子束電流超出特定級(jí)別時(shí)，帶電 粒子的電子感應(yīng)加速器振蕩的幅度達(dá)到真空管道4的大小，從而離子束消失。這稱為空間電荷限制。確切地，限制由局部束電流值一即線電流密度一的最大值所導(dǎo)致。在射頻
同步加速器35中，聚束中央3b通常具有最大線密度，從而在沒(méi)有任何改進(jìn)的 情況下，不可避免地導(dǎo)致聚束中央3b與聚束外邊緣一諸如聚束前端3c和聚束 后端3d—之間的電流密度的不平衡。因而，聚束中央3b中的電流密度必須小 于極限。這表示射頻同步加速器中的電流密度根據(jù)聚束中央的電荷密度來(lái)確 定。具體地，射頻腔36a的諧振頻率frf通過(guò)使用射頻腔36的電氣參數(shù)(電感 L和電容C)寫(xiě)成frf=l/4(L C)1/2。電感通過(guò)使用幾何參數(shù)(長(zhǎng)度l、內(nèi)徑a、外 徑b)和裝填在射頻腔36a中的磁性材料的材料特性(相對(duì)磁導(dǎo)率H*)的L = 1 (H()i^/2兀)log(b/a)來(lái)描述。粒子的旋轉(zhuǎn)頻率fo和射頻腔36a的諧振頻率必須總是保持frf=hfQ (h為整數(shù)) 的關(guān)系，以便與粒子的旋轉(zhuǎn)保持同步。這通過(guò)使用稱為偏壓電流的附加電流激勵(lì)磁 性材料并改變B-H曲線上的操作點(diǎn)、以及控制相對(duì)磁導(dǎo)率^來(lái)實(shí)現(xiàn)。鐵氧體通常用作射頻腔36a的磁性材料。當(dāng)偏壓電流約為OA時(shí)，獲得其最大電感，并且在操作點(diǎn)上確定的諧振頻率是最小。在設(shè)計(jì)并構(gòu)建成專用于質(zhì)子或特定離子的射頻同步加速器35中，種類和電荷狀態(tài)僅可在由射頻腔36a自身的頻率的有限可變寬度所允許的范圍內(nèi)選擇，并且諸 如三極管或四極管的射頻功率放大器驅(qū)動(dòng)該射頻腔。因而，在常規(guī)射頻同步加速器35中， 一旦確定將要被加速離子種類、加速能 量級(jí)和加速器周邊長(zhǎng)度，則射頻波37的頻率寬度可被唯一地確定。圖12示出了使用高能加速器研究組織(High energy accelerator research organization)(下文中稱為KEK) KEK 500 Mev增壓質(zhì)子同步加速器(在下文中稱 為KEK 500MevPS)在射頻同步加速器35中加速?gòu)淖⑷氲郊铀俳Y(jié)束時(shí)的各種離子 的旋轉(zhuǎn)頻率?？v坐標(biāo)軸表示旋轉(zhuǎn)頻率(MHz)，而坐標(biāo)軸表示加速時(shí)間(msec)。 KEK 500MevPS是用于質(zhì)子的射頻同步加速器35，并且外圍長(zhǎng)度約為35m。H (1， 1) 、 U (238， 39)和U (283、 5)分別表示質(zhì)子、鈾離子(+39)和 鈾離子(+5)，并且圖中示出了其加速頻率中的變化。圖12中的結(jié)果顯示在設(shè)計(jì)成用于加速質(zhì)子或輕離子的射頻加速器35中，諸如鈾離子的重離子無(wú)法從極低旋轉(zhuǎn)頻率的低能級(jí)加速到高能級(jí)。比質(zhì)子重且比鈾 離子(+5)輕的離子位于由雙向垂直虛線箭頭示出的范圍內(nèi)。另一方面，回旋加速器己常規(guī)地用于加速各種離子的加速器。類似于射頻同 步加速器35，回旋加速器也使用射頻腔36a作為離子束3的加速裝置。因而，根 據(jù)使用射頻波37時(shí)的原理限制，回旋加速器僅用于具有相同Z/A的離子，其中A 是質(zhì)量數(shù)，而Z是可被加速的離子的電荷狀態(tài)。此外，離子束3的旋轉(zhuǎn)軌道保持在從具有離子源16的中央部分到放置提取軌 道的最外部分的均勻磁場(chǎng)中，并且所需磁場(chǎng)由作為磁性材料的含鐵的兩極磁體產(chǎn) 生。然而，這種磁體在物理尺寸上受到限制。因而，迄今為止，在回旋加速器中所構(gòu)建的加速能量的最大值是520 Mev每 核子。離子的重量達(dá)到4000噸。近年來(lái)，已提出不同于射頻加速器的、為環(huán)形加速器的用于質(zhì)子的感應(yīng)同步 加速器。用于質(zhì)子的感應(yīng)加速器是可消除射頻同步加速器35的缺點(diǎn)的加速器。具 體地，用于質(zhì)子的感應(yīng)同步加速器是可在前進(jìn)軸向中包含大量質(zhì)子同時(shí)將恒定線密 度保持在極限電流值或更小的加速器。用于質(zhì)子的感應(yīng)同步加速器的第一特性是質(zhì)子束可通過(guò)由感應(yīng)單元生成的一 對(duì)脈沖形式的正負(fù)感應(yīng)電壓約束在前進(jìn)軸向中，從而形成^sec級(jí)的長(zhǎng)質(zhì)子聚束(超 聚束(super-bunch))。第二特性是約束超聚束可通過(guò)由不同的感應(yīng)單元生成的一個(gè)長(zhǎng)脈沖長(zhǎng)度的感 應(yīng)電壓(inducedvoltage)來(lái)力口速。具體地，常規(guī)射頻同步加速器35是一種功能組合類型，它在前進(jìn)軸向上使用 公共射頻波37來(lái)執(zhí)行質(zhì)子的約束和加速，而感應(yīng)同步加速器是一種功能分離類型， 它獨(dú)立地執(zhí)行約束和加速。感應(yīng)加速裝置允許質(zhì)子約束和加速的分離。感應(yīng)加速裝置包括作為具有磁性 材料磁芯的一對(duì)一變壓器的、用于約束質(zhì)子的感應(yīng)單元和用于加速質(zhì)子的感應(yīng)單 元，以及用于驅(qū)動(dòng)感應(yīng)單元的開(kāi)關(guān)電源等。在感應(yīng)單元中產(chǎn)生與質(zhì)子束的旋轉(zhuǎn)頻率同步的脈沖電壓。例如，加速器具有 約300m的圓周，則需要以lMHzCW重復(fù)產(chǎn)生的脈沖電壓。作為用于質(zhì)子的感應(yīng)同步加速器的直接應(yīng)用，提出了用于探測(cè)下一代中微子 振蕩的質(zhì)子驅(qū)動(dòng)器和使用超聚束的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。對(duì)于這些加速器，期望獲得 是由常規(guī)射頻同步加速器35實(shí)現(xiàn)的質(zhì)子加速器的質(zhì)子束強(qiáng)度的四倍的較大質(zhì)子束 強(qiáng)度。作為感應(yīng)同步加速器的應(yīng)用的對(duì)撞機(jī)稱為超聚束強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。期望最大地利 用感應(yīng)同步加速器的專有特性的超聚束強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)現(xiàn)比基于使用常規(guī)射頻波37 的同步加速器的相同尺寸的對(duì)撞機(jī)更大量級(jí)的亮度。這等效于同時(shí)由IO個(gè)基于射
頻同步加速器的對(duì)撞機(jī)提供的亮度。注意構(gòu)建每個(gè)對(duì)撞機(jī)的成本可達(dá)3千億元(yen)?，F(xiàn)在，將描述感應(yīng)同步加速器中的加速原理。具有不同極性的感應(yīng)電壓通過(guò) 感應(yīng)單元來(lái)生成。動(dòng)量比位于聚束中央3b中的理想粒子的動(dòng)量大的質(zhì)子的速度大 于理性粒子的速度，因而質(zhì)子前進(jìn)并到達(dá)聚束前端3c。當(dāng)質(zhì)子到達(dá)聚束前端3c時(shí)， 通過(guò)負(fù)感應(yīng)電壓減小質(zhì)子的速度、減小動(dòng)量，并且使得速度小于位于聚束中央的理 想粒子，從而開(kāi)始聚束3a的反向移動(dòng)。當(dāng)質(zhì)子達(dá)到聚束后端3d時(shí)，質(zhì)子開(kāi)始受到 正感應(yīng)電壓，并被加速。因而，質(zhì)子的動(dòng)量超出理想粒子的動(dòng)量。在加速期間，屬 于質(zhì)子聚束的所有質(zhì)子重復(fù)上述過(guò)程。這基本上與射頻同步加速器35的眾所周知的相位穩(wěn)定性(圖11)相同。通過(guò) 這種屬性，質(zhì)子在前進(jìn)軸向上被約束成聚束3a的形式。然而，質(zhì)子不能通過(guò)具有不同極性的感應(yīng)電壓來(lái)加速。因而，質(zhì)子需要通過(guò) 可施加均勻正感應(yīng)電壓的其它感應(yīng)單元來(lái)加速。眾所周知并且已被證明約束和加 速功能分離顯著地增加了束在前進(jìn)軸向上的操作的靈活性。生成1 MHz CW的重復(fù)速率下的2kV感應(yīng)電壓的感應(yīng)加速裝置業(yè)已完成，并 被引入到KEK 12GeV質(zhì)子射頻同步加速器(在下文中稱為12GeVPS)中。12GeVPS 是用于質(zhì)子的射頻同步加速器35，而且具有約340m的圓周。在最近對(duì)其中質(zhì)子聚 束通過(guò)射頻電壓約束并使用感應(yīng)電壓加速的感應(yīng)加速的試驗(yàn)中，12GeVPS已成功 證明了質(zhì)子束從500Mev到8Gev的感應(yīng)加速。然而，迄今為止認(rèn)為在單個(gè)加速器中不可能在離子所允許的電荷狀態(tài)中加速 的各種種類的離子以獲得高能量。這是因?yàn)樵诔Ｒ?guī)射頻同步加速器35中，作為用于加速的諧振器的射頻腔36a 具有高品質(zhì)因數(shù)，并且僅可在有限帶寬內(nèi)激勵(lì)射頻波37。因而，當(dāng)確定射頻同步 加速器35的圓周、所用彎曲電磁體5的場(chǎng)強(qiáng)和射頻波37的帶寬時(shí)，可被加速的離 子的質(zhì)量數(shù)A和電荷狀態(tài)Z基本上并唯一地可被確定，而且在其中速度顯著變化 的低能量區(qū)域中僅有限的離子可被加速。另一方面，在回旋加速器中，僅質(zhì)量數(shù)和電荷狀態(tài)之間具有恒定比的離子可 對(duì)應(yīng)射頻波37的帶寬來(lái)加速。而且，在諸如可加速任意離子的VandeGraaff加速 器的靜電加速器中，根據(jù)裝置在真空或壓縮氣體中的耐電壓能力，加速能量的極限 是20Mev。線性感應(yīng)加速器可提供幾百M(fèi)ev或更大的能量，但是獲得此能量的成本以及
線性感應(yīng)加速器的物理尺寸變得極大。目前所獲得的線性感應(yīng)加速器的參數(shù)基本上是幾億元/1 Mev和1 m/1 Mev。因而，獲得1 Gev的離子束需要1000億元，而且 加速器的整個(gè)長(zhǎng)度為1 km。此外，在用于質(zhì)子的感應(yīng)同步加速器中，諸如已被證明為感應(yīng)同步加速器 KEK12GeVPS，其注入能量已足夠大，而且僅考慮基本上具有光速的質(zhì)子的加速。 具體地，在上游加速器中，質(zhì)子束已基本上被加速至光速。因而，當(dāng)質(zhì)子通過(guò)感應(yīng) 加速器來(lái)加速時(shí)，僅需要在幾乎恒定的時(shí)間間隔生成感應(yīng)單元的感應(yīng)脈沖電壓。因 而，被應(yīng)用于質(zhì)子束的感應(yīng)電壓的觸發(fā)定時(shí)無(wú)需隨著加速改變。然而，當(dāng)在單個(gè)感應(yīng)同步加速器中加速所有離子時(shí)，取決于各個(gè)離子種類的 旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)電壓的觸發(fā)定時(shí)需要改變。這時(shí)因?yàn)樵陔x子種類中，旋轉(zhuǎn)頻率顯著不同， 如圖12所示。因而，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種加速器，它可單獨(dú)地將所有離子加速至 用于引導(dǎo)束的電磁體場(chǎng)強(qiáng)所允許的任意能級(jí)的(在下文中稱為任意能級(jí))。發(fā)明內(nèi)容為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于所有離子的加速器，它包括感 應(yīng)同步加速器，該感應(yīng)同步加速器包括其中具有離子束的設(shè)計(jì)軌道的環(huán)形真空管 道、設(shè)置于設(shè)計(jì)軌道的曲線部分上并保持離子束的環(huán)形軌道的彎曲電磁體、設(shè)置于 設(shè)計(jì)軌道的直線部分上并防止離子束在與離子傳播方向垂直的方向上擴(kuò)散的聚焦 電磁體、置于真空管道中并檢測(cè)離子束的通過(guò)的聚束監(jiān)視器、置于真空管道中并檢 測(cè)離子束的重心位置的中央的位置監(jiān)視器、用于約束的感應(yīng)加速裝置，該感應(yīng)加速 裝置包括連接到真空管道并在離子的傳播方向上施加用于約束的感應(yīng)電壓的感應(yīng) 單元和控制用于約束的感應(yīng)單元的驅(qū)動(dòng)的用于約束的智能控制裝置；用于加速的感 應(yīng)加速裝置，它包括連接至真空管道并施加用于離子束加速的感應(yīng)電壓的用于加速 的感應(yīng)單元和控制用于加速的感應(yīng)單元的驅(qū)動(dòng)的用于加速的智能控制裝置；注入裝 置，它包括將離子束注入到感應(yīng)加速器的注入器，而且由離子源生成的離子通過(guò)預(yù) 注入器加速至特定能級(jí)；以及提取裝置，將離子束從感應(yīng)同步加速器提取到離子束 實(shí)用線，其特征在于對(duì)被施加到用于約束的的感應(yīng)單元的感應(yīng)電壓執(zhí)行觸發(fā)定時(shí) 和充電時(shí)間段的反饋控制的智能控制裝置，該智能控制裝置具有從聚束監(jiān)視器接收 通過(guò)信號(hào)且從用于指示施加到離子束的感應(yīng)電壓的值的電壓監(jiān)視器接收感應(yīng)電壓 信號(hào)、并且計(jì)算用于約束的門(mén)主信號(hào)的用于約束的數(shù)字信號(hào)處理器，該門(mén)主信號(hào)成
為用于約束的圖形發(fā)生器的約束的門(mén)信號(hào)圖的基礎(chǔ)，該用于約束的圖形發(fā)生器生成 控制用于約束的開(kāi)關(guān)電源的接通/切斷以便驅(qū)動(dòng)用于約束的感應(yīng)單元，該用于加速 的智能控制裝置對(duì)被施加到用于加速的感應(yīng)單元的感應(yīng)電壓的觸發(fā)定時(shí)和充電時(shí) 間段執(zhí)行反饋控制，而且具有從聚束監(jiān)視器接收通過(guò)信號(hào)、從位置監(jiān)視器接收位置 信號(hào)、以及從用于指示施加到離子束的感應(yīng)電壓的值的電壓監(jiān)視器接收感應(yīng)電壓信 號(hào)、并且計(jì)算用于加速的門(mén)主信號(hào)的用于加速的數(shù)字信號(hào)處理器，該門(mén)主信號(hào)成為 用于加速的圖形發(fā)生器的用于加速的門(mén)主信號(hào)圖的基礎(chǔ)，該用于加速的圖形發(fā)生器 生成控制用于加速的開(kāi)關(guān)電源的接通/切斷以便驅(qū)動(dòng)用于加速的感應(yīng)單元的門(mén)信號(hào) 圖，并且對(duì)所有離子進(jìn)行加速并加以控制至用于束引導(dǎo)的電磁體磁場(chǎng)所允許的任意 能級(jí)。


圖1是本發(fā)明的全離子加速器的整個(gè)框圖，圖2是感應(yīng)單元的截面圖，圖3 是用于約束和加速的感應(yīng)單元和智能控制裝置的示意圖，圖4是感應(yīng)加速裝置的等 效電路，圖5示出了離子束通過(guò)用于約束的感應(yīng)單元的約束狀態(tài)，圖6示出了離子 束通過(guò)感應(yīng)單元的加速狀態(tài)，圖7示出了離子束通過(guò)感應(yīng)單元的約束和加速的中間 狀態(tài)，圖8示出了通過(guò)三個(gè)感應(yīng)單元的約束和加速控制，圖9示出了各種離子的加 速中可達(dá)到的能級(jí)，圖10示出了常規(guī)射頻同步加速器復(fù)合體的整個(gè)框圖，圖11 示出了射頻同步加速器中的相位穩(wěn)定性的原理，而圖12示出了在通過(guò)現(xiàn)有KEK 500MeVPS加速的各種離子從注入到加速結(jié)束時(shí)的旋轉(zhuǎn)頻率的估算變化。
具體實(shí)施方式
構(gòu)成本發(fā)明的全離子加速器1的感應(yīng)同步加速器2的聚焦電磁體6的的一種 配置是與常規(guī)射頻同步加速器35中相同的強(qiáng)聚焦配置。射頻加速裝置36由用于約 束的感應(yīng)加速裝置9和用于約束的感應(yīng)加速裝置12來(lái)替代。構(gòu)成用于約束的感應(yīng) 加速裝置9和用于加速的感應(yīng)加速裝置12的用于約束的感應(yīng)單元10和用于加速的 感應(yīng)單元13通過(guò)能夠以高重復(fù)速率工作的用于約束和加速的開(kāi)關(guān)電源％和12b 來(lái)驅(qū)動(dòng)，這些電源生成脈沖電源10f。用于約束和加速的開(kāi)關(guān)電源9b和12b的接 通/切斷操作通過(guò)用于約束和加速的控制門(mén)信號(hào)圖lla和14a來(lái)執(zhí)行，這些圖負(fù)責(zé) 對(duì)諸如用在用于約束和加速的開(kāi)關(guān)電源9b和12b中的M0SFET的開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行門(mén) 驅(qū)動(dòng)。
用于約束和加速的門(mén)信號(hào)圖lla和14a通過(guò)用于約束和加速的圖形發(fā)生器lib 和14b來(lái)生成。用于約束和加速的圖形發(fā)生器llb和14b通過(guò)用于約束和加速的門(mén) 主信號(hào)llc和14c開(kāi)始它們的操作?；谟删凼O(jiān)視器7檢測(cè)到的離子束3的通過(guò)信號(hào)7a和用于指示由用于約束 的感應(yīng)單元10施加到離子束3的感應(yīng)電壓的值的感應(yīng)電壓信號(hào)9e，通過(guò)用于約束 的數(shù)字信號(hào)處理機(jī)預(yù)先編程的處理方法實(shí)時(shí)地生成用于約束的門(mén)主信號(hào)llc。基于由聚束監(jiān)視器7檢測(cè)到的離子束3的通過(guò)信號(hào)7b、由位置監(jiān)視器8檢測(cè) 到的離子束3的位置信號(hào)8a、以及用于指示由用于加速的感應(yīng)單元13施加到離子 束3的感應(yīng)電壓的值的感應(yīng)電壓信號(hào)12e，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理機(jī)預(yù)先編程的處理方 法實(shí)時(shí)地生成用于加速的門(mén)主信號(hào)14c。由離子源16生成的離子通過(guò)預(yù)注入器17加速至特定速度，并且離子的離子 束3以一特定時(shí)間段被持續(xù)注入到感應(yīng)同步加速器2中。接著，用于約束的感應(yīng)單 元IO被接通以便生成正負(fù)勢(shì)壘電壓(barrier voltage) 26和27 (在下文中簡(jiǎn)單地稱 為勢(shì)壘電壓)。接著，勢(shì)壘電壓脈沖30中間的持續(xù)時(shí)間逐漸減小，并且在大致由 用于加速的感應(yīng)單元13生成的加速電壓28的充電時(shí)間段長(zhǎng)度28a內(nèi)，分布在設(shè)計(jì) 軌道4a的整個(gè)區(qū)域上的離子束3形成聚束3a。接著，根據(jù)它們的注入場(chǎng)級(jí)別激勵(lì) 感應(yīng)同步加速器2的彎曲電磁體5和聚焦電磁體6?；跒閺木凼O(jiān)視器7獲得的離子束3的通過(guò)信息的通過(guò)信號(hào)7a和用于指示 施加到離子束的感應(yīng)電壓值、以便與磁場(chǎng)的激勵(lì)同步地生成用于約束的信號(hào)圖lla 的感應(yīng)電壓信號(hào)9e，控制用于約束的感應(yīng)單元10的正負(fù)勢(shì)壘電壓26和27的脈沖 電壓10f?；谟删凼O(jiān)視器7獲得的通過(guò)信號(hào)7b、由位置監(jiān)視器8獲得的位置信號(hào)8a、 以及用于指示施加到離子束3的感應(yīng)電壓的值的感應(yīng)電壓信號(hào)12e，加速電壓28 的脈沖電壓10f (在下文中稱為用于加速的感應(yīng)電壓)和用于加速的感應(yīng)單元13 的重置電壓29被控制以生成與磁場(chǎng)的激勵(lì)同步的生成用于加速的門(mén)信號(hào)圖14a。用于加速的特定恒定波幅電平(level of amplitude)的勢(shì)壘電壓和特定恒定波 幅電平的感應(yīng)電壓的生成被及時(shí)控制以便離子束3跟隨磁場(chǎng)的激勵(lì)。因而，離子束 3不可避免地形成聚束3a并被加速。用于離子束3的約束和加速的一系列控制裝 置是用于約束和加速的智能控制裝置11和14。因而，基于離子種類和目標(biāo)能量，在通過(guò)用于約束和加速的智能控制裝置11 和14的反饋控制中簡(jiǎn)單地改變用于約束和加速的數(shù)字信號(hào)處理器lld和14d的程 序設(shè)置可將全離子加速至所允許的能級(jí)。最后，在加速結(jié)束之后(最大磁場(chǎng)激勵(lì)狀態(tài))，被加速至預(yù)定能級(jí)的離子束3 被提取到離子束實(shí)用線21。提取方法包括 一種通過(guò)諸如強(qiáng)磁體的快速提取系統(tǒng)20 —次提取離子束3同時(shí)保持聚束3a的結(jié)構(gòu)的方法；以及一種方法是將勢(shì)壘電壓 脈沖30之間的持續(xù)時(shí)間逐漸增加至與旋轉(zhuǎn)時(shí)間周期相對(duì)應(yīng)的時(shí)間，接著一次切斷 用于驅(qū)動(dòng)約束用的感應(yīng)單元10的用于約束的開(kāi)關(guān)電源9b和12b的門(mén)驅(qū)動(dòng)以將聚束 3a的結(jié)構(gòu)分割成DC束形式的離子束3，然后通過(guò)使用電子感應(yīng)加速器諧振的提取 系統(tǒng)20多次地逐漸提取離子束3?？筛鶕?jù)離子束3的使用目的選擇提取方法?，F(xiàn)在，將參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的全離子加速器1。圖1是本發(fā)明的全離 子加速器的整個(gè)框圖。除用于約束的感應(yīng)加速裝置9、用于控制離子束3的加速的 用于加速的感應(yīng)加速裝置12和射頻線性加速器17b之外，本發(fā)明的全離子加速器 1可使用常規(guī)射頻同步加速器復(fù)合體34中所用的裝置。全離子加速器1包括注入裝置15、感應(yīng)同步加速器2和提取裝置19。注入裝 置15包括離子源16、預(yù)注入器17、注入器18和連接裝置的輸運(yùn)管16a和17a， 它們放置在感應(yīng)同步加速器2的上游。作為離子源16，使用采用了電子回旋加速器諧振加熱機(jī)構(gòu)的ECR離子源、激 光驅(qū)動(dòng)離子源等。離子束可從離子源16直接注入到感應(yīng)同步加速器中。作為預(yù)注入器17，通常使用變壓靜電加速器或線性感應(yīng)加速器。當(dāng)確定將要 使用的離子種類時(shí)，可使用小型回旋加速器。作為注入器18，使用射頻同步加速器34的復(fù)合體中所用的裝置。本發(fā)明的全離子加速器1不需要特別的裝置和方法。在具有上述配置的注入裝置15中，由離子源16生成的離子束3通過(guò)預(yù)注入 器17加速至特定能級(jí)并通過(guò)注入器18注入到感應(yīng)同步加速器2中。感應(yīng)同步加速器2包括其中具有離子束3的設(shè)計(jì)軌道4a的環(huán)形真空管道4; 彎曲電磁體5，它設(shè)置于設(shè)計(jì)軌道4a的曲線部分上并保持離子束3的環(huán)形軌道； 聚焦電磁體6，它設(shè)置于設(shè)計(jì)軌道4a的直線部分上并防止離子束3的擴(kuò)散；聚束 監(jiān)視器7，它被置于真空管道4中并檢測(cè)離子束3的通過(guò)；位置監(jiān)視器8，它被置 于真空管道4中并檢測(cè)離子束3的重心位置的中央；用于約束的感應(yīng)加速裝置9， 它包括連接到真空管道4并在離子的傳播方向上生成用于約束的感應(yīng)電壓的用于 約束的感應(yīng)單元10，以及控制用于約束的感應(yīng)單元10的驅(qū)動(dòng)的用于約束的智能控 制裝置ll;以及用于加速的感應(yīng)加速裝置12，它包括連接到真空管道4并生成用
于離子束3的加速的感應(yīng)電壓的用于加速的感應(yīng)單元13，以及控制用于加速的感 應(yīng)單元13的驅(qū)動(dòng)的用于加速的智能控制裝置14。用于約束的裝置具有減小從注入裝置15注入到感應(yīng)同步加速器2的離子束 3的長(zhǎng)度、以便形成具有特定長(zhǎng)度的聚束3a的功能，從而離子束可通過(guò)使用具有 預(yù)定感應(yīng)電壓的另一個(gè)感應(yīng)單元或通過(guò)以各種方式改變離子束3的長(zhǎng)度來(lái)加速；以 及在加速期間向離子束3的聚束3a提供相位穩(wěn)定性的功能。用于加速的裝置具有在形成離子束3的聚束3a之后向整個(gè)聚束3a提供用于 加速的感應(yīng)電壓的功能。用于約束的感應(yīng)加速裝置9和用于加速的感應(yīng)加速裝置12在物理和電子本性 上是相同的，但是對(duì)于離子束3而言，在功能上不同。在下文中，感應(yīng)加速裝置表 示用于約束的感應(yīng)加速裝置9和用于加速的感應(yīng)加速裝置12。類似地，感應(yīng)單元 表示用于約束的感應(yīng)單元10和用于加速的感應(yīng)單元13。此外，電磁體表示彎曲電 磁體5和聚焦電磁體6。提取裝置19包括連接到設(shè)備21a的束輸運(yùn)管20a和將離子束3提取到離子束 實(shí)用線21的提取系統(tǒng)20，在該設(shè)備21a中設(shè)置了使用通過(guò)感應(yīng)同步加速器2加速 至預(yù)定能級(jí)的離子束3的試驗(yàn)裝置21b等。試驗(yàn)裝置21b包括用于治療的醫(yī)療設(shè)備。作為提取系統(tǒng)20，可使用用于快速提取的強(qiáng)磁體或采用了電子感應(yīng)加速器諧 振之類的低速提取裝置等，并且取決于離子束3所用方式，可選擇提取系統(tǒng)。關(guān)于上述配置，本發(fā)明的全離子加速器1可獨(dú)自將所有離子加速至任意能級(jí)。圖2是構(gòu)成全離子加速器的用于約束的感應(yīng)單元的截面示意圖。本發(fā)明中所用的用于約束和加速的感應(yīng)單元10和13在原理上具有與迄今為 止所構(gòu)建的用于線性感應(yīng)加速器的感應(yīng)單元相同的結(jié)構(gòu)。這里，將描述用于約束的 感應(yīng)單元10。用于約束的感應(yīng)單元10具有內(nèi)圓筒10a和外圓筒10b這兩個(gè)結(jié)構(gòu)， 而磁性材料10c被插入到外圓筒10b以便產(chǎn)生電感。內(nèi)圓筒10a連接到離子束3穿 過(guò)的真空管道4的部分由諸如陶瓷的絕緣體10d制成。因?yàn)楦袘?yīng)單元在使用中產(chǎn)生 熱量，諸如冷卻油等的任意冷卻劑在外圓筒10b中循環(huán)，該外圓筒10b需要絕緣體 密封件10j。當(dāng)將脈沖電壓10f從開(kāi)關(guān)電源9c施加到圍繞磁性材料10c的初級(jí)線圈時(shí)，初 級(jí)電流10g (磁芯電流)流過(guò)電路以激勵(lì)磁性材料10c，由此及時(shí)增加穿過(guò)環(huán)狀磁 性材料10c的磁通量的密度。在此時(shí)間段期間，根據(jù)法拉第(Faraday)感應(yīng)定律感在 包括其間具有絕緣體10d的導(dǎo)體內(nèi)圓筒10a的相對(duì)兩側(cè)10h的次級(jí)側(cè)產(chǎn)生電場(chǎng)10e。
電場(chǎng)10e形成加速電場(chǎng)。其中產(chǎn)生加速電場(chǎng)的部分是加速間隙10i。因而，用于約 束的感應(yīng)單元等效于一對(duì)一變壓器。生成脈沖電壓10f的用于約束的開(kāi)關(guān)電源9b被連接到用于約束的感應(yīng)單元10 的初級(jí)線圈，而且該用于約束的開(kāi)關(guān)電源9b在外部接通/切斷，以便自由地控制加 速電場(chǎng)的產(chǎn)生。這表示離子束3的加速可以數(shù)字方式來(lái)控制。當(dāng)離子束3的聚束前端3c(其中存在的離子的能量比聚束中央3b中的離子的 略高)進(jìn)入加速間隙10i，具有與前端的時(shí)間寬度相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度、并在與離子傳播 方向相反的方向上提供電場(chǎng)的感應(yīng)電壓(在下文中稱為負(fù)勢(shì)壘電壓)產(chǎn)生于用于約 束的感應(yīng)單元10中。離子的能量通過(guò)負(fù)勢(shì)壘電壓來(lái)減小。在當(dāng)離子束3的聚束中 央3b通過(guò)的時(shí)間段中，不生成感應(yīng)電壓。在當(dāng)聚束后端3d (其中存在的離子的能量比聚束中央3b中的離子的略低)通 過(guò)的時(shí)間段中，生成在與離子的傳播方向相同的方向上提供電場(chǎng)10e的感應(yīng)電壓 (在下文中稱為正勢(shì)壘電壓)。離子的能量通過(guò)不同符號(hào)的感應(yīng)電壓來(lái)增加。當(dāng)離子束3重復(fù)受到不同符號(hào)的感應(yīng)電壓時(shí)，最初能量比聚束中央3b中的離 子高的離子的能量變得低于聚束中央3b中的離子的能量；到達(dá)用于加速的感應(yīng)單 元的時(shí)間逐漸并相對(duì)地延遲。另一方面，聚束后端3d受到感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓 在與離子束3的傳播方向相同的方向上提供電場(chǎng)10e,如上所述，不久，位于聚束 后端的粒子一旦超出聚束中央3b，則比位于聚束前端中的粒子相對(duì)更早到達(dá)用于 約束的感應(yīng)單元IO。在重復(fù)上述過(guò)程時(shí)，離子束3被加速。這稱作離子束3在離子傳播方向上的約束。這提供了與常規(guī)射頻同步加速器35中的相位穩(wěn)定性(圖11)相同的優(yōu)點(diǎn)。用 于約束的感應(yīng)單元10的功能等效于常規(guī)射頻腔36a的約束功能。然而，在感應(yīng)同 步加速器中，感應(yīng)電壓被不連續(xù)地施加到離子束3作為脈沖電壓10f，因而與常規(guī) 射頻同步加速器中總是使用射頻波37激勵(lì)的射頻腔36的事實(shí)相比，不管是否存在 離子束3，感應(yīng)單元具有數(shù)字操作特性。另一方面，在用于加速的感應(yīng)單元13中，生成感應(yīng)電壓(在下文中稱為加速 電壓)以便在離子束3穿過(guò)加速間隙10i的期間，在與離子的傳播方向相同的方向 上產(chǎn)生加速場(chǎng)。為了防止磁性材料10c的磁飽和，需要在通過(guò)離子束3與下一次通 過(guò)離子束3之間的任意時(shí)刻生成與感應(yīng)電壓的符號(hào)相反的感應(yīng)電壓(在下文中稱為 重置電壓)。注意對(duì)于用于約束的感應(yīng)單元10，在離子的傳播方向上，通過(guò)重 置生成的感應(yīng)電壓也有效地用于約束。 盡管這里已描述了一個(gè)感應(yīng)單元，但是根據(jù)用于被加速的離子束3的感應(yīng)電 壓脈沖長(zhǎng)度的需要以及每次旋轉(zhuǎn)所需的加速電壓等，可選擇許多感應(yīng)單元。期望一 種具有低壓降的感應(yīng)單元的設(shè)計(jì)。圖3示出了感應(yīng)單元加速裝置的配置以及一種離子束的加速控制方法。 用于約束的感應(yīng)加速裝置9包括用于約束的感應(yīng)單元IO，它生成勢(shì)壘電壓， 即用于在離子傳播方向上約束離子束3的具有不同極性的一對(duì)感應(yīng)電壓；能夠以高重復(fù)速率工作的用于約束的開(kāi)關(guān)電源9b，它經(jīng)由傳輸線9a向用于約束的感應(yīng)單元 10提供脈沖電壓10f; DC電源9c，它向用于約束的開(kāi)關(guān)電源9b提供電源；用于 約束的智能控制裝置11，它執(zhí)行用于約束的開(kāi)關(guān)電源9b的接通/切斷操作的反饋控 制；以及電壓監(jiān)視器9d，用于指示從用于約束的感應(yīng)單元10所施加的感應(yīng)電壓的值。當(dāng)用于約束的開(kāi)關(guān)電源9b中所用的開(kāi)關(guān)是半導(dǎo)體等，并且無(wú)法工作于高輻射 環(huán)境時(shí)，使用傳輸線9a。對(duì)于開(kāi)關(guān)元件而言，在沒(méi)有輻射損壞的風(fēng)險(xiǎn)，或者其中 可保持低輻射環(huán)境的情況中，傳輸線9a并非必須的，而且用于約束的開(kāi)關(guān)電源9b 與用于約束的感應(yīng)單元IO可直接連接。用于約束的智能控制裝置11包括用于約束的圖形發(fā)生器llb，它生成用于 約束的門(mén)信號(hào)圖lla以便對(duì)用于約束的開(kāi)關(guān)電源9b的接通/切斷進(jìn)行控制；以及用 于約束的數(shù)字信號(hào)處理器lld，它計(jì)算用于約束的門(mén)主信號(hào)llc，該門(mén)主信號(hào)llc 是用于約束的圖形發(fā)生器llb所生成用于約束的門(mén)信號(hào)圖lla(所需)的基本信息。用于約束的門(mén)主信號(hào)llc通過(guò)用于約束的數(shù)字信號(hào)處理器lld根據(jù)基于實(shí)時(shí) 生成的、由檢測(cè)位于設(shè)計(jì)軌道4a上的離子束3的通過(guò)的聚束監(jiān)視器7所測(cè)量的離 子束3的通過(guò)信號(hào)7a、以及由電壓監(jiān)視器9d測(cè)量的用于指示施加到離子束3的感 應(yīng)電壓的值的感應(yīng)電壓信號(hào)9e所預(yù)先編程的處理方法來(lái)計(jì)算。具體地，在用于約束的數(shù)字信號(hào)處理器lld中，所施加的勢(shì)壘電壓的觸發(fā)定 時(shí)根據(jù)通過(guò)信號(hào)7a來(lái)計(jì)算，而勢(shì)壘電壓的周期長(zhǎng)度根據(jù)通過(guò)信號(hào)7a和感應(yīng)電壓信 號(hào)9e來(lái)計(jì)算，這些信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并被發(fā)送到用于約束的圖形發(fā)生器llb。用于約束的門(mén)信號(hào)圖lla包括施加到離子束3的負(fù)勢(shì)壘電壓26;正勢(shì)壘電 壓27;以及電壓off (切斷)的三個(gè)圖。取決于離子束3的屬性和類型，負(fù)勢(shì)壘電 壓的值和正勢(shì)壘電壓的值不相同，但是在加速期間可以是恒定的，因而可被預(yù)先編 程到用于約束的數(shù)字信號(hào)處理器lld。感應(yīng)電壓的值根據(jù)DC電源9c的輸出電壓 和所用的電容器組(bank capacitor) 23來(lái)唯一地確定。
用于加速的感應(yīng)加速裝置12包括用于加速的感應(yīng)單元13，它生成用于加速的感應(yīng)電壓，此電壓由在離子的傳播方向上加速離子束3的加速電壓和用于防止磁性材料IOC的磁飽和的重置電壓構(gòu)成；能在高重復(fù)速率下工作的用于加速的開(kāi)關(guān)電源12b，它經(jīng)由傳輸線I2a向用于加速的感應(yīng)單元13提供脈沖電源10f; DC電源 12c，向用于加速的開(kāi)關(guān)電源12b提供電源；用于加速的智能控制裝置14，它執(zhí)行用于加速的開(kāi)關(guān)電源12d的接通/切斷操作的反饋控制；以及電壓監(jiān)視器12d，用于指示從用于加速的感應(yīng)單元13施加的感應(yīng)電壓的值。用于加速的感應(yīng)加速系統(tǒng)12的電氣特性與用于約束的感應(yīng)加速系統(tǒng)9相同， 盡管被施加到離子束3的感應(yīng)電壓的作用不相同。與用于約束的感應(yīng)加速系統(tǒng)9 的差異在于所生成的用于防止磁性材料10c的磁飽和的重置電壓不對(duì)離子束3 執(zhí)行動(dòng)作，而且在當(dāng)離子束3未通過(guò)的時(shí)間段內(nèi)，選擇重置電壓的觸發(fā)定時(shí)。用于加速的智能控制裝置14包括用于加速的圖形發(fā)生器14b，它生成對(duì)用 于加速的開(kāi)關(guān)電源12b的接通/切斷進(jìn)行控制的用于加速的門(mén)信號(hào)圖14a;以及用于 加速的數(shù)字信號(hào)處理器14d，它計(jì)算用于加速的門(mén)主信號(hào)14c，該門(mén)主信號(hào)I4c是 用于加速的圖形發(fā)生器14b生成用于加速的門(mén)信號(hào)圖lla (所需)的基本信息。用于加速的門(mén)主信號(hào)14c通過(guò)用于加速的數(shù)字信號(hào)處理器14d根據(jù)基于實(shí)時(shí) 生成的、由檢測(cè)位于設(shè)計(jì)軌道4a上的離子束3的通過(guò)的聚束監(jiān)視器7測(cè)量的離子 束3的通過(guò)信號(hào)7b、由檢測(cè)離子束3的重心位置的中央的位置監(jiān)視器8測(cè)量的位 置信號(hào)8a、以及由電壓監(jiān)視器12d測(cè)量的用于指示被施加到離子束3的感應(yīng)電壓 的值的感應(yīng)電壓信號(hào)12e所預(yù)先編程的處理方法來(lái)計(jì)算。具體地，在用于加速的數(shù)字信號(hào)處理器14d中，所施加的用于加速的感應(yīng)電 壓的觸發(fā)定時(shí)根據(jù)通過(guò)信號(hào)7a和位置信號(hào)8a來(lái)計(jì)算，而用于加速的感應(yīng)電壓的充 電時(shí)間的長(zhǎng)度根據(jù)通過(guò)信號(hào)7a和感應(yīng)電壓信號(hào)12e來(lái)計(jì)算，這些信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號(hào)并被發(fā)送到用于加速的圖形發(fā)生器14b。用于加速的門(mén)信號(hào)圖14a包括施加到離子束3的加速電壓圖28;重置電壓 29;以及電壓off (切斷)的三個(gè)圖。加速電壓的值和重置電壓的值根據(jù)DC電源 12c的輸出電壓和所用的電容器組23來(lái)唯一地確定。結(jié)果，以時(shí)間積分的加速電 壓28跟隨全離子加速器l的電磁體的激勵(lì)圖。證明了實(shí)時(shí)生成的用于約束和加速的門(mén)信號(hào)圖lla和14a基本上可在接近用 于約束和加速的開(kāi)關(guān)電源9b和12b的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的工作極限的、從OHz到1 MHz的任意頻率下生成，這些電源驅(qū)動(dòng)用于約束和加速的感應(yīng)單元10和13。這16
由感應(yīng)同步加速器的屬性所產(chǎn)生，從而從聚束監(jiān)視器7獲得離子束3通過(guò)信號(hào)7a 和7b，以便生成用于約束和加速的門(mén)信號(hào)圖lla和14a。盡管與從射頻腔36a獲得 的質(zhì)子旋轉(zhuǎn)同步的射頻信號(hào)已被用在文獻(xiàn)[xx]中所述的以前的質(zhì)子感應(yīng)加速的試 驗(yàn)中，但這里不使用射頻腔36a，因?yàn)槿缜八?，取決于離子種類，射頻頻率可能 與旋轉(zhuǎn)頻率相差過(guò)大。具有反饋功能的用于約束和加速的數(shù)字信號(hào)處理器Ud和14a中的用于約束 和加速的門(mén)主信號(hào)llc和14c的詳細(xì)過(guò)程按以下所述執(zhí)行。當(dāng)比確保理想加速的感 應(yīng)電壓大的感應(yīng)電壓被實(shí)際供給離子束3時(shí)，離子束3偏離到設(shè)計(jì)軌道4a之外。 這發(fā)生在DC電源9c和12c的電壓設(shè)置精確度存在誤差的情形中。在此情形中， 用于加速的開(kāi)關(guān)電源9b和12b的電容器組23的充電電壓偏離理想值。因而，用于 加速的感應(yīng)單元10和13中所生成的感應(yīng)電壓偏離加速所需的值。因而，離子束3的軌道的位移通過(guò)由位置監(jiān)視器8所檢測(cè)的位置信號(hào)8a來(lái)檢 測(cè)，以便獲得動(dòng)量偏移。用于加速的數(shù)字信號(hào)處理器14d執(zhí)行智能計(jì)算，從而通過(guò) 誤差校正所需的次數(shù)來(lái)停止加速電壓28的生成，并且實(shí)際上停止用于加速的門(mén)主 信號(hào)14c的生成。可使用多個(gè)位置監(jiān)視器8。使用多個(gè)位置監(jiān)視器8使得離子束3 的加速被控制成具有較高精確度，并且有助于避免離子束3的損耗。經(jīng)由反饋控制的離子束3的加速使得離子束3的設(shè)計(jì)軌道4a能被保持，并且 使得所有離子能通過(guò)彎曲電磁體5和聚焦電磁體6穩(wěn)定地加速至所允許的任意能 級(jí)。圖4是用于約束的感應(yīng)加速系統(tǒng)的等效電路圖。如所示，在用于約束的感應(yīng) 加速系統(tǒng)的等效電路22中，總是通過(guò)DC電源9c充電的用于約束的開(kāi)關(guān)電源9b 經(jīng)由傳輸線9a連接到用于約束的感應(yīng)單元10。用于約束的感應(yīng)單元10示出為由L、C和R構(gòu)成的并聯(lián)電路。并聯(lián)電路上的電壓是離子束3受到的感應(yīng)電壓。在圖4的電路9b中，第一和第四開(kāi)關(guān)23a和23d通過(guò)用于約束的門(mén)信號(hào)圖1 la 來(lái)接通，電容器組23中所充入的電壓被施加到用于約束的感應(yīng)單元10，并且在加 速間隙10i中生成離子束3的用于約束的感應(yīng)電壓。接著，已接通的第一和第四開(kāi) 關(guān)23a和23d通過(guò)用于約束的門(mén)信號(hào)圖1 la來(lái)切斷，第二和第三開(kāi)關(guān)23b和23c通 過(guò)用于約束的門(mén)信號(hào)圖lla來(lái)接通，在加速間隙10i中生成反方向的感應(yīng)電壓，并 且磁性材料10c的激勵(lì)被重置。然后，第二和第三開(kāi)關(guān)23b和23c通過(guò)用于約束的 門(mén)信號(hào)圖lla來(lái)切斷，而第一和第四開(kāi)關(guān)23a和23d被接通。重復(fù)通過(guò)用于約束的 門(mén)信號(hào)圖lla的一系列操作使得能夠約束離子束3。
用于約束的門(mén)信號(hào)圖11a是用于對(duì)用于約束的開(kāi)關(guān)電源9b的性能進(jìn)行控制的 信號(hào)，并且基于由聚束監(jiān)視器7檢測(cè)到的離子束3的通過(guò)信號(hào)7a和用于指示被施 加到離子束3的感應(yīng)電壓的值的感應(yīng)電壓信號(hào)9e，通過(guò)用于約束的智能控制裝置 11生成為數(shù)字信號(hào)，該智能控制裝置由用于約束的數(shù)字信號(hào)處理器lld和用于約 束的圖形發(fā)生器llb構(gòu)成。被施加到離子束3的感應(yīng)電壓等于根據(jù)流入匹配電阻24的電流與該匹配電 阻24的已知大小的乘積所計(jì)算的值。因而，所施加的感應(yīng)電源的值可通過(guò)測(cè)量電 流值來(lái)獲得。因而，通過(guò)為電表的電源監(jiān)視器9d所獲得的感應(yīng)電壓信號(hào)9e被發(fā)送 到用于約束的數(shù)字信號(hào)處理器lld，并被用于生成用于約束的下一個(gè)門(mén)主信號(hào)llc。圖5示出了離子束通過(guò)用于約束的感應(yīng)單元的約束過(guò)程。圖5(A)示出了離子 束在約束剛開(kāi)始之后的狀態(tài)。橫坐標(biāo)軸表示時(shí)間，而縱坐標(biāo)軸表示感應(yīng)電壓的值。 雙向箭頭示出了離子束3沿著設(shè)計(jì)軌道4a旋轉(zhuǎn)一次的周期25。這些同樣被應(yīng)用于 圖5(B)。為了陷獲沿著整個(gè)設(shè)計(jì)軌道4a延伸的離子束3的左尖端，用于約束的開(kāi)關(guān)電 源9b的每個(gè)開(kāi)關(guān)被接通，從而在用于約束的感應(yīng)單元10中生成負(fù)勢(shì)壘電壓26， 該電壓是在離子傳播方向的反方向上的感應(yīng)電壓。負(fù)勢(shì)壘電壓26對(duì)離子束3的充 電時(shí)間26a可能很短。然后，用于約束的開(kāi)關(guān)電源9b的每個(gè)開(kāi)關(guān)被接通以便陷獲 離子束3的另一端，從而在接近離子束3的旋轉(zhuǎn)時(shí)間周期25結(jié)束時(shí)一對(duì)應(yīng)于離子 束3的末端，在用于約束的感應(yīng)單元10中在與離子束3的傳播方向相同的方向上 生成正勢(shì)壘電壓27。正勢(shì)壘電壓27被同時(shí)用于避免磁性材料10c的磁飽和；因此， 負(fù)和正勢(shì)壘電壓26的幅度和脈寬必須相等。這些勢(shì)壘電壓使得能夠約束注入到感 應(yīng)同步加速器2中的整個(gè)離子束，并使其沿著整個(gè)設(shè)計(jì)軌道4a分布。如果是非相對(duì)論區(qū)域，聚束3a與加速相關(guān)聯(lián)的時(shí)間長(zhǎng)度極大地縮短，因?yàn)榫?束的速度快速變化。圖5(B)示出了勢(shì)壘電壓如何隨這種縮短而變化的過(guò)程。生成陷獲離子束3的尖端的負(fù)勢(shì)壘電壓26與生成陷獲離子束3的末端的正勢(shì) 壘電壓27之間的持續(xù)時(shí)間(在下文中稱為勢(shì)壘電壓脈沖30之間的持續(xù)時(shí)間)被減 小，而且離子束3形成具有落在加速電壓28的充電時(shí)間28a內(nèi)的長(zhǎng)度的聚束3a， 從而可在不同的用于加速的感應(yīng)單元13內(nèi)所生成的加速電壓28的充電時(shí)間28a 中加速離子束3。具體地，負(fù)勢(shì)壘電壓26的觸發(fā)定時(shí)被固定，而提早正勢(shì)壘電壓27的觸發(fā)定 時(shí)之前的控制可通過(guò)用于約束的智能控制裝置11來(lái)執(zhí)行?？招淖蠹^示出了正勢(shì)
壘27的觸發(fā)時(shí)間的移動(dòng)方向。圖6示出了離子束通過(guò)本發(fā)明的感應(yīng)同步加速器的加速的狀態(tài)。V(t)表示感應(yīng)電壓值。圖6(A)示出了離子束3的聚束3a或超聚束3e(在同一加速階段可能不存在兩 個(gè)聚束)在設(shè)計(jì)軌道4a上在加速期間的特定時(shí)刻的位置。參看圖6，為了簡(jiǎn)便的 目的，將描述其中在面對(duì)設(shè)計(jì)軌道4的一個(gè)用于約束的感應(yīng)單元IO和一個(gè)用于加 速的感應(yīng)單元13中執(zhí)行約束和加速離子束3的情況，盡管在實(shí)際情況中采用多個(gè) 感應(yīng)單元。通過(guò)聚束監(jiān)視器7的通過(guò)信號(hào)7a和7b確認(rèn)離子束3的通過(guò)。圖6(B)示出了離子束3通過(guò)用于約束的感應(yīng)單元10的約束的狀態(tài)。t(a)表示 參照聚束3a或超聚束3e到達(dá)用于約束的感應(yīng)單元10的時(shí)間的勢(shì)壘電壓的觸發(fā)定 時(shí)和充電時(shí)間26a和27a。垂直虛線示出了聚束3a或超聚束3e的旋轉(zhuǎn)時(shí)間周期25。 這些同樣被應(yīng)用于圖6(C)(D)。聚束3a或超聚束3e下一次到達(dá)用于約束的感應(yīng)單元10的時(shí)間通過(guò)用于約束 的數(shù)字信號(hào)處理器lld基于獲得來(lái)自聚束監(jiān)視器7的通過(guò)信號(hào)7a來(lái)計(jì)算，然后生 成用于約束的門(mén)信號(hào)圖11a以便生成負(fù)勢(shì)壘電壓26，并且該負(fù)勢(shì)壘電壓26被施加 到聚束前端3或超聚束3e的前端。聚束3a或超聚束3e的后端下一次到達(dá)用于約束的感應(yīng)單元10的時(shí)間通過(guò)用 于約束的數(shù)字信號(hào)處理器lld基于獲得來(lái)自聚束監(jiān)視器7的通過(guò)信號(hào)7a來(lái)計(jì)算， 然后生成用于約束的門(mén)信號(hào)圖lla以便生成正勢(shì)壘電壓27，并且該正勢(shì)壘電壓27 被施加到聚束后端3d或超聚束3e的后端。這樣，可約束聚束3a或超聚束3e。施加負(fù)和正勢(shì)壘電壓26和27的觸發(fā)定時(shí) 通過(guò)用于約束的數(shù)字信號(hào)處理器lld基于來(lái)自電壓監(jiān)視器9d的感應(yīng)電壓信號(hào)9e 來(lái)計(jì)算，并且用于下一個(gè)用于約束的門(mén)主信號(hào)。離子束3的短聚束3a可簡(jiǎn)單地通 過(guò)減小勢(shì)壘電壓脈沖30之間的持續(xù)時(shí)間來(lái)適應(yīng)。圖6(C)示出了離子束3通過(guò)用于加速的感應(yīng)單元13的加速的狀態(tài)。t(b)表示 參照聚束3a或超聚束3e到達(dá)用于加速的感應(yīng)單元13的時(shí)間的用于加速的感應(yīng)電 壓的觸發(fā)定時(shí)和充電時(shí)間28a和29a。聚束3a或超聚束3e下一次到達(dá)用于加速的感應(yīng)單元13的時(shí)間通過(guò)用于加速 的數(shù)字信號(hào)處理器14d基于獲得來(lái)自聚束監(jiān)視器7的通過(guò)信號(hào)7a來(lái)計(jì)算，然后生 成用于加速的門(mén)信號(hào)圖14a，并且加速電壓28被施加到整個(gè)聚束3或超聚束3e。在通過(guò)用于加速的數(shù)字信號(hào)處理器14d所計(jì)算的、其中不存在離子束3的時(shí)
間段內(nèi)，作為重置電壓的、具有與加速電壓28相反的極性的感應(yīng)電壓被施加到用于加速的感應(yīng)單元，以便避免磁性材料10c的磁飽和。這樣，可加速聚束3a或超 聚束3e。 (1/2)T。表示圖6(B)和圖6(C)中偏離達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)間周期25的一半的時(shí)間基 準(zhǔn)t(a)和t(b)。圖6(D)示出了在特定時(shí)間下聚束3a和超聚束3e的加速的狀態(tài)，它是圖6(B) 和圖6(C)的組合。因而，橫坐標(biāo)軸上的t表示偏離用于約束的感應(yīng)單元IO和用于 加速的感應(yīng)單元13的時(shí)間基準(zhǔn)達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)間周期25的一半的時(shí)間基準(zhǔn)。這些同樣被 應(yīng)用于圖7。圖7示出了一種用于加速形成多個(gè)聚束3a之后的離子束3的方法。這種方法 具有減小勢(shì)壘電壓的感應(yīng)電壓值的優(yōu)點(diǎn)。用于加速形成多個(gè)聚束3a之后的離子束3的方法可通過(guò)首先將注入的離子束 3以DC束的形式分割成多個(gè)聚束3a來(lái)執(zhí)行，從而最后將多個(gè)聚束3a形成單個(gè)聚 束(超聚束3e)，并且根據(jù)從圖7(A)到(B)的次序?？v坐標(biāo)軸表示感應(yīng)電壓值，而橫坐標(biāo)軸表示時(shí)間。雙向水平虛線箭頭示出了 離子剛注入之后的旋轉(zhuǎn)時(shí)間周期25。圖7(A)示出了被加速至特定能級(jí)的離子束3通過(guò)預(yù)注入器17以多次方式剛注 入到真空管道4的狀態(tài)。注入的電子束3被設(shè)置成沿著整個(gè)設(shè)計(jì)軌道4a的DC束 的形式。將鈾離子(+39)作為一個(gè)示例進(jìn)行描述，并且以旋轉(zhuǎn)時(shí)間周期25為10ps， 而注入時(shí)旋轉(zhuǎn)頻率約為100kHz。圖7(B)示出了一種通過(guò)由用于約束的感應(yīng)單元10所施加的勢(shì)壘電壓對(duì)位于整 個(gè)設(shè)計(jì)軌道4a上的多個(gè)離子聚束3形式的離子束3進(jìn)行約束的方法。雙向水平實(shí) 線箭頭表示勢(shì)壘電壓脈沖之間的持續(xù)時(shí)間30。雙向水平實(shí)線箭頭表示具有相同極 性的相鄰勢(shì)壘電壓的觸發(fā)定時(shí)之間的時(shí)間段(在下文中稱為相同極性勢(shì)壘電壓脈沖 之間的持續(xù)時(shí)間31)。這樣，沿著整個(gè)設(shè)計(jì)軌道4a設(shè)置的離子束3被分隔成多個(gè)離子段3。當(dāng)由用 于約束的感應(yīng)單元IO (產(chǎn)生)的勢(shì)壘電壓的充電時(shí)間26a和27a各為0.5ps或更短 時(shí)，離子束3可被分隔成十個(gè)離子束3部分。圖7(C)示出了一種用于將經(jīng)分段的離子束3形成為多個(gè)聚束3a的方法。勢(shì)壘 電壓之間的脈沖持續(xù)時(shí)間30逐漸被減小，而相同極性的勢(shì)壘電壓脈沖逐漸的持續(xù) 時(shí)間31也被減小。接著，多個(gè)聚束即將受到加速電壓28，如圖7(D)中所見(jiàn)。正勢(shì) 壘電壓27與接著生成的負(fù)勢(shì)壘電壓26之間的持續(xù)時(shí)間被減小，從而減小相鄰聚束3a之間的間隔(在下文中稱為聚束間隔32)，以便使經(jīng)約束的聚束3a彼此靠近。圖7(D)示出了將多個(gè)聚束3a組合成單個(gè)聚束3a的過(guò)程。經(jīng)組合的單個(gè)聚束 3a僅通過(guò)施加捕捉多個(gè)聚束3a的正負(fù)勢(shì)壘電壓26b和27b中的第一個(gè)負(fù)勢(shì)壘電壓 26和最后一個(gè)正勢(shì)壘電壓27就能形成。根據(jù)基于離子種類和預(yù)定能級(jí)而預(yù)先編程 到用于約束的的智能控制裝置11的用于約束的數(shù)字信號(hào)處理器lld的處理方法， 可通過(guò)實(shí)時(shí)生成用于約束的門(mén)信號(hào)圖lla來(lái)選擇不施加的正負(fù)勢(shì)壘電壓26b和 27b。對(duì)并非必需的加速電壓28b和重置電壓29b的選擇、以及停止生成它們都通 過(guò)用于加速的智能控制裝置M來(lái)控制。此外，如果在離子束3形成單聚束3a之前，可在加速電壓28的充電時(shí)間28a 的范圍內(nèi)通過(guò)用于加速的感應(yīng)單元13約束或連接聚束3a，則加速電壓28和重置 電壓29的生成可通過(guò)用于加速的智能控制裝置14來(lái)控制，以便使得離子束3能夠 更有效地被加速至設(shè)置能級(jí)。圖7(E)示出了其中離子束3完全形成單聚束3a (超聚束)并且被約束和加速 的狀態(tài)。關(guān)于圖7(A)到(E)中所示的過(guò)程，離子束3可被加速至比圖5和6中所示 的約束和加速方法更有效的設(shè)置能級(jí)。可采用這里所述的方法，因?yàn)橛糜诩s束和加 速的開(kāi)關(guān)電源9b和12b的驅(qū)動(dòng)頻率可從0Hz變化至lMHz，并且用于約束和加速 的門(mén)信號(hào)圖lla和14a可通過(guò)用于約束和加速的數(shù)字信號(hào)處理器lld和14d以及用 于約束和加速的圖形發(fā)生器lib和14b來(lái)實(shí)時(shí)生成。圖8示出了一種離子束通過(guò)多個(gè)感應(yīng)單元的加速方法。通常，在短充電時(shí)間 26a和27a中要求勢(shì)壘電壓相對(duì)較高，而在長(zhǎng)充電時(shí)間28a中要求加速電壓28相 對(duì)較短，而且重置電壓29必須具有與充電時(shí)間29a和加速電壓脈沖的電壓的乘積 相等的值。這些要求可通過(guò)使用多個(gè)用于約束和加速的感應(yīng)單元10和13來(lái)滿足。 作為一個(gè)示例，將描述使用三個(gè)用于約束和加速的感應(yīng)單元10和13的操作圖。這 種方法可增大離子和能級(jí)的選擇的靈活性。圖8(A)示出了由三個(gè)用于約束的感應(yīng)單元10所提供的勢(shì)壘電壓的大小以及充 電時(shí)間?？v坐標(biāo)軸表示電壓而橫坐標(biāo)軸表示時(shí)間。(1)、 (2)和(3)表示用于約束的第 一感應(yīng)單元10、用于約束的第二感應(yīng)單元10和用于約束的第三感應(yīng)單元10。 (4) 表示通過(guò)三個(gè)用于約束的感應(yīng)單元10施加到離子束3的基本上迭加的負(fù)和正勢(shì)壘 電壓26f和27f。按從(1)到和(3)的次序?qū)⒇?fù)勢(shì)壘電壓26c、 26d和26e施加到已到達(dá)三個(gè)用于約 束的感應(yīng)單元10的離子束3的聚束3a。因?yàn)榫凼?a沿著設(shè)計(jì)軌道以較大速度循
環(huán)，到達(dá)時(shí)差內(nèi)各個(gè)離子的相對(duì)位置中的變化很小并可忽略。應(yīng)當(dāng)理解，基本上同時(shí)將負(fù)勢(shì)壘電壓26c、 26d和26e施加到聚束3a。類似地，將正勢(shì)壘電壓27c、 27d 和27e施加到聚束后端3d。因而，將與(4)中的總的負(fù)和正勢(shì)壘電壓26f和27f相等 的勢(shì)壘電壓施加到聚束3a的聚束前端3c和聚束后端3d。這樣，用于約束的感應(yīng) 單元IO被組合以便有效地獲得所需的勢(shì)壘電壓。具體地，即使通過(guò)單個(gè)用于約束 的感應(yīng)單元10施加的勢(shì)壘電壓26g和27g的值很小，也可獲得大的勢(shì)壘電壓值26h 和27h。圖8(B)示出了如何通過(guò)組合三個(gè)用于加速的感應(yīng)單元13以及充電時(shí)間來(lái)獲得 有效長(zhǎng)的加速電壓?？v坐標(biāo)軸表示用于加速的感應(yīng)電壓，而橫坐標(biāo)軸表示時(shí)間。另 外，示出了三對(duì)加速電壓脈沖28a以及它們的重置脈沖29c。 (1)、 (2)和(3)表示用 于加速的第一感應(yīng)單元13、用于加速的第二感應(yīng)單元13和用于加速的第三感應(yīng)單 元13。生成的三個(gè)加速電壓脈沖在時(shí)間上具有系統(tǒng)延遲，如圖8(B)中所見(jiàn)。(4)表 示通過(guò)三個(gè)用于加速的感應(yīng)單元13施加到聚束3a的總的加速電壓28f和總的重置 電壓29f。注意同時(shí)生成重置電壓脈沖。首先，按從(1)到(3)的次序?qū)⑻幱谔囟铀匐妷褐?8h的加速電壓28c、 28d 和28e施加至到達(dá)三個(gè)用于加速的感應(yīng)單元13的離子束3。此時(shí)，充電時(shí)間從(l) 移動(dòng)到(3)，因而可將加速電壓28c、 28d和28e施加到整個(gè)離子束3。這確保圖4(4) 中用于整個(gè)離子束3的總的加速電壓28f的充電時(shí)間28g。即使一個(gè)用于加速的感 應(yīng)單元13僅可在短充電時(shí)間28a中施加加速電壓28，多個(gè)用于加速的感應(yīng)單元13 可被組合成確保長(zhǎng)充電時(shí)間28a。具體地，約束和加速兩個(gè)目的可僅通過(guò)組合可生 成低感應(yīng)電壓的單位感應(yīng)單元來(lái)調(diào)節(jié)。這可減小感應(yīng)加速系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。在不具有離子束3的時(shí)間段中，重置電壓29c、 29d和29e被用于避免三個(gè)用 于加速的感應(yīng)單元13的磁飽和。理論上，除施加重置電壓29c、 29d和29e的時(shí)間 段之外，其它時(shí)間段都可用于施加加速電壓28，由此使得所有離子被加速為超聚 束3e。因?yàn)橛糜诩s束的開(kāi)關(guān)電源9b中的開(kāi)關(guān)元件的用于約束的門(mén)信號(hào)圖lla可自由 控制，所以可實(shí)現(xiàn)任意持續(xù)時(shí)間的勢(shì)壘電壓。結(jié)果，聚束3a可在離子的傳播方向 上保持長(zhǎng)條狀，并且具有均勻的離子分布，這通過(guò)常規(guī)射頻同步加速器35無(wú)法實(shí) 現(xiàn)，由此顯著地增加了可被同時(shí)加速的離子的數(shù)量。圖9示出了當(dāng)現(xiàn)有KEK 500MeVPS和12GeVPS被轉(zhuǎn)換成本發(fā)明的全離子加 速器時(shí)，對(duì)于具有其可達(dá)到的最大電荷狀態(tài)的各種離子而言，每核子所能獲得的能
量的計(jì)算結(jié)果?？稍谝韵路N類中進(jìn)行選擇作為離子束3: H (氫)、C (碳)、N (氮)、Ne (氖)、Al (鋁)、Ca (鈣)、O (氧)、Mg (鎂)、Ar (氬)、Ni (鎳)、Zn (鋅)、Kr (氪)、Xe (氤)、Er (鉺)、Ta (鉭)、Bi (鉍)、U (鈾)、Te (碲)、Cu (銅)和Ti (鈦)。曲線圖中的橫坐標(biāo)軸表示原子數(shù)，而原子以原子數(shù)從左開(kāi)始遞加的次序標(biāo)繪 出。曲線圖中的縱坐標(biāo)軸表示通過(guò)各個(gè)加速器加速的離子的每個(gè)核子的能量。左軸 的單位是兆伏(MeV)，而右軸的單位是千兆伏特(GeV)。右軸僅用于表示被改變的 12GeVPS的結(jié)果。國(guó)示出了當(dāng)現(xiàn)有KEK 500MeVPS (實(shí)際上使用為現(xiàn)有諧振電源的電磁體電源) 被轉(zhuǎn)換成本發(fā)明的全離子加速器l時(shí)，各種離子束3預(yù)計(jì)可達(dá)到的能量，》示出了 當(dāng)KEK500MeVPS被轉(zhuǎn)換時(shí)(為現(xiàn)有諧振電源的電磁體電源用圖形電源來(lái)替代)， 其預(yù)計(jì)(可達(dá)到的能量)，以及A示出了當(dāng)現(xiàn)有KEK 12GeVPS被轉(zhuǎn)換成本發(fā)明的 全離子加速器l時(shí)，其預(yù)計(jì)結(jié)果。為了與常規(guī)加速器作比較，還示出了在物理和化學(xué)研究所(Institute of Physical and Chemical Research)中運(yùn)行的、迄今為止日本內(nèi)最大型并具有類似于KEK 500MeVPS的物理尺寸的環(huán)形回旋加速器中的離子束3的實(shí)際加速性能(虛線內(nèi))。 由一條虛線包圍的O示出了線性射頻加速器注入33回旋加速器的情形中的各種離 子種類所獲得的能量。由另一條虛線所包圍的口示出了使用AVF回旋加速器作為 注入器的情形中的各種離子種類所獲得的能量。在使用由圖形控制電源驅(qū)動(dòng)的電磁體的慢循環(huán)同步加速器中，其提取能量易 于變化。在使用由諧振電路電源驅(qū)動(dòng)的電磁體的快循環(huán)同步加速器中，由于恒定場(chǎng) 強(qiáng)，所以每核子的加速能量根據(jù)有關(guān)的離子的質(zhì)量數(shù)和電荷狀態(tài)來(lái)確定。圖9中所示的結(jié)果對(duì)本發(fā)明的全離子加速器1實(shí)現(xiàn)以下所述的做出啟示。首先，500MeVPS (國(guó)和*)覆蓋了常規(guī)回旋加速器不能達(dá)到的能量區(qū)。具體 地，甚至在可加速特定重離子的射頻線性加速器注入33(0)中，可被加速的離子種 類受到回旋加速器中所使用的射頻線性加速器17b的有限加速距離和射頻的物理 極限的限制，而且可達(dá)到的能級(jí)還受到電磁體的物理極限的限制。可被加速的離子 包括質(zhì)子到鉭，而且其可達(dá)到的能量為每核子7到50 MeV。另一方面，與射頻線性加速器注入33(0)相比，在AVF回旋加速器注入33a(口) 中，如果離子很輕(諸如質(zhì)子)，則離子可被加速至特定高能級(jí)(約200MeV)，23
然而由于注入器的限制，可被加速的離子直到Cu、 Zn。第二，在經(jīng)更改的12GeVPS中，甚至重離子可被加速至每核子約4GeV或更 大的能量。因而，本發(fā)明的全離子加速器1被用于通過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度將包括重離子的所有離 子加速至所允許的任意能級(jí)，其中一部分是通過(guò)常規(guī)回旋加速器和射頻同步加速器 35無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明具有上述配置并可獲得以下優(yōu)點(diǎn)。首先，常規(guī)射頻同步35可被轉(zhuǎn)換成 本發(fā)明的全離子加速器l，因?yàn)槌漕l加速裝置36外，常規(guī)射頻同步加速器35的 所有裝置都可用于全離子加速器中。第二，本發(fā)明的全離子加速器1可獨(dú)立地通過(guò)用于束引導(dǎo)的磁場(chǎng)將所有離子 加速至所允許的任意能級(jí)。具體地，12GeVPS已被證明為全離子加速器，而且KEK 500MeVPS將被更改 成本發(fā)明的全離子加速器1，各種離子可被加速至甚至通過(guò)物理和化學(xué)研究所的、 通常操作用于材料和生命科學(xué)的回旋加速器無(wú)法達(dá)到的能級(jí)，至于12GeVPS，全 離子可被加速至每核子約4GeV至最大值。此外，本發(fā)明的全離子加速器具有上述優(yōu)點(diǎn)，因而除近來(lái)已被用于癌癥治療 的碳束外，可提供處于任意電荷狀態(tài)中的重離子，這可顯著地增加可由粒子束治療 的癌癥類型，并且顯著地增加了治療的靈活性。而且，顯著增加醫(yī)學(xué)放射性同位 素生產(chǎn)中、短壽命核的發(fā)射性分析和半導(dǎo)體損壞測(cè)試的靈活性。此外，用于預(yù)測(cè)重 離子宇宙射線的損壞的地面檢查可通過(guò)安裝在用于宇宙空間的衛(wèi)星中的各種電子 設(shè)備來(lái)執(zhí)行。
權(quán)利要求
1.一種全離子加速器，其特征在于為了通過(guò)用在感應(yīng)同步加速器中的用于約束和加速的感應(yīng)單元來(lái)改變被施加到從預(yù)注入器或高壓離子源直接注入的離子束的感應(yīng)電壓的觸發(fā)定時(shí)和充電時(shí)間，基于離子束的通過(guò)信號(hào)和定位信號(hào)以及用于指示施加到離子束的感應(yīng)電壓的值的感應(yīng)電壓信號(hào)，用于約束和加速的數(shù)字信號(hào)處理器以及用于約束和加速的圖形發(fā)生器生成用于約束和加速的門(mén)信號(hào)圖，以及用于約束和加速的智能控制裝置執(zhí)行所述用于約束和加速的感應(yīng)單元的接通/切斷的反饋控制，它們與用于加速的全離子的旋轉(zhuǎn)同步。
2. —種全離子加速器的控制方法，其特征在于為了通過(guò)用在感應(yīng)同步加速器中的用于約束和加速的感應(yīng)單元來(lái)改變被施加 到從預(yù)注入器或高壓離子源直接注入的離子束的感應(yīng)電壓的觸發(fā)定時(shí)和充電時(shí)間，基于離子束的通過(guò)信號(hào)和定位信號(hào)以及用于指示施加到離子束的感應(yīng)電壓的 值的感應(yīng)電壓信號(hào)，用于約束和加速的數(shù)字信號(hào)處理器以及用于約束和加速的圖形 發(fā)生器生成用于約束和加速的門(mén)信號(hào)圖，以及用于約束和加速的智能控制裝置執(zhí)行所述用于約束和加速的感應(yīng)單元的接通/ 切斷的反饋控制， 它們與用于加速的全離子的旋轉(zhuǎn)同步。
全文摘要
一種能夠在同一加速器上將所有種類的離子加速至任意能級(jí)的加速器。所有種類離子加速器使用通過(guò)用在感應(yīng)加速同步加速器中的約束和加速感應(yīng)單元施加到由前端加速器注入的離子束的感應(yīng)電壓的生成定時(shí)和施加時(shí)間，以便基于離子束通過(guò)信號(hào)、位置信號(hào)和用于識(shí)別施加到離子束的感應(yīng)電壓值的感應(yīng)電壓信號(hào)，通過(guò)約束和加速數(shù)字信號(hào)處理器以及約束和加速圖形發(fā)生器生成約束和加速門(mén)信號(hào)圖，并且通過(guò)約束和加速智能控制裝置對(duì)約束和加速感應(yīng)加速單元進(jìn)行反饋控制。
文檔編號(hào)H05H13/04GK101167413SQ200680014100
公開(kāi)日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2006年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月27日
發(fā)明者下崎義人, 荒木田是夫, 高山健, 鳥(niǎo)飼幸太 申請(qǐng)人:大學(xué)共同利用機(jī)關(guān)法人高能加速器研究機(jī)構(gòu)