射频腔制造技术

用于加速带电粒子的射频(RF)腔装置(22)包括第一和第二腔臂(24，26)。第一和第二腔臂(24，26)具有相应的第一和第二旋转对称轴线(28，30)，并且每个腔臂包括至少一个单元(32，34；36，38)。第一和第二腔臂(24，26)通过谐振耦合器(40)连接。第一腔臂(24)的(一个或更多个)单元(32，34)具有等于第二腔臂(26)的(一个或更多个)单元(36，38)的对应轴向尺寸参数的轴向尺寸参数，并且第一腔臂(24)的(一个或更多个)单元(32，34)具有不同于第二腔臂(26)的(一个或更多个)单元(36，38)的对应的(一个或更多个)非轴向尺寸参数的至少一个非轴向尺寸参数。

Radio-frequency cavity

A radio frequency (RF) cavity device (22) for accelerating charged particles includes first and second cavity arms (24, 26). The first and second cavity arms (24, 26) have respective first and second rotational symmetry axes (28, 30), and each cavity arm includes at least one unit (32, 34, 36, 38). The first and second cavity arms (24, 26) are connected by a resonant coupler (40). The first chamber (24) of the arm (one or more) unit (32, 34) is equal to second (26) of the cavity arm (one or more) unit (36, 38) axial size parameters corresponding to the axial dimension parameters of the cavity and the first arm (24) of (a or more) unit (32, 34) is different from the second chamber (26) of the arm (one or more) unit (36, 38) of the corresponding (one or more) at least one non axial size parameter non axial size parameters.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】射频腔
本专利技术大体涉及用于加速射频(RF)腔中的带电粒子的装置和方法。在本专利技术的实施例中，可以使用射频(RF)腔装置来加速用于包括产生X射线和太赫兹辐射的各种应用的电子。
技术介绍
加速粒子(例如产生X射线的电子)的常规方法使用直线粒子加速器将粒子加速到几keV或几MeV的能量。在典型的电子加速器中，常规的喷射器发出朝向目标(相互作用点)加速的电子束，其中，不同光谱的电磁辐射通过不同的装置产生。之后，将电子束转储在经由轫致辐射撞击时产生X射线辐射的收集器上。能量为0.12至12keV、波长为10至0.1nm的软X射线可以以此方式在相互作用点或收集器处产生。近年来，诸如斯坦福直线加速器中心(SLAC)等直线加速器通常在电子束穿过包含分段RF腔的加速结构时，通过使用射频(RF)场来逐渐加速电子束来实现约3GeV的电子能量。此些高能量电子束可以在使用同步的电场和磁场的存储环中循环，并且例如用于提供包括X射线的同步加速器辐射源。这些极其亮(即高通量)的X射线可用于研究分子结构，产生许多生物医学应用，诸如蛋白质晶体学。虽然光源(如，SLAC的光源和英国的钻石光源(Diamondlightsource))可以为研究人员提供非常硬和明亮的X射线进行实验研究，但是此些设施非常大、运行成本高并且不容易对每个人都可用。钻石光源位于周长738米、占地面积超过4.33万平方米的环形建筑中。尽管来自同步加速器源的X射线可比例如由用于正常医学成像的阴极射线管所产生的X射线亮度高十亿倍，但是同步加速器源仅将电子能量的一小部分转换为辐射。此外，自然同步加速器光不是单色的，并且其应用至例如相位对比成像可能需要使用复杂的插入装置和其他技术。通常需要可以在更容易接近的规模上满足学术和行业需求的替代X射线源和粒子加速器。同步加速器光源的一种替代方案是基于直线加速器(直线加速器linac)的相干光源，诸如SLAC的直线加速器相干光源(LCLS)。该设施将直线粒子加速器与自由电子激光器(FEL)耦合以产生强烈的X射线。在自由电子激光器中，电子束本身用作激光介质。来自直线加速器的电子束被注入到波荡器或“摆动器(wiggler)”——布置有沿光束相互作用路径的交替极点的磁体阵列，以使电子束横向轻微摆动，并以X射线形式激励相干电磁辐射的发射。FEL辐射为单色和极其亮的——自放大自发发射的过程提取比同步加速器辐射大得多的电子能量。事实上，FELX射线源可能比同步加速器光源亮度大好多数量级。一些研究人员通过在电子束通过摆动器之后减速电子束，结合自由电子激光器来演示能量回收。英国达斯伯里(Daresbury)实验室的ALICE加速器将能量回收直线加速器与产生中红外范围内光的自由电子激光器的波荡器相耦接。在此提议中，当RF相位与初始加速相位完全相反时，废(spent)电子束经由额外的光束路径被返回到主直线加速器的入口，使得光束被减速并且能量可以被回收回到直线加速器RF腔内的电磁场。这种能量回收技术需要精确地调节电子束路径长度，该调节通过移动整个光束路径的弧度来实现。尽管加速器(诸如SLAC的LCLS和达斯伯里实验室的ALICE)已经证明了FEL作为光源的潜力，但存在几个缺点。此些设施极其大——例如，SLAC的基于直线加速器的LCLS总共超过3km长，其包括600m的直线加速器、230m的电子束传送通道、170m的波荡器和超过300m的将X射线传送至实验大厅的通道。这种机器总体的十亿美元规模的成本和庞大的规模意味着它们只能以国家级建设。较小的研究机构仍然需要获得自己的加速器和较小规模的太赫兹辐射或X射线源。麻省理工学院的研究人员最近提出了基于自由电子激光器原理的替代X射线源，其可能比LCLS或其他光源更小。当电子束与例如来自激光束的光子碰撞时，这种替代技术使用反康普顿散射来产生X射线。US7391850描述了这种实验室规模的X射线源。WO2012/061051描述了利用能量回收来提高X射线产生效率的X射线产生装置。该装置通过使用第一RF腔布置加速电子束并然后使电子与光子相互作用来产生X射线，以经由反康普顿散射产生X射线。在与光子相互作用之后，电子在第二RF腔布置中减速。第一和第二RF腔布置通过RF能量传输装置连接，其经布置以在减速电子通过第二腔布置时从该减速电子中回收RF能量，并然后将所回收的RF能量转移至第一腔布置。因此，该装置提供了对现有X射线产生方法的改进，因为RF能量的回收提高了X射线产生的效率。仍然需要能够有效地产生高能量和高通量X射线或其他辐射的紧凑型光源，以用于广泛的实验，特别是扩展可以使用这种紧凑型光源进行的实验的范围。此外，仍然需要更加普遍地受益于使用能量回收并可实现高工作电流的紧凑型粒子加速器。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了用于加速带电粒子的射频(RF)腔装置，其包括第一和第二腔臂，第一和第二腔臂具有相应的第一和第二旋转对称轴，以及每个腔臂包括至少一个单元，其中，第一和第二腔臂通过谐振耦合器连接，其中，第一腔臂的一个或更多个单元具有等于第二腔臂的一个或更多个单元的对应轴向尺寸参数的轴向尺寸参数，并且其中，所述第一腔臂的一个或更多个单元具有与第二腔臂的一个或更多个单元的一个或更多个对应非轴向尺寸参数不同的至少一个非轴向尺寸参数。本申请人已经意识到，在第一腔臂和第二腔臂的单元之间具有不同的至少一个非轴向尺寸参数产生腔臂的边界条件的差异，并因此产生每个腔臂的一个或更多个单元的更高阶谐振模式谱的差异。同时，使第一和第二腔臂的单元具有相同的轴向参数导致第一和第二腔臂共享基本模式。本申请人已经意识到，具有共享的基本模式但是不同的高阶模式有利地提高了带电粒子(例如电子)束的稳定性，其当谐振耦合器连接在两个腔臂之间时沿着腔臂的轴线被加速或减速，从而确保相同频率的本征模式的谐振耦合。这将在下面进一步解释。在双臂腔装置中，其中，每个臂的单元是相同的，每个臂的单元不仅共享相同的基本模式，而且共享相同的高阶模式。基本模式的电场通常在单元的轴线附近最强，并且沿着轴线被引导。相比之下，高阶模式(例如偶极子、四极子)可至少部分地横向于轴线被引导和/或可远离轴线而不是在轴线上更强。结果是，在带电粒子束沿腔臂(“加速臂”)的轴线加速时，高阶模式(有时被称为“寄生模式”)可能导致带电粒子束在具有横向于轴线的分量的方向上被加速，从而使带电粒子束的路径偏离。如果带电粒子束被偏离太多，则其可能会散开，即被转储在单元壁上而不是前进至收集器。然而，甚至不会导致束散开的小偏离可能有问题。这是因为当带电粒子束到达其将被减速的另一个腔臂(“减速臂”)时，其路径将偏离该腔臂的轴线。在带电粒子未沿着轴线移动时，当带电粒子减速时，来自带电粒子的大量能量将转移到高阶模式而不是基本模式。因此，由于臂(因此RF模式)被耦合，加速腔臂中的高阶模式的电场强度将增加。因此，被加速的后续带电粒子束将经受来自该高阶模式更大的偏转力，从而导致它们的路径更大地偏离轴线。这可以产生反馈机制，其中，在偏转束将能量馈送为高阶模式时，后续束的偏转变得越来越大。以此方式，高阶模式可致使带电粒子束散开。根据本专利技术，第一腔臂和第二腔臂的单元的边界条件的差异使每个腔臂产生不同的高阶模式谱。因此，谐振耦合器可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于加速带电粒子的射频腔装置即RF腔装置，其包括第一和第二腔臂，所述第一和第二腔臂具有相应的第一和第二旋转对称轴，以及每个腔臂包括至少一个单元，其中，所述第一和第二腔臂通过谐振耦合器连接，其中，所述第一腔臂的一个或更多个单元具有等于所述第二腔臂的一个或更多个单元的对应轴向尺寸参数的轴向尺寸参数，并且其中，所述第一腔臂的所述一个或更多个单元具有与所述第二腔臂的所述一个或更多个单元的一个或更多个对应非轴向尺寸参数不同的至少一个非轴向尺寸参数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.25 GB 1420936.51.一种用于加速带电粒子的射频腔装置即RF腔装置，其包括第一和第二腔臂，所述第一和第二腔臂具有相应的第一和第二旋转对称轴，以及每个腔臂包括至少一个单元，其中，所述第一和第二腔臂通过谐振耦合器连接，其中，所述第一腔臂的一个或更多个单元具有等于所述第二腔臂的一个或更多个单元的对应轴向尺寸参数的轴向尺寸参数，并且其中，所述第一腔臂的所述一个或更多个单元具有与所述第二腔臂的所述一个或更多个单元的一个或更多个对应非轴向尺寸参数不同的至少一个非轴向尺寸参数。2.根据任一前述权利要求所述的腔装置，其中，所述第一和第二腔臂的所述一个或更多个单元之间的多于一个的非轴向尺寸参数不同。3.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中所述非轴向参数或每个非轴向参数选自由以下项组成的组：单元的最大宽度；单元的最大半径；单元的最小宽度；单元的最小半径；以及单元壁的曲率。4.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，所述一个或更多个非轴向尺寸参数为一个或更多个椭圆的主轴和短轴中的一个或更多个，其中，所述椭圆对应于沿单元的轴向剖面的腔壁的部分。5.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，在所述第一腔臂的所述一个或更多个单元的所述非轴向尺寸参数或所述非轴向尺寸参数中的每个和所述第二腔臂的所述一个或更多个单元的所述一个或更多个对应非轴向尺寸参数之间的差异被表示为所述第一腔臂的所述一个或更多个单元的所述非轴向尺寸参数或所述非轴向尺寸参数中的每个的百分数，所述差异为小于约5％、优选小于约3％、更优选小于约1％以及最优选小于约0.5％。6.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，所述轴向尺寸参数为每个单元的长度。7.根据权利要求6所述的腔装置，其中，每个单元具有λ/2的轴向单元长度，其中，λ为所述腔装置的加速或减速模式的波长。8.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，所述第一和第二腔臂的所述一个或更多个单元的所述轴向尺寸参数值被选择成使得支持范围在约100MHz至10GHz、优选在约500MHz至5GHz、更优选约1-2.5GHz以及最优选约1.3GHz内的基本模式。9.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，所述第一和第二腔臂中的每者包括不止一个工作单元。10.根据权利要求9所述的腔装置，其中，所述第一和第二腔臂各自包括相同数量的工作单元。11.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，除了端单元和耦合单元之外，每个腔臂还包括许多工作单元。12.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，所述腔装置被构造成沿所述腔臂中的一者的轴线加速带电粒子，并使带电粒子束沿另一腔臂的轴线减速。13.根据权利要求12所述的腔装置，其中，在所述第一(或第二)腔臂中减速的所述带电粒子束为在所述第二(或第一)腔臂中加速的相同带电粒子束。14.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，所述装置包括用于产生带电粒子束或所述带电粒子束的带电粒子束发生器。15.根据权利要求12、13或14中任一项所述的腔装置，其中，所述带电粒子束包括以下中的一种或更多种：电子、正电子、质子或离子。16.根据权利要求12-15中任一项所述的腔装置，其中，所述带电粒子束由电子构成，并且所述带电粒子束包括多束电子。17.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，所述腔臂中的一者的所述一个或更多个单元被布置成施加RF电场以加速来自发生器或所述发生器的带电粒子束，并且其中，所述另一腔臂的所述单元被布置成施加RF电场以使带电粒子束减速。18.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，所述谐振耦合器被布置成当所述减速的带电粒子束通过所述第一腔臂时回收所述减速带电粒子束的RF能量并将所回收的RF能量转移至所述第二腔臂中，或反之亦然。19.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，所述谐振耦合器包括连接所述第一和第二腔臂的一个或更多个RF波导或耦合单元。20.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，谐振耦合器被构造成强耦合具有相同频率的本征模式，以及弱耦合具有不同频率的本征模式。21.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，所述谐振耦合器包括连接至所述腔臂中的每者的一端的单个耦合单元。22.根据权利要求21所述的腔装置，其中，所述单个耦合单元为跑道形或椭圆形。23.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中所述第一和第二腔臂的所述一个或更多个单元由一个或更多个超导材料形成或涂覆有所述一个或更多个超导材料。24.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，所述谐振耦合器包括由一个或更多个超导材料形成或涂覆有所述一个或更多个超导材料的一个或更多个波导或一个或更多个耦合单元。25.根据权利要求23或24所述的腔装置，其中，所述超导单元和所述一个或更多个超导波导或一个或更多个耦合单元一体地形成或连接在一起。26.根据权利要求25所述的腔装置，其中，所述超导单元和所述一个或更多个超导波导或一个或更多个耦合单元被设置在低温恒温器中。27.根据权利要求26所述的腔装置，其中，在所述低温恒温器中设置带电粒子束发生器或所述带电粒子束发生器。28.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，所述第一和第二腔臂的轴线基本上平行。29.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，耦合单元或所述耦合单元具有垂直于所述第一和第二腔臂的所述轴线的纵向轴线。30.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，能量通过相互作用过程从加速电子束中提取。31.根据权利要求30所述的腔装置，其中，所述相互作用过程包括以下中的一个或更多个：使所述电子束与光子相互作用以通过反康普顿散射产生X射线；使所述电子束通过波荡器或施加交变磁场以产生电磁辐射；将所述电子束引导到目标上以引起发射和/或荧光；并使所述电子束与用于电子衍射或显微镜的样品直接相互作用。32.根据权利要求30或31所述的腔装置，其中，所述电子束用于产生太赫兹辐射或X射线。33.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，所述装置包括光子源。34.根据前述权利要求中任一项所述的腔装置，其中，所述装置包括被布置成使带电粒子束或所述带电粒子束在所述第一腔臂和所述第二腔臂之间基本上转过180°的装置。35.根据权利要求34所述的腔装置，其中，光子源或所述光子源被设置成当在所述加速带电粒子束经过所述腔臂中的一者之后并在进入另一臂之前转过约90°的角度时，提供与加速带电粒子束或所述加速带电粒子束相互作用的光子。36.一种从带电粒子束回收能量的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·科诺利夫，G·伯特，
申请(专利权)人：牛津大学创新公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB