带有无色散直线节的等时性回旋加速器、注入和引出方法技术

本发明专利技术公开了一种带有无色散直线节的等时性回旋加速器，包括分别布设在回旋加速器束流曲线上的注入和引出系统、沿加速器束流曲线方向间隔布设的用于产生至少一组无色散直线节和产生等时性磁场的多个周期性磁铁组件、沿多个周期性磁铁组件之间的无磁场空间内布设的无色散直线节、每个无色散直线节上布设的小孔径高频加速系统；还公开了一种带有无色散直线节的等时性回旋加速器的束流注入方法，设定所需的束流能量范围；选择需要引出的能量；加速器控制器对被引出的能量分配引出时刻，并控制排队引出。本发明专利技术将不同能量不同轨道特征、等时性特征、无色散直线节特征进行有机组合，解决了加速器能量范围内变能量连续引出的新的技术问题。

Isochronous cyclotron with colourless discrete linear segments, injection and extraction methods

【技术实现步骤摘要】
带有无色散直线节的等时性回旋加速器、注入和引出方法
本专利技术属于加速器
，尤其涉及一种带有无色散直线节的等时性回旋加速器、注入和引出方法。
技术介绍
现有的回旋加速器中，不同能量的束流有不同的轨道，即随着束流能量的增加，束流的轨道半径逐渐扩大，直至最终引出能量。此工作原理造成了回旋加速器只可以固定地将最大能量引出，而不可以在束流加速到最大能量之前引出。如若需要其他能量的束流，需要单独安装降能器将引出的束流能量降低，采用降能器虽然可行，但硬件成本大、且降能器采用的仍然是固定能量引出的方法：虽然降能了，但每次只能引出一种能量、且还会使得束流的品质降低。实际应用中，对于回旋加速器能量范围中的任意能量束流引出需求是非常广泛的，不同产品对于质子束流能量要求不同，如果只能引出一种固定能量的质子束流，势必影响质子束的广泛应用，同时，只能服务于单一需求的回旋加速器的和能够服务于多种需求的回旋加速器相比，性价比降低。另外，现有技术的回旋加速器采用不同能量的束流占有不同的轨道的方法，使得束流轨道覆盖了一定的径向宽度，造成高频腔径向长度加大、工艺要求高、加速效率较低。以上所述回旋加速器能量范围的任意能量束流引出需求是指连续性的引出需求、而不是非连续性的引出需求，连续性引出是指在每个束流循环周期内都有束流达到指定能量并引出。在质子加速器应用中，脉冲束流平均功率较低，在核物理研究、同位素生产等应用中难以达到良好效果。连续束具有均匀性好，平均功率高的优点，具有广泛用途，例如临床医疗，连续的质子治疗效果要好于间断的质子治疗效果。非连续的任意能量束流引出称之为脉冲式引出。现有技术的同步加速器虽然能够做到能量范围内的任意能量的束流引出，但不是连续性的引出，其非连续的原因是：同步加速器只有一条轨道，且轨道上设有无色散直线节，每一团束流进入后都只能在同一条轨道的无色散直线节上从低能量加速到被引出能量后才可以被引出，由于从低能量加速到引出能量需要一个等待时间，所以每一次被引出都是不连续的，称之为脉冲式引出，这种脉冲式引出是同步加速器的先天结构所决定的。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出一种带有无色散直线节的等时性回旋加速器、注入和引出方法，目的在于解决现有技术的回旋加速器只能引出一个能量最大值，而不能选择引出能量区间范围的其它能量、或者需要需要安装降能器才能引出所需要的能量问题。本专利技术为解决其技术问题采用以下技术方案一种带有无色散直线节的等时性回旋加速器，其特征在于：包括分别布设在回旋加速器束流曲线上的注入和引出系统、沿加速器束流曲线方向间隔布设的用于产生至少一组无色散直线节和产生等时性磁场的多个周期性磁铁组件、沿多个周期性磁铁组件之间的无磁场空间内布设的无色散直线节、每个无色散直线节上布设的小孔径高频加速系统；粒子由加速器无色散直线节上的注入系统注入，经加速器加速，最后由加速器无色散直线节上的引出系统引出；所述无色散直线节形状为直线、不同能量束团在该无色散直线节上轨道重叠、在无色散直线节以外轨道分离。所述用于产生至少一组无色散直线节的多个周期性磁铁组件，在每个周期性磁铁组件的束流出口、束流入口均为无色散状态，故满足无色散状态的周期性磁铁组件所产生的磁场分布满足：其中β(s)为束流包络函数，ρ为轨道曲率半径，为相位函数，vr为径向工作点。s1与s2为周期性磁铁组件出口、入口位置。所述不同能量束团在该无色散直线节上轨道重叠，该轨道重叠并非同时重叠而为分时重叠，即：不同能量束团在加速器控制器控制下先后依次通过该轨道。所述产生等时性磁场的多个周期性磁铁组件沿轨道平均磁场分布满足所述用于产生等时性磁场的多个周期性磁铁组件为大轨道分离量的磁铁结构，所述大轨道分离量是指每个周期性磁铁组件的束流入口到束流出口这段距离内，最高能量轨道与最低能量轨道之间的距离大，该大轨道分离量的磁铁结构，包括磁极结构、磁气隙结构、励磁线圈；所述磁极结构为开口朝向加速器圆心且磁极竖直方向布设的蹄形结构，且蹄形结构上下两条边为螺旋线，所述蹄形磁极结构沿加速器半径方向的平均宽度为:Tc为束流回旋时间，vmin与vmax为最小能量束流与最大能量束流的速度，Imax与Imin为最小能量束流与最大能量束流的等时性误差；所述大轨道分离量是指随着束流的能量的不断加大、束流所运行的轨道半径也不断加大，高能量与低能量轨道的分离的大小称之为轨道分离量。所述小孔径高频加速系统，其孔径与分时占用该无色散直线节的束团的直径相配合。所述粒子由加速器无色散直线节上的引出系统引出，该引出系统将同一条无色散直线节上由加速器加速过程中产生的不同能量的粒子分时引出。一种带有无色散直线节的等时性回旋加速器的束流注入方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、设在0时刻在加速器无色散直线节注入第一个束团，之后每经过一个束流循环周期Tc后，向该无色散直线节注入一个束团，最终完成k个束团的注入。步骤二、注入完成后，0时刻注入的束团已经达到所需能量，所需能量的束团通过加速器控制系统与引出系统将其在k×Tc时刻引出。一种带有无色散直线节的等时性回旋加速器的束流引出方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、设定所需的束流能量：其中Emin、Emax为束流最小、最大能量，n为加速圈数，k为正整数且k小于等于加速圈数。步骤二、选择步骤一能量范围内需要引出的能量；步骤三、加速器控制器对被引出的能量分配引出时刻，并控制该时刻被引出的能量粒子在无色散直线节轨道中排队引出。步骤四、当前轨道能量级别的束流被引出后，下一圈新的粒子进入当前轨道并且连续排布在当前轨道被引出粒子尾部，新的粒子就是原来低速的粒子被加速到当前所需能量的粒子。本专利技术的优点效果1、本专利技术通过将回旋加速器的不同能量不同轨道特征、回旋加速器的等时性特征、同步加速器的无色散直线节特征进行有机组合，并且将三者之间相互支持、相互依赖，取得了预料不到的效果，组合以后的效果相比组合以前的单独效果要优越得多，解决了加速器能量范围内变能量连续引出的新的技术问题，具有突出的实质性特点。2、本专利技术通过在一个磁铁单元内合理排布强、弱磁场，使得束流轨道在磁铁单元出口、入口的位置与束流能量无关(即消色散),从而形成了无色散的直线节，可以解决回旋加速器只可以固定能量引出的问题，同时由于采用基于直线节的小孔径高频系统相比采用非直线节的等距离大直径高频系统，减少了由于轨道径向宽度引起的高频腔的制造难度。3、本专利技术在保证平均磁场满足实现等时性的同时含有无色散直线节，从而可以采用固定频率的高频系统，采用固定频率的高频系统相对于采用非固定频率的高频加速系统，有效降低了制作难度和制作了成本。附图说明图1为单直线节回旋加速器；图2为双直线节回旋加速器；图3为三直线节辉县加速器；图中：1-1：注入系统；1-2：引出系统；2-1：单直线节周期性磁铁组件；2-2：双直线节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有无色散直线节的等时性回旋加速器，其特征在于：包括分别布设在回旋加速器束流曲线上的注入和引出系统、沿加速器束流曲线方向间隔布设的用于产生至少一组无色散直线节和产生等时性磁场的多个周期性磁铁组件、沿多个周期性磁铁组件之间的无磁场空间内布设的无色散直线节、每个无色散直线节上布设的小孔径高频加速系统；粒子由加速器无色散直线节上的注入系统注入，经加速器加速，最后由加速器无色散直线节上的引出系统引出；所述无色散直线节形状为直线、不同能量束团在该无色散直线节上轨道重叠、在无色散直线节以外轨道分离。/n

【技术特征摘要】
1.一种带有无色散直线节的等时性回旋加速器，其特征在于：包括分别布设在回旋加速器束流曲线上的注入和引出系统、沿加速器束流曲线方向间隔布设的用于产生至少一组无色散直线节和产生等时性磁场的多个周期性磁铁组件、沿多个周期性磁铁组件之间的无磁场空间内布设的无色散直线节、每个无色散直线节上布设的小孔径高频加速系统；粒子由加速器无色散直线节上的注入系统注入，经加速器加速，最后由加速器无色散直线节上的引出系统引出；所述无色散直线节形状为直线、不同能量束团在该无色散直线节上轨道重叠、在无色散直线节以外轨道分离。


2.根据权利要求1所述一种带有无色散直线节的等时性回旋加速器，其特征在于：所述用于产生至少一组无色散直线节的多个周期性磁铁组件，在每个周期性磁铁组件的束流出口、束流入口均为无色散状态，故满足无色散状态的周期性磁铁组件所产生的磁场分布满足：



其中β(s)为束流包络函数，ρ为轨道曲率半径，为相位函数，vr为径向工作点。s1与s2为周期性磁铁组件出口、入口位置。


3.根据权利要求1所述一种带有无色散直线节的等时性回旋加速器，其特征在于：所述不同能量束团在该无色散直线节上轨道重叠，该轨道重叠并非同时重叠而为分时重叠，即：不同能量束团在加速器控制器控制下先后依次通过该轨道。


4.根据权利要求1所述一种带有无色散直线节的等时性回旋加速器，其特征在于：所述产生等时性磁场的多个周期性磁铁组件沿轨道平均磁场分布满足


5.根据权利要求1所述一种带有无色散直线节的等时性回旋加速器，其特征在于：所述用于产生等时性磁场的多个周期性磁铁组件为大轨道分离量的磁铁结构，所述大轨道分离量是指每个周期性磁铁组件的束流入口到束流出口这段距离内，最高能量轨道与最低能量轨道之间的距离大，该大轨道分离量的磁铁结构，包括磁极结构、磁气隙结构、励磁线圈；所述磁极结构为开口朝向加速器圆心且磁极竖直方向布设的蹄形结构，且蹄形结构上下两条边为螺旋线，<...

【专利技术属性】
技术研发人员：边天剑，张天爵，安世忠，王川，李明，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11