用于回旋加速器的极插入件的制作方法

文档序号:12968158阅读:221来源:国知局
用于回旋加速器的极插入件的制作方法与工艺

发明领域

本发明涉及回旋加速器。具体地,本发明涉及等时性扇形聚焦回旋加速器,所述回旋加速器对具有两个磁极的两个相反丘扇块(hillsector)之间产生的磁场具有增强的微调控制。

技术背景

回旋加速器是一种圆形粒子加速器,其中带负电粒子或带正电粒子沿螺旋路径从回旋加速器的中心向外加速直到若干mev的能量。除非另外指明,术语“回旋加速器”在以下内容中用于指等时性回旋加速器。回旋加速器用于各种领域,例如用于核物理、医疗治疗,诸如质子疗法,或用于放射性药物学。具体地,回旋加速器可以用于生产适合于pet成像(正电子发射x线断层摄影术)的短寿命正电子发射同位素、或生产例如用于spect成像(单光子发射计算机断层成像术)的伽马发射同位素(例如,tc99m)。

回旋加速器包括若干元件,包括注入系统、用于使带电粒子加速的射频(rf)加速系统、用于沿着精确路径引导加速粒子的磁系统、用于收集如此加速的粒子的引出系统、和用于在回旋加速器中创造并维持真空的真空系统。

通过注入系统以相对低的初始速度将带电离子组成的粒子束在回旋加速器中心处或附近引入间隙中。如图3中所展示的,该粒子束通过rf加速系统按顺序并且重复地加速并且通过磁系统产生的磁场沿着所述间隙内的螺旋路径朝外引导。当粒子束达到其目标能量时,通过提供在引出点pe的引出系统从回旋加速器中引出所述粒子束。该引出系统可以包括例如由薄石墨片组成的剥离器。例如,穿过剥离器的h-离子失去两个电子并且变为正的。因此,磁场中的它们的路径的曲率改变其符号,并且因此从回旋加速器朝目标引出粒子束。存在本领域的技术人员众所周知的其他引出系统。

磁系统产生磁场,所述磁场沿着螺旋路径引导带电粒子束并使其聚焦,直到其加速到其目标能量。在以下内容中,术语“粒子”、“带电粒子”和“离子”作为同义词无区别地使用。通过缠绕在两个磁极上的两个电磁线圈14在这些极之间限定的间隙中产生磁场。回旋加速器的磁极经常分成围绕中心轴线分布的交替的丘扇块和谷扇块。两个磁极之间的间隙在丘扇块处较小而在谷扇块处较大。因此在丘扇块内的丘间隙部分中创造强磁场而在谷扇块内的谷间隙部分中创造较弱的磁场。这类方位角磁场变化在粒子束每次到达丘间隙部分时使粒子束径向和竖直聚焦。出于此原因,这类回旋加速器有时被称为扇形聚焦回旋加速器。在一些实施例中,丘扇块具有与一份蛋糕类似的圆形扇块几何形状,具有朝中心轴线基本上径向延伸的第一和第二侧表面、总体上弯曲的外围表面、与中心轴线相邻的中心表面、和限定丘间隙部分的一侧的上表面。上表面由第一和第二侧边缘、外围边缘和中心边缘定界。

尤其由于用于磁极的钢的缺陷和/或不均匀性、机加工精度、以及由于不同批次的钢之间的差异,因此难以制造产生完全可预测的磁场的一对磁极。由于这个原因,经常切掉丘扇块的一条侧边缘来容纳侧极插入件。根据校准测试的结果,所述侧极插入件被移除并且加以机加工以修改其上表面和/或其侧表面的形貌,并且将之重新定位到丘扇块上。该操作允许校正实际磁场并且进行重复直到其与目标磁场匹配。包括移除、机加工、和重新定位侧极插入件的这些迭代校正会是时间长且麻烦的。因为必须以完全相同方式对所有丘扇块的侧极插入件进行相同的操作,所以尤其如此。

因此现有技术仍然需要提供一种等时性扇形聚焦回旋加速器来允许容易且有成本效益地将丘扇块之间的丘间隙部分处形成的磁场微调为与其目标特性相匹配。



技术实现要素:

以所附的独立权利要求限定了本发明。在从属权利要求中限定了优选的实施例。

本发明涉及一种用于回旋加速器的磁极,所述磁极包括围绕中心轴线z交替分布的至少3个丘扇块和相同数目的谷扇块,每个丘扇块包括:由以下内容限定的上表面:

●上外围边缘,所述上外围边缘以第一和第二上远端为边界,并且被限定为所述上表面的、位置离所述中心轴线最远的边缘;

●上中心边缘,所述上中心边缘以第一和第二上近端为边界并且被限定为所述上表面的、位置离所述中心轴线最近的边缘;

●第一上侧边缘,所述第一上侧边缘将所述第一上远端与第一上近端相连接;

●第二上侧边缘,所述第二上侧边缘将所述第二上远端与第二上近端相连接;

其特征在于,至少一个丘扇块的上表面进一步包括:

●-凹陷,所述凹陷沿着与所述上外围边缘和所述上中心边缘相交的纵向轴线在近端与远端之间延伸一段长度,所述凹陷在其长度的至少80%上与所述第一和第二上侧边缘分开,以及

●极插入件,所述极插入件具有配合在所述凹陷内的几何形状并且定位在所述凹陷内并且可逆地与所述凹陷联接。

所述凹陷优选地延伸至所述上中心边缘和/或至所述上外围边缘。

所述极插入件的形状是重要的。所述极插入件优选地包括具有棱柱形或平行六面体几何形状的部分。

为了方便将所述极插入件插入所述凹陷中,优选的是与所述极插入件的所述棱柱形部分的纵向轴线垂直的截面是梯形的、侧表面从所述上表面会聚。

出于制造原因,所述极插入件可以具有朝所述中心轴线会聚的近侧部分,所述近侧部分包括整个上中心边缘并且与所述第一和第二侧边缘齐平。

优选地,所述极插入件具有平行于所述纵向轴线测得的长度、和垂直于所述纵向轴线测得的宽度,并且包括插入件上表面和第一与第二侧表面,至少一个表面被结构化有一系列凹陷和突起。这些结构允许校正磁场以获得以数字方式预测的目标特性。

这些凹陷和突起是凹槽和/或孔,所述凹槽横向于或平行于所述纵向轴线并且沿着直线、曲线或折线延伸,所述孔是盲孔或通孔。

这些凹陷和突起可以垂直于所述纵向轴线延伸过所述极插入件的整个宽度。

磁极的丘扇块具有平行于所述中心轴线z在所述上表面与所述谷扇块之间测得的高度hh,并且其中,所述极插入件具有高度,所述高度是平行于所述中心轴线z测得的并且包括在所述丘扇块hh的高度hh的20%与80%之间、更优选地在丘扇块的高度的30%与70%之间、最优选地在40%与60%之间。

所述丘扇块具有在所述第一上远端与所述第二上远端之间测得的方位角长度ah,并且其中所述极插入件的宽度不超过所述丘扇块的所述方位角长度的15%、优选地不超过10%、更优选地不超过5%。

优选地,每个谷扇块包括底表面,并且每个丘扇块包括第一和第二侧表面,所述侧表面被限定为从所述第一和第二上侧边缘横向延伸到位于丘扇块的任一侧的对应谷扇块的底表面,并且分别在所述第一和第二侧边缘处形成斜切面。

优选地,磁极的丘扇块的第一和第二侧边缘是直线。

出于对称性原因,在所述上外围边缘的、位于距离所述第一和第二上远端相等距离+/-10%处、优选地相等距离处的点,所述纵向轴线可以与所述上外围边缘相交。

本发明还涉及一种回旋加速器,所述回旋加速器包括如上所述的第一和第二磁极,其中所述第一和第二磁极被定位成其相应的上表面面向彼此并且关于与所述第一和第二磁极的中心轴线垂直的正中面对称,所述中心轴线是同轴的。

附图简要说明

本发明的这些和进一步方面将通过实例方式并且参考附图进行更详细解释,在附图中:

图1示意性地示出了根据本发明的回旋加速器的(a)侧视剖面图和(b)俯视图;

图2示出了根据本发明的回旋加速器的丘扇块和谷扇块的实例;

图3示出了半个回旋加速器与带电粒子加速路径的局部透视图(为了增强可见性,未示出通量回轭中引出粒子的出口);

图4示出了根据本发明的丘扇块的实例,所述丘扇块包括凹陷;

图5示出了根据本发明的丘扇块的实例,所述丘扇块包括嵌套在凹陷中的极插入件;

图6示出了在机加工之前的极插入件(a)与对应的截面(b)、(c)的实例;

图7示出了在机加工之后的极插入件的实例;

图8示出了根据本发明的丘扇块的另一个实例,所述丘扇块包括丘扇块的经改进的上外围边缘设计;

图9示出了根据本发明的丘扇块的第三实例,所述丘扇块进一步包括梯度校正器。

详细说明

根据本发明的回旋加速器的几何形状

本发明涉及等时性扇形聚焦回旋加速器,下文中称为在以上技术背景部分中讨论的类型的回旋加速器。如图3中所示,根据本发明的回旋加速器使带电粒子沿螺旋路径12从回旋加速器的中心区域向外加速直到它们以若干mev能量被引出。例如,如此引出的带电粒子可以是质子h+、或氘核d+。优选地,引出的粒子达到的能量包括在5mev与30mev之间、更优选地在15mev与21mev之间、最优选地为18mev。具有这类能量的回旋加速器例如用于生产适合于在pet成像(正电子发射x线断层摄影术)中使用的短寿命正电子发射同位素或适合于生产用于spect成像(单光子发射计算机断层成像术)的伽马发射同位素(例如,tc99m)。

如图1中所示,根据本发明的回旋加速器1包括两个基板5和一起形成轭的通量回轭6。通量回轭形成回旋加速器的外壁并且将线圈14外的磁场控制为将其容纳在回旋加速器内。所述回旋加速器进一步包括位于真空室中的第一和第二磁极2,所述磁极关于垂直于中心轴线z的正中面mp对称地面向彼此并且彼此分开一定间隙7。所述轭与磁极全都由磁性材料、优选地低碳钢制成并且形成磁系统的一部分。磁系统是通过将由导电线制成的第一和第二线圈14缠绕在第一和第二磁极上并且配合在所述磁极与通量回轭之间限定的环形空间内来完成。

如图1(b)和图2中所示,第一和第二磁极2中的每一者包括围绕中心轴线z径向分布的至少n=3个丘扇块3(图1(b)展示了n=4的优选实施例)。图1(b)中表示为光阴影区域的每个丘扇块具有在丘方位角αh范围内延伸的上表面3u。第一和第二磁极2中的每一者进一步包括相同数目n的围绕中心轴线z径向分布的谷扇块4,在图1(b)中表示为暗阴影区域。每个谷扇块4两侧是两个丘扇块3并且具有在谷方位角αv范围内延伸的底表面4b,从而使得αh+αv=360°/n。

第一磁极2的丘扇块3和谷扇块4分别面向第二磁极2的相对丘扇块3和谷扇块4。图3中展示的粒子束所沿的路径12包括在将第一磁极与第二磁极分开的间隙7内。第一磁极与第二磁极之间的间隙7因此包括两个相对丘扇块3的上表面3u之间限定的丘间隙部分7h与两个相对谷扇块4的底表面4b之间限定的谷间隙部分7v。丘间隙部分7h具有平均间隙高度gh,被限定为丘间隙部分在两个相对上表面3u的区域上的平均高度。

平均丘和谷间隙高度被对应地测量为丘扇块与谷扇块的整个上表面与下表面上的间隙高度平均值。谷间隙高度的平均值忽略了底表面上的任何开口。

上表面3u由以下各项限定(参见图2):

●上外围边缘3up,所述上外围边缘以第一和第二上远端3ude为边界,并且被限定为上表面的、位置离中心轴线z最远的边缘;

●上中心边缘3uc,所述上中心边缘以第一和第二上近端3upe为边界并且被限定为上表面的、位置离中心轴线最近的边缘;

●第一上侧边缘3ul,所述第一上侧边缘将所述第一上远端与第一上近端相连接;

●第二上侧边缘3ul,所述第二上侧边缘将第二上远端与第二上近端相连接;

丘扇块3进一步包括(参见图2):

●第一和第二侧表面3l,每个侧表面从第一和第二上侧边缘横向地延伸至位于丘扇块的任一侧的对应谷扇块的底表面,从而将第一和第二下侧边缘3ll限定为使侧表面与相邻底表面相交的边缘,所述第一和第二下侧边缘各自具有位置离中心轴线最远的下远端3lde;

●外围表面3p,所述外围表面从上外围边缘延伸到下外围边缘3lp,所述下外围边缘被限定为以第一和第二下侧边缘的下远端3lde为边界的段。

丘扇块的平均高度hh是在下侧边缘与上侧边缘之间平行于中心轴线测得的平均距离。

边缘的末端被限定为对限定所述边缘的端进行限制的两个极端之一。近端是边缘的、位置离中心轴线z最近的末端。远端是边缘的、位置离中心轴线z最远的末端。末端可以是被限定为两条或更多条线相遇的点的转折点。转折点还可以被限定为曲线的切线改变符号或呈现出不连续性的点。

边缘是两个表面相遇的线段。边缘如以上所限定的以两端为边界,并且限定两个相遇的表面中的每个表面的一边。由于机加工工具的局限性原因、以及为了减少应力集中,两个表面经常以给定的曲率半径r相遇,这使得难以精确限定边缘与两个表面相交的几何位置。在这种情况下,边缘被限定为与外推为以无限曲率(1/r)彼此相交的两个外推表面相交的几何线。上边缘是与丘扇块的上表面3u相交的边缘,并且下边缘是与谷扇块的底表面4b相交的边缘。

外围边缘被限定为表面的包括位置离中心轴线z最远的点的边缘。如果最远点是两条边缘共享的转折点,则外围边缘还是表面的、距离中心轴线z的平均距离最大的边缘。例如,上外围边缘是上表面的包括位置离中心轴线最远的点的边缘。如果将丘扇块比作一份水果蛋糕,外围边缘将是水果蛋糕的外围外皮。

以类似的方式,中心边缘被限定为表面的包括位置离中心轴线z最近的点的边缘。例如,上中心边缘是上表面的包括位置离中心轴线z最近的点的边缘。

侧边缘被限定为将近端处的中心边缘连结至远端处的外围边缘的边缘。侧边缘的近端因此是所述侧边缘的与中心边缘相交的末端,并且所述侧边缘的远端是所述侧边缘的与外围边缘相交的末端。

取决于回旋加速器的设计,上中心边缘/下中心边缘可以具有不同的几何形状。最常见的几何形状是相对于中心轴线具有有限长度(≠0)的经常为圆形的凹线(或凹曲线),所述凹线以彼此分开的第一和第二上近端/下近端为边界。这种构型在清空空间来引入粒子束与其他元件的间隙时是有用的。在第一替代性构型下,第一和第二中心近端合并成单个中心近点,从而形成上表面3u的顶点,所述顶点仅包括三条边缘,中心边缘具有零长度。如果再次将丘扇块比作一份水果蛋糕,则这份的尖头将与如此减小为单个点的中心边缘相对应。在第二替代性构型下,从第一侧边缘到第二侧边缘的过渡相对于中心轴线z可以是弯曲凸面,从而产生没有任何转折点的平滑过渡。在这种构型下,中心边缘也减小成单个点,所述单个点被限定为切线改变符号的点。通常,甚至在第一和第二替代性构型下,丘扇块没有一直延伸到中心轴线,让出直接环绕中心轴线的中心区域以允许插入粒子束或安装其他元件。

如图2中所示,第一和第二侧表面3l优选地是斜切的,从而分别在第一和第二上侧边缘形成斜切面3ec。斜切面被限定为通过切掉已经由不存在斜切面的两个表面形成的边缘而获得两个表面之间的中间表面。斜切面减小了在两个表面之间的边缘处形成的角。斜切面经常使用在机械器件中以用于减小应力集中。然而,在回旋加速器中,在丘扇块的上表面的水平的斜切侧表面在粒子束到达丘间隙部分7h时增强粒子束的聚焦。丘扇块的外围表面3p也可以在上外围边缘处形成斜切面,其改进了外围边缘附近的磁场的均匀性。

根据本发明的回旋加速器优选地包括n=3到8个丘扇块3。更优选地,如在图中所展示的,n=4。对于n的偶数值,丘扇块3和谷扇块4必须围绕中心轴线根据2n的任意对称性分布,其中n=1到n/2。优选地,n=n/2,使得所有n个丘扇块彼此完全相同,并且所有n个谷扇块彼此完全相同。对于n的奇数值,丘扇块3和谷扇块4必须围绕中心轴线根据n的任意对称性分布。在优选实施例中,对于所有n=3-8(即根据n的对称性),n个丘扇块3围绕中心轴线均匀分布。第一和第二磁极2被定位成它们相应的上表面3u面向彼此并且关于与同轴的第一和第二磁极2的相应中心轴线z垂直的正中面mp对称。

丘扇块的形状与一份水果蛋糕(经常如之前所讨论的,其中没有尖端)一样经常是楔形的,其中第一和第二侧表面3l从外围表面朝中心轴线z会聚(通常没有够到所述中心轴线)。丘方位角αh与在侧表面的(外推)上侧边缘的、在中心轴线z处或与其相邻的相交点的水平测得的会聚角相对应。丘方位角αh优选地包括在360°/2n±10°之间、更优选地在360°/2n±5°之间、最优选地在360°/2n±2°之间。

在中心轴线z的水平测得的谷方位角αv优选地包括在360°/2n±10°之间、更优选地在360°/2n±5°之间、最优选地在360°/2n±2°之间。谷方位角αv可以等于丘方位角αh。在对称度n的情况下,αv=360°/n-αh,例如,对于n=4,αv是αh的余角,其中αv=90°-αh。

中心轴线与外围边缘之间的最大距离lh优选地包括在200mm与2000mm之间,更优选地在400mm与1000mm之间、最优选地在500mm与800mm之间。对于18mev的质子回旋加速器,最大距离lh通常小于750mm,并且可以是大约500mm到750mm、典型地是520mm到550mm。上外围边缘具有在第一与第二上外围端之间测得的方位角ah,并且可以接近于ah=lh×αh[rad]。

两个磁极2和缠绕在每个磁极上的电磁线圈14形成在磁极之间的间隙7中产生磁场的(电)磁体,所述磁场沿着图3所展示的、起始于回旋加速器的中心区域(围绕中心轴线z)的螺旋路径12引导并聚焦带电粒子束(=粒子束),直到其达到例如18mev的目标能量,从而引出所述带电粒子束。如之前所讨论的,磁极经常分成围绕中心轴线z分布的交替的丘扇块和谷扇块。因此在丘扇块内的具有平均高度gh的丘间隙部分7h中创造强磁场,而在谷扇块内的具有平均高度gv>gh的谷间隙部分7v中创造较弱的磁场,从而创造粒子束的竖直聚焦。

当粒子束被引入回旋加速器中时,在称为d字形电极(未示出)的高压电极与附接至磁极的侧边缘上、定位在谷扇块中的地电压电极之间创造的电场使所述粒子束加速,在所述谷扇块中,磁场较弱。每次加速粒子穿入丘间隙部分7h时,所述加速粒子比其在前一个丘扇块中具有的更高的速度。丘扇块中存在的高磁场使加速粒子的轨迹偏离以沿着具有的半径比其在前一个丘扇块中所沿半径更大的基本上圆形路径。一旦粒子束已经加速到其目标能量,则在被称为引出点pe的点从回旋加速器引出所述电子束,如图3中所示。例如,可以通过将加速h-离子束驱动通过由薄箔石墨片组成的剥离器来引出能量质子h+。经过剥离器的h-离子失去两个电子并且变为正h+。通过改变粒子电荷符号,磁场中的其路径的曲率改变符号,并且因此从回旋加速器朝目标引出粒子束(未示出)。本领域的技术人员已知其他引出系统并且所使用的引出系统的类型和细节对于本发明而言不是必不可少的。通常,引出点位于丘间隙部分7h中。回旋加速器在同一丘部分中可以包括若干引出点。因为回旋加速器的对称性要求,有多于一个丘扇块包括引出点。对于n的对称度,所有n个丘扇块包括相同数目的引出点。引出点可以单独(一次仅一个)或同时(一次若干个)使用。

极插入件

图1和图3示出了包括n=4个丘扇块和n=4个谷扇块的回旋加速器的磁极的优选实施例的实例,所述丘扇块和谷扇块围绕中心轴线z根据n=4的对称性交替地分布。图2和图4示出了这类磁极的一个丘扇块,其中,每个丘扇块3包括如上限定的上表面3u,所述上表面以上外围边缘3up、上中心边缘3uc、与第一和第二上外边缘3ul为边界。根据本发明,至少一个丘扇块的上表面进一步包括:

-凹陷8(图4),该凹陷沿着与上外围边缘和上中心边缘相交的纵向轴线8rl在凹陷近端8rpe与凹陷远端8rde之间延伸一段长度l8,所述凹陷在其长度l8的离中心轴线z最远的至少80%上与第一和第二上侧边缘分开,以及

-极插入件9(图5),该极插入件具有配合所述凹陷的几何形状并且定位在所述凹陷内并且可逆地与其联接。

术语“配合”是指极插入件具有能够精确插入嵌套在所述凹陷内的总体形状。

因为对n的偶数值的2n的对称性要求和对n的奇数值的n的对称性要求,相同的对称性必须适用于这些不同丘扇块上存在或不存在情况极插入件的。因此,每个丘扇块优选地包括相似的凹陷和极插入件。

在包括极插入件的现有技术回旋加速器中,极插入件定位在从丘扇块的上表面的侧边缘机加工出的凹陷中。然而,rf加速系统的与上侧边缘区域重叠的部分使得难以触及到这类极插入件。触及到这类极插入件要求首先移除rf系统的重叠部分。极插入件通常位于上表面的边缘处,因为相信其将最低限度地干扰丘间隙部分中的整个磁场。

观察到可以通过将极插入件定位在丘扇块的上表面上远离侧边缘并且远离地电压电极来高效地控制丘间隙部分中的磁场。通过如此将极插入件定位在上表面上,可以容易且直接触及到所述极插入件,以便移除、机加工和重新插入凹陷中。根据本发明,因此达到产生预测磁场和粒子路径的最佳极插入件形貌更加容易且高效。

优选地,所有极插入件具有相同的形状并且由相同的材料制成。优选地,极插入件由与对应的丘扇块相同的材料制成。

当回旋加速器离开生产线时,对所述回旋加速器进行测试并且将如此测试的实际特性与以数字方式预测的目标特性相比较。然后根据计算机分析的结果修改极插入件的几何形状,直到回旋加速器的实际特性与预测的目标特性相匹配。在每次测量回旋加速器的特性之后,从回旋加速器中移除极插入件并且按照计算机分析确定的进行机加工。机加工的极插入件嵌套在其相应的凹陷中,并且再次测试回旋加速器。可以按迭代顺序重复该过程,直到回旋加速器的实际特性如所期望。

优选地,凹陷沿着与中心轴线相交的纵向轴线延伸。凹陷的近端可以延伸到上中心边缘并且在那打开和/或凹陷的远端可以延伸到上外围边缘并且在那打开。如图4所示,凹陷优选地在两端是末端开放的并且从上中心边缘一直延伸到上外围边缘。在又一个优选实施例中,纵向轴线在位于距离第一和第二上远端相等距离的点处与上外围边缘相交,并且其中,第一和第二上远端优选地关于纵向轴线对称。例如,除了与中心边缘相邻的近侧部分9p外,极插入件具有总体上平行六面体的几何形状,如图6(a)中所展示的。

在凹陷在上中心边缘是末端开放的情况下,极插入件的近端包括上中心边缘。丘扇块的该部分是丘扇块的最窄部分,当然,尤其是在近侧边缘减小到单个点的情况下。极插入件的近端因此包括:替换丘扇块的上中心边缘的全部或一部分的上近侧边缘;以及不超过沿纵向轴线测得的极插入件长度的20%的第一和第二近侧表面,所述第一和第二近侧表面替换丘扇块的第一和第二侧表面的一小部分。因为第一和第二侧表面朝中心轴线会聚,所以极插入件的第一和第二近侧表面因此形成会聚部分。

在凹陷延伸到上外围边缘并且在那是末端开放的情况下,极插入件9dc的远端形成上外围边缘的一部分。上外围边缘的由极插入件形成的部分优选地不超过上外围边缘的长度的ah的10%、更优选地不超过5%。优选地,该远端在外围表面处形成斜切面。

如图5中所示,极插入件9嵌套在所述凹陷中并且可逆地紧固到对应的丘扇块上。例如,所述极插入件可以使用螺钉9s联接至丘扇块。

极插入件9具有平行于纵向轴线测得的长度l9、垂直于所述纵向轴线测得的宽度w9和垂直于纵向轴线和宽度测得的高度h9。优选地,极插入件的长度l9等于凹陷的长度l8。

极插入件的宽度w9不超过上外围边缘的长度ah的15%、更优选地不超过10%、最优选地不超过5%。

极插入件的高度h9是平行于中心轴线测得的,并且小于或等于丘扇块的高度hh,h9≤hh。优选地,高度h9包括在丘扇块的高度hh的20%与80%之间、更优选地在30%与70%之间、最优选地在丘扇块的高度hh的40%与60%之间。

如图6(a)和图7中所展示的,极插入件具有插入件上表面9u。该插入件上表面优选地至少平行于丘扇块的包括凹陷的上表面,并且例如可以至少部分与上表面齐平。极插入件还包括从插入件上表面横向延伸的第一和第二插入件侧表面9l。在为优化回旋加速器的特性进行机加工之前,极插入件优选地与其所紧密配合于其中的通道的几何形状匹配、插入件上表面与丘扇块的上表面齐平。如图6(b)所示,插入件侧表面、以及凹陷的侧壁可以彼此平行和垂直于插入件上表面延伸。在图6(c)所展示的替代性实施例中,第一和第二插入件侧表面稍微成锥形、从插入件上表面会聚。在凹陷的匹配锥形侧壁情况下,这允许将极插入件更容易地从凹陷中移除和插入其中。

如之前讨论的,极插入件沿着纵向轴线在其长度l9的80%范围内优选地具有棱柱几何形状,长度为l9p的会聚近侧部分9p除外。垂直于棱柱形部分的截面c9优选地是梯形的,侧表面从上表开始会聚。极插入件的形成达到长度l9的20%的近侧部分优选地包括朝极插入件近侧边缘9pe会聚并且与丘侧边缘3l齐平并且与其续接的第一和第二侧表面。如果丘上表面3u与丘侧表面之间的脊是斜切的,则凹陷的近侧部分的对应脊也可以是斜切的。

例如,如果极插入件的宽度w9包括在15mm与150mm之间,极插入件的长度l9可以包括在400mm与800mm之间,并且极插入件的高度h9可以包括在15mm与150mm之间。极插入件的长度与极插入件的近侧部分的长度的比率l9p/l9≤20%。

在回旋加速器测试过程中,可以将插入件上表面和/或插入件侧表面机加工为在其上应用具有一系列凹陷和突起的结构,以便校准磁场和因此使实际磁场与目标场匹配。如以上讨论的,插入件表面的结构(凹陷和突起)的最佳几何形状由测试和数字计算的迭代来确定。

在该迭代过程结束时,修改极插入件的表面的形貌。如图7中所展示的,可以机加工插入件上表面9u和/或第一和第二侧表面9l的形貌以形成上表面的或侧表面的横向于或平行于纵向轴线的凹槽9gu、9gl。所述凹槽可以沿直线、曲线或折线延伸。可替代地,可以透过所述表面钻出孔9hu、9hl。所述孔可以是盲孔(即,具有有限深度)或者可以是通孔。如之前解释的,出于对称性原因,每个丘扇块包括极插入件,磁极的所有极插入件必须具有相同的最终形貌。极插入件可以单独地机加工或者并排对齐并且所有的在一起机加工。机加工后的极插入件的所得外貌可以与机加工之前其外壳显著不同(参见图6和图7)。

本发明较现有技术解决方案非常有利,因为可以比迄今可能的更容易地移除和重新插入极插入件。接下来是在给定时间内进行更多迭代,从而产生比现有技术回旋加速器表现更接近其目标的有成本效益的回旋加速器。

图8示出了根据本发明的回旋加速器的磁极的优选实施例的实例。在该实施例中,上外围边缘3up以第一和第二上远端为边界,并且丘扇块的上外围边缘包括圆弧3ac,所述圆弧的中心相对于中心轴线偏移、并且半径rh不超过从中心轴线到上外围边缘的中点的距离lh的85%(rh/lh≤85%),所述中点到第一和第二上远端的距离相等。

优选地,半径rh与距离lh的比率rh/lh不超过75%(rh/lh≤75%)、更优选地不超过65%(rh/lh≤65%)。

具有的上外围边缘包括其中心相对于中心轴线偏移的圆弧的目的是至少使得上外围边缘的一部分与螺旋路径12的在回旋加速器的丘间隙部分7h中的最高能量(=最后的)轨道相位似近似。“与所述轨道相位似近似”是指上外围边缘的圆弧部分与和引出点相邻的最后粒子轨道两者均是共享同一中心、具有不同半径的圆弧。所述圆弧因此大致平行于所述最后轨道的紧邻引出点并且在其上游的部分。引出轨道的路径的长度和轨道与上外围边缘之间的角变得不取决于引出系统(例如,剥离器)的方位角位置。因此,引出的束的特征(几乎)不取决于引出点的位置。

优选地,所述圆弧从上外围边缘的第一上远端延伸到第二上远端,从而限定丘扇块的整个外围边缘,并且所述圆弧的中心位于上表面的平分线上,所述平分线被限定为将中心轴线与上外围边缘连结的直线。

优选地,外围表面形成与上外围边缘相邻的斜切面。

如之前所述,回旋加速器使粒子束在给定路径上加速,直到可以将具有给定能量的粒子束从回旋加速器驱动出去的第一引出点为止。有利地,丘扇块可以包括多于一个引出点,例如两个。两个磁极的相对于正中面mp相反的两个丘扇块的上外围边缘的圆弧部分平行于就在第一引出点上游的给定路径部分并且位似地重现所述部分。所述圆弧在整个外围边缘上与所述部分给定路径共享同一中心并且与之平行。术语“上游”和“下游”是相对于粒子束方向限定的。

当粒子束已经达到其目标能量时,所述粒子束在引出点引出并且然后所述粒子束遵循所述引出点下游的引出路径。该引出路径的一部分位于第一和第二磁极之间并且因此仍然包括在丘间隙部分内并且受到磁场影响。如果这对相对的丘扇块包括第一和第二引出点,则可以在第一引出点或第二引出点、或在两个引出点处引出粒子束。粒子束然后沿着第一或第二引出点下游的第一或第二引出路径。根据本发明的上外围边缘的至少一部分的圆形几何形状的情况下,包括在第一引出点下游的间隙内的引出路径长度l1、和包括在第二引出点下游的间隙内的引出路径长度l2基本上相等。

在第一和第二引出点具有相同引出路径长度的主要优点是确保了从一个引出点引出的粒子束具有与从第二引出点引出的粒子束相似的光特性。

图9示出了根据之前讨论的前面的实施例的回旋加速器的磁极的优选实施例的实例。在该实例中,每个丘扇块进一步包括如上限定的第一和第二侧表面3l、外围表面3p。至少一个丘扇块的上表面的上外围边缘3up包括通过相对于中心轴线的凹形部分分开的2个凸形部分,从而限定部分地在对应的丘扇块的外围表面上延伸的凹陷10。

术语“凹形的”是指内弯曲或向内凹陷。相对于边缘的中心轴线的凹形部分是边缘的朝中心轴线弯曲的部分。该术语与指从轴心轴线弯曲出去或朝外延伸的术语“凸形的”相反。

优选地,上外围边缘3up包括第一和第二凹陷远点10rdp,所述从凹陷远点限定凹陷的边界并且被限定为上外围边缘的切线改变符号或呈现出不连续性的点。第一和第二凹陷远点彼此分开距离l10。所述凹陷还包括凹陷近点10rpp,所述凹陷近点被限定为位置离中心轴线z最近的凹陷点的。第一和第二凹陷远点10rdp通过第一和第二凹陷会聚边缘10rc连结凹陷近点10rpp。凹陷深度h10被限定为由第一和第二凹陷远点10rdp与凹陷近点10rpp形成的、并且经过凹陷近点10rpp的三角形的平均高度。

优选地,第一和第二凹陷远点之间的距离l10范围在上外围边缘的方位角长度ah的5%与50%之间、优选地在10%与30%之间、最优选地在15%与20%之间。

凹陷深度h10包括在上外围边缘的方位角长度ah的3%与30%之间、优选地在5%与20%之间、更优选地在8%与15%之间。

优选地,所述凹陷还平行于中心轴线z在外围表面3p上从上外围边缘3up朝下外围线3lp延伸。所述凹陷因此在外围表面上延伸过外围表面高度的一部分ζ,该部分是平行于中心轴线在上外围边缘与下外围边缘之间测得的。所述部分ζ优选地包括在25%与100%之间、优选地在40%与75%之间、最优选地在45%与55%之间。

在现有技术回旋加速器中,使用突出式梯度校正器。突出式梯度校正器具有若干缺点:

●增大了真空室的体积,

●增大了轭的和整个回旋加速器的体积,

●增加了回旋加速器的重量,

●必须手动完成的梯度校正器精确定位困难,

●磁场向外偏移。

使用凹陷式梯度校正器代替突出式梯度校正器具有若干优点。首先,其允许减小容纳磁极的真空室的大小,从而引起从真空室排出气体所需的能量减少并且减少气体排放的时间。第二,因为一方面丘扇块的重量略微减轻而不是增大并且另一方面通量回轭的内表面的总直径减小,所以回旋加速器的总重量减小。第三,可以通过数控机加工来精确制造和定位凹陷的位置,从而允许优化粒子束穿过丘扇块的外围边缘所成的角度。第四,当突出式梯度校正器使磁场向外偏离时,通过凹陷式梯度校正器使磁场向内凹陷,从而引起粒子路径的最后循环向内移位,进一步远离丘扇块的外围边缘,此时与接近外围边缘相比,磁场更均匀。因此,控制引出粒子束的特性、并且特别是其聚焦更容易且更可预测。这种朝加速区域的偏离还允许减少馈送到线圈的功率。

优选地,凹陷通常是楔形的,其中第一和第二凹陷会聚边缘是直(或稍微向内或向外弯曲)线。楔形的尖端对应于凹陷近点和朝中心轴线的总方向上的点。会聚角θ在楔形的尖端处优选地包括在70°与130°之间、更优选地在80°与110°之间、最优选地为90°±5°。在此使用的表述“向内”和“向外”应分别理解为“朝向”或“远离”中心轴线。

凹陷的位置可以与第一和第二侧边缘分离开,或者与第一或第二侧边缘相邻。优选地,丘扇块包括与侧边缘分开的至少一个凹陷。

更普通地,楔形凹陷的会聚部分可以具有以下几何形状之一:

●形成三角形凹陷的尖锐拐角,与之前讨论的楔形凹陷相对应;

●形成梯形凹陷楔子的直边缘;或

●圆化边缘的楔形。

优选地,引出点位于与一对相对丘扇块的外围边缘相邻的丘间隙部分内。凹陷位于所述第一引出点下游,其中下游是相对于粒子束方向限定的。相对于引出点并且相对于引出路径精确机加工凹陷,使得粒子束以90°±15°的角与第一会聚凹陷边缘相交,所述第一会聚凹陷边缘被限定为将第一凹陷远点10rdp连结至凹陷近点10rpp的边缘。粒子束因此基本上垂直于磁场离开丘扇块,以便改进出射粒子束的聚焦。凹陷的位置和几何形状是通过数字计算和/或测试确定的。

总之,本发明提供了以下优点:容易且直接触及到插入件以便移除、机加工和重新插入到凹陷中。通过本发明,因此达到产生预测磁场和粒子路径的最佳插入件形貌更容易且高效。

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