紧凑型回旋加速器的制作方法

发明领域

本发明涉及回旋加速器。具体地，本发明涉及与现有技术的相同能量的回旋加速器相比较具有减小的尺寸和重量的紧凑型等时性扇形聚焦回旋加速器。

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。在等时性回旋加速器中，粒子束以相同的时间行经螺旋路径的每个相继循环或循环的一部分。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)和spect成像(单光子发射计算机断层成像术)的短寿命正电子发射同位素。

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粒子束在回旋加速器中心处或附近引入间隙中。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(参见图4和图5)。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。因此在丘扇块内的间隙中创造强磁场而在谷扇块内的间隙中创造较弱的磁场。这类方位角磁场变化提供了粒子束的径向和竖直聚焦。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、和限定所述间隙的一侧的上表面。上表面由第一和第二侧边缘、外围边缘和中心边缘定界(参见图1(b)和图3)。

为了维持间隙中的真空和为了控制和容纳环绕所述间隙和一对磁极的空间中的磁场，回旋加速器还包括磁轭。磁轭由垂直于中心轴线z的第一和第二基板形成，所述基板彼此通过通量回轭分开。第一和第二基板以及通量回轭一起限定一个室，其中通量回轭形成回旋加速器的外壁并且将线圈外的磁场控制为将其容纳在回旋加速器内。第一和第二磁极容纳在所述室内。第一和第二基板配备有用于使所述室与真空泵流体连通的开口。

通量回轭通常由在垂直于中心轴线z的正中面的水平处连结的两个部分形成，从而使得可以通过将第一基板和通量回轭第一部分与第一磁极一起移动远离第二基板、通量回轭第二部分与第二磁极来打开回旋加速器。通量回轭必须具有最小厚度tv，以便关闭回旋加速器并将间隙外的磁极产生的磁场容纳在回旋加速器内。

回旋加速器是一件重达几十吨的大质量且大体积的设备。当然，这对生产成本以及对回旋加速器的运输和搬运成本具有影响。标准联运集装箱具有约2.4m的宽度和相似的高度，并且更大的集装箱，诸如40’-和45’-型高集装箱，达到约2.7m的高度。为了装在标准联运集装箱中，回旋加速器必须装在小于2.4m(或2.7m)的板条箱中。低能量回旋加速器的尺寸，诸如适合于加速18mev质子的回旋加速器，通常超过标准联运集装箱的大小，其中磁轭直径约2m并且液压系统定位在磁轭外。要求使用非标准集装箱的大体积回旋加速器和大重量回旋加速器一起对回旋加速器的成本和搬运有着不利的影响。

因此本技术领域仍然需要提供一种重量轻且尺寸小的等时性扇形聚焦回旋加速器，以降低生产和运输成本和增强这类回旋加速器的搬运简易性。本发明提出了一种用于显著减小回旋加速器的体积和重量的解决方案。在本发明的详细说明中更详细介绍了本发明的该优点和其他优点。

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使粒子束在包括在间隙内的给定路径上加速的回旋加速器，所述回旋加速器包括：

(a)限定在磁轭内的室，其中，所述磁轭由垂直于中心轴线z并且彼此通过通量回轭分离开的第一和第二基板形成，所述通量回轭限定所述回旋加速器的侧向外壁，

(b)第一和第二磁极，所述磁极位于所述室内并且关于垂直于所述中心轴线z的正中面对称地定位成彼此相对，并且彼此分开所述间隙，并且其中，所述第一和第二磁极中的每一者包括，

(c)具有上表面(3u)的至少n＝3个丘扇块和包括底表面的相同数目的谷扇块，所述丘扇块和谷扇块围绕所述中心轴线z交替地分布，从而使得将所述第一和第二磁极分离开的所述间隙包括丘间隙部分和谷间隙部分，所述丘间隙部分是在两个相对丘扇块的上表面之间限定的并且具有沿所述中心轴线z测得的平均间隙高度gh，所述谷间隙部分是在两个相对谷扇块的底表面之间限定的并且具有沿所述中心轴线z测得的平均谷间隙高度gv，其中gv>gh；

(d)每个谷扇块的底表面是由谷外围边缘限定的，所述谷外围边缘以第一和第二下远端为边界，并且被限定为所述底表面的、位置离所述中心轴线z最远的边缘；

(e)每个谷扇块的所述底表面进一步包括渊开口，所述渊开口延伸通过所述磁轭基板的厚度并且限定高度为ga、是gh的至少五倍大的渊间隙部分，所述渊开口具有垂直于所述中心轴线、由渊周界限定的截面，所述渊周界与所述谷外围边缘分离开沿与所述中心轴线z垂直相交的渊径向轴线lar测得的最短距离lap，并且其中，所述谷外围边缘与所述中心轴线z分离开沿所述渊径向轴线lar测得的距离lv；

(f)所述通量回轭具有随着围绕所述中心轴线的角位置而变化的壁厚，其中，沿每个谷扇块的渊径向轴线lar测得最低壁厚值tv；

其特征在于，每个谷扇块的所述渊周界到谷外围边缘的距离lap乘以所述通量回轭厚度tv的积与所述外围边缘到所述中心轴线z的距离lv的平方的比率(lap×tv)/lv²小于5％、优选地小于3％、更优选地小于2％，最优选地小于1％。

所述渊开口的大小和位置是重要的。优选的是，所述渊开口的直径2ra与沿所述渊径向轴线lra测得的将所述谷外围边缘(4vp)与所述所述中心轴线z分开的所述距离lv的比率2ra/lv包括在45％与60％之间、优选地在48％与55％之间。所述渊开口的直径2ra与所述中心轴线z与渊开口截面的中心之间的距离la的比率2ra/la是la值的至少60％、优选地至少65％、更优选地至少70％，并且其中，所述渊开口的直径2ra优选地包括在240mm与300mm之间。

面向谷的通量回轭的厚度tv也取决于平均谷间隙高度和磁极的大小。具体地，平均谷间隙高度gv乘以通量回轭厚度tv的积gv×tv与外围边缘到中心轴线z的距离lv的平方的比率(gv×tv)/lv²可以小于20％、优选地小于15％、更优选地小于10％。

因为由于渊开口而增强的聚焦效果，所以可以使用比现有技术回旋加速器更浅的谷，就回旋加速器的总体大小和重量而言，这是有利的。例如，丘间隙部分的平均丘间隙高度gh与谷间隙部分的平均谷间隙高度gv的高度比率gh/gv可以包括在8％与20％之间。同时，通过增强的粒子束聚焦，就可以实现比迄今所应用的更窄的间隙。具体地，所述丘间隙部分的平均丘间隙高度gh乘以所述谷间隙部分的平均谷间隙高度gv的高度积与所述外围边缘到所述中心轴线z的距离lv的平方的比率(gh×gv)/lv²小于5％、优选地小于3％、更优选地小于2％。所述丘间隙部分的平均丘间隙高度gh可以包括在20mm与27mm之间、优选地在22mm与26mm之间。谷间隙部分的平均谷间隙高度gv可以包括在100mm与500mm之间、优选地在150mm与400mm之间、优选地在200mm与250mm之间。

一般而言，可以使用更宽的谷，从而使得例如所述谷外围边缘(4vp)的所述第一和第二下远端(3lde)与所述中心轴线z形成谷方位角αv，从而使得所述平均丘间隙高度gh与所述谷方位角的正切值tan(αv)的比率gh/tan(αv)不大于30mm、优选地不大于27mm。具体地，所述谷方位角αv可以大于35°、优选地大于40°、更优选地大于42°，并且还更不超过50°、优选地不超过46°、更优选地不超过45°。

所述通量回轭包括面向室的内表面、和外表面，所述外表面背离所述室并且与所述内表面以所述通量回轭的壁厚分开。在根据本发明的回旋加速器的优选实施例中，包括n＝4或8个丘扇块和相同数目的谷扇块，所述内表面的垂直于所述中心轴线z的截面具有与所述中心轴线z同心的圆形几何形状，并且所述外表面的垂直于所述中心轴线z的截面具有内接于与所述中心轴线z同心的正方形中的几何形状，所述边缘垂直于四个谷扇块的渊径向轴线lar，并且优选地切掉拐角。

更加有成本效益的是如果所述基板、磁极、和通量回轭全都由相同材料制成并且所述基板和通量回轭的多个部分具有沿所述中心轴线测得的相同高度，从而使得可以从同一批材料中制作出回旋加速器结构的所以主要元件。

附图说明

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两个实施例的谷扇块和通量回轭的一部分的俯视图。

图3示出了半个回旋加速器的局部透视图(为了增强可见性，未示出通量回轭中引出粒子的出口)。

图4示出了从磁极的中心区域加速到引出点的粒子所遵循的路径的示意图。

图5示意性地示出了丘间隙部分、谷间隙部分和渊间隙部分(abyssgapportion)中或外的磁场的形状和强度。

详细说明

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。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10mev与26mev之间、更优选地在15mev与21mev之间、最优选地为18mev。这类能量的回旋加速器用于例如生产适合于在pet成像(正电子发射x线断层摄影术)和spect成像(单光子发射计算机断层成像术)中使用的短寿命正电子发射同位素。

如图1(a)中所示，根据本发明的回旋加速器1包括由两个基板5和一起形成轭的通量回轭6形成的室。如图1(a)和图5所示，通量回轭形成回旋加速器的外壁并且将线圈外的磁场控制为将其容纳在回旋加速器内。磁场容纳在回旋加速器内确定了通量回轭6的最小厚度tv，其取决于间隙7外的磁场的强度。

回旋加速器进一步包括位于所述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(c)钢制成并且形成磁系统的一部分。磁系统是通过将由导电材料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包括在所述磁极与通量回轭之间的室的环形空间内来完成。

如图1(b)和图4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)和图4展示了n＝4的优选实施例)。如图1(b)和图3所示，每个丘扇块3(图1(b)中表示为光阴影区域)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围绕中心轴线z径向分布的相同数目n的谷扇块4(图3中表示为阴影区域)。每个谷扇块4侧接两个丘扇块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。如图1(b)和图2中所展示的，谷扇块的底表面进一步包括延伸通过磁轭的整个厚度的渊开口11。需要这类开口来用于将所述室流体地连接至真空泵。如接着将更详细讨论的，本发明中已经利用这类开口的存在来大幅度减小回旋加速器的总体尺寸和重量。

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4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。第一与第二磁极之间的间隙7因此包括：

●丘间隙部分7h，所述丘间隙部分是在两个相对丘扇块3的上表面3u之间限定的并且具有平均间隙高度gh，所述平均间隙高度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，

●谷间隙部分7v，所述谷间隙部分是在两个相对谷扇块4的底表面4b之间限定的并且在所述谷间隙部分内具有平均间隙高度gv，所述平均间隙高度被限定为谷间隙部分在两个相对底表面4b的区域(渊开口11除外)上的平均高度，

●渊间隙部分7a，所述渊间隙部分是在谷扇块的两个相对渊开口之间限定的并且具有大幅度大于gv和gh的平均间隙高度ga。

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渊开口。

如图1(b)和图3中所示，上表面3u由以下各项限定：

●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3ul，所述第一上侧边缘将所述第一上远端与所述第一上近端相连接；

●第二上侧边缘3ul，所述第二上侧边缘将所述第二上远端与所述第二上近端相连接。

应注意，为了清晰性目的，在图1(b)和图3表示的通量回轭6的上边缘处没有示出引出通道。应清楚，如本领域的普通技术人员众所周知的根据本发明的回旋加速器的通量回轭包括允许粒子束离开回旋加速器的引出通道，并且其不需要在此更详细地描述。

丘扇块3进一步包括(参见图3)：

●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。

类似地，谷部分4是由底表面4b限定、两侧侧面与相邻丘部分的侧表面3l相接。谷部分的底表面因此以所述相邻侧表面的下侧边缘3ll、和谷外围边缘4vp为边界，所述谷外围边缘被限定为以所述下侧边缘的下远端3lde为边界的段。谷外围边缘4vp被限定为谷扇块的底表面的、位置离中心轴线z最远的边缘。

渊开口11位于谷部分中，在所述谷部分中，所述渊开口对丘间隙部分中的高磁场破坏最小。如前所述，提供了渊开口以用于将所述室与真空泵流体地连通以便在回旋加速器使用过程中确保所述室中足够的真空水平。然而，根据本发明，给予渊开口以下进一步功能：在粒子束路径12的最外面的循环的水平处控制谷部分中的磁场(参见图5)。出于该原因，至关重要的是渊开口11位置离每个谷的谷外围边缘4vp非常近。渊周界到谷外围边缘4vp的距离lap被限定为沿垂直于并经过中心轴线z的渊径向轴线lar在渊开口11的周界与对应的谷扇块的谷外围边缘4vp之间测得最短距离。渊周界被限定为渊开口在垂直于中心轴线并且包括相邻侧表面3l的下远端3lde的平面上的截面的周界。如果底表面4b在环绕渊开口的区域中是平面的，则渊周界仅是渊开口的形成在底表面与所述开口之间的唇缘。

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。近端是位置离中心轴线z最近的末端。远端是位置离中心轴线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。

侧边缘被限定为将中心边缘的近端连结至外围边缘的远端的边缘。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z具有有限长度(≠0)的经常为圆形的凹线，所述凹线以彼此分开的第一和第二上近端/下近端为边界。这种构型在让出空间来将粒子束引入间隙时是有用的。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，丘扇块也没有一直延伸到中心轴线，让出直接环绕中心轴线的区域以允许插入粒子束。

优选地，如图3中所示，第一和第二侧表面3l是斜切的，从而分别在第一和第二上侧边缘形成斜切面。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。

如图3中所示，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n的对称度情况下，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很大程度上取决于在引出之前粒子必须达到的目标能量和磁场的强度。例如，在18mev质子回旋加速器中，最大距离lh小于750mm，典型地为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中产生磁场的(电)磁体，所述磁场沿着图4和5所展示的、起始于回旋加速器的中心区域的螺旋路径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。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。如图5中用粗箭头所指示的，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b，而如图5中用较细的箭头所指示的在谷扇块内的具有高度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。两个渊开口11之间的具有的高度ga>>gv>gh的渊间隙部分7a中的磁场比在谷间隙部分7v中更弱。

当粒子束被引入回旋加速器中时，在由所谓的定位在谷扇块中的d字形电极(未示出)创造的电场使述所粒子束加速，在所述谷扇块中，磁场较弱。加速粒子每次穿入丘间隙部分7h中(所述丘间隙部分中的磁场由于与前一丘间隙部分相比更高的速度而更强)，其被所述磁场偏移而形成半径比在前一丘间隙部分中更大的基本上圆形的轨道路径。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4中所示。例如，可以通过将加速h^-离子束驱动通过由位于引出点pe的薄石墨片构成的剥离器来引出加速质子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。引出点可以分开使用或者可以同时两个两个地使用。

通过优化多个尺寸已经减小了根据本发明的回旋加速器的重量和大小。然而，本发明的要点在于使得渊开口11向外移动靠近谷扇块的谷外围边缘4vp，以便降低在磁极的谷扇块的外围处的磁场的强度，此处所述磁场正常比更靠近中心轴线z更强，并且不那么均匀。具体地，渊开口11到谷外围边缘4vp的距离可以特征归纳为沿与中心轴线z垂直相交的渊径向轴线lar在渊开口11的外围或唇缘与谷外围边缘4vp之间测得的最短距离lap。根据本发明的回旋加速器中的最短距离lap的值典型地小于50mm、优选地小于30mm、更优选地小于20mm。不应离外围边缘太近以便不在难以精确控制的谷外围边缘处创造磁场的奇异点。lap的值因此优选地为至少1mm、优选地至少5mm。

渊开口到谷外围边缘的最短距离lap的低值大幅度降低在外围处并且从面向谷扇块的方位角区域中的磁极朝外的磁场的强度。面向谷扇块的通量回轭的沿渊径向轴线lar测得的厚度tv可以因此相应地减小。根据本发明，面向谷扇块的通量回轭的最短距离lap和厚度tv被选择成使得每个谷扇块的渊周界到谷外围边缘的距离lap乘以通量回轭厚度tv的积与沿渊径向轴线lar测得的外围边缘到中心轴线z的距离lv的平方的比率(lap×tv)/lv²小于5％、优选地小于3％、更优选地小于2％、更优选地小于1％。通过比较，现有技术18mev回旋加速器可以具有大约8％到11％的比率(lap×tv)/lv²。面向谷扇块的通量回轭6的厚度的减小引起磁轭的重量和尺寸的大幅度减小。

大的渊开口11也是有利的。渊开口通常具有半径ra的圆形截面。如上所限定，如果lv是中心轴线z与谷外围边缘之间沿渊径向轴线lar测得距离，则渊开口的直径2ra优选地包括在lv值的45％与60％之间、优选地在48％与55％之间。在渊开口仅仅用于在室内创造真空的常规回旋加速器中，通常使用大约40％左右的较小直径。和中心轴线z与渊开口截面的中心之间的距离la相比较，2ra优选地是la值的至少60％、优选地至少65％、更优选地至少70％。对于18mev的回旋加速器，渊直径2ra可以包括在240mm与300mm之间。

如果渊开口的截面不是圆形的，则使用水力半径rhyd而非ra，其中，rhyd＝4a/p，其中a和p是渊开口截面的面积和周长。

使得渊开口11定位靠近谷外围边缘4vp还增大当粒子束从渊间隙部分7a进入丘间隙部分7h中时磁场在所述粒子束上的聚焦效果。可以因此减小下外侧边缘与侧边缘之间的丘高度hh，并且在高度聚焦的粒子束情况下，还可以减小丘间隙部分的高度。例如，丘间隙部分的平均丘间隙高度gh与谷间隙部分的平均谷间隙高度gv的高度比率gh/gv(等于gh/(2hh+gh))可以包括在8％与20％之间。在常规深谷回旋加速器中，gh/gv比率可以大致不超过5％，其中hh的值显著更高。所有这些要素有助于大幅度减小回旋加速器的大小和重量。

根据本发明的回旋加速器的丘间隙部分的平均丘间隙高度gh可以包括在20mm与27mm之间、优选地在22mm与26mm之间。谷间隙部分的平均谷间隙高度gv可以包括在100mm与500mm之间、优选地在150mm与400mm之间、优选地在200mm与250mm之间。在低gv值情况下，回旋加速器的总重量减小，因为一方面丘扇块需要更少的材料并且另一方面通量回轭具有平行于中心轴线z测得的对应小的尺寸。与常规扇形聚焦回旋加速器相比较，gh和gv两者都具有低值。例如，丘间隙部分的平均丘间隙高度gh乘以谷间隙部分的平均谷间隙高度gv的高度积gh×gv与外围边缘到中心轴线z的距离lv的平方的比率(gh×gv)/lv²可以小于5％、优选地小于3％、更优选地小于2％。相比之下，常规扇形聚焦回旋加速器可以具有大约6％到8％的比率(gh×gv)/lv²。

因为存在靠近谷外围边缘的渊开口11，所以沿渊径向轴线lar(即，在面向谷扇块的部分处)测得的通量回轭的厚度tv可以减小，尽管两个相对谷扇块的底表面4b分开低的gv值。当预期在分开了短的距离gv的两个磁极的外围处有强磁场，因此需要厚通量回轭时，仅在根据本发明的回旋加速器中创造弱磁场，因为渊开口位置离谷外围边缘是如此之近。例如，平均谷间隙高度gv乘以通量回轭厚度tv的积gv×tv与外围边缘到中心轴线z的距离lv的平方的比率(gv×tv)/lv²可以小于20％、优选地小于15％、更优选地小于10％。现有技术扇形聚焦回旋加速器桐城具有大于40％、甚至大约50％的(gv×tv)/lv²比率。

如图中所示，在优选实施例中，谷外围边缘4vp的第一和第二下远端3lde与中心轴线z形成谷方位角αv，如之前讨论的，对于n＝4个丘扇块和谷扇块，所述谷方位角与丘方位角αv互补。例如，对于n＝4，谷方位角αv可以包括在35°与50°之间、优选地在40°与46°之间、更优选地在42°与45°之间，并且相应地，丘方位角αh可以包括在55°与40°之间、优选地在50°与44°之间、更优选地在48°与45°之间。通过增大谷方位角αv，因此可以减小丘方位角αh并且相应地减小回旋加速器的重量。如之前讨论的，由于渊开口11的高度聚焦效果，丘间隙部分可以具有低丘间隙部分高度gh值。大谷方位角αv与低gh值的组合可以被特征归纳为不大于30mm、优选地不大于27mm的比率gh/tan(αv)。在现有技术扇形聚焦回旋加速器中，比率gh/tan(αv)通常更高并且可以大约在40mm与50mm之间。

如图1(b)中所示，在包括n＝4或8个丘扇块、优选地n＝4个丘扇块的回旋加速器的优选实施例中，通量回轭6包括面向室的内表面、和外表面，所述外表面背离所述室并且与所述内表面以所述通量回轭的壁厚分开。内表面的垂直于中心轴线z的截面具有与中心轴线z同心的圆形几何形状，并且外表面的垂直于中心轴线z的截面具有内接于与中心轴线z同心的正方形中的几何形状。正方形的边缘垂直于四个谷扇块的渊径向轴线lar。该几何形状在通量回轭的面向四个谷扇块的部分产生最小通量回轭厚度tv。优选地切掉正方形的拐角以容纳在正中面mp的水平打开回旋加速器所需的设备(例如，液压、电动、或气动)，并且因此进一步减小回旋加速器的外部尺寸。

通过具有之前讨论的几何形状的、藉由朝谷扇块外产生较低磁场而赋予了可能性的磁轭，就可以生产尺寸和重量大幅度更小的回旋加速器。例如，已经生产根据本发明的18mev的紧凑型回旋加速器，重量比之前产生的相似18mev回旋加速器小约1/3。所述紧凑型回旋加速器可以封装在具有配合在标准多式联运集装箱的板条箱内，这对于之前产生的回旋加速器是不可能的，从而大幅度降低运输成本和难度。

为了更加有成本效益地生产产生更均匀特性的回旋加速器，基板5、磁极2和通量回轭6优选地全都由相同的材料制成。它们优选地全都从单个钢坯或单个钢坯的多个元件机加工出来(即，由单个连续铸造操作生产出来)。基板5和通量回轭6的至少多个部分优选地具有沿中心轴线z测得的相同高度。

丘扇块的上表面3u优选地低于对应的通量回轭部分的上表面，偏移了距离gh/2。如果磁极2搁置在平面基板5上，则磁极的高度应等于对应的通量回轭部分的高度减去gh/2。然而，有时，垂直于第一和第二基板的中心轴线、面向所述室的内表面包括用于容纳第一和第二磁极的凹陷。在这种情况下，所述凹陷不比gh/2更深，从而使得可以使用与通量回轭相同高度的磁极并且因而使得其上表面可以达到所要求的水平。

为了进一步方便回旋加速器的安装和可再生性，第一和第二磁极中的每一者可以由单一整体元件制成，包括从所述整体机加工出来的所有丘扇块和谷扇块。这具有的优点是：在机加工过程中可以以数字方式精确控制丘扇块和谷扇块的相对位置和高度，而不是依赖于将每个丘扇块手动定位在它们在对应基板上的最终位置。

根据本发明的回旋加速器比常规回旋加速器更紧凑且更轻。通过多项优化使这成为可能，但本发明的要点是通过将渊开口定位成非常靠近谷外围边缘4vp来减小从谷部分朝外产生的磁场。最初设计仅仅是为使所述室与真空泵流体连通的渊开口11在此具有以下进一步功能：一方面，当粒子束穿入丘间隙部分7h时使所述粒子束更强聚焦，并且另一方面大幅度减小从谷扇块朝外产生的磁场的强度。这两个效果允许：

●减小沿渊径向轴线lar测得的面向谷扇块的通量回轭的厚度tv，从而允许磁轭的多边形外表面，如图1(b)所展示的；

●减小丘间隙部分高度gh，这引起通量回轭的高度减小；

●减小丘扇块高度hh，这也引起通量回轭的高度减小。

所有这些要素都有助于大幅度减小回旋加速器的大小和重量。本说明书中已经给出了现有技术和本发明18mev能量回旋加速器的实例。应清楚，相同的原理适用于减小不同能量的回旋加速器的大小和重量。