专利名称：能够对至少两种粒子进行加速的回旋加速器的制作方法
技术领域：
本发明涉及回旋加速器领域，尤其涉及能够对具有不同荷(q)/质(m)比的多种 带电粒子(例如，质子(q/m比等于I)、阿尔法粒子(q/m比等于1/2)或氘核(q/m比也等于 1/2))进行加速的回旋加速器。
背景技术：
从文献W08606924来了解回旋加速器。参照该文献的图2，这样的回旋加速器包 括通常被称为D形电极(dee)的加速电极28，各加速电极28与通常被称为内杆(stem)的 垂直柱形物29耦合。所述D形电极28和所述内杆29被导电罩包围，它们一起形成了谐振腔。
通常，RF电源激励谐振腔，并且带电粒子连续通过由带有不同电势的扇极 (sector)和D形电极构成的加速间隙使所述粒子加速。所施加的RF电压的频率必须等于 “回旋加速器频率”，该频率由以下等式表示
其中，q是被加速粒子的电荷，m是其质量，并且il是垂直于粒子循环的中间平面 的主磁场。
回旋加速器还可以在谐波模式下工作在这样的情况下，当粒子在D形电极内侧 循环的同时，RF电压发生数次振荡。
在这些已知腔的情况下，其中一个腔存在在一端被D形电极电容充电而另一端被短路的4谐振器。柱形物形成轴向传输线，该柱形物的性质基本类似于旨在补偿D形电极 4的电容性阻抗以使无功RF功率最小化的电感。根据回旋加速器的构造，腔相对于粒子循环 的中间平面非对称地或者对称地布置。在不对称拓扑结构的情况下(本申请的图la)，构成 D形电极的两个板互相机械连接且电连接，并且仅构成由柱形物支撑的一个单元。在对称拓 扑结构的情况下(本申请的图lb)，下方柱形物和上方柱形物分别支撑下半部D形电极和上 半部D形电极。一旦关闭回旋加速器，下半部D形电极和上半部D形电极在它们周边的某 些地方互相电连接。
如图1a所示意性表示的，D形电极属于谐振腔5。该腔包括D形电极10本身、垂 直圆柱体20和导电罩40。图1c示出了腔的等效电路，其中，电感L表示柱形物20，而电容 C是在D形电极10和导电罩40之间的空间的位置处形成的电容。这样的并联LC电路的谐 振频率由以下表达式给出
在磁场i不变的情况下，为了能够在回旋加速器中对具有不同q/m比的多种粒子 进行加速，提出以下两种方案
a)在保持相同的RF频率的同时，使用不同的谐波模式，b)在改变RF频率的同时，使用相同的谐波模式。第一方案存在以下缺点· 回旋加速器的中央区域的复杂性增加， 在高电流处，机器内部的束流损失将导致机械部件的活化。另一方面，第二方案存在以下优点 至少在低能量的第一转中，不同质量的粒子将具有相同的定心，由此将沿类似轨 较少束流损失，由此减少位于束流轨道附近的机械部件的活化， 对于q/m比等于I的粒子，每转增益更好， 等时性更好。该第二方案的实现促使能够改变由D形电极、柱形物和导电罩构成的腔的谐振频率。这样的方案已经由 M. Eiche 等人(“Dual Frequency resonator systemforacompact cyclotron，，，Proc. XIII Intern. Conf. on Cyclotrons and Their Applications, (World Scientific,Singapore,1992,p.515)> P. Lanz 等人(“Adual Frequency Resonator”, Proceedings of thel993IEEE Particle Accelerator Conference, 17-20May 1993, Washington, DC; 15th IEEE Particle Accelerator Conference, p. 1151)、以及Miura Iwao 等人(“Accelerating Resonance Cavity”，JP07-066877B，1995)提出了。
前面两个作者通过利用由活塞驱使的、且旨在改变谐振器长度的滑动式短路来实现RF频率的改变。最后一个作者借助于旋转90°的移动板来实现RF频率的改变，这改变了电极的电容，从而改变了谐振频率。
谐振频率的改变需要相对复杂且昂贵的RF结构，这增加了可靠性问题。实际上， 现有技术的装置存在如下所列出的许多缺点
a.对于移动短路
-因为活塞对谐振器的壁施加了相当大的摩擦力，所以活塞的尺寸与短路的尺寸相关联；
-在频率变化期间，短路的重复线性移动造成磨损。从长远来看，接触点和/或接触点在上面滑动的壁二者的表面质量的下降会导致出现更多电阻点(resistive point), 由于RF电流穿过电阻点，所以会导致局部增温；
-当短路在壁上施加的压力不再充分时，短路被完全破坏。情况是接触电阻对于要被传输的RF电流而言变得太大，这会引起温度上升，该温度上升可能导致接触点熔化。
b.对于移动板
-板的旋转轴需要穿过回旋加速器的真空部，以确保所述轴连接到活塞或连接到对其进行驱动的引擎。如果引擎被容纳在真空中，不过它们将必须被馈电，这需要电缆向外穿出。
-由于大量的RF电流穿过该移动电容，所以在低频时腔的品质因数很差。频率的稳定性也会成问题。发明内容
本发明的目的是至少部分地解决上述困难。
根据第一方面，本发明涉及用于在回旋加速器中对带电粒子进行加速的谐振腔， 该谐振腔包括D形电极、柱形物以及至少部分包围所述柱形物和所述D形电极的导电罩，所 述柱形物的一端支撑所述D形电极，由此所述导电罩和所述柱形物形成传输线，其特征在 于，所述柱形物的相反端附接到所述导电罩的底部，并且所述传输线的位于所述柱形物的 上述两端之间的中间部分的线电容实质上大于所述传输线的其他部分的线电容。
当说到柱形物的相反端附接到导电罩的底部时，必须理解的是，柱形物的上述相 反端被机械固定到罩的底部并且以固定方式电连接到罩的底部。柱形物由此在其两端之间 呈现出固定物理长度。由于导电罩也具有固定的物理长度，所以由罩和柱形物形成的传输 线具有固定长度，由此具有固定电感。
这样的构造使得腔可以根据两种不同模式(例如，4模式和#模式)而谐振，由此44产生两种不同的RF频率，而无需必须使用诸如滑动短路或移动板的移动组件，这解决了许 多上述问题。
优选地，所述传输线的所述中间部分的线电容比所述传输线的另一部分的线电容 大两倍。在更优选的方式中，所述传输线的所述中间部分的线电容比所述传输线的另一部 分的线电容大十倍。
在更优选的方式中，所述传输线的所述中间部分的特性阻抗与所述传输线的其他 部分的特性阻抗使得所述腔能够根据两种模式谐振，从而以大致双倍比产生两种不同的频 率。对于“大致双倍”，必须理解频率比在1. 7(17/10)和2. 3(23/10)之间。这样的腔实际 上使得可以在相同的回旋加速器中对q/m比值为2的粒子(如质子和阿尔法粒子，或质子和 氘核)进行加速。
在更优选的方式中，所述柱形物包括多个叠置的圆柱体，这些圆柱体中的一个圆 柱体相当于所述传输线的上述中间部分并且具有大致比其他圆柱体中的一个圆柱体的平 均直径大的平均直径。另选地或结合地，所述导电罩包括多个叠置的中空圆柱体，这些中空 圆柱体中的一个中空圆柱体相当于所述传输线的上述中间部分并且具有大致比所述其他 中空圆柱体中的一个中空圆柱体的平均直径小的平均直径。柱形物和/或导电罩的这样的 圆柱形结构实际上使得可以获得良好的整体机械刚性，以使其构造容易并确保柱形物的电 场等势线分布良好。
根据第二方面，本发明涉及用于设计如权利要求书中所述的双频谐振腔的方法。
本发明的这些及其他方面将在本发明的具体实施方式
的详细描述中阐明。
附图是示意性的，而不构成对本发明的限制。而且，未考虑附图的比例。在整个附 图中，相同组件或类似组件一般由相同的附图标记来表示。
图1a示出了现有技术的回旋加速器的非对称谐振腔的截面；
图1b示出了现有技术的回旋加速器的对称谐振腔的截面；
图1c示出了图1a或图1b的谐振腔的简化后的等效电路图2a示意性地示出了根据本发明的腔的截面，示出了当腔以低频谐振时的循环电流和磁场；
图2b示出了当图2a中的腔以|模式工作时，电压和电流沿着柱形物的变化；4
图2c示出了图2a的谐振腔的简化后的等效电路；
图3a示意性地示出了根据本发明的腔的截面，示出了当腔以高频谐振时的循环电流和磁场；
图3b示出了当图3a中的腔以￥模式工作时，电压和电流沿着柱形物的变化；4
图3c示出了图3a的谐振腔的简化后的等效电路；
图4a示出了现有技术的腔的静态电场的等势线的真实几何形状以及分布；
图4b示意出特性阻抗为直径d和D的函数的同轴传输线的形式的现有技术的腔；
图5是示出了根据本发明的谐振腔中针对两个谐振频率中的各个谐振频率的耗散功率的随传输线的具有低特性阻抗的部分的电容值而变化的曲线图6a示出了根据本发明的实施方式的柱形物的阻抗图6b示意性地示出了根据本发明的腔的与图6a的阻抗图相关联的截面；
图7示出了根据本发明的装配有四个腔的双频回旋加速器的截面；以及
图8示意性地示出了根据本发明腔的通过扫频而获得的比为2的两个不同频率的图。
具体实施方式
图2a示意性地示出了根据本发明的双频腔的示例性实施方式。
该双频腔是相对于回旋加速器的中间平面(由图中的点划线表示)呈现对称的腔， 但是显然，非对称腔也是合适的。腔6包括两个电连接到一起的半D形电极10和10’，粒子在半D形电极10和10’之间循环以加速；两个柱形物，每个柱形物都包括三个部分20a、 20b和20c (20a’、20b，和20c’)；以及包围整体的两个导电罩40和40’。在该示例中，罩具有相对于柱形物的高度基本不变的截面。各柱形物分别在一端支撑一个半D形电极，相反端分别以固定方式机械且电地连接到导电罩40和40’的底部45和45’，以从射频的角度在那里构成短路。例如，将柱形物的该端焊接、拧紧或拴接在其导电罩的底部。另选地，例如，能够将柱形物及其导电罩的底部仅形成一个部件。由此，各柱形物在其两端之间呈现出固定长度。
柱形物的各个部分叠置且优选地沿同一轴线排列。在该示例中，这些部分由各种直径的圆柱形管状体组成，此后当描述根据本发明的腔的设计方法时，将给出这些圆柱形管状体的示例性尺寸。中间部分20b的直径大致大于其他两个部分20a和20c的直径，使得该中间部分20b的线电容(法拉每米)大致大于其他两个部分20a和20c的线电容(linear capacity)。因此,在腔的工作频带中(该工作频带是在兆赫范围中)，中间部分20b将主要具有电容特性，而其他部分20a和20c将主要具有电感特性。这样的腔的简化后的等效电路示出在图2c中。
通过以λ是波长)模式激励腔，获得第一种工作方式，这使得可以获得第一谐4振频率(此后称为“低谐振频率”，例如33MHz )。
图2b示出了在该模式下电压(Ux)和电流(Ix)随沿着柱形物的轴向位置X的变化。电压在D形电极位置最大，而电流在该位置是O或非常小。电压在柱形物的底部是O 或非常小，而电流是最大。这样的电压构造尤其适合对在回旋加速器的中间平面中射出 (evolve)的粒子进行加速。
在中间部分20b (此后称为“低阻抗线20b”)的两侧上磁场B的方向相同。如图 2a所示，由该模式产生的电流il轴向循环并且绕柱形物径向分布。
第二种工作方式示出在图3a中。物理结构与图2a的物理结构相同，但是这里激励模式，这使得可以获得比第一频率高的第二谐振频率(此后称为“高谐振频率”，例如AmW66MHz)。图3b以与第一模式的谐振相同的方式示出了该模式下电压(Ux)和电流(Ix)的变化，电压在D形电极位置总是最大的，而电流在该位置是O或非常小。此外，电流在大致位于低阻抗线20b的中间高度的中间点处反向，这导致将线20b的该部分的电容效应一分为--O
考虑到以上所述，磁场/;在该中间点的两侧是相反方向的。图3c示出了简化后的等效电路，该电路示出了分别存在于半个腔的上部和下部中的电流i2和电流i3的流向。 电流i2和电流i3绕柱形物径向分布，相反在横向分割低阻抗线20b的虚拟水平面中，电流 i2和电流i3互相抵消。
如果腔的中间部分的线电容大致高于其他部分的线电容，优选地比其他部分的线电容高两倍，甚至更优选地比其他部分的线电容高十倍，则对于本领域技术人员来说将显而易见的是，腔可以有许多其他几何构造。例如，另选地，可以设想出在其高度上截面不 变的柱形物以及呈现出中间部分的截面大致小于其他部分的截面的导电罩。还可以设想出这两个方案(即，如图6b和图7上所示的，包括缩小的中间部分的罩以及包括变宽的中间部分的柱形物)的组合，或任意其他组合。
此后提供根据本发明的腔的结构的设计和尺寸标注的计算方法。
在计算根据本发明的双频腔之前，根据此后描述的方法来执行如文献W08606924 中描述的已知腔(即，其柱形物和导电罩呈现出恒定截面的腔)的建模，以精确地确定这样的已知腔的、假定圆形的等效D形电极的直径以及柱形物的阻抗
1、计算柱形物和导电罩呈现出恒定截面的腔的所述柱形物的线电容，这使得可以推导出由上述柱形物和导电罩由此形成的传输线的特性阻抗；
2、针对各种柱形物直径，计算特性阻抗；
3、确定导电罩的等效平均外部直径；
4、基于之前得到的尺寸，对腔进行二维电磁模拟，并确定在与现有技术的腔产生相同的谐振频率的情况下假定圆形的等效D形电极的直径；
5、计算所述腔的固有参数，如品质因数Q、耗散功率、储能，以及在这些结果与测量值之间进行比较。
步骤I的详细描述
例如利用Field Precision LLC公司的Tricomp程序来计算已知柱形物的特性阻抗的值。该程序通过有限元方法求出电场。例如，图4a示出了在导电罩处于主体的电势 (potential of the mass)时,通过向直径d=90mm的已知柱形物施加IV的电压而获得的电场等势线的分布。获得18. 53pJ/m的储能。然后，从以下表达式获得电容C的值
权利要求
1.一种适于在回旋加速器中对带电粒子进行加速的谐振腔(6)，该谐振腔(6)包括D形电极(100)、柱形物(20)以及至少部分包围所述柱形物和所述D形电极的导电罩(40)，所述柱形物(20)的一端支撑所述D形电极(10)，所述导电罩和所述柱形物(20)由此形成传输线，其特征在于，所述柱形物(20)的相反端附接到所述导电罩(40)的底部(45)，并且所述传输线的位于所述柱形物的上述两端之间的中间部分(20b)的线电容实质上大于所述传输线的另一部分(20a，20c)的线电容。
2.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述传输线的所述中间部分(20b)的线电容比所述传输线的另一部分(20a，20c)的线电容大两倍。
3.根据权利要求2所述的谐振腔，其特征在于，所述传输线的所述中间部分(20b)的线电容比所述传输线的另一部分(20a，20c )的线电容大十倍。
4.根据前述权利要求中任一项所述的谐振腔，其特征在于，所述传输线的所述中间部分(20b)的特性阻抗(Ze2)和所述传输线的其他部分(20a，20c)的特性阻抗(Zel，Zc3)使得所述腔(6)能够根据两种模式谐振，从而以大致双倍比产生两种不同的频率。
5.根据前述权利要求中任一项所述的谐振腔，其特征在于，所述柱形物(20)包括多个叠置的圆柱体(20a，20b，20c)，这些圆柱体中的一个圆柱体(20b)相当于所述传输线的所述中间部分(20b)并且具有大致比其他圆柱体(20a，20c)中的一个圆柱体的平均直径大的平均直径。
6.根据前述权利要求中任一项所述的谐振腔，其特征在于，所述导电罩(40)包括多个叠置的中空圆柱体，这些中空圆柱体中的一个中空圆柱体相当于所述传输线的所述中间部分(20b)并且具有大致比其他中空圆柱体中的一个中空圆柱体的平均直径小的平均直径。
7.根据前述权利要求中任一项所述的谐振腔，其特征在于，所述谐振腔还包括调谐电容器(50)，该调谐电容器(50)包括电连接到所述导电罩(40)的移动电极，该移动电极与所述柱形物相对设置并且大致在所述传输线的所述中间部分(20b)的高度处。
8.一种用于设计根据前述权利要求中的任一项所述的双频谐振腔的方法，该方法包括以下步骤 计算腔中的柱形物的线电容，使得可以推导出由上述柱形物和导电罩由此形成的传输线的特性阻抗，其中，该腔的所述柱形物和所述导电罩呈现出恒定截面； 针对各种柱形物直径，计算所述特性阻抗； 确定所述导电罩的等效平均外部直径； 基于之前得到的尺寸，对所述腔进行二维电磁模拟，并且确定在与现有技术的腔产生相同的谐振频率的情况下假定为圆形的等效D形电极的直径； 计算所述腔的固有参数，如品质因数(Q)、耗散功率、储能，并且在这些结果与测量值之间进行比较； 利用射频模拟对构成腔的所述柱形物的线的各部分进行特征化，所述腔利用两种谐振模式产生两种不同频率。
9.根据权利要求8所述的用于设计双频谐振腔的方法，该方法还包括利用二维电磁模拟对所述双频腔进行最终优化的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种用于回旋加速器的双频谐振腔(6)，该双频谐振腔(6)包括D形电极(10)、柱形物(20)以及包围所述柱形物和所述D形电极的导电罩(40)，所述柱形物的一端刚性地连接到所述导电罩的底部，而所述柱形物(20)的相反端支撑所述D形电极(10)。所述导电罩和所述柱形物形成包括至少三个部分(20a，20b，20c)的传输线，各部分具有特性阻抗(Zc1，Zc2，Zc3)。所述中间部分(20b)的特性阻抗Zc2大致低于其他两部分(20a，20b)的特性阻抗Zc1和Zc3，这使得腔可以以两种模式谐振，以产生两个不同的频率，而无需利用诸如滑动短路或移动板的移动组件。本发明还涉及用于基于使用电磁和射频模拟工具来设计这样的谐振腔的方法。
文档编号H05H7/02GK103004292SQ201180035515
公开日2013年3月27日 申请日期2011年6月28日 优先权日2010年7月22日
发明者M·阿比斯 申请人:离子束应用公司