同步回旋加速器的制造方法
【专利摘要】同步回旋加速器包括带有一对磁极（5，5'）的铁磁结构（4），该对磁极具有半径R的通常圆形的截面，布置在中平面（2）的两侧，定中心在中轴线（1）上。磁极（5，5'）由形成空腔（9）的气隙分开，气隙型面相对于中平面（2）基本对称。气隙高度径向变化，气隙型面从中轴线（1）相继有：半径R2的圆形截面的第一部分（6，7），其定中心在中轴线（1）上，在中央的气隙高度等于H中，包括环形分部（7），在环形分部中，气隙高度逐渐增大至半径R2处的最大高度H最大；及围绕第一部分（6，7）的环形截面的第二部分（8），其中气隙高度逐渐减小至磁极（5，5'）的边缘处的高度H边。高度H中大于10厘米，最大高度H最大与高度H中之比在1.1至1.5之间。
【专利说明】同步回旋加速器
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及同步回旋加速器。
【背景技术】
[0002]同步回旋加速器如同回旋加速器，是具有磁铁结构的粒子加速器，磁铁结构具有两个磁感应线圈，其径向地围绕介于两个磁极之间的用于粒子加速的空腔，所述空腔具有中轴线，中平面与所述中轴线垂直地在空腔中延伸。粒子在位于空腔内中轴线附近的粒子源中产生，从粒子源排出，以便由高频交流电压发生器供电的加速电极在中平面中沿螺旋形轨迹被加速。这种同步回旋加速器越来越多地用于强子疗法。
[0003]不同于粒子以相同频率被加速的回旋加速器，在同步回旋加速器中，施加于加速电极的电场的频率被调制成补偿粒子速度增大时的相对质量的增大。
[0004]为减小回旋加速器的尺寸，必须增大磁场，磁场在加速期间引导离子。对于束流(faisceau)的垂直聚焦由布置在气隙中的磁区获得的等时性回旋加速器，由于垂直聚焦变得不足够，因而难以增大平均磁场到超过5特斯拉(Tesla)。相反，在同步回旋加速器中，原则上，可无限制地增大磁场级。同步回旋加速器还比回旋加速器更加紧凑，同步回旋加速器的尺寸相对于两个磁极之间产生的磁场成比例地减小。
[0005]文献US7541905和US7696847提出一种同步回旋加速器，其感应线圈用超导材料制成，被冷却至4.5K的温度,能产生在5特斯拉至11特斯拉之间的磁场。对于Nb3Sn制的感应线圈，温度降至2K，即可产生14特斯拉的磁场。用软铁制成的磁轭提供约2特斯拉的辅助磁场。为减小同步回旋加速器的尺寸，上述文献提出在磁极的气隙中产生高磁场。但是，增大磁场到超过6特斯拉，如同前述专利中提出的那样，就会出现不良效应。因此，变得不可能或很难设计回旋加速器的中央区域，因为非常高的磁场引起粒子所沿的第一轨道的半径减小，以致粒子不能第一回圈就绕过离子源。高于6特斯拉的磁场的第二缺陷在于:提取装置的实施变得非常复杂。在回旋加速器中央高于6特斯拉的磁场的第三缺陷在于:对于这种磁场，线圈中的磁场超过对于线圈可使用铌钛合金的磁场。因此，需使用成本高得多的Nb3Sn合金。
[0006]上述同步回旋加速器具有两个磁极,磁极型面(profil)允许获得加速粒子在中平面中的弱聚焦、和相的稳定性，以便使带电粒子获得足够能量以在磁极的气隙中保持加速。在同步回旋加速器的气隙中产生的磁场中，加速带电粒子围绕平衡轨道径向和轴向地振荡。径向振荡频率\由下式给出:
[0007]
【权利要求】
1.同步回旋加速器，其包括: -铁磁结构(4),所述铁磁结构包括: ο两个磁轭板(16，16’)，它们呈圆盘形，相对于所述同步回旋加速器的中轴线(I)同轴布置，相对于中平面(2)基本对称和是平行的； ο —对磁极(5、5’)，该对磁极呈通常圆形的截面，具有半径R，布置在所述中平面(2)的两侧，定中心在所述中轴线(I)上，且由形成空腔(9)的气隙分开；以及 ο磁通量回路(17),所述磁通量回路围绕所述磁极(5、5’ )且连接所述两个磁轭板(16、16，)； -冷质量体结构，所述冷质量体结构具有至少两个磁感应线圈(3)，所述冷质量体结构围绕所述磁极(5、5’ )且被所述磁通量回路(17)围绕； -粒子源(11)，所述粒子源位于所述空腔(9)内、在半径Rl的圆形截面的第一区域(6)中，半径Rl小于空腔(9)半径R，其原点是所述中轴线(I)的一点； 形成所述空腔(9)的所述气隙具有相对于所述中平面(2)基本对称的型面，气隙高度径向地变化，气隙型面从所述中轴线(I)起相继包括: -半径R2的圆形截面的第一部分(6，7)，所述第一部分定中心在所述中轴线(I)上，所述第一部分的在中央的气隙高度等于H +，所述第一部分包括环形分部(7)，在所述环形分部中，气隙高度逐渐增大直至在半径R2处的最大高度； -呈环形截面的第二部分(8)，所述第二部分围绕所述第一部分(6，7)，在所述第二部分中，气隙高度逐渐减小直至在所述磁极(5，5’ )的边缘处的高度Ha ； 其特征在于，气隙的高度Ht大于10厘米，最大高度与高度Ht之比在1.1至1.5之间。
2.根据权利要求1所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述第一部分(6，7)包括半径Rl小于半径R2的圆形截面的中央分部(6)，所述中央分部定中心在所述中轴线(I)上，在所述中央分部，气隙高度恒定，等于高度H+。
3.根据权利要求1或2所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述最大高度与高度11+之比在1.2至1.5之间。
4.根据权利要求1或2所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述最大高度与高度11+之比在1.2至1.4之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述磁极(5，5’)包括一系列定中心在所述中轴线(I)上的倾斜环形的表面，每个所述表面都与其相邻的表面形成角α，该角α严格地大于90°，优选地大于120°，更优选地大于140°。
6.根据前述权利要求中任一项所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述中央分部(6)延伸在小于所述空腔半径R的20%的半径Rl上，所述第一部分(6，7)的所述环形分部(7)延伸在半径Rl与小于所述空腔(9)半径R的95%的半径R2之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述中央分部(6)延伸在约为所述空腔(9)半径R的10%的半径Rl上，所述第一部分(7)的所述环形分部(7)延伸在半径Rl和约为所述空腔(9)半径R的70%的半径R2之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述粒子源(11)位于所述中央分部(6)中，由以基本平行于所述中平面(2)的方式插入所述空腔(9)的支承件保持。
9.根据前述权利要求中任一项所述的同步回旋加速器，其特征在于，每个所述磁极(5)都是实心的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述磁感应线圈(3)是由NbTi制成的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的同步回旋加速器，其特征在于，由所述磁感应线圈(3)和所述铁磁结构(4)在所述空腔(9)中产生的平均磁场在4至7特斯拉之间。
12.制造根据权利要求1所述的同步回旋加速器的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤: -设定中轴线附近的磁极间气隙的高度!1 +，使得高度H+大于10厘米； -设定气隙的最大高度使得所述最大高度大于高度H +的至少1.1倍且小于高度H中的1.5倍； -设定磁感应线圈(3)中的磁场,所述磁感应线圈围绕形成粒子加速空腔的磁极； -考虑H+和以及线圈中的磁场，使所述磁极的型面和所述磁感应线圈(3)的尺寸及位置最佳化，以获得在所述磁极之间的粒子加速空腔，其磁极间气隙满足磁场聚焦指数? = —1#所确定的条件，其中，r是粒子轨道的半径，半径原点通过中轴线的一点，B是该
【文档编号】H05H7/04GK103493603SQ201180058890
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2011年10月27日 优先权日:2010年10月27日
【发明者】J·芒德里永, M·孔雅 申请人:离子束应用股份有限公司