超轻型磁屏蔽高电流紧凑式回旋加速器的制造方法

超轻型磁屏蔽高电流紧凑式回旋加速器的制造方法
【专利摘要】通过使电流在相同方向上传递通过第一和第二初级线圈两者来使一种用于离子加速的回旋加速器磁屏蔽。第一磁场屏蔽线圈与该第一初级线圈在中平面的同一侧上并且在该第一初级线圈的半径之外，而第二磁场屏蔽线圈与该第二初级线圈在中平面的同一侧上并且在该第二初级线圈的外半径之外。电流还以一个与电流传递通过这些初级线圈的方向相反的方向传递通过这些磁场屏蔽线圈并且在这些磁场屏蔽线圈之外生成一个使在距离该中心轴的半径处生成的磁场减小的抵消磁场。
【专利说明】超轻型磁屏蔽高电流紧凑式回旋加速器
[0001] 政府支持
[0002] 本发明是在由美国国防威胁降低局值efense "T虹eat Reduction Agency)所授予 的批准号皿TRAl-09-1-0042下在美国政府的支持下完成的。美国政府对本发明具有某些 权利。
[000引背景
[0004] 回旋加速器用于产生高能粒子。几十年内已经开发了回旋加速器技术，并且当今， 认为其是一种成熟技术。
[0005] 用于制造回旋加速器的当前方法包括使用磁铁杆和铁回辆来减少生成磁场所需 的导体的数量。此外，磁铁杆用于对场进行成形。众所周知的是，径向和方位场分布对粒子 加速和对粒子稳定性而言是至关重要的。对于同步回旋加速器而言，轴向场分量需要随着 半径的增加而减小，从而提供粒子稳定性。对于等时性回旋加速器而言，平均磁场需要增 力口，从而使质量的增加与由于相对论性效应而产生的粒子能量平衡，并且场必须呈方位变 化W提供束稳定性。
[0006] 超导性在回旋加速器中的使用打开了紧凑式高场装置的潜力，并且会需要外部屏 蔽来保护周围的环境不受延伸到回旋加速器之外的高磁场的影响。
[0007] 过去已经提出了辆自由等时性回旋加速器概念（见美国专利4, 943, 781 (马了 N.威尔逊（Martin N. Wilson)、马了 F.芬伦（Martin F.Finlan)"无辆超导磁体回旋加速 器（切clotron with化keless Superconducting Ma即et)")。使用线圈和铁杆尖的组合来 实现等时性回旋加速器的场成形，从而束室W上/ W下的线圈限制了场成形的灵活性。本 概念中没有提及用于使杂散磁场最小化的任何装置。
[000引 概述
[0009] 在此描述了用于提供回旋加速器所生成的外部磁体场的屏蔽的设备和方法。该些 设备和方法的各个实施例可W包括下文描述的元件、特征及步骤的某些或全部。
[0010] 在各个实施例中，在离子加速过程中，可W通过使电流传递通过第一和第二导电 初级线圈来使回旋加速器磁屏蔽。每个初级线圈围绕中屯、轴对称地定中屯、，中平面的每一 侧上的线圈与该中屯、轴垂直相交。电流W与电流传递通过该第二初级线圈的方向相同的方 向传递通过该第一初级线圈。电流还传递通过至少第一和第二磁场屏蔽线圈。该第一磁场 屏蔽线圈与该第一初级线圈在中平面的同一侧上并且在该第一初级线圈的外半径W外，并 且电流W与电流传递通过该些初级线圈的方向相反的方向传递通过该第一磁场屏蔽线圈。 该第二磁场屏蔽线圈与该第二初级线圈在该中平面的同一侧上并且在该第二初级线圈的 外半径之外，并且电流W-个与电流传递通过该些初级线圈的方向相反的方向传递通过该 第二磁场屏蔽线圈，并且其中，使电流传递通过该些磁场屏蔽线圈在该些磁场屏蔽线圈之 外生成一个使在距离该中屯、轴的半径处生成的磁场减小的抵消磁场。将离子从离子源释放 到最接近该中屯、轴的该中平面内并且通过至少部分地由该些初级线圈生成的磁场W从该 中屯、轴向外扩展的轨道轨迹使该离子加速。
[0011] 在具体实施例中，使用至少一个第一和一个第二磁场成形线圈使对中平面中的该 磁场（也称为磁场分布）进行成形，其中，该第一和第二磁场成形线圈定位在比该些初级线 圈距离该中屯、轴更短的半径处。此外，因为在此描述的独特的线圈结构，回旋加速器在初级 线圈周围可W缺少连续辆和杆结构。该中平面中的该磁场可W由磁场生成结构生成，该磁 场生成结构基本上由该些初级线圈、该些磁场成形线圈W及该些磁场屏蔽线圈组成。
[0012] 在某些实施例中，各线圈由超导组合物形成并且在操作过程中被冷却至超导温 度。在其他实施例中，系统中的各线圈（例如，初级、成形和/或屏蔽）可W由常态（即，电 阻）导电组合物（例如，具有在20°C下大于1X10-7Q -m的电阻率P)，如导电金属（例 如，铜）。
[0013] 在各实施例中，因为不存在非线性磁性材料，如铁，所W可W通过改变传递通过该 些初级线圈和通过该些磁场屏蔽线圈的电流量并且通过按比例改变该些初级线圈中的、该 些磁场成形线圈中的W及该些磁场屏蔽线圈中的电流来改变该中平面中的磁场幅度，同时 保持该中平面中的磁场分布和保持磁屏蔽。此外，可W从回旋加速器引出具有随着磁场变 化而变化的最终能量的加速离子。进一步地，该中平面中在小于该些初级线圈的内半径的 半径处所生成的磁场大于5特斯拉。又进一步地，在该些初级线圈的外半径W外大于1米的 半径处生成的磁场可W被该些磁场屏蔽线圈减少到小于0. 001特斯拉。在具体实施例中， 一个250MeV的回旋加速器具有小于5, 0(K)kg的质量。
[0014] 此外，可W在回旋加速器中使具有不同质量的不同离子加速。可W针对不同离子 生成不同幅值的磁场，不存在非线性磁性元素使得该成为可能。在另外的其他实施例中，可 W在不同离子的加速之间替换和替代包括离子源、射频电极、束室和束引出系统的束加速 模块。在仍更多的实施例中，该些磁场屏蔽线圈中的至少某些可W定位在距离该中屯、轴大 于该些初级初级线圈的半径1. 5倍的半径处。仍进一步地，基本上由该些磁场屏蔽线圈组 成的磁场屏蔽结构可W提供对该些初级线圈在该些初级线圈之外在距离该中屯、轴半径处 所生成的磁场的屏蔽。在附加实施例中，附加电阻磁场屏蔽线圈可W放置在初级线圈低温 恒温器W外。
[0015] 磁屏蔽紧凑式回旋加速器的实施例包括W下组件；第一和第二初级线圈、电流源、 至少一个第一和第二磁场屏蔽线圈W及离子源。每个初级线圈围绕中屯、轴定中屯、，中平面 的每一侧上的线圈与该中屯、轴垂直相交。电流源与该第一和第二初级线圈电禪合并且被配 置成用于引导电流在同一方向上通过该第一和第二初级线圈。磁场屏蔽线圈围绕中屯、轴定 中屯、并且在初级线圈W外距离中屯、轴半径处。第一磁场屏蔽线圈与第一初级线圈定位在中 平面的同一侧上，并且第二磁场屏蔽线圈与第二初级线圈定位在中平面的同一侧上。电流 源与第一和第二磁场屏蔽线圈电禪合并且被配置成用于引导电流W与电流传递通过初级 线圈的方向相反的方向通过第一和第二磁场屏蔽线圈。同时，离子源被定位成用于将离子 释放在中平面中W便向外轨道加速。回旋加速器还包含应用时变电场每个轨道W便使离子 至少加速一次的射频空腔和用于当离子束达到其最终能量时从回旋加速器引出离子束的 装置。
[0016] 在某些实施例中，该回旋加速器是同步回旋加速器。该同步回旋加速器可W包括 磁场生成结构，该磁场生成结构基本上由该些初级线圈、该些磁场成形线圈W及该些磁场 屏蔽线圈组成。在其他实施例中，该回旋加速器是等时性回旋加速器，该回旋加速器生成包 括方位固定磁场和方位变化磁场的叠加的磁场。该同步回旋加速器可W包括用于生成该方 位固定磁场的磁场生成结构，该磁场生成结构基本上由该些初级线圈、该些磁场成形线圈 W及该些磁场屏蔽线圈组成。该等时性回旋加速器还可W包括用于生成该方位可变磁场的 磁场生成结构，该磁场生成结构基本上由螺旋导电线圈绕组的传感器组成。可替代地或此 夕F，该等时性回旋加速器可W包括用于生成该方位可变磁场的离子的磁场生成结构。
[0017] 附图简要说明
[0018] 图1提供了用于场成形和屏蔽的铁质同步回旋加速器化250)的现有方法的截面 图解。
[0019] 图2提供了另一个截面图解，示出了图1的回旋加速器的辆和杆结构的初级线圈 和顶截面。
[0020] 图3是K250铁场屏蔽同步回旋加速器（250MeV质子束、9T中屯、场）的根据距离中 屯、轴和中平面的距离米计）的5、10、15和20高斯场的等值线图；该图包括同步回旋加 速器的截面插图。
[0021] 图4是具有一组/层用于对回旋加速器屏蔽磁场的线圈的无铁回旋加速器的示意 性截面图。
[0022] 图5是无铁同步回旋加速器的根据距离中屯、轴和中平面的距离（W米计）的5、 10、15和20高斯场的等值线图；该图包括该同步回旋加速器的截面插图，该插图包括单层 磁场屏蔽线圈和磁场成形线圈。
[0023] 图6是具有两组用于对回旋加速器屏蔽磁场的线圈的无铁回旋加速器的示意性 截面图。
[0024] 图7是具有两组/层磁场屏蔽线圈并且具有磁场成形线圈的无铁同步回旋加速器 的根据距离中屯、轴和中平面的距离（W米计）的磁通量（师）图；该图包括该同步回旋加速 器的截面插图。
[0025] 图8是具有磁场成形线圈和两组磁场屏蔽线圈的无铁同步回旋加速器的根据距 离中屯、轴和中平面的距离米计）的5、10、15和20高斯场的等值线图；该图包括该同步 回旋加速器的截面插图。
[0026] 图9是针对说明性情况的磁场线图，复制了回旋加速器中平面处的K250回旋加速 器（具有铁）场分布，但是在没有铁的情况完成的，对应于图5中所示的说明性模型。
[0027] 图10是针对K250回旋加速器情况的中平面上的场幅值图和与图4和图9相对应 的情况的无铁回旋加速器的场幅值图。
[002引图11是单组磁场屏蔽线圈情况的和与图9和图10中所示情况相对应的磁场成形 线圈的情况的磁场等值线图。
[0029] 图12是用于场成形（针对同步回旋加速器磁拓扑）和磁场屏蔽线圈的铁的说明 性实施例的截面图。
[0030] 图13是K250回旋加速器情况的和具有图12中所示的铁场成形和磁场屏蔽线圈 的情况的根据半径在中平面上的磁场图。
[0031] 图14是针对具有用于磁场成形和磁场屏蔽线圈的铁的情况的5、10、15和20高斯 场的等值线图，对应于图12和图13的实施例。
[0032] 图15是等时性回旋加速器的磁体结构中的螺旋线圈绕组的透视图，用于方位场 凸点化ump)的成形。
[0033] 图16是等时性回旋加速器的磁体结构中的初级线圈所磁化的铁杆件的透视图， 用于方位场凸点的成形。
[0034] 图17和图18提供了低温恒温器内的并且由拉杆和立柱结构支撑的初级线圈、场 成形线圈的两个透视横截面图。
[0035] 图19和图20提供了具有用于束加速子系统的空腔或包含束加速子系统的可替换 盒的磁体低温恒温器的透视图。
[0036] 图21展示了与回旋加速器中的主要成形或屏蔽线圈没有互感的一组冲击线圈的 一种配置。
[0037] 图22示出了回旋加速器的根据所引出的离子束的每核子归一化能量的归一化电 流。
[003引根据附图，贯穿不同视图，相同的参考字符指相同或相似的部件；并且省略号用于 对共享同一参考数字的相同或相似项目的多个实例进行区分。该些图无需按比例，相反，下 文讨论的重点放在说明具体原理上。
[0039] 详细说明
[0040] 本发明的各个方面的上述W及其他特征和优点将从W下对本发明更宽泛的界限 内的各种概念和具体实施例更具体的描述而更明显。鉴于主题不受限于任何具体实现方 式，可W用很多方法中的任何一种实现上文引入并在下文更详细讨论的主题的各个方面。 具体实现方式的示例和应用主要是为了说明的目的而提供的。
[0041] 除非W其他方式在本文中定义、使用或表征，本文中使用的术语（包括技术术语 和科学术语）应被解释为具有与其在相关领域的上下文中被接受的含义的相一致的含义， 而不应被解释为理想化或过分正式意义，除非在本文中明确定义为该样。例如，如果引用了 特定的组合物，该种组合物可W是基本上（尽管不是完全）纯的，由于实际且有瑕疵的真实 情况也适用；例如，至少潜在的痕量杂质（比如，至少小于1%或2%，其中，在此表达的百 分率或浓度可W或者按重量或者按体积计）的存在可W理解为在本说明书的范围内；同样 地，如果引用了具体的形状，该形状旨在包括理想形状的不完美变形，例如，由于制造容差 引起。
[0042] 尽管术语第一、第二、第=等可W在此用于描述各种元件，但该些元件不受该些术 语的限制。该些术语仅用于将该些元件与彼此区别。因此，下文讨论的第一元件可W被称 为第二元件而不背离该些示例性实施例的教导。
[0043] 空间相关的术语比如"上方"、"下方"、"左"、"右"、"前面"、"后面"等可W在此用于 使描述一个元件与另一个元件的关系的说明变得简单，如在图中所展示的。可W理解，该些 空间相关的术语W及所展示的配置意指除在此描述和图示中描绘的取向之外还包括使用 或运行中的装置的不同取向。例如，如果将图示中的装置翻过来，描述为在其他元件或特征 "之下"或"下方"的元件则可W取向为在该些其他元件或特征的"上方"。因此，示例性术语 "上方"可W包括上方和下方取向两者。设备可其他方式定向（例如，转动90度或成其 他定向）并且相应地解释在此使用的空间相关的描述符。
[0044] 更进一步地，在本披露中，当提到一个元件在另一个元件"上"、"连接到"或"禪合 至IJ"另一个元件，该元件可能直接在该另一个元件上、连接到或禪合到该另一个元件，除非 W其他方式指明，否则可能存在介入元件。
[0045] 在此所使用的术语用于描述具体实施例，并且不旨在限制示例性实施例。除非上 下文W其他方式指明，否则如在此所用，单数形式如"一个"和"一种"旨在同样包括复数形 式。另外，术语"包括（includes)"、"包括（including)"、"包括（comprises)"指定所述的 元件或步骤的存在，但是不排除一个或多个其他元件或步骤的存在或添加。
[0046] I)磁屏蔽
[0047] 在该设备和方法的第一实施例中，用超导磁场屏蔽线圈30替换常规回旋加速器 中所使用的铁辆和杆结构20、22,即，由在约4K(针对低温超导体）、约20K(针对M浊2)或 30-50K (针对高温超导体）温度下是超导的并且运行W便对回旋加速器场使周围的环境磁 屏蔽的材料形成的线圈。磁屏蔽用于例如用于通过质子放射疗法进行的患者治疗的医疗回 旋加速器，尤其是当回旋加速器靠近患者时。磁屏蔽还用于同位素制造所使用的回旋加速 器，回旋加速器非常靠近医疗技术员。在临床环境下，回旋加速器的磁场必须在装置外迅速 减小，W最小化杂散场效应。还有利的是在用于其他非患者应用的回旋加速器外使磁场减 小W最小化接近要求或者使回旋加速器的位置能够靠近磁体敏感的设备。
[0048] 存在使具有一组或多组超导线圈的杂散场减小的各种各样的实施例。在此介绍了 本特征的两个可能的实施例来说明该概念。该第一实施例利用单层30磁场屏蔽线圈来快 速地减小回旋加速器11周围的磁场的强度，而该第二实施例考虑使用多层30、40磁场屏蔽 线圈。
[0049] A)单层磁屏蔽
[0化0] 该特征的第一实施例使用一组30线圈，其中，电流通常W与回旋加速器11的初级 线圈12、14中的电流流动方向相反的方向流动。该种配置可W轻易地减小初级线圈12、14 所产生的偶极场和更高阶的磁场矩。在该种情况下，可W使杂散磁场比使用铁磁屏蔽元件 的相似尺寸的偶极线圈的场衰变速率随着距离衰变得快得多。
[0化1] 图1示出了构建高场超导回旋加速器11的现有方法的示意性图解，如美国专利 7, 541, 905 (蒂莫西?安塔亚（Timothy Antaya)"高场超导同步回旋加速器（Hi曲-field superconducting sync虹oc^yclotron)")和美国专利 7,656, 258(T.安塔亚化 Antaya)、 A.拉多温斯基（A. Radovinsky)、J.舒尔茨（J. Schultz)、P.泰特斯（P. Titus)、B.史密斯 (B. Smith)、L.布朗伯格（L. Bromberg)"用于粒子加速的磁体结构（Ma即et structure for particle acceleration)")中所描述和展示的。该种更早的方法（其在"K250回旋加速 器"中有体现）组合了单对高场超导线圈和大量铁磁辆23和铁磁杆21件来生成回旋加速 器场、对其进行成形和限制。本文件中的样例将会对本发明的实施例与常规设计的K250回 旋加速器的相应结果进行比较，图2中示意性展示了该种情况，示出了回旋加速器中平面 18、铁（辆和杆）20、22 W及初级线圈12。
[0052] 图1中的线圈12和14缠绕在结构元件（缠线管）16和17上并且表示回旋加速 器10的初级线圈12、14,该在中平面18处产生磁场W及在回旋加速器10外产生杂散场。 束室位于回旋加速器10的中平面18处，并且回旋加速器10围绕中屯、轴28定中屯、。图2 中示出了回旋加速器10的顶截面中的初级线圈12和辆和杆结构20的截面图。磁辆和杆 结构20和22用于增大回旋加速器10的中平面18处的磁场并且对此区域中的磁场进行成 形，而中平面18的每一侧上的外部铁回辆23在回旋加速器10之外使磁场屏蔽。指状物24 和26用于对离子引出区域中的磁场进行成形。铁的使用在低场特别有效，因为铁引起更高 效的场增强、场成形和磁场屏蔽。在紧凑式回旋加速器10所需的更高磁场，过饱和地驱动 铁，从而引起其有效性下降。
[0化3] 在铁场成形和屏蔽的情况下，"实质性"场（定义为约5-20高斯的场）的场分布等 值线的位置离回旋加速器10很远。图3中示出了具有250MeV质子并且具有9T中屯、场的 K250回旋加速器10的5-20高斯等值线（在图3和其他图示中，轴上的距离指示W米计）。
[0054] 图4示出了回旋加速器11的一个实施例，其中，用单组（层）30超导磁场屏蔽线 圈31-36替换用于屏蔽的铁。磁场屏蔽线圈31-36的该种配置是指单层屏蔽；下文将进一 步探究多层屏蔽。我们已经进行了计算来说明使用单层30磁场屏蔽线圈31-36的方法的 潜力。出于说明性目的，单组30磁场屏蔽线圈31-36和图5中所示的外部磁场分布，该图 示出了使用从图3中所示的K250回旋加速器10计算的场分布要求（在中平面18中）的 5、10、15和20高斯场的等值线。在该种情况下，已经从回旋加速器设计中移除了所有铁。 在图4和图5中，仅有一组上和下初级线圈12、14。支撑系统中的所有线圈的线圈结构元 件（缠线管）16、17是非磁性的。在该种情况下，初级线圈12、14组的净偶极矩大致与磁场 屏蔽线圈31-36的净偶极矩平衡，从而引起随着距离回旋加速器11的距离而非常快速地衰 变。
[0化5] 图4和图5中所示的单层选项解决的一个问题是磁场屏蔽线圈31-36组30减小 了回旋加速器11的中平面18处的磁场值，该是设计中的主要相关区域。为了补偿由于磁 场屏蔽线圈31-36引起的反向场，初级回旋加速器线圈12、14被驱动至更高的场（W及可 能地驱动至更高的电流）。在回旋加速器11被设计成使得初级场线圈12、14接近（超导回 旋加速器11的）场电流温度极限所允许的最大值时，磁场屏蔽线圈31-36产生的反向场会 引起初级线圈12、14的设计难度大幅增加。
[0化6] B)多层磁屏蔽
[0化7] -种使磁场屏蔽线圈对在初级回旋加速器线圈12、14处产生的峰值磁场的影响 最小化的方式是使用两组或更多组30、40或"层"磁场屏蔽线圈31-36和41-46,如图6中 所展示的（示出了两层）。线圈31-36和41-46中的电流被确定为目标，从而使得两组30、 40磁场屏蔽线圈对初级线圈12、14内的中平面（即，离子加速区域）上的磁场的净影响小。 此外，磁场屏蔽线圈31-36和41-46中的电流被选择成使得来自两组30、40磁场屏蔽线圈 31-36和41-46的净偶极矩与来自初级回旋加速器线圈12、14的远场磁场偶极矩平衡。尽 管该种情况下使用了更多线圈并且应用了更高的电流，但不需要增加初级回旋加速器线圈 12、14的电流/场，该些线圈是组件中受应力最高的线圈。
[0化引具有两个屏蔽层30、40的回旋加速器11的返回通量被引导至第一磁场屏蔽线圈 组30(包括线圈31、33和35和对称磁场屏蔽线圈32、34和36)与第二磁场屏蔽线圈组 40 (包括线圈41、43和45和对称磁场屏蔽线圈42、44和46)之间的区域内。在本实施例 中，在第一磁场屏蔽线圈组30中流动的电流的总体方向与初级回旋加速器线圈12、14中的 电流相同，而第二磁场屏蔽线圈组40中流动的电流的总体方向与初级偶极线圈12、14中的 电流相反（即，如果初级线圈12、14中的流动是顺时针方向，则第二磁场屏蔽线圈组40的 线圈中的流动为逆时针方向）。
[0化9] 图7具有两组/层30、40磁场屏蔽线圈31-36和41-46并且具有场成形线圈 51-56(稍后将讨论磁场成形线圈）的情况的磁场线。应指出的是，来自束室区域的通量中 的大多数通量传送通过两组30、40磁场屏蔽线圈31-36和41-46。图8示出了针对两组/ 层30、40磁场屏蔽线圈31-36和41-46的情况的杂散磁场，其中示出了 5、10、15和20高斯 的等值线。
[0060] 该些没有完全优化的情况示出了与两层屏蔽情况下生成的磁场相比较初级线圈 12、14处的约0. 1-0. 2T的单层屏蔽30的情况下的增加的峰值场。
[0061] 尽管我们仅提及了偶极矩抵消，但应理解到在多个线圈情况下，可W不仅使偶极 矩、而且还使更高阶矩平衡，从而引起场衰变速率随着距离回旋加速器11的距离而增加。 针对第n多极场，离回旋加速器11足够远的场幅值按照B?l/r^减小，从而抵消更高阶 矩引起磁场的衰变速率更快。在对称线圈组的情况下，n是偶数。如果仅抵消偶极场，则第 二大磁场距为四极矩，其按照1/r 5减小。当线圈是轴对称时，此工艺适用。如果线圈轴存 在误差（即，如果线圈轴没有恰好对齐）或者如果线圈不是圆形的，则将存在衰变更慢的杂 散磁场。然而，实际上，该些误差较小；并且相关区域中的杂散磁场受非抵消矩支配。
[0062] 近优化系统指示，尽管在单组30磁场屏蔽线圈31-36的情况下初级线圈12、14中 场略高，但差异不大（即，小于约5% )。然而，单组30磁场屏蔽线圈31-36的使用产生更 轻、更简单的系统。
[0063] 该种磁屏蔽技术可W用于所有类型的回旋加速器，包括等时性回旋加速器和同步 回旋加速器，尽管说明性计算示出了同步回旋加速器的代表性结果。
[0064] C)非轴对称磁屏蔽
[0065] 尽管我们现在为止已经描述了大多数轴对称多极（即，方位对称的场分量），但该 技术对抵消非轴对称场分量有用，例如，像等时性回旋加速器所需的颤动场分量所生成的 那些。在该种情况下，通过使线圈非轴对称，可W通过使用或者上述磁场屏蔽线圈31-36和 41-46的非轴对称扰动（通过在线圈上形成或者径向或者轴向"凸点"）或者通过将单独的 非轴对称线圈放置在回旋加速器11的磁场屏蔽线圈的最外层周围来抵消回旋加速器11之 外的类颤动场。来自线圈的没有围合回旋加速器11的中屯、轴28的环可W用于抵消非轴对 称磁场模式。可W根据平行于回旋加速器11的中屯、轴28或与其垂直的轴来定向该些环。 该些环不一定需要是圆形的。一种用于确定分量的形状和电流幅值的方法是W球谐函数远 离回旋加速器11来扩展回旋加速器11的场。适当成形和定位的环可W用于抵消单独的谐 波模式。
[0066] II)沿着回旋加速器的加速区域的磁场成形
[0067] 该设备和方法的第二实施例是使用超导线圈而不是铁材料或其他铁磁材料来对 同步回旋加速器中的和等时性回旋加速器中的粒子加速所需的磁场分布进行成形。多组线 圈可W用于对束加速区域中的场进行成形。
[0068] 在同步回旋加速器情况下，回旋加速器11的束室内的场（图18中所示）需要满 足W下轨道稳定性要求。在将竖直（与中平面18正交）振荡频率值V,和径向（在中平面 18内）振荡频率值Vf保持在加速区域上的W下极限内的同时，磁场值需要随着半径的增 加而减小。0<2Vz<0. 5Vr，其中，Vz=ni/2, Vf= (1-n) 1/2,并且 n = -d log(B)/d log(r)，其 中，n是弱聚焦场指数参数；并且磁场随着引出区域中的半径快速升高[见M.S.利文斯顿 (M. S. Livingston)和 P.布卢伊特（P. Blewett)，粒子加速器（Particle Accelerators)，麦 格劳希尔集团（McGraw-Hill) (1962)]。B是中平面18上的轴向磁通量密度，并且r是径向 位置。在引出半径，2*v,= V t并且n = 0. 2 ;弱聚焦回旋加速器不能实现该些条件。
[0069] 在同步回旋加速器中，束团的瞬时频率取决于束的径向位置处的轴向磁场的幅值 和粒子能量（由于相对论性效应）。因此，RF周期的频率在束加速过程中变化。
[0070] 需要轴向磁场的具体径向分布。下一小节的目的是证实可W使用螺线管而不是由 铁或其他铁磁元件成形来实现适当的场成形。我们认为先验技术通过针对同步回旋加速器 的情况仅使用电磁线圈实现所需场分布的可能性不明显。介绍了使用超导线圈51-56的回 旋加速器11场成形的两个说明性示例。第一示例示出了可W仅通过使用超导线圈来实现 同步回旋加速器中的离子束加速的磁场分布。第二示例考虑了使用超导线圈和尺寸极小的 铁杆尖产生磁场分布。
[0071] A)无铁同步回旋加速器场生成
[0072] 下文阐述了确定磁场成形线圈组50中的电流和中平面18上方和下方的对称阵列 中的场成形线圈组50的位置，该电流和位置提供了与常规K250回旋加速器的场分布相似 的场分布。优化过程采取了上下磁场成形线圈组之间的恒定间隙从而允许低温恒温器70 与回旋加速器束室的空隙。调整线圈尺寸从而使得所有场成形线圈51-56和初级线圈12、 14中的电流密度不变，似乎线圈串联连接和似乎同一超导电缆将用于所有线圈，尽管通常 没有要求该样。为了最小化系统的重量，调整线圈的位置。还调整磁场屏蔽线圈31-36的 尺寸和位置W最小化系统的重量和/或最小化远离回旋加速器11的最大杂散磁场。其他 回旋加速器参数还可W被选择用于优化，如总体体积、超导体质量、所存储的磁场能量。
[007引图9中提供了 K250回旋加速器的无铁版的中平面18中的场分布，其中，图5中也 示出的线圈组生成该磁场。图9中所示的设计的磁场成形线圈电流不是非常大的电流、或 者大的反向电流。的确，主要W相同方向流动的相对小的电流可W提供同步回旋加速器所 需的场成形的事实可W被视为令人惊讶的。
[0074] 图10示出了针对常规K250回旋加速器情况的和无铁情况（具有磁场成形线圈 51-56 W及一层30磁场屏蔽线圈31-36和41-46)的中平面18中的磁场分布。移除铁的结 果之一是可W大幅度增加回旋加速器11的中平面18处的束室的竖直进入。
[0075] 针对铁用于对场进行成形的回旋加速器11，如果由于紧凑式回旋加速器11在高 磁场下运行（该使铁饱和并且限制其有效性）的事实引起杆尖之间的间隙大，则难于在紧 凑式回旋加速器11中提供足够的成形。在设计有极少量的铁的回旋加速器11的情况下， 提供铁仅用于对场进行成形，其中，磁场的大百分比由超导线圈12、14和51-56产生。
[0076] 线圈组50跨中平面18上下对称。可W用足够的精度将它们定位成用于使场误 差最小化；并且因此，可W制造该些线圈组而不需要磁匀场，该大幅度减少制造回旋加速器 11时所需的努力，因为由于不均匀的铁，均场特定于给定的回旋加速器11。
[0077] 图11示出了与图9和图10中的那个相对应的情况的恒定磁场的等值线。在图11 中，等值线阶跃（即，相邻等值线之间的磁场幅值的变化）为1T。初级线圈12、14具有超过 12T的峰值场。场成形线圈51-56具有稍微小于主场的场。另一方面，磁场成形线圈31-36 具有低于约5T的场。因此，就电流密度/场而言，磁场屏蔽线圈31-36相对简单，并且磁场 成形线圈51-56不比初级线圈12、14复杂。
[007引 B)使用极少量的铁生成同步回旋加速器场
[0079] 在其他实施例中，某些铁可W定位在束室附近从而在留给磁场屏蔽线圈31-36组 屏蔽的同时实现某种程度的磁场成形。该对于等时性回旋加速器而言特别真实，其中，有利 的是保留使用铁杆尖62生成束稳定性所需的颤动场分量，如图16中所示。可替代地，可 W使用放置在初级线圈12、14的孔中的多组非轴对称线圈64来产生等时性回旋加速器所 需的颤动场，W复制用于常规等时性回旋加速器的铁杆尖62上发现的岭和谷，如图15中所 示。图12示出了使用小的铁杆尖62和单组/层30磁场屏蔽线圈31-36的同步回旋加速 器11的说明性模型。
[0080] 图12中的铁杆尖62的形状不是最优的并且仅用于说明。然而，中平面18中的磁 场与常规K250回旋加速器的情况下的相同或几乎相同，该回旋加速器仅使用铁而没有磁 场屏蔽线圈，如图2中所示。我们针对单组/层30磁场屏蔽线圈和多组/层30、40磁场屏 蔽线圈进行计算；在图12中，尽管仅示出了一组/层30磁场屏蔽线圈31-36。
[0081] 图13中示出了具有与图12中相对应的铁场成形和磁场屏蔽线圈的情况的中平面 18中的磁场。同时，图14示出了恒定杂散磁场的根据距离回旋加速器11的距离（W米计） 的等值线，具体地，标绘了 5、10、15和20高斯的等值线。
[0082] 中平面区域中的间隙针对使用磁场成形线圈51-56(即，在图5和图7至图11中 所示的说明性情况中为10cm)比针对具有铁的情况（即，约5cm半高度间隙）更大。
[0083] 应指出的是，5高斯区域在铁场成形/磁场屏蔽线圈情况（图14中所示）的说明 性情况下比图5中所示的用线圈51-56进行成形的线圈和单个磁屏蔽线圈31-36的情况下 稍微更大。在图10和图13的情况下，针对K250回旋加速器和针对图12的铁场成形磁场屏 蔽线圈回旋加速器11满足对束的束稳定性要求。我们还已经看到了使用磁低温恒温器70 包含成形线圈51-56和屏蔽线圈31-36的含意并且已经得出对使用磁低温恒温器70 (即， 铁）的回旋加速器11的磁场屏蔽的影响小的结论。
[0084] III)无铁或铁减少的回旋加速器设计所启用的特征
[0085] 多个超导线圈组30、40用于回旋加速器11的磁场屏蔽和用于生成等时性回旋加 速器和同步回旋加速器所需的场分布有效地消除了或大幅度减少了铁磁材料在该些回旋 加速器11中的使用，如铁杆21或辆23。铁从回旋加速器11设计中的消除产生多项益处， 该将W下小节中进行讨论。
[0086] A)重量减少
[0087] 屏蔽铁从回旋加速器11设计的消除允许回旋加速器11的重量的非常大的减小， 因为用于替换铁辆和杆结构20、22的线圈、支撑结构和低温恒温器的重量是它们所替换的 屏蔽铁的重量的一小部分。表1中示出了展示该种折衷的部分优化的参数集。例如，常规 K250磁体的重量约20吨。
[0088] 表1 [用于K250兼容同步回旋加速器的不同设计的磁元件的重量（即，线圈、铁和 低温恒温器）（W吨计）]:
[0089] 两组屏蔽线圈单组屏蔽线圈
[0090] 成形线圈 3.2 2.9
[0091] 成形铁 2.5
[0092] 低温恒温器70的重量包括在表1中；并且在磁场屏蔽线圈31-36的情况下，外部 的低温恒温器70重量大幅增加W适应磁场屏蔽线圈31-36。
[0093] 为了方便用无铁等效物替换常规回旋加速器，重要的是将最外层30/40磁场屏蔽 线圈31-36/41-46的布置大致限制到与它们所替换的铁辆23的边缘相同的位置（从而使 得系统体积本身不会更大）。该种考虑大大简化了无铁回旋加速器11在需要回旋加速器 11的可移植性、大幅度运动或转动的系统中的安装。针对临床离子放射疗法，通过将回旋 加速器11放置在转动的台架上获得巨大的优势，如美国专利申请2010/0230617化高尔 化.Gall)的"带电粒子放射疗法（Qiarged Particle Radiation "Therapy)")和美国专利 8, 053, 746 (J. H.蒂默化 H. Timmer)等人的"福照装置（Irradiation Device)")。
[0094] 的确，如果回旋加速器11的重量足够小，则回旋加速器11可W放置在机器人较接 臂上而不是转动台架上。回旋加速器11在机器人臂上的安装将显著提高装置在患者周围 或在正在被询问或福照的对象周围的布置的灵活性。用于和患者一起使用的常规铁屏蔽回 旋加速器的定制台架昂贵并且需要较重的配重。在此描述的重量轻的无铁回旋加速器11 可W用于便携式安排中，如移动平台上的离子束放射疗法治疗室，如卡车。可W在车间中制 造和调谐模块安排并且将其装运W便在使用点处进行最后安装。
[0095] B)便携性
[0096] 在高度便携式回旋加速器11的情况下，有利地最小化系统重量。可W使用带有可 移除的电流引线的或者持久性或近持久性超导线圈，或者通过感应充电来单元移除电流引 线。在感应充电单元的情况下，充电磁场是可观的。在美国麻省理工学院和在悬浮偶极实 验（LDX)中一直使用感应充电超导磁体，使用超导充电线圈[A.朱可夫斯基（A. Zhukovsky) 等人的"用于LDX的浮动线圈的充电磁体（Qiarging Ma即et for the Floating Coil of LDX) "，11 IE邸超导性学报（I邸E Transactions on Superconductivity) 1873 (2001)]。
[0097] 例如，一直考虑重量极轻的高度便携式回旋加速器用于从机载平台询问对象（见 M.海因斯（M. Hynes)等人的美国专利7,970, 103 "询问容器的隐藏内容（Interrogating hidden contents of a container)"）。
[009引可替代地，电流引线可W用于主动地对回旋加速器11提供功率。电流引线可W是 回旋加速器11的远端的连接固定电流引线和回旋加速器11的低温恒温器中的低温或高温 超导体或者M浊2。超导装置的热负荷较小。通过使用高温超导体（HT巧引线，使在低温下 移除热负荷的制冷要求最小化。从固定位置上的回旋加速器11远端的低温环境移除由于 室温触点与超导体引线之间的电阻元件产生的热负荷。
[0099] 针对某些应用，为了回旋加速器11的长期运行，向单元提供连续的低温冷却。在 该种情况下，互连的使用没有增加设计复杂性，从而避免了回旋加速器11的感应充电的需 要。
[0100] C)单个回旋加速器中的可变能量加速
[0101] 无铁回旋加速器11 (或者等时的或者同步的）的开发促进的有利特征是所引出的 离子束能量变化的能力。通过对回旋加速器运行进行若干修改使得改变束的能量成为可 能，无铁回旋加速器11的使用启用了该些修改中的某些修改。在保持引出半径的同时改变 束的能量需要改变回旋加速器11的磁场。因为没有铁（或者铁非常少），所W可W通过仅 根据同一因子对所有线圈中的电流进行定标来改变磁场幅值而不改变归一化场梯度（梯 度B测量为1/B)。可替代地，可W具有不只一组电流引线，其中，不是所有线圈都串联连接， 从而允许改变线圈电流并且因此改变磁场幅值和分布。
[0102] 磁场中的带电粒子的相对论性回旋半径为= 丫m v/q B，其中，丫为相对论 性质量校正，m为带电粒子的静止质量，V为其速度，q为其电荷并且B为磁场的幅值。E = me2 (丫-1)给出了粒子的能量，其中，C为光速。针对非相对论性粒子，E = l/2m V2,并且r (2E 给出了回旋半径。针对不变的引出半径，粒子的能量定标为E?B2。因 此，磁场的相对小的变化引起束能量的大幅度变化。
[0103] 同步回旋加速器磁体的聚焦特性完全由无量纲参数[目P，指数n(r);电子回旋加 速器频率v,(r)和Vf(r);化及无量纲半径的所有函数r = R/RJ。磁体的线圈中的电流 密度j的同时成比例变化可W对无铁同步回旋加速器11的磁场分布进行定标。线圈可W 或可W不串联连接。当线圈串联连接时，具有一对电流引线；并且所有线圈携带同一操作电 流I。。。可W仅通过改变I。。来实现所需的场变化。场分布B(R)随着线圈电流密度线性地 定标，从而保持回旋加速器11的无量纲聚焦特性不变。
[0104] 加速场强度的定标允许离子从回旋加速器11的其他子系统（例如，离子源、RF系 统、束引出系统）所允许的最小能量加速到线圈设计所允许的最大能量。在无铁回旋加速 器11中，可W通过根据时间改变线圈系统电流Iw(t)来连续地调整束能量。
[01化]对于某些应用而言，包括离子束放射疗法，调制束能量将是有用的。无铁回旋加速 器11中的场的变化启用本特征。
[0106] 快速地改变磁场耗费大量功率。针对K250回旋加速器的情况，所存储的磁场能量 的典型数量为25MJ。假设一分钟的时间用于将场变动20%，则需要的功率为约lOOkW。因 为磁场的有限变化速率，束的扫描将使得束纵向地扫描通过组织，同时束能量缓慢变化。可 W根据布拉格峰炬ragg peak)的宽度所确定的幅值和范围，W不同的能量阶跃进行该种变 化。
[0107] 由于（取决于场的变化速率）绕组中祸电流的AC损耗、磁化和禪合损耗，磁场的 快速变化会在线圈绕组中沉积大量能量。为了经受住热量，磁体设计有大的温度和能量裕 度。因此，高临界温度线圈（如由高温超导体形成的那些）是有利的。在束扫描过程中，优 选首先从最高能量（即，最高磁体电流）开始W最大化超导体的热稳定性。随着超导体中的 电流减小，其能够在稍微更高的温度下运行，由于在快速升温引起的损耗将发生如此情况。 W此方式，超导体的温度裕度随着从高到底扫描束能量而增加。再次提升能量需要之间的 时间允许重新冷却线圈。
[0108] 此外，为磁体提供了冷却。合适冷却剂包括液体和气体氮，或者没有冷却剂，通过 直接到低温冷却器的冷却台头的热传导。在放射疗法应用中，可W在福照过程之间重新冷 却磁体。对于不需要快速能量变化的其他应用而言，可W通过缓慢升温来消除该种问题。
[0109] 改变束能量时的第二运行变化是调整RF周期的频率。针对非相对论性粒子，该频 率根据场线性地定标（f?B)。同步回旋加速器中的RF电路被设计成具有巨大带宽W适应 磁场的变化。在等时性回旋加速器的情况下，将磁场调谐至粒子的共振频率。在同步回旋 加速器的情况下，调整频率范围。频率范围根据磁场定标，即，较低频率根据磁场定标，并且 最高频率也根据磁场定标。因此，用于同步回旋加速器的RF电路的可调谐频率的总范围从 最低场的最低频率到最高场的最高频率。然而，存在频率快速上升（针对给定场）和与不 断变化的磁场相关联的更缓慢的变化。
[0110] 使用单独控制的多个加速间隙可W实现大的能量选择性。该过程可W与用于加速 W及用于D形盒（dee)的RF空腔任一个一起使用。为了用W更低的频率绕着回旋加速器 11转动的束实现更低的加速能量，可W停用空腔或D形盒，并且因此防止束减速（而不是降 低频率）。每次束转动将具有多个RF周期，但为了继续加速，将仅激活几个有限间隙。如果 将激活其他空腔，束在遍历空腔或遍历停用的D形盒之间的间隙时将减速，该将因此是适 得其反的。通过停用减速空腔或D形盒，可W保持频率比将W其他方式所需要的更高，从而 限制加速RF周期的所需带宽。应指出的是，当束的加速仅在RF周期的一小部分内进行时， 将可W使多个束团加速。可能的束团的数量与带电粒子的每个轨道的RF周期的数量相同。
[0111] 除了改变束能量W外，还可W调整场和RF频率W适应单个回旋加速器11中的不 同离子种类的加速。粒子的谐振频率取决于离子的荷质比，并且在较小程度上取决于能量 (如果是相对论性的话），并且因此当离子改变时，需要调整RF周期的频率。因此，可W在 同一回旋加速器11中使氨、気或碳加速，但不是同时使所有该些加速。在碳情况下，由于因 为C 6+具有相同的荷质比，其具有与気的加速RF频率相似的加速RF频率，C 的加速是有利 的。
[0112] 目前为止，讨论聚焦在带电粒子（离子）的加速上。在回旋加速器11中，此外，必 须将粒子引入加速区域，在该区域，它们可W在中平面18中向外加速并且引出它们。根据 不断变化的磁场，对使用用于从外部离子源注射粒子的螺旋偏转器的常规方法重新进行调 整。调整参数从而使得当磁场变化时螺旋偏转器是有效的方式是同时调整偏转器中的注射 的束能量和电场。如果磁场变化n，电场变化n2,并且注射的束能量变化n2,则在回旋加 速器11中引入带电粒子时，螺旋偏转器将是有效的，即使磁场已经变化。
[0113] 类似地，当回旋加速器11中的磁场的幅度变化时，将难于适应使用螺旋偏转器注 射具有不同荷质比或能量的带电粒子束。通过调整注射的粒子的能量和跨偏转器间隙的电 场的幅度，通过同一偏转器可W用充足效率引入具有不同荷质比的粒子。
[0114] 用于接收具有不同能量和不同荷质比的粒子的更简单的解决方案是使用静电反 射镜。又另一种替代方案是使用内部离子源。内部源对碳6+(C6+)离子的情况而言是不切 实际的。在再另一个实施例中，可W使电子束离子阱与电子束离子源巧BIT/邸I巧与回旋 加速器11禪合。
[0115] 用于引出束的一个选项是在加速室内使用磁扰，在该室中，可W被编程用于引出 所希望的能量级的束的铁磁元件、一体化超导线、或线绕线圈产生磁场。除了常规手段W 夕F，无铁回旋加速器允许使用冲击线圈所产生的快速变化[即，在若干回旋加速器轨道、或 (电子回旋加速器振荡的）若干进动轨道的规模上]的非轴对称脉冲磁场进行引出的可能 性。非轴对称意味着扰动变化场具有方位变化。通过使用非轴对称扰动脉冲磁场用于进行 引出所提供的优点在于，束轨道在束到达所希望的引出能量前没有受到干扰。图21中展示 了使用一对"冲击"扰动线圈82用于进行引出的实施例，在该图中，用曲线箭头展示了当离 子接近束室68中的D形电极之间的加速间隙84时其轨道的截面。扰动线圈82可W是当 施加电压来驱动电流通过线圈82时生成脉冲磁场的超导或常态（电阻）线圈。线圈82对 称地定位在束室82的相对侧上并且包括补偿冲击线圈82'，该线圈远离通过引出通道86引 出离子所在的地方。
[0116] 可W通过按比例改变流动通过系统中的线圈中的每个线圈的电流来改变所引出 的束的能量。允许高效引出能量不断变化的束的技术是有利的。
[0117] 该种方法的一个问题是冲击线圈中使磁场快速变化所需的功率。一个允许快速改 变磁场的实施例是使用与初级回旋加速器线圈12、14具有零互感的扰动（冲击）线圈82 组（其生成非轴对称场）。可W存在一个或多个具有多个环并且电流串联连接的扰动线圈 82〇
[0118] 该安排可W包括一组完全相同但绕着回旋加速器的主轴转动并且W在相反方向 上（偏手性）流动的电流运行的冲击线圈82。可W具有一组两个非轴对称扰动线圈82或 者一组具有偶数个扰动线圈82的更大线圈。可替代地，通过使用外部变压器，线圈82、12、 14等之间的互感可W归零。在其他实施例中，可W使用该些方法的组合。因为零互感，生成 场所需的能量根据扰动场的平方定标；并且其比如果互感不低的情况小得多。电路中不存 在铁使对束变化的控制变得容易（即，消除了非线性元件）并且减少了由于快速变化速率 所引起的电位损耗。
[0119] 在具体实施例中，冲击线圈82关于中平面18对称，在该种情况下，可W具有一组 4个线圈，或者线圈82可W被定位成一个在中平面18上方而另一个在其下方，其中初级线 圈绕组串联，在该种情况下，两组线圈（扰动磁场线圈82和初级回旋加速器线圈12、14)的 互感为零。
[0120] 磁场的上升速率W及发起上升的定时（关于非对称场开始上升所在的轨道内的 束能量和相位）可W被调整成用于提供束的充分引出。该定时可W是自动化的（例如，通 过控制器运行计算机可读介质上非瞬态存储的软件的过程）。扰动线圈82中的最大电流 与初级线圈12和14(和系统中的其他线圈）中的电流成比例地定标。生成了一个查找表， 该查找表提供关于扰动线圈82中的电流的上升速率（当离子靠近其轨道内的扰动线圈82 时）和若干束能量的上升定时的信息。
[0121] 线圈电流I和磁场将根据每个核子的束能量T而变化。图22示出了本示例的对 应的定标系数Ki= I/I及K t= T/T。，之间的相关性。具有T。的设计将示出稍微不同的 定标。此处，I。和T。是分别在设计点定义的线圈电流和束能量。磁场根据束能量随着线圈 电流定标。定义此关系的分析表达式可W如下表达：
[0122] 孩,=J(y2 -1)/始-1)
[0123] 其中，y=l+^.鞠= 1+；^' m。为核子的质量，并且C为光速。
[0124] 下表2中提供了用于生成图22的情节的表。
[0125] 表 2 ;
[0126]
【权利要求】
1. 一种用于在离子加速过程中使回旋加速器磁屏蔽的方法，该方法包括： 使电流传递通过第一和第二导电初级线圈，其中，每个初级线圈围绕一条中心轴对称 地定中心，一个中平面的每一侧上的线圈与该中心轴垂直相交，其中，该电流以与电流传递 通过该第二初级线圈的方向相同的方向传递通过该第一初级线圈； 使电流传递通过至少一个第一和一个第二磁场屏蔽线圈，其中，该第一磁场屏蔽线圈 与该第一初级线圈在该中平面的同一侧上并且在该第一初级线圈的外半径以外，其中，该 第二磁场屏蔽线圈与该第二初级线圈在该中平面的同一侧上并且在该第二初级线圈的外 半径以外，其中，电流以一个与电流传递通过这些初级线圈的方向相反的方向传递通过该 第一和第二磁场屏蔽线圈，并且其中，使电流传递通过这些磁场屏蔽线圈在这些磁场屏蔽 线圈之外生成一个使在距离该中心轴的半径处生成的磁场减小的抵消磁场；以及 将来自一个离子源的一个离子释放到最接近该中心轴的该中平面内并且通过至少部 分地由这些初级线圈生成的一个磁场以一个从该中心轴向外扩展的轨道轨迹使该离子加 速。
2. 如权利要求1所述的方法，进一步包括使用至少一个第一和一个第二磁场成形线圈 对该中平面中的该磁场进行成形，其中，该第一和第二磁场成形线圈定位在比这些初级线 圈距离该中心轴更短的半径处。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，该回旋加速器在这些初级线圈周围缺少一个连续 轭和杆结构。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，该中平面中的该磁场由一个磁场生成结构生成，该 磁场生成结构基本上由这些初级线圈、这些磁场成形线圈以及这些磁场屏蔽线圈组成。
5. 如权利要求4所述的方法，进一步包括通过改变传递通过这些初级线圈和通过这些 磁场屏蔽线圈的电流量来改变在该中平面中所生成的该磁场同时保持磁屏蔽并且通过按 比例改变这些初级线圈中的、这些场成形线圈中的以及这些磁场屏蔽线圈中的电流来保持 该中平面中的磁场分布，从而使得该磁场的幅度改变但该磁场的归一化梯度保持不变。
6. 如权利要求5所述的方法，进一步包括从该回旋加速器引出具有一个最终能量的所 述离子，其中，所引出的该离子的所述最终能量随着该磁场的变化而变化。
7. 如权利要求1所述的方法，其中，该中平面中在小于这些初级线圈的内半径的半径 处所生成的磁场大于5特斯拉。
8. 如权利要求1所述的方法，其中，在这些初级线圈的外半径以外大于1米的半径处生 成的磁场被这些磁场屏蔽线圈减少到小于0. 001特斯拉。
9. 如权利要求1所述的回旋加速器，其中，该回旋加速器具有一个小于5, 000kg的质 量。
10. 如权利要求1所述的方法，进一步包括使在该回旋加速器中具有不同质量的不同 离子加速并且针对这些不同离子生成不同幅值的磁场。
11. 如权利要求10所述的方法，进一步包括在这些不同离子的加速之间替换一个包括 该离子源、多个射频电极、一个束室和一个束引出系统的束加速模块。
12. 如权利要求1所述的方法，其中，这些磁场屏蔽线圈中的至少某些定位在距离该中 心轴大于这些初级初级线圈的半径1. 5倍的一个半径处。
13. 如权利要求1所述的方法，其中，一个基本上由这些磁场屏蔽线圈组成的磁场屏蔽 结构提供了对这些初级线圈在这些初级线圈之外在距离该中心轴半径处所生成的磁场的 屏蔽。
14. 如权利要求1所述的方法，其中，这些初级线圈是超导的。
15. 如权利要求14所述的方法，其中，磁场成形线圈是超导的。
16. 如权利要求15所述的方法，其中，这些磁场屏蔽线圈是超导的。
17. -种磁屏蔽紧凑式回旋加速器，包括： 第一和第二导电初级线圈，其中，每个初级线圈围绕一条中心轴定中心，一个中平面的 每一侧上的线圈与该中心轴垂直相交； 一个电压源，与该第一和第二初级线圈电耦合并且被配置成用于引导电流在同一方向 上通过该第一和第二初级线圈； 至少一个第一和一个第二磁场屏蔽线圈，围绕该中心轴定中心并且在这些初级线圈 以外距离该中心轴半径处，其中，该第一磁场屏蔽线圈与该第一初级线圈定位在该中平面 的同一侧上，其中，该第二磁场屏蔽线圈与该第二初级线圈定位在该中平面的同一侧上，其 中，该电压源与该第一和第二磁场屏蔽线圈电耦合并且被配置成用于以与电流传递通过这 些初级线圈的方向相反的一个方向引导该电流通过该第一和第二磁场屏蔽线圈；以及 一个离子源，被定位成用于将一个离子释放在该中平面中以便向外轨道加速。
18. 如权利要求17所述的回旋加速器，进一步包括至少一个第一和一个第二磁场成形 线圈，其中，该第一和第二磁场成形线圈定位在比这些初级线圈距离该中心轴更短的半径 处。
19. 如权利要求18所述的回旋加速器，其中，该回旋加速器是一个同步回旋加速器。
20. 如权利要求19所述的回旋加速器，其中，该同步回旋加速器包括一个磁场生成结 构，该磁场生成结构基本上由这些初级线圈、这些磁场成形线圈以及这些磁场屏蔽线圈组 成。
21. 如权利要求18所述的回旋加速器，其中，该回旋加速器是一个生成一个方位固定 磁场和一个方位变化磁场的等时性回旋加速器。
22. 如权利要求21所述的回旋加速器，其中，该同步回旋加速器包括一个用于生成该 方位固定磁场的磁场生成结构，该磁场生成结构基本上由这些初级线圈、这些磁场成形线 圈以及这些磁场屏蔽线圈组成。
23. 如权利要求22所述的回旋加速器，其中，该等时性回旋加速器包括一个用于生成 该方位可变磁场的磁场生成结构，该磁场生成结构基本上由螺旋导电线圈绕组的扇区组 成。
24. 如权利要求22所述的回旋加速器，其中，该等时性回旋加速器包括一个包括离子 的磁场生成结构，该磁场生成结构用于生成该方位可变磁场。
25. 如权利要求17所述的回旋加速器，其中，这些初级线圈包括一种在一个至少4K的 温度超导的组合物。
26. 如权利要求25所述的回旋加速器，其中，这些磁场成形线圈包括一种在一个至少 4K的温度超导的组合物。
27. 如权利要求26所述的回旋加速器，其中，这些磁场屏蔽线圈包括一种在一个至少 4K的温度超导的组合物。
28. 如权利要求17所述的回旋加速器，进一步包括： 一个射频加速器系统，被定位成并且被配置成用于在该中平面中生成一个射频交流电 磁场以便在该回旋加速器中使一个轨道离子加速；以及 一个引出系统，被定位成并且被配置成用于从该回旋加速器引出该轨道离子。
29. 如权利要求28所述的回旋加速器，其中，该引出系统包括一组脉冲冲击线圈，这些 线圈被配置成用于产生一个用于从该回旋加速器引出该轨道离子的非轴对称脉冲微扰磁 场并且被配置成用于根据该轨道离子的能量和该射频交流电磁场的相位增强该脉冲微扰 磁场。
【文档编号】H05H13/00GK104488364SQ201380039527
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2013年7月26日 优先权日:2012年7月27日
【发明者】莱斯利·布隆伯格, 约瑟夫·米内尔维尼, 乐培思, 亚历克斯·拉多文斯基, 菲利普·迈克尔, 蒂莫斯·安塔亚 申请人:麻省理工学院