专利名称：射频加速系统和安置有该系统的环形加速器的制作方法
射频加速系统(以下称为RF加速系统)与功率源之间的阻抗匹配是有效加速带电粒子束流的关键因素。为对带电粒子束流进行稳定的加速必须连续地监控加速间隙电压。在传统的RF加速系统中，阻抗调节电路元件和加速间隙电压测量电路元件直接连接至加速间隙2，如图8所示。
图8(a)表示一调谐的RF加速系统的例子。围绕环形加速器运行的带电粒子束流的旋转频率随着该带电粒子束流被RF加速器1的加速而逐渐增加。RF功率源8提供的功率的频率与带电粒子束流的不断增加的旋转频率同步地改变，以对带电粒子束流的带电粒子进行稳定的加速，从而将带电粒子束流加速到最终能量。在该调谐的RF加速系统中，在加速间隙2上连接一具有适当电容值的电容器15，并且改变磁芯4的导磁率，从而使RF加速器1的谐振频率与相应于带电粒子束流的旋转频率的由RF功率源8提供的功率的频率相一致，以有效地加速带电粒子束。
图8(b)表示一失谐的RF加速系统的例子。由功率源8提供的功率的频率与带电粒子的旋转频率同步地变化，以稳定地加速带电粒子束流。在该失谐的RF加速系统中，加速间隙2连接一电阻6，用以降低RF加速器1的谐振灵敏度(Q值)，使得在一宽的频率范围内在加速间隙2上均可产生电压。因此，失谐RF加速系统不需要任何控制操作，使RF加速器1的谐振频率与相应于带电粒子束流的旋转频率的由功率源8提供的功率的频率一致。
图8(c)所示的RF加速系统中，加速间隙2上连接一电容分压器，用以测量加速空隙电压，即加速空隙2的电压。
上述的RF加速系统的现有技术在下列文献中提及“OHO′89Ko-Enerugi Kasokuki Semina”第5章，“Yoshi Shinkurotoren noKo-shuha Kasoku Sochi”，第19-32页，Ko-Enerugi Kasokuki KagakuKenkyu Shorei-Kai，及“Conceptual Design of a Proton TherapySynchrotron for Loma Linda University Medical Center”，第25-27页，Fermi国立加速器实验室，1986。
在传统的RF加速系统中，阻抗调节电路元件和加速间隙电压测量电路元件直接连接至加速间隙。由于加速带电粒子束流的加速间隙间的电压很高，因此这些电路元件需要有高的耐压。具体地说，这些电路元件中的电容器必须是高耐压的大的真空电容器。当在加速间隙连接这样的大真空电容器时，加速间隙周围的结构变得较大、较复杂，并且这样的大的、复杂的结构很难装配和拆卸。
高耐压的RF阻抗需消耗较大的功率，并且较难制造，因此，很难在失谐RF加速系统中产生高的加速间隙电压。
本发明涉及用于加速带电粒子束流的RF加速系统的结构，具体涉及环形同步加速器的RF加速系统，以通过这样的环形同步加速器加速带电粒子束流。
因此，本发明的一个目的是提供一种RF加速系统，即使加速间隙电压很高也能通过使用低耐压的电路元件来进行阻抗调节和加速间隙电压测量，并且结构紧凑，易于装配和拆卸。
按照本发明的第一方面，一环型天线与分别包括多个磁芯的多个磁芯组中的至少一个磁芯组的磁芯耦合，该环型天线上连接一阻抗调节装置。
按照本发明的第二方面，一环型天线与至少一个磁芯耦合，该环型天线上连接一阻抗调节装置。
当阻抗调节装置以这样的方式连接至环型天线时，施加至阻抗调节装置的电压较低。因此，可用低耐压的电路元件作为阻抗调节装置，并且RF加速系统结构紧凑。
按照本发明的第三方面，一环型天线与分别包括多个磁芯的多个磁芯组中的至少一个磁芯组的磁芯耦合，在该环型天线上连接测量加速间隙电压的电压测量装置。
按照本发明的第四方面，一环型天线与至少一个磁芯耦合，该环型天线上连接测量加速间隙电压的电压测量装置。
当电压测量装置以这样的方式连接至环型天线上时，施加至该电压测量装置的电压较低。因此，电压测量装置可以是低耐压的电路元件，并且RF加速系统结构紧凑。由于加速间隙电压可通过在RF加速系统安置至少一个加速间隙电压测量系统来测量，因而进一步简化了RF加速系统的结构。
按照本发明的第五方面，电压测量装置是串联连接的，从而可精确测量加速间隙电压。
按照本发明的第六方面，上述的RF加速系统应用于环形加速器中。
图1是按照本发明的第一实施例中的RF加速系统的典型示意图；图2是按照本发明的第二实施例中的RF加速系统的典型示意图；图3是按照本发明的第三实施例中的RF加速系统的典型示意图；图4是按照本发明的第四实施例中的RF加速系统的典型示意图；图5是按照本发明的第五实施例中的RF加速系统的典型示意图；图6是按照本发明的第六实施例中的RF加速系统的典型示意图；图7是按照本发明的第七实施例中的RF加速系统的典型示意图；图8是传统RF加速系统的典型示意图。
图中所用标记为1…RF加速系统，2…加速间隙，3…内导管，4…磁芯，5…环型天线，6…阻抗调节装置，7…加速间隙电压测量装置，8…RF功率源，9…馈线环型天线，10…引入偏转器，11…弯转磁铁，12…聚焦磁铁，13…引出偏转器，14…差分放大器，15…电容器第一实施例图1所示的是根据本发明的第一实施例的RF加速系统的典型示意图，该RF加速系统具有一产生用于加速带电粒子束流的电场的加速间隙2，沿加速间隙2的相反两边延伸以构成带电粒子束流的路径的导管3，以及围绕内导管3的环状磁芯4。磁芯4被分成多个磁芯组，而环型天线5与每一磁芯组耦合。每一环型天线5上连接一阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7。磁芯4的每一磁芯组可耦合两个环型天线，并且两个环形天线分别与阻抗调节装置6和加速间隙电压测量装置7相连。
阻抗调节装置6是一电容器、一电阻器、一电感线圈或包括这些电路元件的电路。电容器或电感线圈用于调节谐振频率，而电阻器用于调节衡量谐振灵敏度的Q值。
加速间隙电压测量装置7是一电容分压器、一电阻分压器或这些电路元件的组合。阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7两端的电压等于加速间隙电压除以磁芯4的磁芯组数目所得的商。在该实施例中，阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7两端的电压等于加速间隙的1/6。
当增加磁芯4的磁芯组的数目时，阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7两端的电压将降低。在每磁芯组只有一个磁芯4的极端情况下，阻抗调节装置或加速间隙电压测量装置7两端的电压等于加速间隙电压除以磁芯4的数目所得的商。
由于降低了阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置两端的电压，这两种装置可以具有较低的耐压和较小的尺寸。
虽然在本实施例中环型天线5与磁芯4的每一磁芯组耦合，而阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7连接至该环型天线，但RF加速系统1的结构并不限于此。例如，如果可以忽略磁芯4之间的特性和位置的不同对RF加速系统1的RF特性的影响，只需一组环型天线5和加速间隙电压测量装置来测量加速间隙2的电压。如果减少了阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7的数目，RF加速系统1将会更紧凑。
如果增加阻抗调节装置6的数目，可以提高对RF加速系统在整个长度上的阻抗调节精度。
RF即使加速系统1的加速间隙电压可高达10KV，也可通过使用市场上可购得的耐压为1KV或更低的小RF电路元件来完成阻抗调节或加速间隙的电压测量。因而，这种RF加速系统1结构紧凑，易于装配和拆卸。
第二实施例图2是按照本发明的第二实施例的RF加速系统典型示意图，环型天线5与分别具有多个磁芯4的多个磁芯组耦合，阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7连接至该环型天线5。阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7两端的电压是加速间隙2的电压的一半。虽然该第二实施例降低施加至阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7的电压的效果比第一实施例的低，阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置也可以是较小的，因为具有低的耐压。由于环型天线5、阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7的数目较小，使得RF加速系统1结构更为紧凑。
第三实施例图3是按照本发明的第三实施例的RF加速系统的典型示意图，环型天线5与所有磁芯4耦合，阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7连至该环型天线5。或率通过环型天线9从RF功率源8馈入RF加速系统1。在该第三实施例中，阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7两端的电压与加速间隙2的电压相等，因此第三实施例没有降低阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7两端的电压的效果。但是，由于第三实施例中没有任何相应于馈线的装置，以及如图8所示的传统RF加速系统的真空电容器或电阻器，则磁芯4可安置在加速间隙2周围的空间。从而可使第三实施例中的RF加速系统具有较短的长度。由于没有电路元件连至内导管3，这就增加了RF加速系统1的设计自由度，从而使RF加速系统1易于装配和拆卸。当在第一和第二实施例中采用环型天线从RF功率源8接收功率时，该两实施例同样可具有第三实施例的效果。
第四实施例图4是按照本发明的第四实施例的RF加速系统的典型示意图，将磁芯4分为多个磁芯组，每一磁芯组与一馈线环型天线9相耦合。通过馈线环型天线9从多通道RF功率源8将功率馈入RF加速系统1。阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7分别与馈线环型天线9相连。加速间隙2的电压等于加至馈线环型天线9的电压之和，而阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7两端的电压为加速间隙电压除以磁芯组数所得的商。因为与第一实施例相似，阻抗调节装置6或加速间隙电压测量装置7两端电压较低，所以这两种装置可是低耐压的，并且可以比较紧凑。
因为不需要附加的环型天线用于阻抗的调节或加速间隙电压的测量，所以该实施例的RF加速系统1结构简单。
第五实施例参见表示按照本发明的第五实施例的RF加速系统1的图5，磁芯4被分成多个磁芯组，每一磁芯组耦合一环型天线5和一馈线环型天线9。连接至馈线环型天线5的阻抗调节装置6a和6c与其他阻抗调节装置6b及磁芯4构成一电路(并联LC电路)。在该实施例中，构成一桥接T型电路，用以调节加速间隙2的电压的频率特性。
施加至环型天线5和馈线环型天线9的电压等于加速间隙电压除以磁芯4的磁芯组的数目所得的商，因此施加至阻抗调节装置6的电压较低。从而阻抗调节装置可具有低耐压，而且结构紧凑。
减少阻抗调节装置6的数目可进一步减少RF加速系统的尺寸，相反，当增加其数目时，可提高对RF加速系统1在整个长度上进行阻抗调节的精度。
若需进一步减少RF加速系统1的尺寸，阻抗调节电路可只包括阻抗调节装置6c。
第六实施例参见表示按照本发明的第六实施例的RF加速系统1的图6，磁芯4被分成多个磁芯组，每一磁芯组耦合一环型天线5。每一环型天线5连接一加速间隙电压测量装置7。
加速间隙电压测量装置7是电容分压器。在该实施例中，将加速间隙2两侧的电容分压器分别串联，由这两组串联的电容分压器提供的信号之差经差分放大器14放大，并同时驱动延伸至控制室的长传输线。
分压比率由电容器15调节。当RF加速系统1安置有差分放大器14和电容器15时，可以简化后续信号处理系统的结构。增加电容分压器的数目可增加速间隙电压测量精度，相反，减少其数目可减小RF加速系统的尺寸。
施加至每一环型天线5和每一馈线环型天线9的电压等于加速间隙电压除以磁芯组数目所得的商。由于施加在加速间隙电压测量装置7的电压较低，该装置可具有较低的耐压和较小的结构。
本实施例中的电容分压器可由电阻分压器代替。
第七实施例参见表示按照本发明的第七实施例的环形加速器的图7，该环形加速器包括一将由预加速器(图中未示出)输出的带电粒子束流注入的束流引入偏转器10，用于改变带电粒子束流的路径使其沿环形轨道运动的弯转磁铁11，用于聚焦带电粒子束流使其不至于扩散的聚焦磁铁12，用于将带电粒子束流加速至所需能量的RF加速系统1，以及将具有所需能量的带电粒子束流引出的引出偏转器13。
随着带电粒子束流的带电粒子的不断加速，必须增大弯转磁铁11和聚焦磁铁12的激励电流，以通过RF加速系统1实现对带电粒子束流的带电粒子的稳定加速。由于随着带电粒子束流的加速绕环形加速器运动的带电粒子的旋转周期减小，必须随着旋转周期的减小增加RF加速系统的加速间隙电压的频率，即RF功率源8的输出频率。因此，必须对加速间隙电压进行连续监控，以获得对带电粒子束流的稳定加速。射频加速系统1和RF功率源8的阻抗匹配对有效加速带电粒子束流是很重要的。在环形加速器中使用上述第一至第六实施例中的任一种RF加速系统都可满足阻抗匹配的要求。这是因为，即使RF加速系统1的加速间隙电压高达10KV，RF加速系统1也可使用足够耐压(500V)并消耗可允许功率(1KW)的电阻器。因此，可使用失谐的RF加速系统，不必要按照带电粒子的旋转周期，即RF功率源8的输出频率，来控制RF加速系统的谐振频率，从而可容易地控制环型加速器的运行。
权利要求
1.一种射频加速系统，包括安装在内部的一内导管，用作带电粒子束流的运动通路，以及一加速间隙，其内产生用于加速带电粒子束流的电场；和多个环状磁芯，内导管穿过这些环状磁芯；其中磁芯被分成磁芯组，一环型天线与多个磁芯组中的至少一组耦合，并且一阻抗调节装置连至该环型天线。
2.一种射频加速系统，包括安装在内部的一内导管，用作带电粒子束流的运动通路，以及一加速间隙，其内产生用于加速带电粒子束的电场；和多个环状磁芯，内导管穿过这些环状磁芯；其中一环型天线与多个磁芯中的至少一个耦合，并且一阻抗调节装置连至该环型天线。
3.一种射频加速系统，包括安装在内部的一内导管，用作带电粒子束流的运动通路，以及一加速间隙，其内产生用于加速带电粒子束流的电场；和多个环状磁芯，内导管穿过这些环状磁芯；其中磁芯被分成磁芯组，一环型天线与多个磁芯组中的至少一组耦合，并且一加速间隙电压测量装置连至该环型天线。
4.一种射频加速系统，包括安装在内部的一内导管，用作带电粒子束流的运动通路，以及一加速间隙，其内产生用于加速带电粒子束的电场；和多个环状磁芯，内导管穿过这些环状磁芯；其中一环型天线与多个磁芯中的至少一个耦合，并且一用于测量加速间隙电压的加速间隙电压测量装置连至该环型天线。
5.权利要求3或4所述的射频加速系统，其中加速间隙电压测量装置是串联的。
6.一种环形加速器，安装有权利要求1至5任一所述的射频加速系统。
全文摘要
在射频加速系统中，一环型天线与各包括多个磁芯的多个磁芯组中的至少一组或多个磁芯中的至少一个耦合，并且一阻抗调节装置连接在该环型天线上。施加至该阻抗调节装置的电压较低。因此，该阻抗调节装置可以是低耐压的电路元件，从而使射频加速系统结构紧凑。
文档编号H05H7/00GK1155826SQ9612154
公开日1997年7月30日 申请日期1996年12月13日 优先权日1996年12月13日
发明者斋藤一义, 平本和夫, 广田淳一 申请人:株式会社日立制作所