一种同步加速器的多能量引出方法技术

本发明专利技术涉及一种同步加速器的多能量引出方法，包括如下步骤：设定同步加速器的同步环的色散和色品以满足Hardt条件；在射频电场电压的作用下，伴随同步环磁场的变化使带电粒子的能量先后经过适于引出带电粒子束流的若干束流引出阶段以及衔接在这些束流引出阶段之间的若干减速降能阶段，通过调节束流横向相稳定三角形面积以及横向射频激励束流发射度增长在各束流引出阶段将带电粒子束流以相应的能量(E1、E2、E3)引出，其中，在各个所述束流引出阶段中，保持参考粒子横向相稳定三角形面积不变，其中，由于满足Hardt条件，在各束流引出阶段中的束流横向相稳定三角形的引出分界线与参考粒子的横向相稳定三角形的引出分界线始终重合。始终重合。始终重合。

【技术实现步骤摘要】
一种同步加速器的多能量引出方法


[0001]本专利技术涉及一种同步加速器的多能量引出方法，用于在同步加速器的同一周期引出多个能量的束流。

技术介绍

[0002]同步加速器是一种使带电粒子在高真空中受磁场力控制沿固定环形轨道运动，受电场力作用不断加速(升能)达到高能量的装置。为了维持升能过程的粒子轨道稳定，同步加速器需要保持磁场幅度和设置高频加速电场频率随粒子能量同步变化，最终引出粒子束流为基础科学研究、临床医学以及工业生产领域提供各种粒子束和辐射线。在同步加速器的很多应用场合需要不同能量的粒子束流，例如在临床医疗中同步加速器通过多次改变粒子束流的能量来控制Bragg峰在人体内的位置从而精准覆盖病灶部位又不损伤周围正常组织。图1示出了同步加速器切换引出能量的过程。粒子束流在图1中示例性地示出的、夹在虚线之间的能量平台E1、E2和E3处从同步加速器中引出。
[0003]传统的、从同步加速器中引出束流的方式可以称为单能量引出。在单能量引出方式下，同步加速器在一个循环周期之内只能引出单能量的束流，要切换引出能量只能在周期与周期之间进行。如图1所示，束流被加速到某个能量E1后保持磁铁、高频腔的频率不变以保证粒子的能量不变，在该能量平台下将束流引出，如果需要改变引出能量，在下一个周期内将束流加速到新的能量E2并在新的能量平台下引出，以此类推。图1中的能量E1、E2和E3分别处于三个同步加速器循环周期内，因此引出束流能量从E1依次变为E2、E3需要三个同步加速器周期才能实现。如果需要N个能量的束流，则至少需要N个同步加速器循环周期才能实现。
[0004]由于在同步加速器的每个周期内通过单一的能量平台引出单能束流，因此要在新的能量下引出束流，就要在新的周期内进行，因此每个周期的引出结束后需要将磁铁的磁场下降重置为初始值，再重新注入束流将其加速到新的能量平台，这导致每次切换能量都需要磁场重置以及重新加速的过程，能量切换时间长。而且，在同步加速器的每个周期内某个能量需要的粒子数达到要求后，同步加速器内剩余的束流只能因为切换能量而损失，并无法被利用，因此这导致了对束流的利用率低。
[0005]为此，现有技术下提出了多能量引出的概念，在多能量引出方式下，在同步加速器运行的一个周期内提供用于引出的多个能量平台。能量平台数由需求决定，可以实现单周期多个能量的束流引出，大大节省改变引出束流能量所需的时间和提高对束流的利用率。目前在国际上已经有关于多能量引出的实验以及报道。日本的HIMAC(Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba)以及德国的HIT(Heidelberg Ion
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Beam Therapy Center)都进行了多能量引出的实验，其中HIMAC采用的是先加速到高能量再降能量引出的方式，HIT采用的是在加速过程中进行多能量引出的方式。
[0006]独立行政法人放射线医学综合研究所于2007年3月5日在日本申请了相关专利技术专利，授权公告号为JP4873563B2。
[0007]惠州离子科学研究中心和中国科学院近代物理研究所于2018年5月22日申请了专利技术名称为“同步加速器单周期多步主动变能慢引出方法”的相关中国专利技术专利，授权公告日为2020年8月21日，授权公告号为CN108939317B。
[0008]另外，本申请的申请人清华大学也于2021年11月19日提交了申请号为202110867950.4、专利技术名称为“一种同步加速器的控制方法”的专利技术专利申请，该申请已公布，申请公布号为CN113677084A。
[0009]同步加速器中束流的运动可以用位置
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斜率相空间进行描述，在水平方向的相空间中相图的横纵坐标分别为x、x
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，代表束流在x方向的位置坐标和散角。当粒子的水平工作点接近三分之一整数共振线，并且存在六极磁场的情况下，在水平方向的相空间中就会形成一个三角形状的相稳定区，下文中称作横向相稳定三角形。当粒子的发射度小于横向相稳定三角形的面积时(如图1A所示)该粒子的运动是稳定的，当粒子的发射度大于横向相稳定三角形的面积时(如图1B所示)该粒子的运动是不稳定的，粒子会沿着横向相稳定三角形的边界线向外运动，图1A以附图标记100示出了被约束在横向相稳定三角形的面积内的粒子，而图1B以附图标记100
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示出了逸出横向相稳定三角形的面积的粒子。慢引出正是利用了该特性，通过激励束流的发射度增长或者通过缩小横向相稳定三角形的面积，使粒子从由横向相稳定三角形限定的稳定区中进入横向相稳定三角形之外的非稳定区，实现将粒子可控地引出。
[0010]上文述及的工作点指的是同步加速器中粒子横向运动自由振荡的频率，以水平工作点和垂直工作点为横纵坐标可以得到共振线图如图1D所示。图1D中黑点代表同步加速器的工作点，图中的线条代表不同阶数的共振线。在三阶共振慢引出中，由于三阶共振只发生在水平方向，水平、垂直两个方向的运动没有耦合，因此此时的三阶共振线就是图中垂直的三阶共振线。在图1D中，最接近水平工作点的三分之一共振线是Q
x
＝5/3的垂线，水平工作点到该三分之一共振线的距离即图中黑点到该垂线的距离。工作点由磁铁聚焦参数和布局决定，当磁铁布局确定后由磁铁聚焦参数决定，聚焦四极铁强度越大水平工作点越大，散焦四极铁强度越大水平工作点越小，反之亦然。因此，通过调节聚焦四极铁和/或散焦四极铁的磁场强度，可以调节工作点到三分之一共振线的距离。
[0011]横向相稳定三角形的面积反比于六极铁磁场强度的平方，正比于水平工作点到三分之一整数共振线距离的平方，即六极铁磁场强度越大，稳定区面积越小，水平工作点到三分之一整数共振线的距离越大，稳定区面积越大。因此，可以通过调节聚焦四极铁和/或散焦四极铁的磁场强度使工作点接近或远离三分之一共振线和/或直接通过调节六极铁磁场强度的大小来改变横向相稳定三角形的面积。
[0012]本申请人于申请日2022年3月3日在申请号为202210203893.4、专利技术名称为“同步加速器的多能量引出方法”中提出了一种同步加速器的多能量引出方法，其中，在各个所述束流引出阶段中，调节四极铁和/或六极铁的磁场强度，使得对应于各个能量的各束流引出阶段中的横向相稳定三角形面积的平均值之间的差处在同步加速器的引出效率所容许的变化范围内。由此，通过使各束流引出阶段中的横向相稳定三角形面积的平均值被调节成尽可能一致(即在容许的变化范围内)而使得同步加速器在应用中保持引出效率尽可能始终一致。在这种多能量引出方法中，引出期间的横向相稳定三角形面积不再是保持不变的(例如可以改变六或四极铁强度使得引出期间横向相稳定三角形面积收缩)但不同能量引
出期间横向相稳定三角形面积的平均值大致是一致的。在每一个束流引出阶段，束流引出结束时的稳定三角形面积都小于该束流引出阶段引出开始时的横向相稳定三角形面积，而下一束流引出阶段束流引出开始时的横向相稳定三角形面积则大于上一能量引出结束时横向相稳定三角形的面积，即每次降本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同步加速器的多能量引出方法，包括如下步骤：设定所述同步加速器的同步环的色散和色品以满足Hardt条件；在射频电场电压的作用下，伴随同步环磁场的变化使带电粒子的能量先后经过适于引出带电粒子束流的若干束流引出阶段以及衔接在这些束流引出阶段之间的若干减速降能阶段，通过调节束流横向相稳定三角形面积以及横向射频激励束流发射度增长在各所述束流引出阶段将带电粒子束流以相应的能量(E1、E2、E3)引出，其特征在于，在各个所述束流引出阶段中，保持参考粒子横向相稳定三角形面积不变，其中，由于满足Hardt条件，在各所述束流引出阶段中的束流横向相稳定三角形的引出分界线与参考粒子的横向相稳定三角形的引出分界线始终重合，其中，所述参考粒子是具有一定动量、能够在所述同步环中按照设计轨道运动的粒子，所述参考粒子的工作点和横向相稳定三角形面积由所述同步加速器的二极铁、四极铁和六极铁的磁场强度和所述参考粒子本身的动量直接决定。2.根据权利要求1所述的同步加速器的多能量引出方法，其特征在于，在各束流引出阶段之前调节射频电场电压以及二极铁、四极铁和六极铁的磁场强度，以使得各束流引出阶段中束流引出开始时的束流横向相稳定三角形面积大于参考粒子横向相稳定三角形面积，并且在各个所述束流引出阶段中，通过改变束流平均动量与参考粒子动量的偏差改变束流...

【专利技术属性】
技术研发人员：王泽江，郑曙昕，姚红娟，王学武，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：