用于同步回旋加速器的可编程的射频波形发生器制造技术

同步回旋加速器包含一个谐振电路，该谐振电路包括其间有横跨磁场的间隙的电极。振荡电压输入产生横跨所述间隙的振荡电场，该振荡电压输入有由可编程的数字式波形发生器决定的可变的振幅和频率。同步回旋加速器可以包括在电路中用电极改变谐振频率的可变电容器。同步回旋加速器可以进一步包括电压受可编程的数字式波形发生器控制的注入电极和抽提电极。同步回旋加速器可以进一步包括射束监控器。同步回旋加速器能通过测量谐振电路中受电压输入驱动的电压和／或电流探测谐振电路的谐振条件，和调节可变电容器的电容或电压输入的频率以维持该谐振条件。可编程波形发生器至少能依照射束强度和根据谐振条件变化调节振荡电压输入、注入电极电压、抽提电极电压的其中之一。

【技术实现步骤摘要】
用于同步回旋加速器的可编程的射频波形发生器本申请是2005年7月21日递交的申请号为2005800M522. 4，专利技术名称为“用于 同步回旋加速器的可编程的射频波形发生器”的分案申请。相关申请这份申请要求2004年7月21日申请的美国专利临时申请第60/590，089号的利 益。上述申请的全部教导在此通过引证被并入。
技术介绍
为了将带电粒子加速到高能量，自20世纪30年代以来已经研发了许多类型的粒 子加速器。粒子加速器的一个类型是回旋加速器。回旋加速器通过在真空室中把交变电压 加到一个或多个“D形盒”上使带电粒子在轴向磁场中加速。名字“D形盒”是在早期回旋 加速器中对电极形状的描述，虽然它们在一些回旋加速器中可能不与字母D相似。加速粒 子所产生的螺旋形轨道垂直于磁场。当粒子向外盘旋的时候，把加速电场加在D形盒之间 的间隙上。射频(RF)电压产生横跨D形盒之间的间隙的交变电场。射频电压并因此电场 与带电粒子在磁场中的轨道周期同步，以致粒子在它们重复地横越所述间隙时被射频波形 加速。粒子的能量增加到远远超过外加射频(RF)电压的峰值电压的能量水平。由于相对 论性效应，当带电粒子加速的时候，它们的质量增长。因此，这些粒子的加速是不一致的，而 且这些粒子到达所述间隙不与外加电压的峰同步。目前使用的两种类型的回旋加速器(等时性回旋加速器和同步回旋加速器)以不 同的方式战胜了加速粒子相对论性质量增加的挑战。为了维持适当的加速，等时性回旋加 速器在磁场随着半径增加的情况下使用恒定不变的电压频率，以便在磁场随着半径增加的 情况下维持该电压的频率。同步回旋加速器使用随着半径逐渐增加逐渐减少的磁场并且改 变加速电压的频率，以便与由带电粒子的相对论性速度所引起的质量增加相匹配。在同步回旋加速器中，带电粒子的离散“串”在循环再次开始之前被加速到最后的 能量。在等时性回旋加速器中，带电粒子能被不断地加速，而不是在串中加速，从而允许达 到较高的射束功率。在能够把质子加速到，举例来说，250MeV的能量的同步回旋加速器中，质子的最后 速度是0.61c，其中c是光速，而质量的增加比静止质量高27%。除了为考虑沿径向逐渐减 少的磁场强度而降低频率之外，该频率还不得不减少对应的数量。频率对时间的依从关系 将不是线性的，而且描述这个依从关系的函数的最佳轮廓将取决于大量的细节。
技术实现思路
在补偿相对论性质量增加和磁场对距D形盒中心的距离的依从关系两者的预期 的最后能量所必需的范围内精确地和可重现地控制频率在历史上是一种挑战。此外，加速 电压的振幅可能需要在加速周期内改变，以维持聚焦和提高射束稳定性。此外，D形盒和组 成回旋加速器的其它硬件限定一个谐振电路，其中D形盒可能被看作是电容器的电极。这 个谐振电路是用Q-因子描述的，该Q-因子对横跨间隙的电压分布图有贡献。6用来加速带电粒子(例如，质子)的同步回旋加速器可以包括磁场发生器和包括 安排在磁极之间的电极的谐振电路。电极之间的间隙可以安排成横跨磁场。振荡电压输入 驱动横跨该间隙的振荡电场。在带电粒子加速的期间可以控制该振荡电压输入变化。该振 荡电压输入的振幅和频率都可以改变。该振荡电压输入可以是由可编程的数字式波形发生 器产生的。谐振电路能更进一步包括在有电压输入和电极的电路中的可变的无功元件，以便 改变谐振电路的谐振频率。可变的无功元件可能是可变的电容元件，例如，旋转电容器或振 动簧片。通过改变这样的无功元件的电抗和调节谐振电路的谐振频率，可以将谐振条件维 持在同步回旋加速器的工作频率范围内。同步回旋加速器可以进一步包括用来测量横跨该间隙的振荡电场的电压传感器。 通过测量横跨该间隙的振荡电场和将它与振荡电压输入进行比较，能探测该谐振电路的谐 振条件。可以调节可编程波形发生器的输入的电压和频率来维持谐振条件。同步回旋加速器可以进一步包括安排在磁极之间在受可编程的数字式波形发生 器控制的电压下的注入电极。该注入电极被用于将带电粒子注入同步回旋加速器。同步回 旋加速器可以进一步包括安排在磁极之间在受可编程的数字式波形发生器控制的电压下 的抽提电极。抽提电极用来从同步回旋加速器中抽提粒子束。同步回旋加速器可以进一步包括用来测量粒子束性质的射束监控器。举例来说， 射束监控器能测量粒子束强度，粒子束计时或粒子束的空间分布。可编程波形发生器至少 能调节电压输入、注入电极上的电压和抽提电极上的电压之一，以便补偿粒子束性质的变 化。这项专利技术意在解决用于带电粒子的有效注入、加速和从加速器中抽提的适当的可 变的频率和振幅调制信号的生成问题。附图说明本专利技术的上述的和其它的目的、特征和利益从下面对在用相似的参考符号在不同 的视图处处表示同一零部件的附图中举例说明的本专利技术的优选实施方案的更具体的描述 将变得显而易见。这些图画不必依比例绘制，而是把重点放在举例说明本专利技术的原则上。图IA是本专利技术的同步回旋加速器的平面剖视图。图IB是图IA所示的同步回旋加速器的侧剖图。图2是能在图IA和IB所示的同步回旋加速器中使带电粒子加速的理想化波形的 例证。图3是本专利技术的包括波形发生器系统的同步回旋加速器的方框图。图4是举例说明本专利技术的数字式波形发生器和自适应反馈系统(优化装置)的操 作原则的流程图。图5A展示在加速电极(“D形盒”)结构中信号穿越不同路径的有限传播延迟的 效果。图5B展示为了校正穿越“D形盒”结构的传播延迟的变化被调节的输入波形计时。图6A展示谐振系统随着寄生电路效应造成的变化改变的说明性频率响应。图6B展示为校正寄生电路效应造成的频率响应的变化而计算的波形。图6C展示当图6B所示的波形被当作电压输入使用的时候该系统最终产生的“平 坦的”频率响应。图7A展示加到图7B所示的加速电极上的等振幅输入电压。图7B展示加速电极几何结构的例子，其中所述电极之间的距离越接近中心越小。图7C展示在随半径变化的电极间隙中预期通过把图7A所示的电压输入加到图7B 所示的电极几何结构上实现带电粒子稳定有效加速的合成电场强度。图7D展示作为半径的函数输入的输入电压，该输入电压直接对应于预期的能使 用数字式波形发生器产生的电场强度。图7E展示加速电极的平行几何结构，该几何结构使外加电压和电场强度成正比。 图7F展示在随半径变化的电极间隙中预期通过把图7D所示的输入电压加到图7E 所示的电极几何结构上实现带电粒子稳定有效加速的合成电场强度。图8A展示可编程波形发生器所产生的加速电压波形的例子。图8B展示离子注射器计时信号的例子。图8C展示离子注射器计时信号的另一个例子。具体实施方式这项专利技术涉及用来在同步回旋加速器中产生横跨“D形盒”间隙的复数的精确计时 的加速电压的装置和方法。这项专利技术包括通过产生特定的波形驱动横跨“D形盒”间隙的电 压的装置和方法，其中振幅、频率和相位是以这样的方式控制的，以便在给定个别加速器的 实际配置、磁场分布图和其它事先可能知道也可能不知道的变量的情况下产生最有效的粒 子加速。为了维持粒子束的聚焦，同步回旋加速器需要逐渐减少磁场，借此修正预期的频率 扫描形状。外加电信号对D形盒上的有效点有可预期的有限传播延迟，在这种情况下加速 粒子串经历导致连续加速的电场。用来放大驱动横跨D形盒间隙的电压的射频(RF)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同步回旋加速器，其中包括：　　磁场发生器；　　谐振电路，该谐振电路包括：　　安排在磁极之间的其间有横跨磁场的间隙的电极；以及　　在电路中用电极改变谐振电路的谐振频率的可变的无功元件；以及　　谐振电路的电压输入，该电压输入是在带电粒子加速期间内变化的振荡电压。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：阿兰斯利斯基，肯尼斯加尔，
申请(专利权)人：斯蒂尔瑞弗系统有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]