一种同步加速器的控制方法与流程

1.本文涉及加速器技术，尤指一种同步加速器的控制方法。


背景技术：

2.通常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并在新的能量平台下引出，图1中引出束流能量从e1依次变为e2、e3需要在三个周期才能实现。如果需要n个能量的束流，则至少需要n个循环周期才能实现。
3.目前同步加速器采用的切换引出束流能量的方式通常都是如图1所示，这种方法存在几个缺点：一是每个周期内只有单一的能量平台，只能引出单能束流，引出束流的能量切换只能在周期与周期之间进行切换，因此在上一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，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；二是对束流的利用率低，当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就会因为切换能量而损失，没有被利用起来。这种传统的引出方法没有充分发挥同步加速器的效率。
4.传统的这种引出方式可以称之为单能量引出，由于单能量引出存在的一些缺点，多能量引出的概念被提了出来。多能量引出即在同步加速器运行的一个循环周期内存在多个能量平台用于引出，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
‑
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，日本的国立放射科学研究所nirs(national institute of radiological sciences)日本技术了相关专利(专利号：jp4873563b2)，国内近代物理研究所在国内申请了相关专利(cn108939317b
‑
同步加速器单周期多步主动变能慢引出方法)。但以上专利对多能量慢引出过程中束流损失的控制都未提及。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种同步加速器的控制方法，其包括：
6.通过射频电场将带电粒子加速到第一引出能量；
7.提升射频电场的电压值至减速电压值；
8.转变射频电场的同步相位使得射频电场对带电粒子施加与其运动方向相反的作用力，维持减速电压值使得带电粒子的能量下降直至带电粒子的能量从第一引出能量降低至第二引出能量。
9.在本发明的有益效果在于：采用较高的电压值，可以增大纵向相稳定区的高度和面积，纵向相稳定区越大，纵向的接受度越大，纵向的损失也就越少，因此，先将射频电场的电压值进行提升，将射频电场的电压值保持在该较高的电压值下对带电粒子进行减速，可以降低束流在降低到第二引出能量过程中的纵向引起的损失。
10.本发明实施例中另外的有益效果在于：横向相稳定三角形的面积与束流水平工作点到三阶共振线的距离的平方成正比，与六极铁的共振强度的平方成反比。提高聚焦四极铁的强度或者降低散焦四极铁的强度，会使得束流的水平工作点增大远离三阶共振线，使得相稳定三角形的面积变大，同样地降低六极铁强度也能起到增大三角形面积的作用。横向相稳定三角形的面积越大，横向的接受度越大，束流能量降低过程中横向发射度增长引起的束流损失越小。因此，在提升射频电场的电压的同时，将聚焦四极铁的磁场强度上升或散焦四极铁的磁场强度下降，六极铁的磁场强度下降，可以降低束流在降低到第二引出能量过程中横向引起的损失。
11.本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
12.附图用来提供对本技术技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，并不构成对本技术技术方案的限制。
13.图1为现有技术中的同步加速器的改变引出能量的示意图；
14.图2为本发明实施例中的同步加速器的结构示意图；
15.图3为本技术实施例中射频电场电压以及二极铁、聚焦四极铁、六极铁的磁场强度的时序图；
16.图4为本技术实施例中rf
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ko激励的时序图；
17.图5为本技术实施例中射频电场电压以及二极铁、散焦四极铁、六极铁的磁场强度的时序图；
18.图6为本技术实施例中的控制方法的流程图。
具体实施方式
19.同步加速器是指在环形路径上利用射频电场加速带电粒子的加速装置。带电粒子在同步加速器中进行回旋运动。
20.在本实施例中，如图2所示，同步加速器包括环形路径6、高频腔4、射频激励装置和多组约束磁体。高频腔4(rf cavity)设置在环形路径6上。多组约束磁体绕环形路径6的周向分布。每组约束磁体包括二极铁1、聚焦四极铁2、散焦四极铁5、六极铁3。
21.二极铁1的磁场用于偏转粒子，使得带电粒子做回旋运动。聚焦四极铁2、散焦四极铁5的磁场用于对束流的横向进行聚焦以保持束流在横向的稳定性。由于各种原因粒子可能偏离中心轨道，因此要使粒子在横向受到聚焦力，使其返回到中心轨道上来而不致丢失，四极铁便起到在横向聚焦的作用。聚焦四极铁2、散焦四极铁5的磁场强度决定了同步加速器的工作点。六极铁3的磁场用于在横向相空间形成约束束流运动的三角形相空间稳定区，
六极铁3的磁场强度越大则三角形相稳定区的面积越小。六极铁3的磁场强度大到一定程度时，束流便从三角形相稳定区的三个顶点开始，沿着三角形相稳定区的边长延长线发射度迅速增大。发射度增大到一定程度时，带电粒子便能被引出环形路径6。三角形相稳定区的大小正比于束流水平工作点到1/3共振线距离的平方，反比于共振六极铁3的磁场强度的平方。高频腔4用于加速、减速粒子或者只维持纵向聚束不改变粒子的能量，当射频电场的同步相位不为0时带电粒子每次经过高频腔4都能受到射频电场作用而被加速或减速一次，当射频电场的同步相位为0时用于保持纵向聚束，不会改变粒子的能量。保持同步加速器所有磁铁的磁场和高频腔4的射频电场的参数与带电粒子的能量同步，从而约束粒子在固定的环形路径6上进行运动。
22.射频激励装置用于施加rf
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ko激励，以引出束流。rf
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ko(transverse radio frequency knock out)是指通过产生横向射频电场对束流产生踢轨作用，从而使束流发射度逐渐增大而引出的现象。在带电粒子引出前，束流的发射度小于三角形相稳定区的面积。rf
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ko的作用为在保持同步加速器所有参数不变的情况下，利用作用于束流的横向电场，使得束流发射度增大，当束流发射度增大到大于或等于三角形相稳定区面积时，束流便沿着三角形的边角延长线迅速增大而引出。该横向电场即为rf
‑
ko激励。采用rf
‑
ko的方式进行引出，可以在引出时保持其他参数不变，大幅降低了同步加速器的运行和操作难度。
23.本实施例中提出了一种同步加速器的控制方法，该控制方法用于实现同步加速器在一个循环周期内将带电粒子的能量逐级下降，从而实现多能量地慢引出。一个循环周期指的是加速器运行的循环周期，通常是几秒钟的时间量级，在该循环周期内，带电粒子能沿着环形路径6运动几百万至上千万圈。该控制方法的主要优点在于在控制带电粒子的能量降低的过程中，束流损失小。
24.如图3～5所示，该控制方法包括以下步骤：
25.s1：通过射频电场将带电粒子加速到第一引出能量，形成束流；
26.高频腔4中施加射频电场，该射频电场对带电粒子施加与带电粒子的运动方向大致相同的作用力。带电粒子带正电荷时，射频电场的方向与带电粒子的运动方向相同。带电粒子带负电荷时，射频电场的方向与带电粒子的运动方向相反。带电粒子每次经过高频腔4时能被射频电场加速，从而提升能量。在带电粒子加速的过程中，二极铁1、聚焦四极铁2、散焦四极铁5和六极铁3的磁场的强度进行相应的变化，使得带电粒子保持沿着环形路径6运动。将带电粒子加速到预设的能量为现有技术，不再赘述。
27.s2：将束流中的带电粒子维持在第一引出能量达到第一引出时间段，在该第一引出时间段内引出部分束流；
28.根据第一引出能量的大小、环形路径6的半径的大小以及二极铁1、聚焦四极铁2、散焦四极铁5、六极铁3各自分布的位置可以计算出将带电粒子维持在第一引出能量并使得带电粒子沿环形路径6运动所需的二极铁1、聚焦四极铁2、散焦四极铁5、六极铁3的磁场大小以及高频腔4中射频电场的电压、频率和相位。
29.将带电粒子加速到第一引出能量后，需要将带电粒子维持第一引出时间段的时长。在该第一引出时间内，可以通过射频激励装置将一部分束流引出。在该第一引出时间段内，射频激励装置施加rf
‑
ko激励，可以将一部分束流引出。第一引出时间段的长度由射频激励装置引出束流所需的时间决定的。第一引出能量则由被引出的带电粒子所要轰击的目
标的需求所决定的。
30.由于在该过程中需要引出部分束流，在第一引出时间段内需要保持高频腔4中的射频电场的电压处于一个较低的值，可以降低引出束流的动量分散，在本实施例中，能量为60mev的质子在射频电场的电压处于100v时，束流的最大动量分散下降到0.1％。
31.s3：提升射频电场的电压值至减速电压值，在此过程中，二极铁1的磁场强度不变，聚焦四极铁2的磁场强度上升或散焦四极铁5的磁场强度下降，六极铁3的磁场强度下降；
32.减速电压值可以是500v。在该步骤中，六极铁3的磁场强度下降的幅度为50％～100％，即六极铁3的磁场强度下降至下降前的磁场强度的0～50％。
33.s4：转变射频电场的同步相位使得射频电场对带电粒子施加与其运动方向相反的作用力，维持减速电压值使得带电粒子的能量下降直至带电粒子的能量从第一引出能量降低至第二引出能量，二极铁1的磁场强度逐渐降低，聚焦四极铁2或散焦四极铁5的磁场强度逐渐降低，六极铁3的磁场强度保持不变；
34.在该步骤中，由于高频腔4中的射频电场对带电粒子所施加的作用力的方向与带电粒子的运动方向相反，带动粒子每次在经过高频腔4时都会被减速而导致能量下降。
35.可以根据高频腔4中的射频电场的电压值、带电粒子的质量、带电粒子的电荷、环形路径6的半径、第一引出能量以及第二引出能量可以计算出带电粒子从第一引出能量下降到第二引出能量所需要的第一减速时间段的时长。这样，在对带电粒子进行减速时维持射频电场维持在减速电压值长达第一减速时间段即可将第一引出能量下降到第二引出能量。
36.s5：降低射频电场的电压值，改变射频电场的同步相位使得射频电场不再对带电粒子进行减速，以将带电粒子维持在第二引出能量；
37.在带电粒子的能量降低至第二引出能量后，二极铁1的磁场强度停止下降，聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，同时提升六极铁3的磁场强度。
38.聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，六极铁3的磁场的归一化强度提升后，缩小三角形相稳定区的面积来为下一次带电粒子的引出做准备。
39.s6：将束流中的带电粒子维持在第二引出能量达到第二引出时间段，在该第二引出时间段内引出部分束流；
40.将带电粒子减速到第二引出能量，聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，且提升六极铁3的磁场强度后，需要将带电粒子维持第二引出时间段的时长。在该第二引出时间内，可以通过射频激励装置将一部分束流引出。在该第二引出时间段内，射频激励装置施加rf
‑
ko激励，可以将一部分束流引出。第二引出时间段的长度由射频激励装置引出束流所需的时间决定的。第二引出能量则由被引出的带电粒子所要轰击的目标的需求所决定的。第二引出能量小于第一引出能量。
41.这样，在步骤s3中进行降能准备，先将射频电场的电压值进行提升，增大纵向相稳定区的面积，在步骤s4中，将射频电场的电压值保持在该较高的电压值下对带电粒子进行减速，可以降低束流在降低到第二引出能量过程中的纵向引起的损失。同时，在步骤s3中，聚焦四极铁2的磁场归一化强度升高或散焦四极铁5的磁场归一化强度降低能使降能前水平工作点远离共振线，六极铁3的磁场归一化强度降低，增大横向三角形相稳定区的面积，可以降低束流在降低到第二引出能量过程中的横向引起的束流损失。
42.在一个示意性的实施例中，该控制方法还包括：
43.s7：提升射频电场的电压值至减速电压值，在此过程中，二极铁1的磁场强度不变，聚焦四极铁2的磁场强度上升或散焦四极铁5的磁场强度下降，六极铁3的磁场强度下降；
44.减速电压值可以是500v。在该步骤中，六极铁3的磁场强度下降的幅度为50％～100％，即六极铁3的磁场强度下降至下降前的磁场强度的0～50％。
45.s8：转变射频电场的同步相位使得射频电场对带电粒子施加与其运动方向相反的作用力，维持减速电压值使得带电粒子的能量下降直至带电粒子的能量从第二引出能量降低至第三引出能量，二极铁1的磁场强度逐渐降低，聚焦四极铁2或散焦四极铁5的磁场强度逐渐降低，六极铁3的磁场强度保持不变；
46.在该步骤中，由于高频腔4中的射频电场对带电粒子所施加的作用力的方向与带电粒子的运动方向相反，带动粒子每次在经过高频腔4时都会被减速而导致能量下降。
47.可以根据高频腔4中的射频电场的电压值、带电粒子的质量、带电粒子的电荷、环形路径6的半径、第二引出能量以及第三引出能量可以计算出带电粒子从第二引出能量下降到第三引出能量所需要的第二减速时间段的时长。这样，在对带电粒子进行减速时维持射频电场维持在减速电压值长达第二减速时间段即可将第二引出能量下降到第三引出能量。
48.s9：降低射频电场的电压值，改变射频电场的同步相位使得射频电场不再对带电粒子进行减速，以将带电粒子维持在第三引出能量；
49.在带电粒子的能量降低至第三引出能量后，二极铁1的磁场强度停止下降，聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，同时提升六级铁3的磁场强度。
50.聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，六极铁3的磁场的归一化强度提升后，缩小三角形相稳定区的面积来为下一次带电粒子的引出做准备。
51.s10：将束流中的带电粒子维持在第三引出能量达到第三引出时间段，在该第三引出时间段内引出部分束流；
52.将带电粒子减速到第三引出能量，聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，且提升六极铁3的磁场强度后，需要将带电粒子维持第三引出时间段的时长。在该第三引出时间内，可以通过射频激励装置将一部分束流引出。在该第三引出时间段内，射频激励装置施加rf
‑
ko激励，可以将一部分束流引出。第三引出时间段的长度由射频激励装置引出束流所需的时间决定的。第三引出能量则由被引出的带电粒子所要轰击的目标的需求所决定的。第三引出能量小于第二引出能量。
53.这样，在步骤s7中进行降能准备，先将射频电场的电压值进行提升，增大纵向相稳定区的面积，在步骤s8中，将射频电场的电压值保持在该较高的电压值下对带电粒子进行减速，可以降低束流在降低到第三引出能量过程中的纵向引起的损失。同时，在步骤s7中，聚焦四极铁2的磁场归一化强度升高或散焦四极铁5的磁场归一化强度降低能使降能前水平工作点远离共振线，六极铁3的磁场归一化强度降低，增大横向三角形相稳定区的面积，可以降低束流在降低到第三引出能量过程中的横向引起的束流损失。
54.在一个示意性的实施例中，二极铁1、四极铁、六极铁3的磁场强度在随时间变化时按照以下算式变化：
[0055][0056]
其中，b
i
为变化前的磁场的强度值，b
f
为变化后的磁场的强度值，t
r
为变化总时长(单位为s)，b(t)为在时刻t时的磁场的强度值(二极铁时单位为t，四极铁时单位为t/m，六极铁时单位为t/m2)，t为时刻(单位为s)。该算式提供了一种特定的磁场随时间变化的变化曲线，但不限于该变化曲线，只要时候平滑过渡的曲线都可以。
[0057]
在一个示意性的实施例中，高频腔4中的射频电场可以是高频电场。该射频电场的频率根据二极铁1的磁场同步变化。可以采用下列算式来计算射频电场的频率：
[0058][0059]
其中b(t)为二极铁磁场(单位为t)，ρ为二极铁的偏转半径(单位为m)，c为真空中光速(单位为m/s)，e为带电粒子的电荷量，e0为带电粒子的静止能量(单位为ev)，r为同步加速器的等效半径(单位为m)。
[0060]
在一个示意性的实施例中，高频腔4中的射频电场的相位采用以下算式计算：
[0061][0062]
其中，v(t)为射频电压(单位为v)，为二极铁磁场随时间的变化率(单位为t/s)，φ为随时间t变化的相位(单位为rad)，ρ为二极铁的偏转半径(单位为m)，r为同步加速器的等效半径(单位为m)。
[0063]
需要说明的是，该同步加速器在一个循环周期中并不限于两次降能，即不限于将带电粒子从第一引出能量下降至第二引出能量，再将带电粒子从第二引出能量下降至第三引出能量，上述实施例提供一个具体且直观的示例。实际上，该同步减速器可以对带电粒子进行n次降能来实现n 1次的束流引出，在n 1次束流引出中的引出束流的能量逐次降低，带电粒子能量降低的次数n由实际需求确定。在带电粒子第i次降能的过程中，带电粒子从第i引出能量降低到第i 1引出能量过程中，只要包含以下步骤就能达到降低束流损失的效果，其中，i≤n：
[0064]
s2a：将束流中的带电粒子维持在第i引出能量达到第i引出时间段，在该第i引出时间段内引出部分束流；
[0065]
s3a：提升射频电场的电压值至减速电压值，在此过程中，二极铁1的磁场强度不变，聚焦四极铁2的磁场强度上升或散焦四极铁5的磁场强度下降，六极铁3的磁场强度下降；
[0066]
s4a：转变射频电场的同步相位使得射频电场对带电粒子施加与其运动方向相反的作用力，维持减速电压值使得带电粒子的能量下降直至带电粒子的能量从第i引出能量降低至第i 1引出能量，二极铁1的磁场强度逐渐降低，聚焦四极铁2或散焦四极铁5的磁场强度逐渐降低，六极铁3的磁场强度保持不变；
[0067]
s5a：降低射频电场的电压值，改变射频电场的同步相位使得射频电场不再对带电粒子进行减速，以将带电粒子维持在第i 1引出能量；
[0068]
在带电粒子的能量降低至第i 1引出能量后，二极铁1的磁场强度停止下降，聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，同时提升六极铁3的磁场强度。
[0069]
聚焦四极铁2的磁场强度降低或散焦四极铁5的磁场强度升高，六极铁3的磁场的归一化强度提升后，缩小三角形相稳定区的面积来为下一次带电粒子的引出做准备。本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd
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rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。