同步加速器粒子分离后的引出方法及装置与流程

1.本发明涉及一种同步加速器粒子分离后的引出方法，还涉及一种相应的同步加速器束团引出装置。


背景技术：

2.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。
3.随着对引出的粒子束流在终端应用的需求和研究越来越广泛，尤其在癌症治疗的三维点扫描方面，从利用屏蔽体进行适形照射到多能量慢引出，人们解决了次级粒子产生和较大残余辐射的问题。如果可以实现多能量快引出，将会使得同步加速器的束流应用便利性更好。
4.目前在多能量快引出方面，马来西亚原子机构和日本高能加速器研究中心(kek)的人员提出了一种连续能量引出快循环的方法，并公布了该方法的模拟结果(leo,kwee&takayama,ken&adachi,tetsuo&kawakubo,tadamichi&dixit,tanuja.(2020).escort:energy sweep compact rapid cycling hadron therapy.aip conference proceedings.2295.020015.10.1063/5.0031618.)。这种方法利用调整感应加速器势阱电压和加速电压的相位，使粒子从纵向相位稳定区溢出，溢出后粒子动量分散增大，实现粒子在纵向相空间中动量分散方向的分离，在引出段由于磁聚焦结构设计(lattice design)上具有更大的色散函数，这时由于横纵耦合作用，动量分散较大的粒子进入引出静电场被踢出环外，由于粒子每圈仍在保持加速，这样每圈引出的粒子能量在缓慢增长，从而实现连续能量引出，配合后端三维点扫描，即可实现对肿瘤的连续深度扫描。
5.上述方法只是连续地引出纵向相位稳定区溢出的粒子束流，并不能根据对于粒子能级的要求任意地引出特定能量的包含特定数量的粒子束团。
6.本技术人于2021年09月29日提交的发明名称为“一种实现束团分离的方法和装置”的中国专利申请(申请号202111151481.2)中提出了一种从同步加速器束流分割出小束团的装置及方法，该方法采用脉冲信号代替射频波对束流纵向相空间进行操纵，并由此得到纵向分离的小束团。
7.因此，希望有一种能够快速引出能量可控、粒子数量可控的纵向分离后的小束团的方法。


技术实现要素：

8.为解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供了一种同步加速器粒子引出方法。该同步加速器粒子引出方法包括如下步骤：通过预设的信号操纵纵向相空间而从第一束团中纵向分离出的、由预设数量的粒子组成的第二束团；以冲击磁铁将需要引出的所
述第二束团踢出所述同步加速器的环形轨道；改变由所述第一束团分离预设数量粒子后形成的第三束团的能量或相位使之成为新的第一束团，然后再次从第一束团中纵向分离出、由预设数量的粒子组成的新的第二束团，然后以冲击磁铁将所述新的第二束团踢出所述同步加速器的环形轨道，不断重复此步骤以实现对第二束团的连续引出，由此能够快速高频次地引出特定能量的粒子。
9.优选的是，所述预设的信号为预设的脉冲信号(例如，方波、三角波、梯形波等)，该预设的脉冲信号包括：脉宽为第一预设脉宽的第一势阱电压v1和第三势阱电压v3；脉宽为第二预设脉宽的第四势阱电压v4和第五势阱电压v5；其中，所述第一势阱电压v1、所述第三势阱电压v3、所述第四势阱电压v4、所述第五势阱电压v5的相位依次递增且分别作用于由所述第一束团分离预设数量粒子后形成的第三束团所在的第一区域的第一端、第二端以及所述第二束团所在的第二区域的第一端、第二端，其中，所述第一区域的第二端与所述第二区域的第一端相邻。
10.根据本发明的一种优选实施形式，可以以第一束团流出到第一区域之外的第二区域的粒子形成第二束团。在这种情况下，从第一束团中纵向分离出、由预设数量的粒子组成的第二束团的步骤包括：打开所述第一势阱电压v1和所述第三势阱电压v3并持续第一预设时长，以使所述第一束团稳定在所述第一区域，其中，在整个或部分所述第一预设时长中在整个所述第一区域施加用于改变能量的加速电压v
ac
；关闭加速电压v
ac
，保持第一势阱电压v1为打开状态，关闭所述第三势阱电压v3的同时打开所述第五势阱电压v5并持续第二预设时长，以使预设数量的所述第一束团的粒子从所述第一区域流出至所述第一区域之外的所述第二区域；打开所述第三势阱电压v3和所述第四势阱电压v4并持续第三预设时长，使第二区域形成稳定的第二束团。
11.根据本发明的一种优选实施形式，可以以从第一束团所在的第一区域内分割出的第二区域内的粒子形成第二束团。在这种情况下，从第一束团中纵向分离出、由预设数量的粒子组成的第二束团的步骤包括：打开所述第一势阱电压v1和所述第五势阱电压v5并持续第四预设时长，以使所述第一束团稳定在所述第一区域和第二区域，其中，在整个或部分所述第四预设时长中在整个所述第一区域和第二区域施加用于改变能量的加速电压v
ac
，其中，在所述第四预设时长内在所述第一区域内的所述第二区域之内接收到预设数量的所述第一束团的粒子；关闭加速电压v
ac
，保持第一势阱电压v1所述第五势阱电压v5为打开状态，打开所述第三势阱电压v3和所述第四势阱电压v4并持续第五预设时长，使第二区域形成稳定的第二束团。
12.根据本发明的一种优选实施形式，可以同时整体平移预设相位的各上述势阱电压限定的新的第二区域内的粒子形成新的第二束团。在这种情况下，从第一束团中纵向分离出、由预设数量的粒子组成的第二束团的步骤包括：打开所述第一势阱电压v1、所述第三势阱电压v3并持续第六预设时长，使所述第一束团稳定在所述第一区域中，其中，在整个或部分所述第六预设时长中在整个所述第一区域施加用于改变能量的加速电压v
ac
；打开所述第四势阱电压v4和所述第五势阱电压v5，关闭加速电压v
ac
，然后将所述第一势阱电压v1、所述第三势阱电压v3、所述第四势阱电压v4和所述第五势阱电压v5瞬时或缓慢地同时整体平移预设相位，使这些势阱电压以相同的相位差到达新的相位，以使由所述第四势阱电压v4和所述第五势阱电压v5限定的新的第二区域内包含预设数量的粒子；保持第四势阱电压v4和
所述第五势阱电压v5并持续第七预设时长，使第二区域形成稳定的第二束团。此时，由势阱电压v1、v3限定的新的第一区域同时俘获了新的第一束团。
13.根据本发明的第二方面，提供了一种同步加速器粒子引出方法，用于从同步加速器中引出预设数量的粒子。与本发明的第一方面不同之处在于，粒子直接地、而并不是以束团形式被踢出所述同步加速器的环形轨道。该同步加速器粒子引出方法包括如下步骤：通过调节预设的脉冲信号的势阱电压幅值和脉宽而形成哈密顿量等势线密度不同并进而导致粒子密度不同的第一区域和第二区域，其中，所述第二区域内的粒子会被冲击磁铁踢出所述同步加速器的环形轨道，而所述第一区域内的粒子仍留在同步加速器的环形轨道内；当所述第二区域内包含预设数量的粒子时，以冲击磁铁将所述第二区域的粒子踢出所述同步加速器的环形轨道；其中，所述预设的脉冲信号包括：脉宽为第一预设脉宽的第一势阱电压v1和第三势阱电压v3；脉宽为第二预设脉宽的第四势阱电压v4和第五势阱电压v5；其中，所述第一势阱电压v1、所述第三势阱电压v3、所述第四势阱电压v4、所述第五势阱电压v5的相位依次递增且分别作用于所述第一区域的第一端、第二端以及所述第二区域的第一端、第二端，其中，所述第一区域的第二端与所述第二区域的第一端相邻。
14.优选的是，所述第二区域的粒子密度低于所述第一区域的粒子密度。但是，如果将所述第二区域的粒子密度设置为高于所述第一区域的粒子密度，也并不违背本发明的精神和教导。
15.优选的是，所述预设的脉冲信号还包括加速电压v
ac
，所述加速电压v
ac
施加于所述第一区域或者施加于所述第一区域和所述第二区域。
16.根据本发明的一种优选实施形式，通过调节预设的脉冲信号的势阱电压幅值和脉宽而形成粒子密度不同的第一区域和第二区域的步骤包括：调节所述第一势阱电压v1、所述第三势阱电压v3、所述第四势阱电压v4、所述第五势阱电压v5以及加速电压v
ac
的幅值和脉宽，直至所述第二区域的粒子与所述第一区域的粒子在纵向相空间相位方向形成密度不同的两个区域。所谓调节是指，为形成粒子在纵向相空间分离的第一区域和第二区域，上述各势阱电压v1、v3、v4和v5和加速电压v
ac
可以灵活选取使用(即根据需要分别设计为打开和关闭)，并调节其幅值和相位范围，从而可以实现对不同区域密度大小和相位范围的调节。例如，打开第一势阱电压v1、第四势阱电压v4，关闭第三势阱电压v3、和第五势阱电压v5，打开加速电压v
ac
并根据希望从第二区域踢出的粒子的能量调节加速电压v
ac
，直至所述第二区域的粒子与所述第一区域的粒子在纵向相空间分离。替代的是，在此也可以不是关闭而是打开所述加速电压v
ac
并根据希望从所述第二区域踢出的粒子的能量调节所述加速电压v
ac
，直至所述第二区域的粒子与所述第一区域的粒子在纵向相空间分离。更优选地，并不是简单地打开或关闭上述各势阱电压v1、v3、v4和v5而是对它们的幅值和脉宽适当调节以形成粒子在纵向相空间分离的第一区域和第二区域。同时，可以通过调节加速电压v
ac
的幅值和脉宽获得相应的粒子能量。
17.优选的是，以冲击磁铁将所述第二区域的粒子踢出所述同步加速器的环形轨道的步骤包括：当所述第二区域的粒子密度达到预设值、使所述第二区域内包含预设数量的粒子时，打开所述第五势阱电压v5并持续第九预设时长，使第二区域形成稳定的第二束团；然后，以冲击磁铁将所述第二束团踢出所述同步加速器的环形轨道。
18.根据本发明的第三方面，提供了一种同步加速器粒子引出装置，其特征在于，该同
步加速器粒子引出装置包括：控制单元，所述控制单元适于通过设置脉冲信号在同步加速器的环形轨道内纵向分离出预设数量的粒子；和静电偏转器，所述静电偏转器适于引出产生了横向偏离的粒子，其中，所述控制单元还适于通过设置脉冲信号改变粒子的能量或相位，以使预设数量的粒子能被再次纵向分离出并由冲击磁铁踢出所述同步加速器的环形轨道。由此，实现对于特定能量粒子的重复引出。显然，也可以每次改变粒子的能量，实现多能级粒子引出。
19.根据本发明的一种优选实施形式，该同步加速器粒子引出装置还包括冲击磁铁，所述冲击磁铁适于将所分离出的预设数量的粒子踢出所述同步加速器的环形轨道。
20.根据本发明的一种优选实施形式，所述控制单元还适于通过设置脉冲信号从同步加速器的环形轨道内的第一束团中纵向分离出包含预设数量的粒子的第二束团，所述第二束团具有预设数量的粒子并由所述冲击磁铁踢出或由所述冲击磁铁和所述静电偏转器共同引出所述同步加速器的环形轨道。
21.根据本发明的一种优选实施形式，所述控制单元适于通过设置脉冲信号使所述第二束团产生于所述第一束团所在的第一区域之外的第二区域。
22.根据本发明的另一种优选实施形式，所述控制单元适于通过设置脉冲信号使所述第二束团产生于所述第一束团所在的第一区域之内的第二区域。
23.根据本发明的另一种优选实施形式，所述控制单元适于通过设置脉冲信号在平移了预设相位的第二区域内形成新的第二束团。
24.根据本发明的另一种优选实施形式，所述控制单元还适于通过设置脉冲信号形成粒子密度不同的两个区域，以使预设数量的粒子能在其中一个区域中被收集并由所述冲击磁铁或踢出由所述冲击磁铁和所述静电偏转器共同引出所述同步加速器的环形轨道。
25.根据本发明的另一种优选实施形式，所述控制单元还适于在其中一个区域中施加加速电压v
ac
，所述加速电压v
ac
为负值，使得所述粒子密度不同的两个区域的粒子的动量分散产生差异，从而在横纵耦合作用下在横向上产生偏移，从而使预设数量的粒子能够以静电偏转器引出或者由冲击磁铁直接横向踢出。
26.根据本发明的另一种优选实施形式，所述控制单元还适于通过分别打开或关闭所述粒子密度不同的两个区域的两侧的势阱电压v1、v3、v4、v5以及所述加速电压v
ac
，或者调节所述势阱电压v1、v3、v4、v5以及所述加速电压v
ac
的幅值和脉宽，直至所述粒子密度不同的两个区域的粒子在纵向相空间分离。
27.因此，本发明提供了一种在纵向相空间相位方向分离产生小束团并快引出、或者产生密度不同的区域后直接用冲击磁铁踢出未成团粒子的方法与装置，结合改变能量的操作还可以得到能量变化的小束团。可以多次得到引出后的小束团；同时还可实现变能量快引出，在较短的时间内利用同步加速器产生一系列不同能量的小束团；并可以控制小束团的粒子数，为同步加速器在束流终端应用方面提供更好的应用场景。
附图说明
28.下面结合附图阐释本发明的实施例。在附图中：
29.图1示意地示出了根据本发明的同步加速器粒子引出方法中采用的脉冲信号；
30.图2示意地示出了根据本发明的同步加速器粒子引出方法中通过脉冲信号产生完
全纵向分离的小束团时的束流纵向运动稳定区(bucket)；
31.图3a示意地示出了根据本发明的同步加速器粒子引出方法中小束团从第一区域“流出”到位于第一区域之外的第二区域前的束流纵向相空间分布；
32.图3b示意地示出了根据本发明的同步加速器粒子引出方法中小束团从第一区域“流出”到位于第一区域之外的第二区域后的束流纵向相空间分布；
33.图4a示意地示出了根据本发明的同步加速器粒子引出方法中在第一区域内“切割”出小束团前的束流纵向相空间分布；
34.图4b示意地示出了根据本发明的同步加速器粒子引出方法中在第一区域内“切割”出小束团后的束流纵向相空间分布；
35.图5a示意地示出了根据本发明的同步加速器粒子引出方法中在平移各势阱电压前的束流纵向运动稳定区分布；
36.图5b示意地示出了根据本发明的同步加速器粒子引出方法中在平移各势阱电压后的束流纵向运动稳定区分布；
37.图6a示意地示出了根据本发明的同步加速器粒子引出方法中在平移各势阱电压前的束流纵向相空间分布；
38.图6b示意地示出了根据本发明的同步加速器粒子引出方法中在平移各势阱电压后的束流纵向相空间分布；
39.图7示意地示出了根据本发明的同步加速器粒子引出方法中通过脉冲信号产生纵向密度分离的小束团后的束流纵向运动稳定区；
40.图8示意地示出了根据本发明的同步加速器粒子引出方法中通过脉冲信号产生纵向密度分离的小束团后的纵向相空间。
具体实施方式
41.下面结合附图详细解释本发明。
42.本发明提供了一种同步加速器粒子引出方法。其中，首先通过预设的信号操纵纵向相空间而从第一束团中纵向分离出的、由预设数量的粒子组成的第二束团，然后以冲击磁铁将需要引出的所述第二束团踢出所述同步加速器的环形轨道。
43.在将所述第二束团踢出所述同步加速器的环形轨道后，改变由所述第一束团分离预设数量粒子后形成的第三束团的能量或相位使之成为新的第一束团，然后再次从第一束团中纵向分离出、由预设数量的粒子组成的新的第二束团，然后以冲击磁铁将所述新的第二束团踢出所述同步加速器的环形轨道，不断重复此步骤以实现对第二束团的连续引出。
44.典型地，通过脉冲方波代替射频波，对束流纵向相空间进行操纵，得到纵向分离的小束团，结合快电流变压器(fct)得到的束流在线测量的结果，进一步精确控制小束团包含的粒子数量。在此，上述的预设的信号为预设的脉冲信号，包括：脉宽为第一预设脉宽的第一势阱电压v1和第三势阱电压v3；脉宽为第二预设脉宽的第四势阱电压v4和第五势阱电压v5；其中，所述第一势阱电压v1、所述第三势阱电压v3、所述第四势阱电压v4、所述第五势阱电压v5的相位依次递增且分别作用于由所述第一束团分离预设数量粒子后形成的第三束团所在的第一区域的第一端、第二端以及所述第二束团所在的第二区域的第一端、第二端，其中，所述第一区域的第二端与所述第二区域的第一端相邻。
45.例如，脉冲方波主要由加速电压v
ac
和势阱电压v
bb1
、v
bb2
组成，加速电压脉宽为δφ1，小束团预留的相位宽度为δφ2，势阱电压脉宽为φ
pulse1
和φ
pulse2
，方波形式如下：
[0046][0047]
用于改变能量的加速电压v
ac
的幅值需要与二极铁(或六级铁)上升或下降速率相匹配，可根据进行确定，其中c表示同步环周长，表示二极铁强度的变化速率，ρ表示二极铁作用下的偏转半径。一个回旋周期内的脉冲方波波形变化如图1所示。在此，v1对应于-v
bb1
；v2即加速电压v
ac
，加速电压v
ac
的正负号根据束流的加速或减速来确定，也即由改变能量的具体情况决定(升能则用正加速电压，降能用负加速电压)；v3对应于v
bb1
；v4对应于-v
bb2
；v5对应于v
bb2
；v6为实际应用中为避免磁合金腔磁芯出现饱和现象而采取的负电压，用以抵消加速电压v
ac
的正电压。
[0048]
方波作用下的哈密顿量(所有粒子的动能的总和加上与系统相关的粒子的势能)为：
[0049][0050]
其中，φ
′
表示需要积分的相位范围，ω0表示粒子回旋运动的角频率，δe表示粒子的能量偏差，η表示同步加速器的滑相因子，β表示粒子的相对论速度因子，e表示粒子的总能量。
[0051]
在一种示例性实例中，本应用示例脉冲信号为脉冲方波时，脉冲方波是占据较长相位的方形脉冲波，可以通过哈密顿量计算得到其纵向运动稳定区会存在一段较为平坦的区域，有利于降低束团粒子密度，减弱空间电荷效应；利用哈密顿量简化了粒子运动的分
析，较快的对粒子运动过程进行分析；本应用示例中，脉冲方波产生扁平的较长的束流纵向运动稳定区(bucket)，可以通过脉冲方波作用下的哈密顿量推导确定。本文中所述及的束流纵向运动稳定区，是指在射频腔压作用下形成，粒子在其中可以稳定存在的区域。
[0052]
以xipaf(西安200mev质子应用装置)同步环的相关设计为例，用此同步环对重离子进行分割小束团时，对于au
31
粒子，在用方波产生纵向完全分离的小束团时，其束流纵向运动稳定区(bucket)如图2所示。其中bucket1区域(第一区域)和bucket2区域(第二区域)分别为分割小束团后较大束团(第三束团)和小束团(第二束团)所在的区域，通过bucket2区域俘获小束团，再利用冲击磁铁(kicker)将小束团踢出同步环，再利用v
ac
改变能量，改变能量后再重复之前的过程，如此重复多次，即可实现多能级快引出。
[0053]
通过设定脉冲信号的电压幅值、脉宽和相位，预先设定两个束流纵向运动稳定区(bucket)区域，一个较大，一个较小，对束团进行重新分配，进而得到完全分离的小束团。可以通过调整每个束流纵向运动稳定区(bucket)区域两侧的势阱电压幅值、脉宽等对小束团的相位范围等进行调节。实际对纵向相空间的操纵过程中，有四种方法可以选择，分别称为“小束团流出法”、“切割束团法”、“平移束流纵向运动稳定区(bucket)法”、“束团稀释法”。
[0054]
实施例1：“小束团流出法”[0055]“小束团流出法”是指通过关闭图1中的v3、v4，让一部分粒子从bucket1稳定区移动到bucket2稳定区后再打开v3、v4，将束团俘获到bucket2区域中，这种方法下小束团来自于bucket1中的大束团。图3a和图3b分别示意地示出了通过模拟计算得到的小束团“流出”前、后束流纵向相空间的分布。
[0056]
本发明的根据“小束团流出法”的实施例的主要步骤如下：
[0057]
(1)根据所需引出小束团要求、束流动量分散、同步环参数以及快电流变压器(fct)测得的束流分布情况确定各势阱电压幅值、相位范围，根据改变能量速率确定v
ac
大小，打开加速电压v
ac
和势阱电压v1、v3，以加速电压v
ac
改变势阱电压v1、v3限定的bucket 1中形成的第一束团的能量；
[0058]
(2)改变能量结束后，关闭加速电压v
ac
、势阱电压v3并打开势阱电压v5，使粒子到达将由势阱电压v3、v4限定的bucket2的位置；
[0059]
(3)结合快电流变压器(fct)测量的束流分布情况，择机打开势阱电压v3、v4，使由势阱电压v3、v4限定的bucket 2中俘获的粒子形成具有预设数量的粒子的小束团(第二束团)；
[0060]
(4)利用冲击磁铁(kicker)踢出小束团后，以由所述第一束团分离预设数量粒子后形成的第三束团作为新的第一束团，关闭势阱电压v4、v5并再次打开加速电压v
ac
继续改变新的第一束团的能量；
[0061]
(5)重复以上步骤，实现多能级快引出。
[0062]
实施例2：“切割束团法”[0063]“切割束团法”是指在原本依靠v1、v5约束的大束团中(此时加速电压v
ac
覆盖v1到v5之间的全部相位)，直接打开v3、v4，利用由势阱电压v1、v3限定的bucket 1和bucket2直接俘获原本的大束团，产生一个较大束团(bucket 1区域)和一个小束团(bucket2区域)，这种方法中小束团来自于原本v1、v5间的大束团。图4a和图4b分别示意地示出了通过模拟计算得到的“切割”大束团前、后束流纵向相空间的分布。
[0064]
本发明的根据“切割束团法”的实施例的主要步骤如下：
[0065]
(1)根据所需引出小束团要求、束流动量分散、同步环参数以及快电流变压器(fct)测得的束流分布情况确定各势阱电压幅值、相位范围，根据改变能量速率确定加速电压v
ac
大小，打开加速电压v
ac
和势阱电压v1、v5，以加速电压v
ac
改变由势阱电压v1、v5限定的束流纵向运动稳定区(bucket)中形成的第一束团的能量(此时，加速电压v
ac
占据势阱电压v1、v5之间的所有相位长度，“切割束团法”与“小束团流出法”的区别就在于没有小束团流出步骤而是直接对第一束团进行切割)；
[0066]
(2)改变能量结束后，关闭加速电压v
ac
并打开势阱电压v3、v4，直接分割大束团(第一束团)为稍大束团(第三束团)和小束团(第二束团)；
[0067]
(3)利用冲击磁铁(kicker)踢出小束团后，再关闭v3、v4并打开加速电压v
ac
继续改变在势阱电压v1和v5之间的粒子形成的新束团的能量；
[0068]
(4)重复以上步骤，实现多能级快引出。
[0069]
实施例3：“平移束流纵向运动稳定区(bucket)法”[0070]“平移束流纵向运动稳定区(bucket)法”是指一开始就建立好由势阱电压v1、v3限定的束流纵向运动稳定区bucket 1和由势阱电压v4、v5限定的束流纵向运动稳定区bucket2区域，每次改变能量后通过使v1、v3、v4、v5的相位同时改变一定值，从而达到同时平移bucket 1和bucket 2的效果。平移后的bucket 1和bucket 2会重新俘获出两个束团，如图5a和图5b所示，其中，实线包围的区域为bucket 1区域和bucket 2区域。这种方法中小束团来自于平移束流纵向运动稳定区后重新俘获的粒子，我们称为“平移束流纵向运动稳定区(bucket)法”。图6a和图6b分别示意地示出了通过模拟计算得到平移束流纵向运动稳定区(bucket)前、后束流纵向相空间的分布。
[0071]
本发明的根据“平移束流纵向运动稳定区(bucket)法”的实施例的主要步骤如下：
[0072]
(1)根据所需引出小束团要求、束流动量分散、同步环参数、快电流变压器(fct)测得的束流分布情况确定各势阱电压幅值、相位范围，根据改变能量速率确定v
ac
大小，根据需要快引出的次数确定每次平移“束流纵向运动稳定区(bucket)”的相位幅度步长，打开加速电压v
ac
和势阱电压v1、v3、v4、v5，利用加速电压v
ac
改变由势阱电压v1、v3限定的bucket 1中形成的第一束团的能量；
[0073]
(2)改变能量结束后，关闭加速电压v
ac
，缓慢地或瞬时跳变地整体平移势阱电压v1、v3、v4、v5的相位，使它们以相同的相位差到达新的相位，使得由势阱电压v4、v5限定的bucket 2从第一束团中俘获得到小束团(第二束团)，而由势阱电压v1、v3限定的bucket 1则同时俘获了新的第一束团；
[0074]
(3)利用冲击磁铁(kicker)踢出小束团(第二束团)后，可开启加速电压v
ac
继续改变在势阱电压v1和v3之间的粒子形成的新束团(新的第一束团)的能量；
[0075]
(4)重复以上步骤，实现多能级快引出。
[0076]
实施例4：“束团稀释法”[0077]“束团稀释法”与前述方法类似，粒子仍然被约束在大、小两个区域内，小区域的粒子被冲击磁铁踢出或在小区域与大区域粒子横向位置产生差异后直接使用静电偏转器将小区域粒子引出同步环，但“束团稀释法”的特殊之处在于，为了实现更方便的分离束团过程及更精准的分离操作，大、小两个区域同时还具有不同的哈密顿量等高线密度。也就是
说，可以通过对势阱电压幅值和脉宽的调节，使得在需要分离束流的相位区域中增大纵向相空间哈密顿量等高线的间隔，即“稀释”哈密顿量等高线密度，即可实现稀释粒子密度，从而在较小的粒子密度区域对束团进行分离操作。这一方面可以提高分离过程的精准度，另一方面可以避免束团流出法中粒子流出和纵向分离两个过程的耗时，从而大大提高其在3d扫描治疗中的应用。“束团稀释法”对束团在纵向相空间的分离操作主要体现在两个区域的密度分离。图7示出了通过对势阱电压幅值和脉宽的调节产生的具有不同纵向密度的小束团的束流纵向运动稳定区(bucket)，图中可见bucket 1和bucket 2的哈密顿量等高线密度不同。
[0078]
通过调节图1中加速电压v
ac
和势阱电压v1、v3、v4、v5的幅值和脉宽，即可控制大密度区和小密度区的相位范围以及密度大小，下面以质子为例进行说明。这里选取v
ac
＝0，v1＝-200v，v3＝20v，v4＝0，v5＝0的数值组合，即可实现图7中的bucket分布情况，选取适当的势阱电压v1、v3、v4、v5的幅值和相位大小控制小密度区的密度大约为大密度区的1/100，此时配合对大小密度区的相位范围的控制，例如大密度区相位范围是小密度区10倍时，就可以在右侧产生包含1
‰
粒子的小束团。图8示出了根据本发明的同步加速器粒子引出方法中通过脉冲信号产生纵向密度分离的小束团后的纵向相空间。
[0079]
这时以快电流变压器(fct)测量束流分布情况，根据测量结果找到小密度区相位范围(小密度区粒子密度满足设计的数值)，在此相位范围内使用冲击磁铁设置合适的强度进行横向踢出，即可在横向实现小密度区粒子的引出，粒子从小密度区引出后，还会有新的粒子不断到达该相位区域，等待下一次密度达到需要的值后，即可再次使用冲击磁铁踢出粒子。
[0080]
本发明的根据“束团稀释法”的实施例的主要步骤如下：
[0081]
(1)根据束流动量分散、同步环参数、所需大、小密度区的密度确定各势阱电压幅值、脉宽，根据改变能量速率确定加速电压v
ac
大小，根据需要分离的两个区域相位范围大小确定加速电压的v
ac
的脉宽、各势阱电压脉宽及相位，打开加速电压v
ac
和势阱电压v1、v3、v4、v5，利用加速电压v
ac
改变大、小密度区的能量；
[0082]
(2)利用快电流变压器(fct)测量束流分布情况，待小密度区粒子数量达到所需粒子数后，直接使用冲击磁铁(kicker)踢出小密度区粒子；
[0083]
(3)重复步骤(2)，实现多能级快引出。
[0084]
此外，在“束团稀释法”的实施例的一种变型中，还可以以束团形式踢出小密度区的粒子。针对密度分离后的束团，还可以使用调整过渡区及小密度区势阱电压幅值和相位的方法实现粒子在纵向相空间分离，进而在纵向相空间相位方向产生偏离，从而通过冲击磁铁作用踢出同步环，实现束团的引出。
[0085]
踢出粒子后，恢复势阱电压到之前的值，又会有粒子流出到小密度区，等快电流变压器(fct)测量的小密度区密度达到设定值后，又可调整过渡区及小密度区势阱电压幅值和相位实现粒子在纵向相空间相位方向分离，通过在大密度区施加减速电压，使得大密度区和小密度区粒子动量分散产生差别，进而在色散区通过横纵耦合作用使小密度区粒子产生横向偏离，然后使用静电偏转器或冲击磁铁和静电偏转器引出小密度区粒子，重复以上过程，可以实现多次引出。
[0086]
可参考下面这个公式来理解动量分散δ与横向色散d共同作用影响束流横向位置
r：
[0087][0088]
其中，ε
total
(δ)即束流横向发射度，β为束流横向β参数，δ为束流动量分散，d为环上某处的色散函数，r为环上此处对应的束流横向位置。
[0089]
色散区即指环上色散d较大的区域，一般来说可以通过环的光学函数进行设计使得引出段的色散较大。由于色散的作用，将纵向的动量分散偏离耦合到横向产生横向位置的偏离。
[0090]
本发明的根据“束团稀释法”的实施例的上述变型的主要步骤如下：
[0091]
(1)根据束流动量分散、同步环参数、所需大、小密度区的密度确定势阱电压幅值、脉宽，根据改变能量速率确定加速电压v
ac
大小，根据需要分离的两个区域相位范围大小确定加速电压v
ac
的脉宽、各势阱电压脉宽及位置，打开加速电压v
ac
和势阱电压v1、v3、v4、v5，利用加速电压v
ac
改变大、小密度区的能量；
[0092]
(2’)利用快电流变压器(fct)测量束流分布情况，待小密度区粒子数量达到所需粒子数后，调整过渡区及小密度区势阱电压幅值和相位，使粒子在纵向相空间相位方向分离，通过在大密度区施加加速电压，使得大密度区和小密度区粒子动量分散产生差别，进而在色散区通过横纵耦合作用使小密度区粒子产生横向偏离，然后使用静电偏转器或冲击磁铁和静电偏转器引出小密度区粒子，实现束团的引出，引出粒子后可恢复加速电压、小密度区势阱电压幅值和相位到调整前；
[0093]
(3)重复步骤(2’)，实现多能级快引出。
[0094]
本发明还相应地涉及用于实现上述同步加速器粒子引出方法的装置。上述对于方法的描述也适用于作为对于本发明的同步加速器粒子引出装置的功能和结构的解释。
[0095]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但是本领域的普通技术人员可以理解：在不背离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换、变型以及任意组合，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。