專(zhuān)利名稱：通過(guò)將電感用于產(chǎn)生具有局部旋度的電場(chǎng)來(lái)加速粒子的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
公開(kāi)了一種用于使帶電粒子射束加速至期望能量的新型方法和裝置?？梢允褂眉?速器和所述方法來(lái)使任何類(lèi)型的帶電粒子加速以形成能量射束(energetic beam)。一個(gè)應(yīng) 用示例是使一束電子加速，其隨后用來(lái)通過(guò)韌致輻射過(guò)程產(chǎn)生強(qiáng)光子束。
背景技術(shù)：
通常根據(jù)粒子加速器的基本概念將其分組成不同的類(lèi)別1)諸如Van de Graaff加速器等使用恒靜電場(chǎng)的那些；2)諸如線性加速器等利用沿直線的射頻腔的那些；3)諸如電子感應(yīng)加速器(betatron)等使用由時(shí)變磁場(chǎng)感生的電場(chǎng)來(lái)使粒子加速 的那些；以及4)諸如回旋加速器、同步加速器、電子回旋加速器、跑道式電子回旋加速器或 Rhodotron 等使粒子束環(huán)流通過(guò)射頻腔而達(dá)到期望能量的環(huán)形加速器。已使用不同的名稱來(lái)描述這些類(lèi)別所表示的思想及其表示的概念的不同組合，因 為已認(rèn)識(shí)到其在不同的應(yīng)用中是有利的。在諸如M. S. Livingston和J. P. Blewett在McGraw Hill Book Company, Inc. ，New York, 1962 中所著的"Particle Accelerators，，等關(guān)于力口 速器設(shè)計(jì)的書(shū)中進(jìn)行了許多討論。其全部應(yīng)用磁場(chǎng)和電場(chǎng)中的基本麥克斯韋場(chǎng)方程和粒子 動(dòng)力學(xué)來(lái)使粒子加速并形成加速射束。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開(kāi)的加速器及相關(guān)方法也使用麥克斯韋方程的管限規(guī)則，但是在新型方法 中，其不能等同于上列傳統(tǒng)粒子加速器組的任何構(gòu)思或應(yīng)用。這種加速器的基本元件是1)磁芯，其可容納時(shí)變B場(chǎng)(B-field)；2)電源，其能夠提供適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鳌?)導(dǎo)電真空室，其圍繞磁芯的一部分并具有不導(dǎo)電間隙(non-conducting gap)； 以及4)磁引導(dǎo)場(chǎng)(magnetic guide field)，其在粒子獲得能量時(shí)在穩(wěn)定軌道中在真空 室的內(nèi)部周?chē)龑?dǎo)粒子。根據(jù)下文詳細(xì)描述的方法和系統(tǒng)，可以使任何帶電粒子加速，并且可以有寬極限(limit)內(nèi)的任何能量，只由用于電絕緣、電源能力、磁鐵等的現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)際極限施加所述極限。該方法以接近100%的高占空比實(shí)現(xiàn)大射束電流。不需要對(duì)調(diào)諧腔體進(jìn)行饋送的 射頻發(fā)電機(jī)。電壓源可以向射束提供能量。能量經(jīng)由耦合到在間隙處擁有旋度(Curl)的 電場(chǎng)被傳送給粒子。本文公開(kāi)的加速器的類(lèi)型不同于上述加速器種類(lèi)。與1相比)不將具有散度 (divergence)的靜電場(chǎng)用于加速，因此可以在沒(méi)有極端電壓的情況下實(shí)現(xiàn)高能量。與2相 比)并且不同于直線加速器，不需要調(diào)諧腔中的高射頻電磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高能量。不需要使電 子束與腔體中的RF場(chǎng)進(jìn)行束匹配以實(shí)現(xiàn)加速。與3相比)使用具有其時(shí)變磁場(chǎng)的絕緣芯 子(induction core)來(lái)提供自感，該自感允許由具有來(lái)自驅(qū)動(dòng)電源的相對(duì)低電流的電源保 持絕緣加速間隙兩端的電壓。由于在與L/R相比短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生加速循環(huán)，(其中，加速室 的自感是L且R是加速室和電源系統(tǒng)的電阻性阻抗)，所以絕緣間隙處的加速電場(chǎng)擁有旋度 并允許加速室中的連續(xù)圈的累積加速。并且，不同于在3)中使用的電子感應(yīng)加速器示例， 在圍起絕緣芯子的軌道中引導(dǎo)射束的磁場(chǎng)是靜態(tài)的，然而，在電子感應(yīng)加速器中，引導(dǎo)射束 的場(chǎng)是時(shí)變的并嚴(yán)格地與絕緣芯子中的瞬時(shí)磁場(chǎng)相關(guān)。與4)相比，不存在對(duì)調(diào)諧RF腔進(jìn) 行饋送的RF電源，并且不存在與RF頻率同步以實(shí)現(xiàn)加速的成束射束。如上所述并如稍后 將討論的，用于本文公開(kāi)的加速器的加速循環(huán)的最大時(shí)間長(zhǎng)度僅僅受到L/R的限制。此時(shí) 間通常是許多微秒至毫秒。


圖1示出具有跨越真空室的不導(dǎo)電間隙設(shè)置的電源的一個(gè)實(shí)施例；圖2示出圖1所示的實(shí)施例的近似等效電路；圖3示出在用于圖1所示的實(shí)施例的真空室導(dǎo)電部分外面的電流的一種可能波 形；圖4示出具有電源的實(shí)施例，該電源被設(shè)置為將能量耦合至射束和電感芯子 (inductive core)；以及圖5示出圖4所示的實(shí)施例的近似等效電路。
具體實(shí)施例方式本文所述的是實(shí)施例用于帶電粒子加速的本文公開(kāi)的技術(shù)和方法的可能應(yīng)用的 示例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到存在所公開(kāi)的重要元件的擴(kuò)展、修改及其它布置，其能夠 實(shí)現(xiàn)并且其意圖涵蓋在本公開(kāi)的范圍內(nèi)。為了更透徹地理解本公開(kāi)及其其它和另外的目的，對(duì)附圖和所選實(shí)施例的以下詳 細(xì)說(shuō)明進(jìn)行參考。圖1是本文公開(kāi)的方法和系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖100。真空室104充當(dāng)射束線并具 有導(dǎo)電部分106和將稱為不導(dǎo)電間隙108的不導(dǎo)電部分。真空室104的橫截面通?？梢允?管狀的(圓形或矩形、或其它橫截面)，并且形狀可以是螺旋管形的，諸如所示的圓環(huán)形狀， 或者可以具有允許射束在內(nèi)部循環(huán)/環(huán)流通過(guò)的其它閉合路徑連接。剖面圖(CUtaway)IH 提供在真空室104內(nèi)循環(huán)的帶電粒子束116的視圖。射束116是例如(但不限于)電子束， 并具有例如沿箭頭所指示的方向運(yùn)動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)電子。(剖面圖114僅僅是出于說(shuō)明性的目的且不表示真空室104中的實(shí)際開(kāi)口。)不導(dǎo)電間隙108具有間隙長(zhǎng)度dllO。真空室 104的導(dǎo)電部分106具有壁厚度w 112。磁引導(dǎo)場(chǎng)134是B場(chǎng)并沿著穩(wěn)定循環(huán)路徑引導(dǎo)射 束116中的射束粒子通過(guò)真空室104。磁引導(dǎo)場(chǎng)134僅僅被示意性地指示為單個(gè)通量線， 但是應(yīng)認(rèn)識(shí)到磁引導(dǎo)場(chǎng)可以是復(fù)雜的，可以由多個(gè)磁性元件(未示出)產(chǎn)生且可以通過(guò)真 空室104的多個(gè)或所有部分以有效地引導(dǎo)和/或集中射束116。真空室104圍繞絕緣芯子 102的一部分。真空室104的導(dǎo)電部分106具有被不導(dǎo)電間隙108分隔開(kāi)的兩個(gè)末端118、 120。用傳統(tǒng)真空密封技術(shù)來(lái)密封導(dǎo)電部分106和不導(dǎo)電部分108的末端118和120之間 的接合點(diǎn)(joint)。電引線128將末端118和120連接到電源122。電源122具有可以是 正端子且連接到末端120的第一端子124。電源122具有可以是負(fù)端子并連接到末端118 的第二端子126。電源122提供電壓V，其可以是時(shí)變電壓，并且可以以方波的形式或用其 它適當(dāng)波形周期性地振蕩并使極性反轉(zhuǎn)。
作為理解圖1中的實(shí)施例的操作的輔助，暫時(shí)考慮理想化情況，其中將真空室104 的導(dǎo)電部分106視為絕緣芯子102的一部分周?chē)沫h(huán)形路徑中的全導(dǎo)體。暫時(shí)認(rèn)為電源122 是被表征為具有零輸入或輸出阻抗的理想化電壓源。當(dāng)將電源連接到真空室104的導(dǎo)電部 分106的末端118和120 (因此還跨越真空室104的不導(dǎo)電間隙108)時(shí)，由dlo/dt = V/L 給出的電流在導(dǎo)電部分106中流動(dòng)，其中，由絕緣芯子102組分的磁性性質(zhì)和諸如絕緣芯子 102的橫截面積等電感的幾何方面來(lái)確定L，即由導(dǎo)電部分106形成的一圈電路(one-turn circuit)的電感。由麥克斯韋方程施加的邊界條件要求通過(guò)導(dǎo)電部分106的電流Io 130 在真空室104的導(dǎo)電部分106的外表面上。在真空室104內(nèi)，除不導(dǎo)電間隙108的區(qū)域之 外，由于施加的電壓V或電流Io而不存在電場(chǎng)或磁場(chǎng)，其中，電場(chǎng)Ee由幾何結(jié)構(gòu)給定為近似 V/d，其中，d是不導(dǎo)電間隙108的間隙長(zhǎng)度d 110。絕緣芯子102的作用是提供耦合到電源 122的有限電感性阻抗，用dlo/dt = V/L來(lái)限制電流Io 130。仍考慮理想化情況，將用qV的能量增益來(lái)使穿過(guò)(traverse)真空室104中的不 導(dǎo)電間隙108的帶電粒子(電荷q)加速。由適當(dāng)?shù)拇乓龑?dǎo)場(chǎng)134在真空室104內(nèi)部的絕 緣芯子102周?chē)龑?dǎo)此粒子。該粒子在真空室104中不經(jīng)歷減速場(chǎng)(retarding field), 因?yàn)槌闪Ｗ颖旧淼碾姾稍诒谏细猩哪切┲猓袌?chǎng)(除下文所討論的靜磁引導(dǎo)場(chǎng)之 夕卜)為零。隨著粒子在絕緣芯子102周?chē)羞M(jìn)，其重新進(jìn)入并穿過(guò)真空室104中的不導(dǎo)電間 隙108，并且其能量再次增加增益qV。如果其進(jìn)行了 η個(gè)回路(或通過(guò)間隙的圈(turn))， 則其獲得總能量nqV。一個(gè)完整路徑中的E · dl的真空室104內(nèi)部周?chē)穆窂椒e分(path integral)是V。這里，E是真空室104中的電場(chǎng)且dl表示用于射束路徑的路徑長(zhǎng)度微分 (differential)(使用粗體量來(lái)表示矢量)。E在導(dǎo)電部分106中是零且在不導(dǎo)電間隙108 中等于Ee。應(yīng)認(rèn)識(shí)到Ee是不導(dǎo)電間隙的區(qū)域中的位置的復(fù)函數(shù)，而不是如近似關(guān)系式Ee = V/d所暗示的常數(shù)。出于簡(jiǎn)化討論的目的，在本文中未詳細(xì)地進(jìn)行描述。然而，無(wú)論此復(fù)雜 變化如何，大部分的場(chǎng)Ee位于不導(dǎo)電間隙的附近且一個(gè)完整路徑中的E · dl的路徑積分嚴(yán) 格地為V。也就是說(shuō)，此電場(chǎng)具有用于其矢量字符的旋度。其將此電場(chǎng)與閉合路徑周?chē)?E-dl的積分為零的靜電場(chǎng)區(qū)別開(kāi)。根據(jù)本領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知的技術(shù)，采用傳統(tǒng)方法 (未示出)向真空室104中注入和/或從真空室104提取射束116。因此，在此理想化情況下存在兩個(gè)截然不同的電磁場(chǎng)區(qū)域。一個(gè)在真空室104內(nèi) 部，其中，只存在由不導(dǎo)電間隙108的區(qū)域中的V所產(chǎn)生的那些場(chǎng)，由真空室104的導(dǎo)電部分106的內(nèi)壁上的粒子電荷q所感生的那些場(chǎng)和組成磁引導(dǎo)場(chǎng)的那些場(chǎng)。其它場(chǎng)在真空室104的導(dǎo)電部分106外面，其中，來(lái)自dlo/dt = V/L的電流Io 130沿著導(dǎo)電部分106的外 表面行進(jìn)。這兩個(gè)區(qū)域僅經(jīng)由不導(dǎo)電間隙108耦合。仍考慮理想化情況，在真空室104的導(dǎo)電部分106的內(nèi)表面上感生的鏡像電荷形 成電流I1 132并沿著與射束116中的一個(gè)或多個(gè)粒子的路徑相同的方向沿內(nèi)表面行進(jìn)。電 流I1 132在幅值上等于一個(gè)或多個(gè)粒子的電荷的流速且符號(hào)相反。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)粒子是 例如一個(gè)或多個(gè)電子時(shí)，此鏡像電荷是正的。當(dāng)射束116中的一個(gè)或多個(gè)粒子到達(dá)不導(dǎo)電 間隙108處的導(dǎo)電部分106的末端118時(shí)，其僅僅穿過(guò)真空室中的不導(dǎo)電間隙108并獲得 能量qV。然而，感生的鏡像電荷(及因此的電流I1 132)只好來(lái)到導(dǎo)電部分106的外表面。 在到達(dá)末端118處的外表面時(shí)，電流I1 132穿過(guò)電引線128并通過(guò)電源122，其具有理想的 零阻抗。因此，在本示例中，從鏡像電荷得到的電流I1 132流過(guò)電源122、電引線128，并在 末端120處進(jìn)入真空室104的導(dǎo)電部分106的內(nèi)壁，接近于具有電壓+V的不導(dǎo)電間隙108， 并在末端118處在導(dǎo)電部分106的內(nèi)壁處離開(kāi)(在所述內(nèi)壁處電壓是零)，并返回到電源 122。鏡像電荷流提供流入電源中的等于射束116的電流的附加電流I1 132。鏡像電荷流 是鏡像電流。因此，電源提供功率以激勵(lì)絕緣芯子102，另外，其經(jīng)由與鏡像電荷或鏡像電流 的此耦合向射束116提供功率。到目前為止，在討論中，已將導(dǎo)電部分106視為沒(méi)有電阻性阻抗的理想情況。在 真實(shí)(非理想化)情況下，在本公開(kāi)的工作實(shí)施例，必須考慮有限的電阻。在關(guān)于電磁 理論的許多論文中很好地處理這種情況。參照J(rèn).D.Jackson所著的書(shū)(“Classical Electrodynamics", Third Edition, John Wiley & Sons，1999)，在多處論述了本主題。特 別地，在第5和8章中，其顯示有限的導(dǎo)電率的主要效果是使電流和場(chǎng)局限于稱為“表皮厚 度(skin thickness)”的表面的區(qū)域。這意味著在理想化全導(dǎo)體的表面處消失的場(chǎng)現(xiàn)在穿 透本工作實(shí)施例的真實(shí)導(dǎo)體，但隨著而消失，其中，χ是垂直于表面的距離且δ是表皮 厚度。δ的值取決于真空室104的導(dǎo)電部分106的電阻率和所考慮的外部電磁場(chǎng)的頻率。 例如，在對(duì)于銅而言的2. 5kHz下，δ約為1.3mm。通過(guò)保證導(dǎo)電部分106的壁厚度w 112 在相當(dāng)程度上大于δ，仍有效地對(duì)真空室的內(nèi)部和外部區(qū)域進(jìn)行電磁解藕。然而，不導(dǎo)電間 隙108仍促使鏡像電荷電流I1 132從電源122的+V側(cè)流入真空室104的導(dǎo)電部分106的 內(nèi)表面且鏡像電荷電流I1 132從導(dǎo)電部分106的內(nèi)表面流出到電源122的低電位側(cè)。在真 實(shí)情況下，電流I1 132和電流Io 130的流動(dòng)的歐姆電阻在導(dǎo)電部分106中不再是零(如 在上文討論的理想情況下一樣)，但是可以在電流分布在如上所述的內(nèi)表面和外表面的表 皮厚度中的情況下使用流過(guò)具有電阻率P的介質(zhì)的電流的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式來(lái)進(jìn)行評(píng)估。通常， 對(duì)于諸如銅的良導(dǎo)體及對(duì)于幾何結(jié)構(gòu)和本文所考慮的頻率下的δ值而言，這些損耗與其 它元件的功率消耗相比可能是低的。不能用標(biāo)準(zhǔn)固定電路參數(shù)來(lái)表示通過(guò)在不導(dǎo)電間隙108處經(jīng)由導(dǎo)電部分106的末 端118、120流入真空室104的鏡像電荷實(shí)現(xiàn)的電源122到真空室104中的射束116的耦合。 然而，可以構(gòu)造等效電路以說(shuō)明本文所述的功能性行為。這在圖2中示出。圖2是圖1所示的加速器的近似等效電路示意圖200。參照?qǐng)D1和2，在示意圖 200中用符號(hào)L來(lái)表示由絕緣芯子102周?chē)恼婵帐?04的導(dǎo)電部分106形成的一匝線圈 的電感。在示意圖200中用流過(guò)電阻Ro的電流Io來(lái)表示由于導(dǎo)電部分106的有限導(dǎo)電性而引起的外表面電流Io 130的能量耗散。由等式1來(lái)決定此電流Io:V-LdI。/dt_I。R。= O (等式 1)(當(dāng)然，對(duì)于其中Ro= O的特殊理想化情況而言，如上文所討論的，其變?yōu)楸磉_(dá)式 V-Ldlo/dt = 0，或dlo/dt = V/L。另夕卜，即使當(dāng)Ro興O時(shí)，對(duì)于與L/Ro相比短的時(shí)間而 言，關(guān)系式dIo/dt = V/L仍是充分準(zhǔn)確的。)用流過(guò)在示意圖200中用符號(hào)R1給出的電阻 的電流I1來(lái)表示導(dǎo)電部分內(nèi)部的感生鏡像電流I1 132的能量耗散。符號(hào)CBP表示射束116 經(jīng)由導(dǎo)電部分106內(nèi)部的感生鏡像電流I1 132到電源122的射束耦合。此感生鏡像電流 由I1 = Ib給出，其中，Ib是由于射束116而引起的真空室104內(nèi)部的環(huán)流(circulating) 射束電流。由電源122通過(guò)不導(dǎo)電間隙108經(jīng)由射束耦合CBP來(lái)提供鏡像電流I1 132。總 電源122電流是I = Io+Ij = Io+IB (等式 2) 因此，來(lái)自電源122的總電流是激勵(lì)絕緣芯子102中的磁通量的電流Io 130與由 于射束116而引起的電流Ib的和。電源122向絕緣芯子102中的磁場(chǎng)和射束116提供能 量。如果不存在射束116，則只提供磁能。由P = V(I0+IB)給出電源122所提供的功率。在 任何實(shí)際情況下，由于Ro和R1的耗散而引起的損耗與由于遲滯和內(nèi)部電流而引起的磁絕 緣芯子102中的耗散相比是小的，因此可以忽略歐姆損耗。RI中的耗散導(dǎo)致環(huán)流射束116 的能量增益的下降。通常，此減小比用于每個(gè)循環(huán)的qV射束能量增益小得多，并且除評(píng)估 最終粒子能量之外，在射束動(dòng)力學(xué)方面再次可以忽略。再次參照?qǐng)D1，示出上述加速器的一種示例性配置。絕緣芯子102形成完整的磁 路。真空室104為射束116提供抽真空式區(qū)以繞著絕緣芯子102的一部分環(huán)流。射束116 被約束所有射束軌道的磁引導(dǎo)場(chǎng)134引導(dǎo)至位于真空室104的界限內(nèi)。真空室104 (雖然 不一定是圓形形狀)環(huán)繞絕緣芯子102的一部分。電流Io 130在真空室104的導(dǎo)電部分 106的外表面上流動(dòng)。不導(dǎo)電間隙108具有跨接在其而連接的電源122。電流Io 130和Ib =I1 132流出電源122的第一(正)端子124并流入電源122的第二(負(fù))端子126。在 圖1中，電源122如上文所討論的那樣在其端子124、126兩端提供電壓V，并且第一端子125 作為+的表征和第二端子126作為-的表征僅意味著當(dāng)V是正的時(shí)，+處于高于_端子的 電位。圖3示出可以在實(shí)施例中使用的一種可能電流波形的圖表300。參照?qǐng)D3和圖1， 電壓V由電源122提供且其可以被突然接通并處于恒壓V。電流Io根據(jù)受到V/Ro所指定 的限制的等式1增大，并且在時(shí)間常數(shù)Ro/L所表征的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流Ιο。在本實(shí)施例中， 可以使電源122的電壓的極性反轉(zhuǎn)以便在達(dá)到該極限電流V/Ro之前很久改變dlo/dt的方 向。在導(dǎo)電部分106兩端的電壓V的每次反向時(shí)，可以完成加速循環(huán)?？梢栽谡婵帐?04 的不導(dǎo)電間隙108兩端的電壓的每次反轉(zhuǎn)時(shí)使用加速的循環(huán)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到 存在用于驅(qū)動(dòng)適當(dāng)系統(tǒng)的感應(yīng)電流和電壓的波形的許多可能型式。明確的選擇取決于包括 設(shè)計(jì)期望的射束占空比在內(nèi)的許多因素。一種操作模式可以包括絕緣芯子102的磁場(chǎng)在一 個(gè)操作循環(huán)期間從沿一個(gè)方向的幾乎飽和值變成沿相反方向的幾乎飽和值，在所述一個(gè)操 作循環(huán)期間使射束加速至其最大能量。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電壓在此循環(huán)開(kāi)始時(shí)從-V變成+V并在 此特定循環(huán)結(jié)束時(shí)變回到-V。此循環(huán)在圖3中示出，其中將電流Io作為時(shí)間的函數(shù)繪成圖 表。本文所示的波形僅僅被選作示例，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到根據(jù)期望的射束特性，可以有其它波形。將用于全加速的時(shí)間表示為tA，同時(shí)將半循環(huán)的時(shí)間表示為T(mén)。全能量的射束116在時(shí)間間隔T-tA內(nèi)可用，并且可以在加速時(shí)間tA之后開(kāi)始連續(xù)地提取全能量的射束116。 在時(shí)間間隔T期間，在真空室104的導(dǎo)電部分106兩端電壓將是+V并在時(shí)間T < t < 2T 內(nèi)反轉(zhuǎn)至-V以使電流有負(fù)斜率。每當(dāng)期望加速循環(huán)時(shí)，可以重復(fù)此循環(huán)。當(dāng)然，還可以通 過(guò)在任何時(shí)間設(shè)置V = 0來(lái)使粒子的旋轉(zhuǎn)脈沖或射束保持在固定的能量或能量范圍。這可 以促進(jìn)延長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的射束動(dòng)力學(xué)或射束傳送的研究。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)認(rèn)識(shí)到通過(guò) 使射束注入方向和引導(dǎo)場(chǎng)方向反向，可以在電流Io從-I至+1的漂移以及從+1到-1的漂 移期間實(shí)現(xiàn)加速，其中，I是電流Io的最大幅度。在圖2中示出本實(shí)施例的近似等效電路。此電路圖包括用于加速器的最重要元件 并忽略在設(shè)計(jì)中可以修正和補(bǔ)償?shù)母唠A效應(yīng)。一種此類(lèi)效應(yīng)是電流Io 130經(jīng)由Io產(chǎn)生 的磁場(chǎng)與磁性元件(圖1未示出)的交互作用，所述磁性元件產(chǎn)生引導(dǎo)真空室104中的射 束116的磁引導(dǎo)場(chǎng)134。在一個(gè)實(shí)施例中，此相互作用由于磁場(chǎng)不能在電流Io的方向變化 之間涉及的短時(shí)間期間穿透磁性元件(其可以是導(dǎo)電的)而不重要。在另一實(shí)施例中，在 圖1中的真空室104與引導(dǎo)場(chǎng)磁性元件之間設(shè)置導(dǎo)體(未示出)以便防止磁場(chǎng)到達(dá)引導(dǎo)場(chǎng) 磁性元件。此導(dǎo)體或?qū)щ姶判栽⒉辉诮^緣芯子102周?chē)纬赏暾幕芈?。在另一?shí)施 例中，產(chǎn)生引導(dǎo)場(chǎng)的磁性元件不是導(dǎo)電的(例如，其由市售鐵氧體材料構(gòu)成)，并且電流Io 130產(chǎn)生與絕緣芯子102耦合但僅最低限度地與引導(dǎo)場(chǎng)磁體耦合的磁場(chǎng)。產(chǎn)生這種情況是 由于可以將引導(dǎo)場(chǎng)磁體選擇為具有比絕緣芯子大得多的磁阻，因?yàn)橐龑?dǎo)場(chǎng)磁體具有由真空 室組成的大范圍的非磁性間隙，并且在特定幾何結(jié)構(gòu)中使用任何的其它非磁性間隔。絕緣 芯子102不具有非磁性間隙。在將鐵氧體材料用于引導(dǎo)磁體的另一實(shí)施例中，通過(guò)使用將 在不影響引導(dǎo)磁體的恒定場(chǎng)的同時(shí)防止時(shí)變磁場(chǎng)的耦合的短路線圈(shorting coil)來(lái)緩 解Io到引導(dǎo)磁體的耦合。圖4示出另一實(shí)施例的示意圖400。電源402不是直接跨越真空室104的不導(dǎo)電 間隙108而連接(如圖1所示實(shí)施例中的情況一樣)。作為替代，其連接到絕緣芯子102周 圍的線圈404(根據(jù)本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，包括一匝或多匝)。在本實(shí)施例中， 如前所述，真空室104具有在其不導(dǎo)電間隙108兩端產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，其為V。該系統(tǒng)充當(dāng)具 有一比一匝數(shù)比(或者，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將視為可能的不同匝數(shù)比)的變壓器。圖5示出圖4所示實(shí)施例的近似等效電路的示意圖500?，F(xiàn)在參照?qǐng)D4和5，射束 116的電流Ib將在真空室104的導(dǎo)電部分106的內(nèi)壁上感生電流I1 406。此感應(yīng)電流I1 406跟隨射束粒子，因?yàn)槠湓谡婵帐?04的導(dǎo)電部分106的弧周?chē)苿?dòng)，并且是與射束116 的電流相等且符號(hào)相反的電流。隨著射束粒子穿過(guò)真空室104的不導(dǎo)電間隙108，其將獲 得能量qV并繼續(xù)被引導(dǎo)場(chǎng)134在真空室104周?chē)龑?dǎo)以重復(fù)循環(huán)穿過(guò)，直至獲取所需的總 能量為止。在真空室104的導(dǎo)電部分106的末端118處，感應(yīng)電流I1 406遇到不導(dǎo)電間隙 108且必須從導(dǎo)電部分106的內(nèi)表面流到外表面，正如在先前的實(shí)施例中一樣(圖1)。然 而，在本實(shí)施例中，現(xiàn)在其在真空室104的導(dǎo)電部分106的外表面周?chē)鞯讲粚?dǎo)電間隙108 處的導(dǎo)電部分106的另一末端120并重新進(jìn)入內(nèi)部區(qū)域而沿著真空室104的導(dǎo)電部分106 的內(nèi)表面流動(dòng)。此感應(yīng)電流是射束116經(jīng)由耦合絕緣芯子102的兩個(gè)線圈(真空室104的 導(dǎo)電部分106和線圈404)的互感M到電源402的耦合。該系統(tǒng)充當(dāng)變壓器，粒子束116是變壓器的一匝次級(jí)繞組(one-turn secondary)中的電流IB。在標(biāo)準(zhǔn)變壓器模型中，次級(jí)繞組電流流過(guò)導(dǎo)致耗散的電阻，并且此功率消耗是來(lái)自電源402的所需功率。在本實(shí)施例中， “損失的”能量被作為P = IbV提供給所加速射束116。存在這樣的功率，該功率也被提供以 確定存儲(chǔ)在絕緣芯子102中的磁能并說(shuō)明由于遲滯和感應(yīng)電流而在絕緣芯子102中引起的 損耗。能量還可能被損耗到在真空室104的導(dǎo)電部分106的壁中和電源的內(nèi)阻抗中流動(dòng)的 電流遇到的電阻(如前文定義的R1和Ro)。在本實(shí)施例中，由射束116的電流來(lái)確定次級(jí)繞組中的電流。其被作為相等電流 (在一比一匝數(shù)比的情況下)耦合在連接到電源402的初級(jí)線圈404中。另外，在初級(jí)線 圈404中，存在將磁能存儲(chǔ)在絕緣芯子102中并將感應(yīng)損耗存儲(chǔ)在絕緣芯子102中所需的 電流。R1和Ro提供由于真空室104的壁中的鏡像電流的流動(dòng)而產(chǎn)生的電阻性損耗。還必 須包括電源402的內(nèi)阻抗中的損耗。CBI表示射束116到在真空室104的導(dǎo)電部分106的 壁中流動(dòng)的感應(yīng)電流I1 406的射束耦合。各種實(shí)施例之間的選擇可以是基于諸如由電源提供的所需電壓和電流、系統(tǒng)組件 的期望幾何布置、成本和電磁屏蔽(shielding)等考慮因素。在所有實(shí)施例中，存在在真空室104的導(dǎo)電部分106和/或線圈的壁中流動(dòng)的電 流到系統(tǒng)中的導(dǎo)電和磁性引導(dǎo)場(chǎng)元件的附加耦合。通過(guò)諸如使用不在絕緣芯子102周?chē)?成閉合環(huán)路、但屏蔽上述引導(dǎo)元件的導(dǎo)電屏蔽和將不導(dǎo)電磁性材料用于提供引導(dǎo)場(chǎng)的磁體 等已討論的技術(shù)來(lái)緩解這些耦合。附加問(wèn)題是磁場(chǎng)從絕緣芯子102到諸如形成引導(dǎo)場(chǎng)的那些磁性元件附近的泄漏。 如果絕緣芯子102的磁阻與泄露路徑的磁阻相比不是非常小的，則可能導(dǎo)致此類(lèi)泄漏。如 本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到的那樣，可以通過(guò)設(shè)置在受影響元件與場(chǎng)源之間的導(dǎo)電屏蔽 (未示出)的明智使用或通過(guò)通量強(qiáng)迫的技術(shù)來(lái)減少此泄漏，由此，通過(guò)與圖1所示的實(shí)施 例中的真空室104的導(dǎo)電部分106和圖4所示的實(shí)施例中的初級(jí)線圈404平行地驅(qū)動(dòng)的適 當(dāng)連接的導(dǎo)電材料來(lái)沿著絕緣芯子102的長(zhǎng)度分布驅(qū)動(dòng)絕緣芯子102的電流。本文所述的 此類(lèi)修改必要地專(zhuān)用于在實(shí)施例構(gòu)造中所使用的材料的幾何結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。本領(lǐng)域的技術(shù)人 員將認(rèn)識(shí)到所有此類(lèi)修改且其意圖是本公開(kāi)的一部分。對(duì)于本公開(kāi)中的實(shí)施例來(lái)說(shuō)重要的是用來(lái)構(gòu)造絕緣芯子102的磁性材料的性質(zhì)。 這些材料相對(duì)于由于感應(yīng)電流的遲滯損耗的作用影響加速器的性能。同樣地，絕緣芯子材 料的磁導(dǎo)率和絕緣芯子飽和磁通量的值是重要的。高磁導(dǎo)率如同高飽和通量一樣是期望 的。具有微晶性質(zhì)的非晶磁性材料和鐵氧體材料的使用被作為本公開(kāi)的一部分包括進(jìn)來(lái)以 允許在絕緣芯子102中使用磁場(chǎng)的高頻切換，但是在本公開(kāi)的適當(dāng)應(yīng)用中也可以使用傳統(tǒng) 磁性材料。包括在這些實(shí)施例的公開(kāi)中的是能夠在一個(gè)空間區(qū)域中包括大量能量的圖1和 4僅示意性地指示的磁引導(dǎo)場(chǎng)的使用。一種此類(lèi)方法使用固定場(chǎng)交變梯度(Fixed Field Alternating Gradient, FFAG)的原理。存在諸如所謂的縮放和不縮放種類(lèi)等可用的多種 FFAG設(shè)計(jì)形態(tài)。還可以有混合系統(tǒng)。根據(jù)成本和性能目標(biāo)，還可以使用非FFAG形態(tài)。本領(lǐng) 域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到此類(lèi)引導(dǎo)場(chǎng)的設(shè)計(jì)被透徹地理解且在許多文獻(xiàn)中有所討論，其中一 些在先前引用的M. S. Livingston和J. P，Blewett所著的書(shū)中進(jìn)行了報(bào)告。所有此類(lèi)技術(shù) 均涵蓋在這些實(shí)施例的公開(kāi)的范圍內(nèi)。
雖然已相對(duì)于所述方法和系統(tǒng)的特定實(shí)施例對(duì)其進(jìn)行了描述，但其不限于此。很 明顯，按照以上講授內(nèi)容，可以清楚許多修改和變更。雖然已參照所公開(kāi)的系統(tǒng)和方法的示例性實(shí)施例進(jìn)行了特別顯示和描述，但本領(lǐng) 域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到在不脫離本公開(kāi)的范圍的情況下可以對(duì)其進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)方面的 各種變更。應(yīng)認(rèn)識(shí)到本公開(kāi)也能夠有在本公開(kāi)的精神范圍內(nèi)的多種另外及其它實(shí)施例。本 領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到或能夠僅僅使用例行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定，許多例行實(shí)驗(yàn)等效于本文具 體描述的示例性實(shí)施例。此類(lèi)等價(jià)物意圖涵蓋在本公開(kāi)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于使帶電粒子加速的系統(tǒng)，包括a)絕緣芯子；b)真空室，圍起抽真空式區(qū)；c)電源，具有相關(guān)聯(lián)的電引線；以及d)至少一個(gè)磁體，被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)；其中，所述絕緣芯子形成完整的磁路；其中，所述真空室圍繞所述絕緣芯子的一部分；其中，所述真空室包括導(dǎo)電部分和不導(dǎo)電間隙；其中，所述至少一個(gè)磁體被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)，該磁引導(dǎo)場(chǎng)適合于在被所述真空室圍起的抽真空式區(qū)內(nèi)部的路徑周?chē)刂€(wěn)定的軌道引導(dǎo)帶電粒子；以及其中，所述電源及相關(guān)聯(lián)的電引線被設(shè)置為在所述真空室的所述不導(dǎo)電間隙兩端提供電壓。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括被設(shè)置為屏蔽被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)的所述至少一個(gè)磁 體的導(dǎo)電材料。
3.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)的所述至少一個(gè)磁體是不導(dǎo)電的。
4.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中，被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)的所述至少一個(gè)磁體包括鐵氧體 材料。
5.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述磁引導(dǎo)場(chǎng)是固定場(chǎng)交變梯度場(chǎng)。
6.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述絕緣芯子包括高磁導(dǎo)率材料。
7.一種使帶電粒子加速的方法，包括a)提供i)絕緣芯子； )真空室，圍起抽真空式區(qū)；iii)電源，具有相關(guān)聯(lián)的電引線；以及iv)至少一個(gè)磁體，被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)； 其中，所述絕緣芯子形成完整的磁路；其中，所述真空室圍繞所述絕緣芯子的一部分； 其中，所述真空室包括導(dǎo)電部分和不導(dǎo)電間隙；其中，所述至少一個(gè)磁體被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)，該磁引導(dǎo)場(chǎng)適合于在被所述真空室 圍起的抽真空式區(qū)內(nèi)部的路徑周?chē)刂€(wěn)定的軌道引導(dǎo)帶電粒子；以及其中，所述電源及相關(guān)聯(lián)的電引線被設(shè)置為在所述真空室的所述不導(dǎo)電間隙兩端提供 預(yù)定電壓；b)在所述絕緣芯子中產(chǎn)生磁場(chǎng)；c)產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)，該磁引導(dǎo)場(chǎng)適合于在被所述真空室圍起的抽真空式區(qū)內(nèi)部的路徑周 圍沿著穩(wěn)定的軌道引導(dǎo)帶電粒子；d)借助于所述電源及相關(guān)聯(lián)的引線在所述不導(dǎo)電間隙兩端施加預(yù)定電壓；e)向被所述真空室圍起的抽真空式區(qū)中注入帶電粒子射束；以及f)允許帶電粒子被所述磁引導(dǎo)場(chǎng)引導(dǎo)在抽真空式區(qū)內(nèi)部的路徑周?chē)胤€(wěn)定軌道環(huán)流 并被由所述預(yù)定電壓在所述不導(dǎo)電間隙兩端感生的電場(chǎng)加速。
8.權(quán)利要求7的方法，還包括從所述抽真空式區(qū)提取所加速射束的至少一部分。
9.權(quán)利要求7的方法，還包括提供被設(shè)置為屏蔽被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)的所述至少一 個(gè)磁體的導(dǎo)電材料。
10.權(quán)利要求7的方法，其中，被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)的所述至少一個(gè)磁體是不導(dǎo)電的。
11.權(quán)利要求10的方法，其中，被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)的所述至少一個(gè)磁體包括鐵氧 體材料。
12.權(quán)利要求7的方法，其中，所述磁引導(dǎo)場(chǎng)是固定場(chǎng)交變梯度場(chǎng)。
13.權(quán)利要求7的方法，其中，所述絕緣芯子包括高磁導(dǎo)率材料。
14.一種用于使帶電粒子加速的系統(tǒng)，包括a)絕緣芯子；b)真空室，圍起抽真空式區(qū)；c)電源；d)線圈；以及e)至少一個(gè)磁體，被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)； 其中，所述絕緣芯子形成完整的磁路；其中，所述真空室圍繞所述絕緣芯子的一部分； 其中，所述真空室包括導(dǎo)電部分和不導(dǎo)電間隙；其中，所述至少一個(gè)磁體被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)，該磁引導(dǎo)場(chǎng)適合于在被所述真空室 圍起的抽真空式區(qū)內(nèi)部的路徑周?chē)刂€(wěn)定的軌道引導(dǎo)帶電粒子； 其中，所述線圈被連接到所述電源；以及其中，所述線圈被設(shè)置為在所述電感芯子的一部分周?chē)纬芍辽僖粋€(gè)環(huán)路。
15.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，還包括被設(shè)置為屏蔽被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)的所述至少一個(gè) 磁體的導(dǎo)電材料。
16.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中，被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)的所述至少一個(gè)磁體是不導(dǎo)電的。
17.權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中，被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)的所述至少一個(gè)磁體包括鐵氧 體材料。
18.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中，所述磁引導(dǎo)場(chǎng)是固定場(chǎng)交變梯度場(chǎng)。
19.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中，所述線圈在所述絕緣芯子的一部分周?chē)纬梢粋€(gè)環(huán)路。
20.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中，所述線圈在所述絕緣芯子的一部分周?chē)纬啥鄠€(gè)環(huán)路。
21.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中，所述絕緣芯子包括高磁導(dǎo)率材料。
22.一種使帶電粒子加速的方法，包括 a)提供i)絕緣芯子； )真空室，圍起抽真空式區(qū)；iii)電源；iv)線圈；以及ν)至少一個(gè)磁體，被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)；其中，所述絕緣芯子形成完整的磁路； 其中，所述真空室圍繞所述絕緣芯子的一部分； 其中，所述真空室包括導(dǎo)電部分和不導(dǎo)電間隙；其中，所述至少一個(gè)磁體被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)，該磁引導(dǎo)場(chǎng)適合于在被所述真空室 圍起的抽真空式區(qū)內(nèi)部的路徑周?chē)刂€(wěn)定的軌道引導(dǎo)帶電粒子；以及 其中，所述線圈被連接到所述電源；以及其中，所述線圈被設(shè)置為在所述電感芯子的一部分周?chē)纬芍辽僖粋€(gè)環(huán)路； b)在所述絕緣芯子中產(chǎn)生磁場(chǎng)；C)產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)，該磁引導(dǎo)場(chǎng)適合于在被所述真空室圍起的抽真空式區(qū)內(nèi)部的路徑周 圍沿著穩(wěn)定的軌道引導(dǎo)帶電粒子；d)從所述電源向所述線圈施加預(yù)定電壓；e)向被所述真空室圍起的抽真空式區(qū)中注入帶電粒子射束；以及f)允許帶電粒子被所述磁引導(dǎo)場(chǎng)引導(dǎo)在抽真空式區(qū)內(nèi)部的路徑周?chē)胤€(wěn)定軌道環(huán)流 并被由施加于所述線圈的所述預(yù)定電壓在所述不導(dǎo)電間隙兩端感生的電場(chǎng)加速。
23.權(quán)利要求22的方法，還包括從所述抽真空式區(qū)提取所加速射束的至少一部分。
24.權(quán)利要求22的方法，還包括提供被設(shè)置為屏蔽被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)的所述至少 一個(gè)磁體的導(dǎo)電材料。
25.權(quán)利要求22的方法，其中，被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)的所述至少一個(gè)磁體是不導(dǎo)電的。
26.權(quán)利要求25的方法，其中，被設(shè)置為產(chǎn)生磁引導(dǎo)場(chǎng)的所述至少一個(gè)磁體包括鐵氧 體材料。
27.權(quán)利要求22的方法，其中，所述磁引導(dǎo)場(chǎng)是固定場(chǎng)交變梯度場(chǎng)。
28.權(quán)利要求22的方法，其中，所述線圈在所述絕緣芯子的一部分周?chē)纬梢粋€(gè)環(huán)路。
29.權(quán)利要求22的方法，其中，所述線圈在所述絕緣芯子的一部分周?chē)纬啥鄠€(gè)環(huán)路。
30.權(quán)利要求22的方法，其中，所述絕緣芯子包括高磁導(dǎo)率材料。
全文摘要
本文公開(kāi)了一種方法，其中，使用導(dǎo)體的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)帶電粒子射束的加速以便與自然時(shí)間常數(shù)相比在短時(shí)間內(nèi)限制磁場(chǎng)和電場(chǎng)的穿透。這允許使用具有局限于間隙的旋度的感應(yīng)電場(chǎng)在將所加速射束耦合到電源的同時(shí)使粒子加速。公開(kāi)了將粒子束耦合到電源的兩種方法作為示例。
文檔編號(hào)H05H11/00GK101940069SQ200980101854
公開(kāi)日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月9日
發(fā)明者R·J·勒杜瓦, S·E·科爾布利, W·貝爾托奇 申請(qǐng)人:護(hù)照系統(tǒng)公司