[实用新型]回旋加速器和用于回旋加速器的磁极

说明书

技术领域

本实用新型涉及回旋加速器。具体地，本实用新型涉及等时性扇形聚焦回旋加速器，所述回旋加速器具有对引出的激励带电粒子束的增强聚焦。

背景技术

回旋加速器是一种圆形粒子加速器，其中带负电粒子或带正电粒子沿螺旋路径从回旋加速器的中心向外加速直到若干MeV的能量。除非另外指明，术语“回旋加速器”在以下内容中用于指等时性回旋加速器。回旋加速器用于各种领域，例如用于核物理、医疗治疗，诸如质子疗法，或用于放射性药物学。具体地，回旋加速器可以用于生产适合于PET成像(正电子发射X线断层摄影术)的短寿命正电子发射同位素、或生产例如用于 SPECT成像(单光子发射计算机断层成像术)的伽马发射同位素(例如， Tc99m)。

回旋加速器包括若干元件，包括注入系统、用于使带电粒子加速的射频(RF)加速系统、用于沿着精确路径引导加速粒子的磁系统、用于收集如此加速的粒子的引出系统、和用于在回旋加速器中创造并维持真空的真空系统。

通过注入系统以相对低的初始速度将带电离子组成的粒子束在回旋加速器中心处或附近引入间隙中。如图3中所展示的，该粒子束通过RF加速系统按顺序并且重复地加速并且通过磁系统产生的磁场沿着所述间隙内的螺旋路径朝外引导。当粒子束达到其目标能量时，通过提供在引出点 PE的引出系统从回旋加速器中引出所述粒子束。该引出系统可以包括例如由薄石墨片组成的剥离器。例如，穿过剥离器的H^-离子失去两个电子并且变为正的。因此，磁场中的它们的路径的曲率改变其符号，并且因此从回旋加速器朝目标引出粒子束。存在本领域的技术人员众所周知的其他引出系统。

磁系统产生磁场，所述磁场沿着螺旋路径引导带电粒子束并使其聚焦，直到其加速到其目标能量。在以下内容中，术语“粒子”、“带电粒子”和“离子”作为同义词无区别地使用。通过缠绕在两个磁极上的两个电磁线圈14在这些极之间限定的间隙中产生磁场。回旋加速器的磁极经常分成围绕中心轴线分布的交替的丘扇块和谷扇块。两个磁极之间的间隙在丘扇块处较小而在谷扇块处较大。因此在丘扇块内的丘间隙部分中创造强磁场而在谷扇块内的谷间隙部分中创造较弱的磁场。这类方位角磁场变化在粒子束每次到达丘间隙部分时使粒子束径向和竖直聚焦。出于此原因，这类回旋加速器有时被称为扇形聚焦回旋加速器。在一些实施例中，丘扇块具有与一份蛋糕类似的圆形扇块几何形状，具有朝中心轴线基本上径向延伸的第一和第二侧表面、总体上弯曲的外围表面、与中心轴线相邻的中心表面、和限定丘间隙部分的一侧的上表面。上表面由第一和第二侧边缘、外围边缘和中心边缘定界。

实际上，粒子束具有截面积。回旋加速器的目标是产生尽可能多聚焦 (即，具有小的截面面积)的具有给定能量的带电粒子束。所述相继丘扇块和谷扇块创造的磁场的变化以与透镜可以使光束聚焦类似的方式使束聚焦。然而，当将粒子束引出两个磁极之间限定的间隙时，粒子束穿过磁场失去其均匀性的边界区域，这对粒子束的聚焦不利。这是一个特别敏感的问题，因为一方面粒子束在引出点具有其最大能量，并且另一方面，在磁极的、磁场快速下降的外围边缘处控制磁场更加困难。为了增强引出的粒子束的聚焦，本技术领域已经提出了通过经添加梯度校正器形成到所述外围边缘的突出物来修改丘扇块的外围边缘的几何形状。梯度校正器相对于丘扇块的大小而言是相对小的钢块，所述钢块联接至丘扇块的外围边缘。这类梯度校正器允许修改外围边缘附近的磁场并且因此局部修改丘扇块的外围边缘附近的磁场以改进出射粒子束的聚焦。然而，突出式梯度校正器的使用具有若干缺点。首先，容纳磁极的真空室的容积必须相应地增大，因此需要更多的能量和时间来从真空室泵送气体。第二，回旋加速器的总体重量增大，因为一方面梯度校正器本身的重量，并且另一方面真空室的外壁的增大的总体大小，并且因此的通量回轭的大小；两者促成回旋加速器重量大幅度增大。第三，突出式梯度校正器的位置是至关重要的；小的位置偏差可能产生大的磁场变化。梯度校正器必须由熟练的技术人员手动精确固定在所有丘扇块的外围表面的相同位置处。当然，这是一项关键且昂贵的操作。第四，突出式梯度校正器具有使磁场向外偏移的效果，其朝一对相对的丘扇块之间的丘间隙部分的外围边缘向外拉动粒子束的路径，在所述外围边缘，磁场失去其均匀性。这种移位还导致损失有用的磁场并且因此需要增大线圈电流以便补偿这种损失。因此，控制引出的粒子束的特性更加困难和昂贵。

因此，本领域仍然需要一种允许以高效且有成本效益的方式引出更加聚焦且更加可预测的粒子束的等时性扇形聚焦回旋加速器。

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