專利名稱：Methods for diagnosing and automatically controlling the operation of a ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
公開了使用基于傳感器輸入的反饋改變粒子加速器的可用控制動(dòng)作以進(jìn)行粒子 加速器性能的自動(dòng)優(yōu)化的方法。
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別1)諸如Van de Graaff加速器等使用恒靜電場的那些；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)變磁場感生的電場來使粒子加速 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描述這些類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)的書中進(jìn)行了許多討論。其全部應(yīng)用磁場和電場中的基本麥克斯韋場方程和粒子 動(dòng)力學(xué)來使粒子加速并形成加速射束。在William Bertozzi、Stephen Ε. Korbly 和 Robert J. Ledoux 的待決美國專利 12/351234>H^j "Methods And Systems For Accelerating Particles Using
Induction To Generate An Electric Field With A Localized Curl，，中描述了用于粒 子射束加速器的新型配置。加速器可以具有形狀為環(huán)形或螺旋管形并充當(dāng)加速器射束線 (beamline)的真空室。射束線具有導(dǎo)電部分和充當(dāng)加速間隙的不導(dǎo)電部分。存在于真空室 的區(qū)域中的磁場控制真空室內(nèi)的射束運(yùn)動(dòng)。加速器具有兩個(gè)截然不同的電磁場區(qū)域。一個(gè)在真空室/射束線內(nèi)部，其中，除磁引導(dǎo)場之外，只存在由不導(dǎo)電加速間隙的區(qū)域中的加速 電勢產(chǎn)生的那些場和由真空室/射束線的導(dǎo)電部分的內(nèi)壁上的射束電荷感生的那些場。另 一電磁場區(qū)域在真空室/射束線外面，其中，激勵(lì)(exciting)電流沿著真空室/射束線的 導(dǎo)電部分的外表面行進(jìn)。這兩個(gè)區(qū)域僅經(jīng)由不導(dǎo)電加速間隙耦合。在下文中將此加速器稱 為“局部旋度加速器(localized curl accelerator)”。具有一定程度的復(fù)雜性的大部分粒子加速器需要用于監(jiān)視和控制其產(chǎn)生的射束 的方法和系統(tǒng)。常常將此類系統(tǒng)稱為診斷系統(tǒng)或簡單地稱為“診斷”，并且常常將此類控制 系統(tǒng)稱為“控制”。William Bertozzi和Robert J. Ledoux的待決美國專利申請(qǐng)序號(hào) 12/351241 "Diagnostic Methods And Apparatus For An Accelerator Using Induction To Generate An Electric Field With A Localized Curl ” 描述了方法和系統(tǒng)，其包括各 種射束條件傳感器，供局部旋度加速器用來提供用于射束評(píng)估和控制的基本數(shù)據(jù)。這些方 法和系統(tǒng)中的某些還可以應(yīng)用于其它類型的加速器。在局部旋度加速器及相關(guān)診斷和/或傳感器的情況下，加速器的特定特性引入對(duì) 監(jiān)視和控制射束的過程的獨(dú)特要求，可以通過采用本文所述的示例性診斷和/或傳感器并 通過采用本文公開的方法來滿足該要求。這些方法中的某些還適合于供其它加速器類型使用。

發(fā)明內(nèi)容
公開了控制粒子加速器的操作的方法，包括將粒子束注入到加速器中；執(zhí)行至 少一個(gè)注入階段診斷測量；基于所述至少一個(gè)注入階段診斷測量，確定粒子束是否已被成 功地注入；在尚未成功地注入粒子束時(shí)，改變至少一個(gè)注入階段控制動(dòng)作，并重復(fù)該過程； 在已成功地注入粒子束時(shí)，執(zhí)行至少一個(gè)加速階段診斷測量；基于所述至少一個(gè)加速階段 診斷測量，確定粒子束是否已被成功加速；在粒子束尚未被成功加速時(shí)，改變至少一個(gè)加速 階段控制動(dòng)作，并重復(fù)該過程；在粒子束已被成功加速時(shí)，執(zhí)行至少一個(gè)使用階段診斷測 量；基于所述至少一個(gè)使用階段診斷測量，確定粒子束是否已被成功使用；在粒子束尚未 被成功使用時(shí)，改變至少一個(gè)使用階段控制動(dòng)作，并重復(fù)該過程；并在粒子束已被成功使用 時(shí)，進(jìn)一步操作加速器。所述粒子加速器可以電子加速器，所述粒子加速器可以是局部旋度加速器，并且 所述粒子束可以由電子槍注入。可以在一圈或多圈之后確定粒子束是否已被成功注入。至少一個(gè)注入階段診斷測 量可以包括測量射束的圈數(shù)。測量射束的圈數(shù)可以包括測量對(duì)應(yīng)于射束通過的信號(hào)中的脈 沖?？梢允褂脤?dǎo)電電極或電流傳感器來測量該脈沖。至少一個(gè)注入階段診斷測量可以包括 測量射束強(qiáng)度或位置。至少一個(gè)診斷測量可以包括導(dǎo)電電極測量或電流傳感器測量。所述 電流傳感器測量可以包括電源電流的測量。可以至少部分地由射束強(qiáng)度和位置來確定粒子 束是否已被成功地注入或成功地加速。粒子束的使用可以包括射束的提取或射束碰撞內(nèi)靶。可以通過在至少一對(duì)內(nèi)部電極兩端施加電壓對(duì)射束施加電場以干擾其軌道。


圖1示出系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其舉例說明具有設(shè)置在供本文公開的某種診斷方法 和裝置使用的真空室的不導(dǎo)電間隙兩端的電源的加速器的細(xì)節(jié)；圖2示出圖1的加速器的近似等效電路；圖3A示出類似于圖1的系統(tǒng)并具有帶有矩形橫截面的真空室的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施 例；圖3B示出圖3A的系統(tǒng)的一部分的橫截面圖，舉例說明診斷裝置的實(shí)施例；圖4示出具有診斷裝置的加速器的另一實(shí)施例，其包括用于檢測電源引線中的電 流的電流傳感器；圖4B是電流傳感器的電路的示意圖；以及圖5是示出本文公開的加速器控制方法的實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例方式本文公開的方法可適用于許多加速系統(tǒng)和方法，但本文的示例性公開用于經(jīng)由到 電場的耦合向粒子傳遞能量的加速器(例如，局部旋度加速器)，所述電場具有在間隙處的 矢量旋度和在導(dǎo)電壁中流動(dòng)的鏡像電荷。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到其對(duì)其它加速器形式 的適用性，并且此類形式意圖被涵蓋在本公開的范圍內(nèi)。上文參考的示例性局部旋度加速器在新型方法中使用麥克斯韋方程的管限規(guī)則， 該新型方法不同于在這個(gè)問題上在標(biāo)準(zhǔn)教科書中所討論的通常用來使粒子加速的方法 (參見例如Μ· S. Livingston 禾口 J. P. Blewett, "Particle Accelerators，，，McGraw Hill Book Company, Inc. , New York, 1962)。基本元件是1.)磁芯，其能夠容納時(shí)變B場；2.)電源，其能夠提供適當(dāng)?shù)碾妷骸?.)導(dǎo)電真空室，其環(huán)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，在加速循環(huán)期間在時(shí)間方面是恒定的，其在粒子獲得能量時(shí)在穩(wěn)定 軌道中在真空室的內(nèi)部周圍引導(dǎo)粒子。為了監(jiān)視加速器的操作，可以使診斷元件與加速器及其電學(xué)和磁性特征的動(dòng)態(tài)行 為以及被加速的粒子的性質(zhì)匹配。注入、捕捉和加速至最終射束能量的成功可能要求監(jiān)視 并控制加速過程的多個(gè)階段處的射束參數(shù)。監(jiān)視方法可以指示該過程的不同階段期間的諸 如能量和強(qiáng)度等射束參數(shù)的質(zhì)量。因此，可以依照加速器本身的那些元件和其組件的性質(zhì) 及其組件的操作來設(shè)計(jì)診斷元件。圖1是示例性局部旋度加速器的實(shí)施例的示意圖100，供在William Bertozzi和 Robert J. Ledoux W^H^^J12/351241 "Diagnostic Methods And Apparatus For An Accelerator Using Induction To Generate An Electric Field With A Localized Curl”中公開的診斷技術(shù)使用。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?？梢允枪軤畹?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)流通過的其它閉合路徑連接。剖面圖(cutaway) 114提供在真空室104內(nèi)行進(jìn)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僅僅是出于說明性的目的且不表示真空 室104中的實(shí)際開口。不導(dǎo)電間隙108具有間隙長度d 110。真空室104的導(dǎo)電部分106 具有壁厚度《112。磁引導(dǎo)場134是B場并沿著閉合循環(huán)路徑引導(dǎo)射束116中的射束粒子通 過真空室104。磁引導(dǎo)場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(induction core) 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分隔開的兩個(gè)末端118、120。 用傳統(tǒng)真空密封技術(shù)來密封導(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)。作為理解實(shí)施例1中的加速器的操作的輔助，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的一部分周圍的環(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而不存在電場或磁場，其中，電場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來限制電流Io 130。仍考慮理想化情況，將用qV的能量增益來使穿過(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134在真空室104內(nèi)部的絕緣 芯子102周圍引導(dǎo)此粒子。該粒子在真空室104中不經(jīng)歷減速場(retarding field)，因?yàn)?除由粒子本身的電荷在壁上感生的那些之外，所有場(除下文所討論的靜磁引導(dǎo)場之外) 為零。隨著粒子在絕緣芯子102周圍行進(jìn)，其重新進(jìn)入并穿過真空室104中的不導(dǎo)電間隙 108，并且其能量再次增加增益qV。如果其完成真空室104的η圈(在本文中，術(shù)語“圈(一 個(gè)或多個(gè))”在涉及射束或粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)意指真空室的完整回路、循環(huán)或回轉(zhuǎn))，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)部周圍的路徑積分(path integral)是 V。這里，E是真空室104中的電場且dl表示用于射束路徑的路徑長度微分(differential) (使用粗體量來表示矢量)。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)。出于簡化討論的目的，在本文中未詳細(xì)地進(jìn)行描述。然而，無論此復(fù)雜變化如何，大部 分的場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，此電場具有用于其矢量字符的旋度。其將此電場與閉合路徑周圍的E · dl的積分為 零的靜電場區(qū)別開。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，由真空室104的導(dǎo)電部 分106的內(nèi)壁上的粒子電荷q所感生的那些場和組成磁引導(dǎo)場的那些場。其它場區(qū)在真空 室104的導(dǎo)電部分106外面，其中，來自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穿過電引線128并通過電源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，鄰近具有電壓+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(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視為沒有電阻性阻抗的理想情況。在真 實(shí)(非理想化)情況下，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. D. Jackson 所著的書("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現(xiàn)在穿透本工作加速器的真實(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相關(guān)電磁場的頻率。例如，在對(duì)于銅而言的2kHz 下，δ約為1. 5mm。通過保證導(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具有電 阻率P的介質(zhì)的電流的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式來進(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S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)來表示通過在不導(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所示的局部旋度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來表示由絕緣芯子102周圍的真空室104的導(dǎo)電部分106形成的一 匝線圈的電感。在示意圖200中用流過電阻Ro的電流Io來表示由于導(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來決定此電流Io:V-LdI。/dt_I。R。= O (等式 1)用流過在示意圖200中用符號(hào)R1給出的電阻的電流I1來表示導(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通過不導(dǎo)電間 隙108經(jīng)由射束耦合CBP來提供鏡像電流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，此減小比用于每圈的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，示出上述局部旋度加速器的一種示例性結(jié)構(gòu)。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而環(huán)流。射束116 被約束所有射束軌道的磁引導(dǎo)場134引導(dǎo)至位于真空室104的界限(confine)內(nèi)。真空室 (雖然不一定是圓形形狀)104圍繞絕緣芯子102。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 =電流I1 132流出電源122的第一端子124 (正端子)并流入電源122的第二端子126 (負(fù) 端子)。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。對(duì)于類似于與系統(tǒng)100的加速器(圖1)而言，監(jiān)視注入、捕捉、加速至最終射束能 量和提取的過程由于真空室的內(nèi)部和外部區(qū)域的電磁分離而是個(gè)挑戰(zhàn)。監(jiān)視射束的一種方 式是使用位于射束軌道的不同位置處的攔截射束止動(dòng)件。這種技術(shù)可以要求采用真空密封 活動(dòng)耦合器以便從外面操作真空室內(nèi)部的活動(dòng)探針。為了避免射束的攔截，可以采用非攔 截?fù)Q能(transducing)元件來觀察并轉(zhuǎn)送來自射束產(chǎn)生過程的相關(guān)階段的信號(hào)。這些元件 可以獲得磁感應(yīng)和電感應(yīng)信號(hào)且可以包括固定和活動(dòng)真空密封耦合器。注入和捕捉的過程對(duì)于加速器的成功而言是關(guān)鍵的。例如，電子槍可以存在于 內(nèi)部半徑處且可以產(chǎn)生一束粒子，其(1)與電壓V到加速腔的不導(dǎo)電間隙的施加同步，并 且(2)其持續(xù)由當(dāng)前的應(yīng)用確定的持續(xù)時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施例中，其可以是粒子的短突發(fā) (burst)，使得該突發(fā)在前沿(leading edge)完成真空室的一個(gè)回路之前已經(jīng)結(jié)束。在另 一實(shí)施例中，其可以是只要絕緣芯子從-Bc掃至+Bc就持續(xù)的粒子的長突發(fā)，其中，Bc是絕 緣芯子中的最大場；在某些情況下，可能期望Bc可以接近或達(dá)到芯飽和。用于注入和捕捉的關(guān)鍵時(shí)期可以包括注入射束的真空室的幾個(gè)至十幾個(gè)回路或圈，使得如果已經(jīng)成功地流轉(zhuǎn)了(negotiate)那些回路，則認(rèn)為捕捉到射束；如果未實(shí)現(xiàn)此 數(shù)目的回路，則重要的將是理解注入射束已在哪里和何時(shí)丟失。當(dāng)捕捉到時(shí)，射束前進(jìn)而加速至全能量。然而，由于引導(dǎo)磁場的模式及其設(shè)計(jì)參數(shù) 的缺陷，射束的一部分或整個(gè)射束可能在其獲得最終能量的途中丟失。知道此丟失何時(shí)在 哪里發(fā)生對(duì)于診斷問題和進(jìn)行調(diào)整以緩解或修正該情況是必不可少的。全能量下的射束的提取還可能要求向射束施加特殊的磁和/或電信號(hào)以將其踢 出穩(wěn)定軌道而被提取系統(tǒng)捕捉。同樣地，如果射束與內(nèi)靶一起使用而不是被提取，則知道何 時(shí)發(fā)起該過程可能是重要的。因此，具有確定射束已達(dá)到全能量的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)同樣重 要。在加速器的例行操作期間，射束特性可能受到許多變量的影響，包括但不限于溫 度和電壓波動(dòng)、環(huán)境變化和意外事件。具有用于在所有操作階段監(jiān)視和診斷射束特性的方法是重要的。在William Bertozzi 和 Robert J. Ledoux 的美國專利申請(qǐng)序號(hào) 12/351241 "Diagnostic Methods And Apparatus For An Accelerator Using Induction To Generate An Electric Field With A Localized Curl”中公開了方法，由此，來自非攔截?fù)Q能元件的信號(hào)允許確定加速器中的 射束的各種屬性，諸如1.)射束的一部分已在真空室中穿過的圈數(shù)；2.)感興趣的每個(gè)位置處的射束的能量；3.)每個(gè)回路或圈和位置處的射束的強(qiáng)度；4.)射束繞著其平衡軌道的運(yùn)動(dòng)；5.)發(fā)生射束丟失的位置和時(shí)間；6.)空間電荷對(duì)射束強(qiáng)度和軌道運(yùn)動(dòng)的影響；7.)由于射束與真空室中的殘余氣體碰撞產(chǎn)生的離子而引起的對(duì)射束強(qiáng)度和軌道 運(yùn)動(dòng)的影響；8.)加速器的操作質(zhì)量和用于微擾的緩解策略的效果；以及9.)所提取或在內(nèi)部使用的射束的有效占空比。本文所述的這些及其它實(shí)施例是用于在加速期間監(jiān)視帶電粒子的本文公開的技 術(shù)的可能應(yīng)用的示例。雖然在對(duì)幾種特定示例性局部旋度加速器類型的應(yīng)用中講授了實(shí)施 例，但應(yīng)認(rèn)識(shí)到其具有更廣泛的適用性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到存在所公開的重要元 件的擴(kuò)展、修改及其它布置，其能夠?qū)崿F(xiàn)并且其意圖涵蓋在本公開的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，換能元件由不攔截射束的導(dǎo)電電極組成，其位于粒子束路徑之 外的室中的不同位置處。此類示例性實(shí)施例在圖3A和3B中示出。圖3A是舉例說明除真空室304的橫截面為(例如但不限于)矩形之外在構(gòu)造和 操作上與圖1所示類似的示例性局部旋度加速器的系統(tǒng)300的示意圖300A。真空室304充 當(dāng)射束線并具有導(dǎo)電部分306和不導(dǎo)電部分(稱為不導(dǎo)電間隙)308。真空室304的導(dǎo)電部 分306具有由被用作加速間隙的不導(dǎo)電間隙308分開的兩個(gè)末端318、320。用傳統(tǒng)真空密 封技術(shù)來密封導(dǎo)電部分306與不導(dǎo)電間隙308的末端318和320之間的接合點(diǎn)。限定沿方 向A-A的橫截面圖的位置的假想割平面330指示切割真空室304的導(dǎo)電部分306。加速器
(inductive core) 102。
9
圖3B是在沿著(圖3A的)方向A-A看的割平面330 (圖3A)截取的圖3A的系統(tǒng) 300的一部分的橫截面圖300B，示出真空室304的導(dǎo)電部分306并示出圖3A未示出的附加細(xì)節(jié)。參照?qǐng)D3B，真空室304的導(dǎo)電部分306圍起行進(jìn)到紙張的平面中且在此視圖中由 其橫斷面剖面(例如，橢圓形)指示的射束316。一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電電極336被安裝在真空室 304的導(dǎo)電部分306內(nèi)。導(dǎo)電電極336通過傳統(tǒng)手段(未示出)與真空室304的導(dǎo)電部分 306的壁電隔離并通過室的壁提供有外部連接。導(dǎo)電電極336可以是多個(gè)且可以布置成規(guī) 則陣列(如所示)或可能期望的另一圖案，并且可以布置在射束316的一側(cè)或多側(cè)。每個(gè) 導(dǎo)電電極336具有用于連接的電引線。每個(gè)引線可以如對(duì)于導(dǎo)電部分306的頂部處的引線 所指示的那樣通過單引線密封饋通338穿過真空室304的導(dǎo)電部分306。在這種情況下，引 線342可以連接到用于監(jiān)視和分析由電引線342從導(dǎo)電電極336傳送的信號(hào)的儀器350。 或者，可以將引線捆成電纜340中并如針對(duì)在導(dǎo)電部分306的底部處的引線所指示的那樣 通過多引線密封饋通344穿過真空室304的導(dǎo)電部分306。在這種情況下，電纜340中的 引線還可以連接到用于監(jiān)視和分析來自導(dǎo)電電極336的信號(hào)的儀器350。(當(dāng)然，可以使用 單引線饋通、一個(gè)或多個(gè)多引線饋通、或其組合。)該儀器被設(shè)計(jì)為使得導(dǎo)電電極336每個(gè) 可以呈現(xiàn)對(duì)電流的高(相對(duì)于系統(tǒng)的其它導(dǎo)電路徑而言)電阻性阻抗。每個(gè)導(dǎo)電電極336 將從在附近通過的射束接收由鏡像電荷q產(chǎn)生的感生電壓力。此V1將根據(jù)電磁學(xué)的標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)則感生并將取決于電路的q、分布電容和阻抗。此V1呈現(xiàn)一定量的射束電荷已在特定時(shí) 間到達(dá)真空室304中的特定位置的信號(hào)。儀器350可以由為特定目的構(gòu)建的儀器組成和/ 或可以包括通用微處理系統(tǒng)。此診斷方案提供關(guān)于加速器性能的以下信息1.)持續(xù)時(shí)間比用于一圈的時(shí)間少的射束電荷脈沖將(根據(jù)電極位置和間距)作 為信號(hào)出現(xiàn)在經(jīng)由感生電荷耦合的一個(gè)或幾個(gè)導(dǎo)電電極336上。這些信號(hào)傳送信息以確定 射束316在其繞行真空室304時(shí)的位置，并且當(dāng)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，其可以確定已經(jīng)執(zhí)行的 圈(真空室304的回路)的數(shù)目和來自每圈的損耗。也可以確定射束繞平衡軌道的幅度振 蕩，和在每次通過真空室304的不導(dǎo)電間隙308處的加速區(qū)時(shí)使射束加速時(shí)的軌道位置的 變化。通過計(jì)數(shù)在襯墊上感生的信號(hào)中的脈沖數(shù)目，確定回路或圈的數(shù)目，因此，可以在任 何時(shí)間知道射束的能量，因?yàn)閷?duì)于每圈而言，能量增益是qV(其中，粒子的電荷是q)。同樣 地，可以在射束316已達(dá)到全能量時(shí)對(duì)其進(jìn)行確定。還可以使用能量和導(dǎo)電電極336位置 的相關(guān)性作為診斷方法。如果射束在真空室304的某個(gè)區(qū)域中丟失，則可以通過連續(xù)圈的 信號(hào)的變化幅度來確定此位置，如射束丟失的開始可能的那樣。2.)如通過注入直至對(duì)于注入的第一批粒子而言達(dá)到全能量為止，射束脈沖可以 比在上述情況下長。在這種情況下，仍可以通過在導(dǎo)電電極336上感生的信號(hào)的時(shí)序和幅 度來監(jiān)視射束316通過加速過程的前進(jìn)。這允許在加速室充滿電荷的情況下監(jiān)視整個(gè)加速 過程。射束316將具有從注入直至提取或與內(nèi)靶一起使用的所有能量下的分量，并且不同 的導(dǎo)電電極336將具有從不同能量的射束分量感生的信號(hào)。這允許經(jīng)由真空室304中的空 間電荷效應(yīng)和殘余氣體中的離子生成對(duì)射束的不同分量的相互作用的效果進(jìn)行附加監(jiān)視。3.)射束脈沖可以長于加速至全能量所需的時(shí)間，以便實(shí)現(xiàn)較高的射束占空比。在 這種情況下，導(dǎo)電電極336上的信號(hào)將允許確定全占空比期間的操作質(zhì)量并將提供控制和調(diào)整射束質(zhì)量的機(jī)會(huì)。圖4A是包括與圖1中的加速器類似的示例性局部旋度加速器的系統(tǒng)400的圖示， 其中電流傳感器的實(shí)施例用于檢測流到用于加速器的電源122的電流而傳感器用于各種 其它射束特性。其還包括用于控制加速器的控制裝置。系統(tǒng)400的加速器類似于圖1和圖 3A的加速器。具有與圖1、3A、和3B中的那些相同的參考標(biāo)號(hào)的項(xiàng)目是具有相同功能的項(xiàng) 目。參照?qǐng)D4A，真空室104通?？梢允枪軤畹?如圖1和4A所示的圓形橫截面和如圖3A和 3B所示的矩形橫截面，或者具有另一種橫截面形狀)，并且可以如所示的那樣是圓環(huán)形的， 或者可以具有允許射束在絕緣芯子102的一部分周圍在圓形路徑內(nèi)循環(huán)/環(huán)流通過的其它 閉合路徑連接。剖面圖114提供在真空室104內(nèi)行進(jìn)的一束帶電粒子116的視圖。(剖面 圖114僅僅是出于說明性的目的且不表示真空室104中的實(shí)際開口。)再次參照?qǐng)D4A，換 能元件可以測量從真空室104的導(dǎo)電部分106流入電源122的電流。通過在將電源122連 接到真空室的導(dǎo)電部分106的末端118、120的電引線128中的任一中引入電流傳感器402， 可以測量總電流I = Io+IB(參見圖2所示的電路)。電流Io 130和Ib=電流I1 132流出 電源122的第一端子124 (正端子)并流入電源122的第二端子126 (負(fù)端子)?？梢岳?在連接點(diǎn)C和D處連接電流傳感器402。此電流傳感器可以是電源122電引線128中的低 阻抗電阻器；此電阻器兩端的電壓將指示通過電引線128的電流。(具有適當(dāng)連接的電源 122的內(nèi)電阻可以用于相同的目的。)可以由電流傳感器402生成表示電流I的信號(hào)并由 一個(gè)或多個(gè)電引線404將其傳送到儀器406，儀器406可以由為特定目的構(gòu)件的儀器組成和 /或可以包括用于分析電流I和用于提取并處理附加信息且用于作決策的通用微處理或其 它計(jì)算系統(tǒng)。在真空室104的導(dǎo)電部分106內(nèi)的用于感測射束116的特性的一個(gè)或多個(gè)不同位 置處可以包括一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電電極(未示出，但類似于圖3B的電極336)，并且其可以組成 例如一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電電極陣列(未示出，但類似于圖3B中的電極336)。真空室104的導(dǎo)電 部分106內(nèi)的導(dǎo)電電極可以通過一個(gè)或多個(gè)位置處(例如所示，但不是出于限制的目的) 的一個(gè)或多個(gè)密封饋通344 (例如所示的兩個(gè)，但不是出于限制的目的)及通過電纜340連 接到儀器350。儀器350和儀器406可以通過電纜408連接到控制器410。(應(yīng)理解的是 在本文中被描述為通過電纜執(zhí)行的這種及其它通信可以替換地由無線裝置來執(zhí)行。還應(yīng)理 解的是可以方便地將在這里被示為兩個(gè)位置上的儀器350和406的所需儀器部署在一個(gè)或 多個(gè)位置上。)控制器410可以包括由為特定目的構(gòu)建的控制元件和/或可以包括進(jìn)行加 速器控制決策并執(zhí)行用于加速器控制的加速器控制算法的通用微處理或其它計(jì)算系統(tǒng)?？?制器410可以經(jīng)由電纜412 (電學(xué)、光學(xué)等)向控制元件414傳送控制命令且可以包括顯示 器及其它通信裝置。控制元件414可以包括電源(包括但不限于電源122)、磁體控制系統(tǒng) (包括但不限于用于產(chǎn)生引導(dǎo)場134的磁體的控制)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(actuator)、及在加速器控 制中常規(guī)采用(但圖4A未示出)且本領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知的其它加速器控制元件。其 它此類加速器控制元件的某些示例可以包括但不限于用于射束注入和提取(或與內(nèi)靶一 起使用)的元件、冷卻和溫度控制元件，引導(dǎo)場磁體、真空系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)、加速控制機(jī)構(gòu)、去 除由射束產(chǎn)生的離子的控制機(jī)構(gòu)等。控制元件414可以具有到加速器系統(tǒng)400的元件的直 接聯(lián)接(linkage)416，該直接聯(lián)接可以包括但不限于電聯(lián)接、磁性聯(lián)接、光學(xué)聯(lián)接、機(jī)械聯(lián) 接等。控制器410可以控制系統(tǒng)400來作用于射束116中的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)的變化。
圖4B是可以在系統(tǒng)400或類似系統(tǒng)中采用的替換電流傳感器402實(shí)施例的電路 的示意圖450?，F(xiàn)在參照?qǐng)D4A和4B，在本實(shí)施例中，電流傳感器402是變壓器452，例如環(huán) 形變壓器，其感測由來自電源122的電流I引起的磁場。來自變壓器502的電壓取決于電 引線128中的電流I到電源122的時(shí)間變化率。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將知道用于感測電流的 其它方法且其意圖包括在本公開內(nèi)?？蓮倪@些電流傳感器(傳統(tǒng)電阻性電流傳感器或變壓器452)之一獲得的信號(hào)可 以提供以下診斷性信息1.)持續(xù)時(shí)間比用于一圈的時(shí)間少的射束電荷脈沖對(duì)于射束的每轉(zhuǎn)(“圈”)而言 將作為電流脈沖出現(xiàn)在電源線中。通過計(jì)算這些脈沖的數(shù)目，可以確定成功地執(zhí)行的圈數(shù)。 將由所執(zhí)行的圈數(shù)和電壓V給定射束能量。通過測量每個(gè)脈沖的積分電荷(integrated charge)，可以確定每圈的射束損耗。對(duì)于短射束電荷脈沖，可以監(jiān)視注入過程、捕捉過程、 加速過程和提取或內(nèi)部使用過程的成功。如果存在射束損耗，則可以確定已執(zhí)行射束的圈 數(shù)(和因此的射束能量)以及發(fā)生損耗的射束位置。2.)可以在用于注入的第一批粒子實(shí)現(xiàn)最大能量所需的時(shí)間內(nèi)連續(xù)地注入射束。 在這種情況下，來自射束的電流隨著射束轉(zhuǎn)數(shù)的增加而增大。由于射束而引起的電源線中 的電流隨著時(shí)間的推移而增大。通過監(jiān)視作為時(shí)間函數(shù)的電流，可以監(jiān)視每圈處、每個(gè)徑向 位置處和每種能量下的射束條件。3.)可以在大于實(shí)現(xiàn)最大能量所需的時(shí)間內(nèi)連續(xù)地注入射束。在這種情況下，來自 射束的電流隨著射束轉(zhuǎn)數(shù)的增加而增大。電流在提取了全加速射束時(shí)(或例如在使用內(nèi)部 射束目標(biāo)時(shí))停止增大。由于射束而引起的電源線中的電流隨著時(shí)間的推移而增大并達(dá)到 穩(wěn)定值。通過監(jiān)視作為時(shí)間函數(shù)的此電流，可以監(jiān)視每圈處和每種能量下的射束條件。確 定射束的有效占空比。4.)對(duì)于所有射束持續(xù)時(shí)間，從線內(nèi)電流到電源的信號(hào)將允許根據(jù)位置、時(shí)間和能 量來確定射束的條件，并且該相關(guān)性將允許確定來自導(dǎo)電電極336 (圖3B)的信號(hào)的上文所 討論的相同效果?？偠灾?，上文討論的診斷測量可以檢測粒子束和/或電源電流I且可以提供以 下認(rèn)知Dl.電源電流I和射束電流IB;D2.射束的一圈的完成，及其強(qiáng)度；D3. 一圈之后的射束的徑向位置；D4.任何圈期間的射束的垂直位置；D5.任何圈期間的射束的徑向位置和強(qiáng)度；D6.作為圈數(shù)的函數(shù)的射束強(qiáng)度的衰減，和射束強(qiáng)度損失的位置；D7.射束消失的圈數(shù)和位置；D8.與圈數(shù)相關(guān)的射束的能量；D9.存儲(chǔ)在真空室中的電荷量對(duì)在任何指定圈數(shù)下的射束強(qiáng)度的影響；D10.真空對(duì)任何指定圈數(shù)下的射束強(qiáng)度的影響；以及Dll.所提取或內(nèi)部使用的射束強(qiáng)度。當(dāng)然，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的那樣，也可以測量其它變量。重要的是認(rèn)識(shí)到這些診斷測量允許知道關(guān)于加速過程期間的特定圈的許多射束特性，并因此將允許針對(duì)給定 的圈將那些特性與期望或標(biāo)稱特性相比較。先前所討論的檢測方法提供關(guān)于被加速的射束圈數(shù)的信號(hào)，和在加速期間的不同 時(shí)間及針對(duì)不同射束強(qiáng)度的處于加速器中的不同位置處的加速射束的條件。其中，可用于 改善并自動(dòng)地控制加速器操作的控制動(dòng)作由以下的調(diào)整組成VI.射束注入能量；V2.注入時(shí)的射束強(qiáng)度；V3.注入時(shí)的射束方向(垂直和水平)；V4.注入時(shí)的射束位置(徑向、垂直和水平)；V5.在注入時(shí)干擾粒子軌道的電場和磁場元件；V6.形成引導(dǎo)場并確定引導(dǎo)區(qū)域中的磁引導(dǎo)場的模式的磁性元件中的電流分布；V7.絕緣芯子的溫度；V8.提供引導(dǎo)場的磁體的溫度；V9.加速真空室中的真空；V10.在加速和提取期間或與內(nèi)靶一起使用的干擾粒子軌道的電場和磁場元件；VlL連接到真空室并負(fù)責(zé)提供射束加速的電源的電壓；以及V12.用來去除由射束產(chǎn)生的離子的真空室中的元件的電壓。當(dāng)然，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的那樣，也可以調(diào)整其它參數(shù)。應(yīng)認(rèn)識(shí)到可以通過 向內(nèi)部電極施加電壓來對(duì)射束施加恒定或變化電場以干擾其軌道，所述內(nèi)部電極諸如但不 限于供在感測射束及其特性時(shí)使用的圖3B所示的那些?？梢圆扇∵@些控制動(dòng)作以保證加速器的適當(dāng)操作并優(yōu)化射束的成功圈數(shù)和提取 或其它使用時(shí)的射束電流。其可以單獨(dú)地或組合地使用?？梢宰鳛榉答伝芈返囊徊糠謥碚{(diào) 整系統(tǒng)參數(shù)以優(yōu)化所提取或在內(nèi)部使用的射束電流和發(fā)射，或者可以在不同的操作步驟中 部分或甚至完全手動(dòng)地設(shè)置該系統(tǒng)參數(shù)。作為控制反饋回路的示例，考慮用于加速器的以下可能初始啟動(dòng)動(dòng)作序列。例如， 但非限制性地，將加速器假設(shè)為諸如上文所討論的設(shè)計(jì)的電子加速器并將射束注入裝置假 設(shè)為電子槍。Si.將真空室中的真空質(zhì)量與標(biāo)稱允許操作值相比較。S2.通過將電源電壓與預(yù)定期望值相比較來對(duì)其進(jìn)行檢查。S3.確定對(duì)電源進(jìn)行脈沖作用時(shí)在絕緣芯子中建立的場(通過測量或通過基于L 和I的計(jì)算)并在三個(gè)或更多時(shí)間循環(huán)開始；循環(huán)中間；和循環(huán)結(jié)束時(shí)將其與預(yù)定期望值 相比較。S4.對(duì)電子槍進(jìn)行絲極(filament)和發(fā)射極的適當(dāng)加熱的檢查。S5.在磁體線圈中將引導(dǎo)場磁體供電至預(yù)定電流，或者對(duì)其供電以在真空室中建 立預(yù)定的引導(dǎo)場模式。S6.將注入電壓接通至預(yù)定值。S7.測量從電子槍發(fā)射的電流并將其與預(yù)定值相比較。當(dāng)然，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的那樣，在啟動(dòng)序列中也可以包括其它步驟。一旦在與用于組件的預(yù)置值相比較的情況下通過系統(tǒng)控制來保證各個(gè)元件的適
13當(dāng)操作，則加速器準(zhǔn)備好進(jìn)行操作以產(chǎn)生加速射束?？赡芤淹ㄟ^射束軌道的計(jì)算和/或先 前的測量和成功加速器操作確定預(yù)置值。如果任何預(yù)置值是不可能的，則控制器可以呈現(xiàn) 具有結(jié)果概要的警報(bào)。在圖5中示出用于示例性局部旋度加速器的自動(dòng)啟動(dòng)和操作過程的實(shí)施例的流 程圖500。(應(yīng)理解的是還可以適當(dāng)?shù)赜闷渌铀倨髟O(shè)計(jì)來使用本實(shí)施例，必要時(shí)帶有符合 特定加速器特性的修改，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的那樣。)在流程圖500中示出使用診 斷測量D(j)和控制動(dòng)作V(i)的加速器的自動(dòng)啟動(dòng)和操作過程的實(shí)施例。當(dāng)然，也可以包含 其它診斷測量和控制動(dòng)作?？梢詫?duì)該序列進(jìn)行編程以使真空室中的某些特定位置處或者在 射束的特定圈數(shù)之后的射束強(qiáng)度(亦即，射束電流Ib)優(yōu)化(盡管也可以優(yōu)化其它變量)， 并在射束強(qiáng)度的最終優(yōu)化的情況下接著進(jìn)行射束的提取或與內(nèi)靶一起使用?？梢允褂迷撨^ 程來建立用來建立上述初始調(diào)諧的預(yù)定參數(shù)。(在下文中，可以將射束提取和射束與內(nèi)靶的 一起使用統(tǒng)稱為“射束使用”。)可以在判定步驟506、512、和518中將控制動(dòng)作V(i)的變化對(duì)診斷測量D(j)的 影響與可以存儲(chǔ)在結(jié)果查找表中的預(yù)定或計(jì)算值相比較，該結(jié)果查找表用于確定適當(dāng)和意 向操作的射束強(qiáng)度或射束電流、圈數(shù)、能量、提取或內(nèi)部使用的射束及其它特性。此過程可 以使用在查找表中進(jìn)行比較的預(yù)定算法并關(guān)聯(lián)不同的D(j)和序列順序以進(jìn)行調(diào)整?？梢?通過計(jì)算和建模并通過來自實(shí)際加速器操作的實(shí)驗(yàn)來確定這些算法，由此說明特定的操作 行為。術(shù)語“優(yōu)化”可以指的是通過增大或減小參數(shù)V(i)來使對(duì)于診斷D(j)相關(guān)的位置 處的射束強(qiáng)度最大化。(然而，使另一射束特性優(yōu)化可能是方便的。)可能實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤的局部 射束強(qiáng)度最大值(或另一特性的最大值)，并可以通過用于V(i)的序列的隨機(jī)變化和不同 D(J)中的相關(guān)性來對(duì)此進(jìn)行調(diào)查。此特征可以是預(yù)定算法的一部分。流程圖500中所公開的過程可以依次包括啟動(dòng)過程502和被指示為反饋回路I 524、反饋回路II 526和反饋回路III 528的三個(gè)不同子過程。啟動(dòng)過程502包括例如諸 如Sl S7的正常起始步驟。反饋回路I 524的過程控制以下操作的發(fā)起從準(zhǔn)備第一射 束注入至射束的第一整圈的成功完成(在射束的第一圈的完成時(shí)在優(yōu)化的射束強(qiáng)度和位 置的情況下)。(可選地，此反饋回路可以擴(kuò)展至包括附加圈數(shù)，足以保證射束越過(clear) 注入槍或通過另一類似里程碑。)反饋回路II 526的過程控制以下操作從射束的第一成 功整圈的完成(或從某些預(yù)定更大圈數(shù)的完成)至獲得滿意的射束性質(zhì)直至從加速器的第 一次令人滿意的射束提取或射束與內(nèi)靶的第一次令人滿意的使用(統(tǒng)稱為“第一次令人滿 意的射束使用”)。反饋回路III 528的過程控制以下操作從第一次令人滿意的使用至提 取射束的優(yōu)化。在所使用的射束的優(yōu)化之后，隨后是步驟522 使用由先前的過程確定的控 制參數(shù)的穩(wěn)定提取的或在內(nèi)部使用的射束的繼續(xù)操作和使用。應(yīng)理解的是，在每個(gè)反饋回 路中，可以將一個(gè)或多個(gè)測量診斷數(shù)量的值與用于標(biāo)稱射束的期望或標(biāo)稱值相比較，該標(biāo) 稱射束已完成與實(shí)際射束相同的圈數(shù)或處于與實(shí)際射束相同的加速階段。圖5所公開的第一反饋過程由流程圖的第一反饋回路(反饋回路I 524)示出。在 步驟504處，可以進(jìn)行某些或全部的診斷測量Dl D4。(在下文中，應(yīng)將測量Dl D4稱 為“注入階段診斷測量”。)在判定步驟506處，可以確定射束是否已成功地執(zhí)行加速器的第 一圈(或者可選地，如上文所討論的，是否其已成功地執(zhí)行附加圈數(shù))。成功的完成可以是 基于射束完成所需圈數(shù)，或者還可以基于射束具有滿足預(yù)定標(biāo)稱值或閾值的測量特性。如果回答是“否”，則在步驟508處，此響應(yīng)可以根據(jù)某些或所有控制動(dòng)作Vl V6的變化關(guān)于 來自用于成功調(diào)諧加速器的計(jì)算和/或先前經(jīng)驗(yàn)的所預(yù)定值激活系統(tǒng)的重新調(diào)諧。(在下 文中，應(yīng)將控制動(dòng)作Vl V6稱為“注入階段控制動(dòng)作”。)某些或全部的值Vl V6可以 依次關(guān)于其預(yù)置值而變化，直至每個(gè)都產(chǎn)生用于加速器的第一圈(或前幾圈)的最佳(或 令人滿意的)射束強(qiáng)度和用于該第一軌道的空間中的適當(dāng)位置為止。變化的順序可以以隨 機(jī)的方式改變以確定最佳操作并避免不是可能的最佳情況的局部最大值的可能性?？梢愿?據(jù)預(yù)定算法來自動(dòng)地執(zhí)行變化，或者可以部分地、乃至完全手動(dòng)地執(zhí)行。應(yīng)理解的是也可以 在此操作階段中改變不同于Vl V6的其它參數(shù)。如果過程不能成功地終止，則系統(tǒng)可以 產(chǎn)生警報(bào)(未示出)和/或變化V (i)和結(jié)果D(j)的歷史日志(未示出)。應(yīng)注意的是，具有用于一圈或幾圈的專用反饋回路I 524的一個(gè)目的是保證注入 的射束錯(cuò)過可以是注入槍的注入裝置。如前所述，射束在每圈處獲得能量。由于能量隨著 每圈而增加，所以軌道在平均徑向位置上膨脹。直至此膨脹足以使得所有連續(xù)的軌道都避 過注入器為止，系統(tǒng)可以依賴于射束的電子感應(yīng)加速器振蕩(在垂直和徑向位置上)以保 證射束錯(cuò)過注入裝置。這可能要求如在Vl V6中執(zhí)行的那樣調(diào)整注入裝置位置、注入方 向、注入能量、射束強(qiáng)度和引導(dǎo)場值。一旦滿足反饋回路I的成功完成的標(biāo)準(zhǔn)(亦即，一旦在判定步驟506處的詢問返 回“是”回答)，則過程可以繼續(xù)到反饋回路II 526。在步驟510處，進(jìn)行某些或全部的診 斷測量Dl D9。(在下文中，應(yīng)將測量Dl D9稱為“加速階段診斷測量”。)在判定步驟 512處，確定射束性質(zhì)是否是令人滿意，直至射束使用為止。如果回答是“否”，則在步驟514 處，類似于相對(duì)于步驟508處的動(dòng)作Vl V6所描述的，此響應(yīng)根據(jù)某些或全部的控制動(dòng)作 Vl V12的變化激活系統(tǒng)的重新調(diào)諧。(在下文中，可以將控制動(dòng)作Vl V12稱為“加速階 段控制動(dòng)作”。)反饋回路II 526處理從環(huán)路I的結(jié)束至全能量第一射束使用的射束。諸 如芯和磁體溫度的某些可能調(diào)整(V7和V8)監(jiān)視可能的系統(tǒng)變化并適當(dāng)?shù)卣{(diào)整冷卻劑流。 其它調(diào)整處理射束位置和不同位置處的能量并改變不同位置處的引導(dǎo)場以避免損失射束。 可導(dǎo)致射束損失的一種可能性是根據(jù)位置進(jìn)行的引導(dǎo)磁場的不穩(wěn)定調(diào)諧。可能遇到使射束 以某一半徑向真空室的壁偏轉(zhuǎn)的諧振。這些諧振還可以促使射束剖面(profile)充分地?cái)U(kuò) 張，從而導(dǎo)致提取或與內(nèi)靶一起使用時(shí)的強(qiáng)度損失或比在不損失整個(gè)射束的情況下所使用 的能量小的某一中間能量下的強(qiáng)度損失。(研究并量化這些諧振的方式是通過電場來干擾 軌道，通過先前所討論的電極上的電壓來施加該電場。)關(guān)于射束損失方面的另一原因是由 于射束與殘余氣體原子的碰撞而在殘余氣體中產(chǎn)生離子。診斷測量D(j)可以檢測射束損 失和射束位置且調(diào)整Vl V12處理這些可能性中的每一個(gè)并減輕射束損失。使射束達(dá)到 最終能量以供使用。可以根據(jù)預(yù)定算法自動(dòng)地執(zhí)行變化Vl V2，或者可以部分、乃至完全 地手動(dòng)執(zhí)行。應(yīng)理解的是也可以在此操作階段中改變不同于Vl V12的其它參數(shù)。如果 根據(jù)預(yù)定條件，反饋回路II 526是不成功的，則可以用所有調(diào)整和診斷讀數(shù)的歷史來建立 警報(bào)。在反饋回路I 524和反饋回路II 526期間，射束可以短脈沖，其僅覆蓋小于一圈 的空間范圍或者其可以覆蓋幾圈。在通過反饋回路II 526進(jìn)行的此短持續(xù)時(shí)間射束的成 功管理之后，可以按占空比擴(kuò)展射束，以便在真空室中覆蓋完整的能量范圍，并且每圈都被 射束占據(jù)。這將改變離子產(chǎn)生和空間電荷相互作用的效應(yīng)。射束達(dá)到全能量以供提取或內(nèi)
15部使用的管理可以包括自動(dòng)調(diào)整的此部分。一旦滿足用于反饋回路II 526的成功完成的標(biāo)準(zhǔn)(亦即，一旦在判定步驟512處 的詢問返回“是”回答)，則過程可以繼續(xù)到反饋回路III 528。反饋回路III 528在全能量 射束條件下開始并使射束的提取或射束與內(nèi)靶的一起使用優(yōu)化。在步驟516處，進(jìn)行某些 或全部的診斷測量Dl D11。(在下文中，應(yīng)將測量Dl Dll稱為“使用階段診斷測量”。) 在判定步驟518處，確定所提取或在內(nèi)部使用的射束性質(zhì)是否被優(yōu)化至預(yù)定要求。如果回 答是“否”，則類似于相對(duì)于步驟508處的動(dòng)作Vl V6所描述的，在步驟520處，此響應(yīng)根 據(jù)某些或全部的控制動(dòng)作Vl V12的變化激活系統(tǒng)的重新調(diào)諧。(在下文中，可以將控制 動(dòng)作Vl V12稱為“使用階段控制動(dòng)作”。)反饋回路II 528擁有從全能量第一射束提取 或內(nèi)部使用至所提取或在內(nèi)部使用的射束的優(yōu)化的射束。此反饋回路包括在空間和能量方 面獲得適當(dāng)?shù)纳涫鴱?qiáng)度和射束剖面?？梢允褂枚躺涫鴣韺?shí)現(xiàn)此調(diào)諧，并且最后可以使用高 占空比操作，其中，射束從注入到使用填充整個(gè)真空室，占據(jù)所有圈和所有能量。可以根據(jù) 預(yù)定算法自動(dòng)地執(zhí)行變更Vl V2，或者可以部分、乃至完全地手動(dòng)執(zhí)行。應(yīng)理解的是也可 以在此操作階段中改變不同于Vl V12的其它參數(shù)。如先前的反饋回路的情況一樣，未能 滿足預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)可能產(chǎn)生具有所有診斷讀數(shù)和調(diào)整的歷史的警報(bào)。一旦滿足用于反饋回路III 528的成功完成的標(biāo)準(zhǔn)(亦即，一旦在判定步驟518 處的詢問返回“是”回答)，則過程可以繼續(xù)到步驟522，使用由先前的過程確定的控制參數(shù) 進(jìn)行的穩(wěn)定射束的繼續(xù)操作和使用。本文所述的實(shí)施例是用于帶電粒子加速的本文公開的技術(shù)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)到存在所公開的重要元件的擴(kuò)展、修改及其它布置，這能夠被實(shí)現(xiàn) 且被包括為本公開的一部分。
權(quán)利要求
一種控制粒子加速器的操作的方法，包括a)將粒子束注入到加速器中；b)執(zhí)行至少一個(gè)注入階段診斷測量；c)基于所述至少一個(gè)注入階段診斷測量，確定粒子束是否已被成功注入；d)在尚未成功地注入粒子束時(shí)，改變至少一個(gè)注入階段控制動(dòng)作，并重復(fù)步驟a至c)；e)在已成功地注入粒子束時(shí)，執(zhí)行至少一個(gè)加速階段診斷測量；f)基于所述至少一個(gè)加速階段診斷測量，確定粒子束是否已被成功加速；g)在粒子束尚未被成功加速時(shí)，改變至少一個(gè)加速階段控制動(dòng)作，并重復(fù)步驟a)和e)至f)；h)在粒子束已被成功加速時(shí)，執(zhí)行至少一個(gè)使用階段診斷測量；i)基于所述至少一個(gè)使用階段診斷測量，確定粒子束是否已被成功使用；j)在粒子束尚未被成功使用時(shí)，改變至少一個(gè)使用階段控制動(dòng)作，并重復(fù)步驟a)和h)至i)；以及k)在粒子束已被成功使用時(shí)，進(jìn)一步操作加速器。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，所述粒子加速器是電子加速器。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，所述粒子加速器是局部旋度加速器。
4.權(quán)利要求1的方法，其中，由電子槍注入所述粒子束。
5.權(quán)利要求1的方法，其中，在一圈之后確定粒子束是否已被成功注入。
6.權(quán)利要求1的方法，其中，在多圈之后確定粒子束是否已被成功注入。
7.權(quán)利要求1的方法，其中，所述至少一個(gè)注入階段診斷測量包括測量射束的圈數(shù)。
8.權(quán)利要求7的方法，其中，測量射束的圈數(shù)包括測量對(duì)應(yīng)于射束通過的信號(hào)中的脈沖。
9.權(quán)利要求8的方法，其中，使用導(dǎo)電電極來測量所述脈沖。
10.權(quán)利要求8的方法，其中，使用電流傳感器來測量所述脈沖。
11.權(quán)利要求7的方法，其中，所述至少一個(gè)注入階段診斷測量包括測量射束強(qiáng)度。
12.權(quán)利要求7的方法，其中，所述至少一個(gè)注入階段診斷測量包括測量射束的位置。
13.權(quán)利要求1的方法，其中，所述至少一個(gè)注入階段診斷測量包括測量射束強(qiáng)度。
14.權(quán)利要求1的方法，其中，所述至少一個(gè)注入階段診斷測量包括測量射束的位置。
15.權(quán)利要求1的方法，其中，至少一個(gè)診斷測量包括導(dǎo)電電極測量。
16.權(quán)利要求1的方法，其中，至少一個(gè)診斷測量包括電流傳感器測量。
17.權(quán)利要求16的方法，其中，所述電流傳感器測量包括電源電流的測量。
18.權(quán)利要求1的方法，其中，至少部分地由射束強(qiáng)度來確定粒子束是否已被成功地注 入或成功地加速。
19.權(quán)利要求1的方法，其中，至少部分地由射束位置來確定粒子束是否已被成功地注 入或成功地加速。
20.權(quán)利要求1的方法，其中，粒子束的使用包括射束的提取。
21.權(quán)利要求1的方法，其中，粒子束的使用包括射束碰撞內(nèi)靶。
22.權(quán)利要求1的方法，還包括通過在至少一對(duì)內(nèi)部電極兩端應(yīng)用電壓來對(duì)射束施加 電場以干擾其軌道。
全文摘要
文檔編號(hào)H05H7/00GK101953237SQ200980103439
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2009年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者Robert J Ledoux, Bertozzi William 申請(qǐng)人:Passport Systems Inc