(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910264698.0
(22)申请日 2019.04.03
(66)本国优先权数据
201810506197.4 2018.05.24 CN
(71)申请人 新瑞阳光粒子医疗装备（无锡）有限
公司
地址 214000 江苏省无锡市太湖广场钟书
路99号国金中心62层
(72)发明人 郑志鸿 刘铮铮 李凯若
(74)专利代理机构 无锡华源专利商标事务所
(普通合伙) 32228
代理人 聂启新
(51)Int.Cl.
H05H 13/04(2006.01)
H05H 7/04(2006.01)
(54)发明名称
同步加速器、粒子束加速方法、装置、设备及
存储介质
(57)摘要
本发明涉及一种同步加速器、粒子束加速方
法、装置、设备及存储介质，该同步加速器包括：
四个二级磁铁，二级磁铁用于将粒子束偏转90
度；直线节，直线节包括两长直线节和两短直线
节，两长直线节和两短直线节用于将四个二级磁
铁串联成环状，且四个二级磁铁关于两长直线节
的中心点连线镜像对称，以及关于两短直线节的
中心点连线镜像对称；四级磁铁和六级磁铁，四
级磁铁和六级磁铁均设置于直线节上，四级磁铁
用于形成粒子束的预设引出工作点，六级磁铁用
于形成用于慢引出的三阶共振。解决了现有技术
的同步加速器由于其体积太大而限制了其使用
范围的技术问题，达到了实现同步加速器小型化
的技术效果。权利要求书2页 说明书9页 附图4页CN 109769336 A 2019.05.17
C N 109769336
A
权 利 要 求 书1/2页CN 109769336 A
1.一种同步加速器，其特征在于：包括四个二级磁铁，所述二级磁铁用于将粒子束偏转90度；
直线节，所述直线节包括两长直线节和两短直线节，所述两长直线节和两短直线节用于将所述四个二级磁铁串联成环状，且所述四个二级磁铁关于两长直线节的中心点连线镜像对称，以及关于所述两短直线节的中心点连线镜像对称；
四级磁铁和六级磁铁，所述四级磁铁和六级磁铁均设置于所述直线节上，所述四级磁铁用于形成粒子束的预设引出工作点，所述六级磁铁用于形成用于慢引出的三阶共振；
所述二级磁铁朝向所述短直线节一端设有用于弱聚焦的边缘角；
所述边缘角的角度范围为5.5-12.5度；
还包括矫正机构，所述矫正机构用于矫正所述二级磁铁或四级磁铁的磁铁中心误差；
所述矫正机构包括缠绕于所述二级磁铁上的第一水平矫正线圈，所述第一水平矫正线圈用于矫正所述二级磁铁的磁场中心在水平方向的误差；
所述四级磁铁共有四个，分别设置于所述两长直线节和两短直线节；
所述矫正机构包括缠绕于所述四级磁铁上的垂直矫正线圈和第二水平矫正线圈；
所述垂直矫正线圈用于矫正所述四级磁铁的磁场中心在垂直方向上的误差；
所述第二水平矫正线圈用于矫正所述四级磁铁的磁场中心在水平方向上的误差。
2.如权利要求1所述的同步加速器，其特征在于：所述边缘角的角度范围为7-11度。
3.如权利要求1所述的同步加速器，其特征在于：所述两长直线节分别设有质子注入机构和质子引出机构；
设有质子注入机构的长直线节在质子注入机构的注入线切割板的两侧设有六级磁铁，所述六级磁铁用于使携带有预设能量的粒子束形成三阶共振，以使所述携带有预设能量的粒子束被引出所述同步加速器。
4.如权利要求1所述的同步加速器，其特征在于：所述粒子束注入所述同步加速器的注入水平工作点的范围为1.35-1.357；
所述粒子束引出所述同步加速器的引出水平工作点范围为1.333-1.34；
所述粒子束引出所述同步加速器的引出垂直工作点小于0.5。
5.如权利要求1-4任一所述的同步加速器，其特征在于：还包括真空法兰，所述真空法兰用于所述同步加速器真空腔各部分之间的连接；
所述真空法兰的厚度小于25mm，以使所述同步加速器的真空度大于或等于1e-8torr。
6.一种粒子束加速方法，其特征在于：包括：控制同步加速器的二级磁铁的磁场强度，以使同步加速器内的粒子束通过加速而携带预设能量；
若所述粒子束携带预设能量，则调节所述同步加速器的四级磁铁和所述同步加速器的六级磁铁的磁场强度，以使所述粒子束形成用于慢引出的三阶共振。
7.如权利要求6所述的粒子束加速方法，其特征在于：所述若所述粒子束携带预设能量，则调节所述同步加速器的四级磁铁和所述同步加速器的六级磁铁的磁场强度，以使所述粒子束形成用于慢引出的三阶共振，包括：
若所述粒子束携带预设能量，则调节所述同步加速器的四级磁铁的磁场强度以形成预设引出工作点；
若所述预设引出工作点已形成，则开启横向高频激励电极以及调节所述同步加速器的
2
粒子加速器：particle accelerator 一种用人工方法产生快速带电粒子束的装置。粒子加速器有三个基本组成部分：粒子源；真空加速系统和导引、聚焦系统。粒子加速器的效能通常以粒子所能达到的能量来表征。粒子能量在100MeV以下的称为低能加速器，能量在0.1～1GeV间的称为中能加速器，能量在1GeV以上的称为高能加速器。按照被加速粒子的种类，加速器可分为电子加速器、质子加速器和重粒子加速器等。按照加速电场和粒子轨道的形态，又可分为四大类：直流高压式加速器、电磁感应式加速器、直线谐振式加速器和回旋谐振式加速器。它们各自都有适于工作的粒子品种、能量范围以及性能特色。近年来，大中型的粒子加速器（如重离子加速器和高能加速器等）往往采用多种加速器的串接组合：例如由直流高压型加速器作预加速器，注入直线谐振式加速器加速至中间能量，再注入回旋谐振式加速器加速至终能量。这样的系统有利于发挥每一类加速器的效率和特色。（撰写：陈佳滠审订：关遐令） 串列加速器：tandem accelerator 利用一个高压使带电粒子获得两次加速的静电型加速器。串列加速器的直流高压通常由输电系统将电荷从低电位输送到高压电极上而形成。它的工作原理是将由负离子源产生负离子注入到加速器主体中，在高压电极的正电场的作用下，经低能段加速管被第一次加速。当负离子到达高压电极后，通过电子剥离器并被剥掉2个或多个电子，变为正离子。在高压电极作用下，正离子经高能段加速管再次被加速。图为中国原子能科学研究院的HI-13串列加速器主体外貌。（撰写：秦久昌审订：关遐令） 高压倍加器：Cockcroft-Walton accelerator 利用倍压整流方法产生直流高压，对离子或电子加速。其倍压整流工作原理如图所示，主要由高压变压器，高压整流器和高压电容器等组成。在无负载时，倍压整流线路输出的高压V随倍压级数n增加而线性增加，可表达为V-2nVa，式中Va为高压变压器T的次级绕组交流电压峰值。当有负载时，随着级数n的增加，线路的电压降和电压波动会严重增加，因此级数n不能太高。一般倍压整流器可输出直流高压从几百千伏（大气中）到兆伏级（高气压下）。高压倍加器由高压倍压整流电源，离子源（或电子枪），加速管、聚焦和传输系统，真空和控制系统组成。高压倍加器的输出功率较大，可以用作较理想的中子源，X光源少离子注入机。（撰写：秦久昌审订：关遐令） 静电加速器：electrostatic accelerator; Van de Graff accelerator 一种利用直流高压静电场对带电普子进行加速的高压型加速器。1933年美国范德格拉夫首先提出一种新的起电原理：一个圆筒形金属高压电极由几根绝缘柱支承。位于底部的电晕针排加电压后，电晕放电产生的离子（或电子），由橡胶带输送到高压电极上形成直流高压。早期静电加速器工作在大气中，由于气体击穿，限制了高压进一步升高，最高电压为6MV。后来发展为高气压型静电加速器，即把静电发生器，离子源和加速管等封在钢筒内，充以高压绝缘气体，大大地提高了电场击穿场强。静电加速器结构如图所示。静电加速器较其他加速器有如下特点：被加速离子的能量连续可调、离子的能量单一、可加速多种离子或电子、离子束聚焦良好、离子束靶点小。静电加速器是低能核物理实验的理想工具，同时还广泛应用于离子注入，材料分析、材料辐照等领域。（撰写：秦久昌审订：关遐令） 电子直线加速器：electron linac; electron linear accelerator 利用射频电场来加速电子的直线轨道加速器，由电子枪、加速管、射频功率源、射频传输、真空、冷却水、束流引出和控制等系统组成。迄今全世界已有数千台电子直线加速器用于放射治疗、无损探测、辐照加工和科学研究诸多领域。电子能量从几兆电子伏到几十吉电子伏，长度从几十厘米到几千米。现有的大部分电子直线加速器都工作在S波段，目前正在研制X波段加速结构。这种新结
加速器概述 accelerator 定义 定义：一种使带电粒子增加速度（动能）的装置。加速器可用于原子核实验、放射性医学、放射性化学、放射性同位素的制造、非破坏性探伤等。粒子增加的能量一般都在0.1兆电子伏以上。加速器的种类很多，有回旋加速器、直线加速器、静电加速器、粒子加速器、倍压加速器等。加速器是用人工方法把带电粒子加速到较高能量的装置。利用这种装置可以产生各种能量的电子、质子、氘核、α粒子以及其它一些重离子。利用这些直接被加速的带电粒子与物质相作用，还可以产生多种带电的和不带电的次级粒子，象γ粒子、中子及多种介子、超子、反粒子等。目前世界上的加速器大多是能量在100兆电子伏以下的低能加速器，其中除一小部分用于原子
核和核工程研究方面外，大部分用于其他方面，象化学、放射生物学、放射医学、固体物理等的基础研究以及工业照相、疾病的诊断和治疗、高纯物质的活化分析、某些工业产品的辐射处理、农产品及其他食品的辐射处理、模拟宇宙辐射和模拟核爆炸等。近年来还利用加速器原理，制成各种类型的离子注入机。以供半导体工业的杂质掺杂而取代热扩散的老工艺。使半导体器件的成品率和各项性能指标大大提高。很多老工艺不能实现的新型器件不断问世，集成电路的集成度因此而大幅度提高。加速器的发展 1919年英国科学家卢瑟福(E.Rutherford)用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2×109厘米/秒的高速α 粒子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔的“靶”，实现了人类科学史上第一次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，从而激发了人们寻求更高能量的粒子来作为“炮弹”的愿望。 静电加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍压加速器（1932年）等不同设想几乎在同一时期提了出来，并先后建成了一批加速装置。 粒子加速器particle accelerator 用人工方法产生高速带电粒子的装置。是探索原子核和
离子源及加速器的国内外发展 2.1离子源及其主要类型 离子源是加速器的重要部件，它的目的是将样品物质电离成带电地原子离子或分子离子。其工作原理为：热发射或者场致发射产生电子后在放电室内部被加速，得到能量，然后电子开始撞击气体分子使气体分子发生离解、电离，然后形成等离子体（等离子体离子源），最后用引出系统在等离子体中引出离子束。离子源应该具有电离效率高，聚焦性能好，离子初始能量发散小，传输效率高，离子流稳定等特点。根据不同使用条件以及用途，目前已研制出多种类型的离子源。使用比较广泛的就有弧放电离子源、PIG离子源、双等离子体离子源和双彭源。这些离子源都是以气体放电为基础的,因此常被统称为弧源。高频离子源却是利用稀薄气体进行高频放电来令气体电离，一般都用来生产低电荷态的正离子，有时也生产负离子，用作负离子源来使用。而新型的重离子源的出现，使得重离子的电荷态得到显著提高,其中比较稳定的有电子回旋共振离子源(ECR)以及电子束离子源(EBIS)。负离子源性能较好就有转荷型以及溅射型两种。在一定条件下，以气体放电作为基础的各类离子源，都可以提供一部分的负离子束流。 图2.1离子源
①高频离子源 图2.2高频离子源 利用稀薄气体中高频放电使气体发生电离，主要产生低电荷的正离子，不过有时候也生产负离子。 在高频电场之中，自由电子与气体中地原子发生(或分子)碰撞，最后发生电离。从而带电粒子倍增，最后形成无极放电，生产了大量的等离子体。高频离子源的放电管通常使用派勒克斯玻璃或者石英管来制造。高频场则可以由管外螺线管线圈来产生，也可以使用套在管外的圆形电极产生。前者通常称为电感耦合，后者则称之为电容耦合。高频振荡器的频率通常为10 ～10 Hz，输出功率则可以达到数百瓦或以上。 从高频离子源中引出离子的方法主要有两种，其一是在放电管顶端插入一根钨丝来作为正极，而在放电管的尾端则安装一个带孔地负电极，并将该孔做成管形，方便从中引出离子流。其二则是可以把正极做成帽形，然后装它在引出电极地附近，并且放电区就在它的另外一边。但无论采用那一种引出的方式，金属电极都使要用石英或玻璃包裹起来，这可减少离子会在金属表面的复合。
弱聚焦同步加速器 原理：ν增加，B增加，近似的圆形轨道。我们再次运用（19．1）式，现在将。和B 都同某一m值相配合，并且利用相位的稳定性。B的升高使得粒子保持在半径几乎恒定的轨道上，而不是先前的螺旋式图样。这种安排取消了设在早期回旋加速器中心的巨大磁铁，主要好处是节约了资金。取代中心磁铁的是围绕一个汽车轮胎式的环形真空室，装备许多小得多的磁铁。与先前的设备不同的是，现在粒子必须从外面注人进去。 由于在铁材料里有小的剩余磁场和其他的磁体缺陷，很难在接近零场时精确地控制B，因此，必须用一个较简单的装置，把要注进去的粒子预先进行加速。于是，粒子的注人和束流的抽取，带来了一些新的技术问题。 1946年在英国第一次将这种加速器应用于加速电子。1945年构思出来的麦克米兰的电子同步加速器，在1949年达到了320MeV。第一个实验“是用高能X射线来产生介子，这些X射线是电子在它们的弯曲路径上发射出来的所谓同步辐射的一部分。审慎地选取机器的参数，可以使伴随出现的能量损失保持在低水平上。这种损失效应同（E/m）4/R成比例，这里的R是轨道的曲率半径。选择大的R，低的B（～3千高斯）和高的射频功率，能够达到～20GeV的能量。 第一台质子同步加速器是科斯莫加速器（3GeV），接着有设在伯明翰（1953年，IGeV）、伯克利（1954年，6GeV）、杜布纳（1957年，10GeV）、萨克雷（1958年，ZGeV）等地的同类型加速器投人运行，后来又造了一些。那时候还提出了一种关键的新思路，打开了通向更高能量的康庄大道。 3．强聚焦：变梯度同步加速器（ΑGS）。 上面所说的对围绕理想轨道所做的振动的频率约束，变得越来越难于维持了，而相应的束流强度也受到损失；能量越高，即束流的回转频率越高，情况就越严重。当有关条件不再成立时，弱聚焦就不能工作了。在这种情况下，使摇摆聚好了焦，就会使起伏散焦，反之亦然。1952年柯朗（E．D．Courant），利文斯顿和斯奈德突然想出一种奇妙的方法来解决这个问题，这一方法现在叫做强聚焦。他们发现，在水平方向和垂直方向之间使一种强梯度的B作一些巧妙的变化，就可以同时使那些摇摆和起伏受到阻尼减弱。在其他方面，ΑGS 与弱聚焦的型式相似（B和V都随时间增加；轨道具有一个几乎恒定的半径）。强聚焦还有经济方面的巨大好处：那些振动的强烈阻尼使得有可能使用更小的真空室截面，因而只需要较小的磁铁和较低的每GeV的成本。 这种新的技术，又一次既可用于质子，也可用于电子。第一台用于电子的这类机器在康奈尔（1954年，IGeV）完成，接着是CEΑ（麻省理工学院一哈佛大学，1962年，6GeV）。其他的这种装置则设置在汉堡（Desy，1965年，7GeV）、利物浦附近的德斯堡（Ninα，1967年，4GeV）、埃里几（Αms，1967年，6GeV）和康奈尔（1967年，10GeV）。 当今最高能量的加速器是ΑG质子同步加速器。这种加速器的头两台，即在CERN和BNL的两台，具有的能量大约是30GeV，它们是在1960年前后建成的。那时，已经提出了要建造在超过100GeV的能量上运转的加速器的想法”。这些都在70年代付诸实施，但在美国，免不了受到包括美国议会、各州州长和白宫在内的各种政治权术的操纵。那个故事应当由参加者们去讲述。然而，我确实希望在这里举出一系列的事实和日期，以表明物理学从贝克勒尔时代开始，已经有了怎样的变化。在发现放射性的那个时候，一切全靠他自己，只用一点钠盐和一张感光底片作为工具就足够了。 1963年，由ΑEC（美国原子能委员会）的总顾问委员会和总统科学顾问委员会联合任
大学物理自主学习之勇攀高峰 中荷学院2012级卓越班 闫醒阳 20125357 带电粒子加速器 加速器的种类： 倍压加速器、直线加速器、回旋加速器、同步加速器、对撞机与储存环，静电加速器等等。 a倍压加速器 原理：倍压加速器也称高压倍加器，是最早的一种低能加速器。它是利用电压倍加原理产生高电压来加速粒子的。 倍压加速器一般由高压电源、加速管、离子源或电子枪、高压电极、绝缘支柱和其他附属设备所组成。若使用正离子源，其高压电源的正极接到加速器的高压电极上，负极接地，中间是加速管，离子源放在高压电极中。真空管道是用来保持加速器的真空。当正离子源产生的正离子发射出来后，受到高压电极的排斥作用，就会沿加速管急速地到负极，能量逐步增高，正离子得到加速。反过来，若使用负离子源或电子枪，这时高压电极的极性就要反接，即将高压电源的负极接到高压电极上，就能加速电子和负离子。 优缺点：由于倍压加速器的输出粒子流强度高，结构比较简单，运行比较可靠，造价低和建造快，因而得到了广泛的应用。
b直线加速器 原理：直线加速器是采用高频电场来加速粒子的。直线加速器既能加速质子和重离子，也能加速电子，加速质子的称为质子直线加速器，加速电子的称为电子直线加速器。质子直线加速器的能量从几十到几百兆电子伏。电子直线加速器的能量可从几兆到几十兆电子伏。直线加速器可作为高能加速器（或对撞机）的注入器，此外在医疗和工业探伤方面也有广阔的应用前景。 质子直线加速器一般采用高频电场来加速。加速器的外壳是1-2米的大圆筒，内壁是铜制成的，光洁如镜。沿加速腔的轴线方向，装有好多个金属圆管，称为漂移管。漂移管之间的间隙称为加速间隙。漂移管一个比一个长，而间隙也是一段比一段大。当施加高频电源后，在加速间隙中产生较高的高频电场。我们知道，高频电场的方向和大小是随时间迅速变化的，漂移管设计得很巧妙，它好像一个个“防空洞”，洞中设有高频电场，当粒子的飞行方向与电场方向相同时则使粒子加速，当粒子飞行方向与电场方向相反时，粒子正好躲在“防空洞”中，而不会受到电场反向造成的减速；当电场方向又变得和粒子飞行方向一致时，粒子刚好从前一个“防空洞”出来，在第二个加速间隙中得到加速，电场改变时，又正好躲在下一个“防空洞”。就这样粒子每经过一个加速间隙就受到一次加速，经过若干个这样的间隙，就能使粒子具有较高的能量。 优缺点：直线加速器具有束流强度高、能量可逐节增加等优点，缺点是需要昂贵的高频、微波功率源.而且直线加速器的优点是从零速开始加速很方便，绝大部分回旋加速器的起始加速段（注入器）都是直线加速器；而且加速重粒子在能量损失方面比起同步加速器来说比较有优势，因为重粒子偏转需要的向心加速度更大；另外事实上都造到很大的时候直线加速器反而比较不占地方。
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910264698.0 (22)申请日 2019.04.03 (66)本国优先权数据 201810506197.4 2018.05.24 CN (71)申请人 新瑞阳光粒子医疗装备（无锡）有限 公司 地址 214000 江苏省无锡市太湖广场钟书 路99号国金中心62层 (72)发明人 郑志鸿 刘铮铮 李凯若 (74)专利代理机构 无锡华源专利商标事务所 (普通合伙) 32228 代理人 聂启新 (51)Int.Cl. H05H 13/04(2006.01) H05H 7/04(2006.01) (54)发明名称 同步加速器、粒子束加速方法、装置、设备及 存储介质 (57)摘要 本发明涉及一种同步加速器、粒子束加速方 法、装置、设备及存储介质，该同步加速器包括： 四个二级磁铁，二级磁铁用于将粒子束偏转90 度；直线节，直线节包括两长直线节和两短直线 节，两长直线节和两短直线节用于将四个二级磁 铁串联成环状，且四个二级磁铁关于两长直线节 的中心点连线镜像对称，以及关于两短直线节的 中心点连线镜像对称；四级磁铁和六级磁铁，四 级磁铁和六级磁铁均设置于直线节上，四级磁铁 用于形成粒子束的预设引出工作点，六级磁铁用 于形成用于慢引出的三阶共振。解决了现有技术 的同步加速器由于其体积太大而限制了其使用 范围的技术问题，达到了实现同步加速器小型化 的技术效果。权利要求书2页 说明书9页 附图4页CN 109769336 A 2019.05.17 C N 109769336 A
加速器技术及应用作业 学号：2016666666 姓名：xxx 班号：xxx 1、Cosmotron 机器的工作原理： Cosmotron为加速质子的环形加速器，它主要是由环形磁铁、加速设备、环形真空室以及控制、束流测量、校正、注入引出等系统组成。 质子同步加速器的工作原理与电子同步加速器的类似。磁场是随时间改变的,随着粒子能量提高,磁场也加强，以保证粒子在恒定的闭合轨道附近回旋运动。磁场分布在设计的闭合轨道附近的环形区域内，环形真空室位于磁铁的磁极间隙里,粒子在真空室内回旋运动。 在粒子轨道上安放有一个或数个加速设备，加速设备产生高频电场来加速粒子。加速电场的频率是粒子回旋频率的整数倍,在加速过程中,随着粒子回旋频率增高，加速电场的频率也增高，这一点是它与电子同步加速器的最大区别。对质子同步加速器某些系统的指标进行必要的修改，也能加速比质子重的一些离子，以进行高能重离子的物理实验。 质子同步加速器主要用来进行高能物理实验，或者作质子对撞机或另一台更高能量的质子同步加速器的注入器。强流质子同步加速器还可用作强脉冲中子源，产生散裂中子，用于凝聚态物理研究或模拟核爆炸。 实现环形轨道加速的可能方案： 回旋加速器极限能量： 回旋加速器加速能量的提?高受到被加速粒?子质量相对论性增加的限制：
质子同步加速器：调变轨道磁场随时间变化，调变加速电场频率2、Cosmotron 机器的加速电场的频率及轨道磁场的变化规律： 调磁规律：
调频规律： 3、Cosmotron 机器的科学意义： BNL于1948年开始建造第一台质子同步加速器，取名COSMOTRON，系世界上首台将粒子加速到10亿电子伏特级（GeV）的加速器（与簇射到地球外部大气层的宇宙线能量相同）。美国布鲁海汶国家实验室于1952年6月建成最高能量为2.3GeV的质子同步稳相加速器。这是人类第一次把粒子加速到宇宙线级的能量，故它被称为宇宙线能级加速器(英文名称为Cosmotron)。 COSMOTRON 1953年建造实验成功，能量达到设计指标（3.3GeV），是当时世界上能量最高的加速器，也是首台为在加速器之外提供实验粒子束流的同步加速器。早期为实验引出的束流流强为100亿个质子/脉冲，到1966年时流强提高了近100倍。COSMOTRON是首台产生所有已知宇宙中存在的正负介子的加速器，使发现K0L介子和第一个矢量介子成为可能。同时它还是首台产生不稳定重粒子的加速器，在实验中证实了相关奇异粒子产生的理论。因COSMOTRON在设计时存在固有的局限性而使其能量受到限制，运行14 年后于1966年关闭，1969年拆除。