CN101953237B - 用于诊断和自动控制粒子加速器的操作的方法 - Google Patents

用于诊断和自动控制粒子加速器的操作的方法 Download PDF

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Abstract

本文描述了方法，其中使用来自各种传感器的信号来确定控制加速器操作的不同参数的变化效果，各种传感器在空间和能量方面监视诸如射束位置、每圈处的射束强度、圈数、所提取的电流、所提取的射束剖面等参数。所述诊断测量和调整可以是基于根据圈来测量并评估参数，并且是用于实现适当自动操作的自动反馈回路的一部分。所述方法可以用来确定用于最佳射束操作的加速器参数的适当操作值。通过使用反馈，可以实时地自动控制加速器的操作。

Description

用于诊断和自动控制粒子加速器的操作的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求由William Bertozzi和Robert J.Ledoux在2008年1月30日提交并通过引用结合到本文的题为“Methods for Diagnosing andAutomatically Controlling the Operation of a Particle Accelerator”的美国临时专利申请序号61/024640的优先权和权益。本申请还要求由WilliamBertozzi、Stephen E.Korbly和Robert J.Ledoux在2009年1月9日提交并也通过引用结合到本文的题为“Methods And Systems For AcceleratingParticles Using Induction To Generate An Electric Field With A LocalizedCurl”的美国专利申请序号12/351234的优先权和权益。本申请还要求由William Bertozzi和Robert J.Ledoux在2009年1月9日提交并也通过引用结合到本文的题为“Diagnostic Methods And Apparatus For An AcceleratorUsing Induction To Generate An Electric Field With A Localized Curl”的美国专利申请序号12/351241的优先权和权益。
技术领域
公开了使用基于传感器输入的反馈改变粒子加速器的可用控制动作以进行粒子加速器性能的自动优化的方法。
背景技术
通常根据粒子加速器的基本概念将其分组成不同的类别：
1)诸如Van de Graaff加速器等使用恒静电场的那些；
2)诸如线性加速器等利用沿直线的射频腔的那些；
3)诸如电子感应加速器(betatron)等使用由时变磁场感生的电场来使粒子加速的那些；以及
4)诸如回旋加速器、同步加速器、电子回旋加速器、跑道式电子回旋加速器或RhodotronTM等使粒子束环流通过射频腔而达到期望能量的环形加速器。
已使用不同的名称来描述这些类别所表示的思想及其表示的概念的不同组合，因为已认识到其在不同的应用中是有利的。在诸如M.S.Livingston和J.P.Blewett在McGraw Hill Book Company，Inc.，New York，1962中所著的“Particle Accelerators”等关于加速器设计的书中进行了许多讨论。其全部应用磁场和电场中的基本麦克斯韦场方程和粒子动力学来使粒子加速并形成加速射束。
在William Bertozzi、Stephen E.Korbly和Robert J.Ledoux的待决美国专利申请序号12/351234、题为“Methods And Systems For AcceleratingParticles Using Induction To Generate An Electric Field With A LocalizedCurl”中描述了用于粒子射束加速器的新型配置。加速器可以具有形状为环形或螺旋管形并充当加速器射束线(beamline)的真空室。射束线具有导电部分和充当加速间隙的不导电部分。存在于真空室的区域中的磁场控制真空室内的射束运动。加速器具有两个截然不同的电磁场区域。一个在真空室/射束线内部，其中，除磁引导场之外，只存在由不导电加速间隙的区域中的加速电势产生的那些场和由真空室/射束线的导电部分的内壁上的射束电荷感生的那些场。另一电磁场区域在真空室/射束线外面，其中，激励(exciting)电流沿着真空室/射束线的导电部分的外表面行进。这两个区域仅经由不导电加速间隙耦合。在下文中将此加速器称为“局部旋度加速器(localized curl accelerator)”。
具有一定程度的复杂性的大部分粒子加速器需要用于监视和控制其产生的射束的方法和***。常常将此类***称为诊断***或简单地称为“诊断”，并且常常将此类控制***称为“控制”。
William Bertozzi和Robert J.Ledoux的待决美国专利申请序号12/351241“Diagnostic Methods And Apparatus For An Accelerator UsingInduction To Generate An Electric Field With A Localized Curl”描述了方法和***，其包括各种射束条件传感器，供局部旋度加速器用来提供用于射束评估和控制的基本数据。这些方法和***中的某些还可以应用于其它类型的加速器。
在局部旋度加速器及相关诊断和/或传感器的情况下，加速器的特定特性引入对监视和控制射束的过程的独特要求，可以通过采用本文所述的示例性诊断和/或传感器并通过采用本文公开的方法来满足该要求。这些方法中的某些还适合于供其它加速器类型使用。
发明内容
公开了控制粒子加速器的操作的方法，包括：将粒子束注入到加速器中；执行至少一个注入阶段诊断测量；基于所述至少一个注入阶段诊断测量，确定粒子束是否已被成功地注入；在尚未成功地注入粒子束时，改变至少一个注入阶段控制动作，并重复该过程；在已成功地注入粒子束时，执行至少一个加速阶段诊断测量；基于所述至少一个加速阶段诊断测量，确定粒子束是否已被成功加速；在粒子束尚未被成功加速时，改变至少一个加速阶段控制动作，并重复该过程；在粒子束已被成功加速时，执行至少一个使用阶段诊断测量；基于所述至少一个使用阶段诊断测量，确定粒子束是否已被成功使用；在粒子束尚未被成功使用时，改变至少一个使用阶段控制动作，并重复该过程；并在粒子束已被成功使用时，进一步操作加速器。
所述粒子加速器可以电子加速器，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电子枪注入。
可以在一圈或多圈之后确定粒子束是否已被成功注入。至少一个注入阶段诊断测量可以包括测量射束的圈数。测量射束的圈数可以包括测量对应于射束通过的信号中的脉冲。可以使用导电电极或电流传感器来测量该脉冲。至少一个注入阶段诊断测量可以包括测量射束强度或位置。至少一个诊断测量可以包括导电电极测量或电流传感器测量。所述电流传感器测量可以包括电源电流的测量。可以至少部分地由射束强度和位置来确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内靶。
可以通过在至少一对内部电极两端施加电压对射束施加电场以干扰其轨道。
附图说明
图1示出***的一个实施例，其举例说明具有设置在供本文公开的某种诊断方法和装置使用的真空室的不导电间隙两端的电源的加速器的细节；
图2示出图1的加速器的近似等效电路；
图3A示出类似于图1的***并具有带有矩形横截面的真空室的***的一个实施例；
图3B示出图3A的***的一部分的横截面图，举例说明诊断装置的实施例；
图4示出具有诊断装置的加速器的另一实施例，其包括用于检测电源引线中的电流的电流传感器；
图4B是电流传感器的电路的示意图；以及
图5是示出本文公开的加速器控制方法的实施例的流程图。
具体实施方式
本文公开的方法可适用于许多加速***和方法，但本文的示例性公开用于经由到电场的耦合向粒子传递能量的加速器(例如，局部旋度加速器)，所述电场具有在间隙处的矢量旋度和在导电壁中流动的镜像电荷。本领域的技术人员将认识到其对其它加速器形式的适用性，并且此类形式意图被涵盖在本公开的范围内。
上文参考的示例性局部旋度加速器在新型方法中使用麦克斯韦方程的管限规则，该新型方法不同于在这个问题上在标准教科书中所讨论的通常用来使粒子加速的方法(参见例如：M.S.Livingston和J.P.Blewett，“Particle Accelerators”，McGraw Hill Book Company，Inc.，New York，1962)。基本元件是：
1.)磁芯，其能够容纳时变B场；
2.)电源，其能够提供适当的电压。
3.)导电真空室，其环绕磁芯的一部分并具有不导电间隙(non-conducting gap)；以及
4.)磁引导场，在加速循环期间在时间方面是恒定的，其在粒子获得能量时在稳定轨道中在真空室的内部周围引导粒子。
为了监视加速器的操作，可以使诊断元件与加速器及其电学和磁性特征的动态行为以及被加速的粒子的性质匹配。注入、捕捉和加速至最终射束能量的成功可能要求监视并控制加速过程的多个阶段处的射束参数。监视方法可以指示该过程的不同阶段期间的诸如能量和强度等射束参数的质量。因此，可以依照加速器本身的那些元件和其组件的性质及其组件的操作来设计诊断元件。
图1是示例性局部旋度加速器的实施例的示意图100，供在WilliamBertozzi和Robert J.Ledoux的美国专利申请序号12/351241“DiagnosticMethods And Apparatus For An Accelerator Using Induction To Generate AnElectric Field With A Localized Curl”中公开的诊断技术使用。真空室104充当射束线并具有导电部分106和将称为不导电间隙108的不导电部分。真空室104的横截面通常可以是管状的(圆形或矩形、或其它横截面)，并且形状可以是螺旋管形的，诸如所示的圆环形状，或者可以具有允许射束在内部循环/环流通过的其它闭合路径连接。剖面图(cutaway)114提供在真空室104内行进的带电粒子束116的视图。射束116是例如(但不限于)电子束，并具有例如沿箭头所指示的方向运动的一个或多个电子。剖面图114仅仅是出于说明性的目的且不表示真空室104中的实际开口。不导电间隙108具有间隙长度d 110。真空室104的导电部分106具有壁厚度w112。磁引导场134是B场并沿着闭合循环路径引导射束116中的射束粒子通过真空室104。磁引导场134仅仅被示意性地指示为单个通量线，但是应认识到磁引导场可以是复杂的，可以由多个磁性元件(未示出)产生且可以通过真空室104的多个或所有部分以有效地引导和/或集中射束116。真空室104围绕绝缘芯子(induction core)102的一部分。真空室104的导电部分106具有被不导电间隙108分隔开的两个末端118、120。用传统真空密封技术来密封导电部分106和不导电部分108的末端118和120之间的接合点(joint)。电引线128将末端118和120连接到电源122。电源122具有可以是正端子且连接到末端120的第一端子124。电源122具有可以是负端子并连接到末端118的第二端子126。电源122提供电压V，其可以是时变电压，并且可以以方波的形式或用其它适当波形周期性地振荡并使极性反转。
作为理解实施例1中的加速器的操作的辅助，暂时考虑理想化情况，其中将真空室104的导电部分106视为绝缘芯子102的一部分周围的环形路径中的全导体。暂时认为电源122是被表征为具有零输入或输出阻抗的理想化电压源。当将电源连接到真空室104的导电部分106的末端118和120(因此还跨越真空室104的不导电间隙108)时，由dIo/dt＝V/L给出的电流在导电部分106中流动，其中，由绝缘芯子102组分的磁性性质和诸如绝缘芯子102的横截面积等电感的几何方面来确定L，即由导电部分106形成的一圈电路(one-turn circuit)的电感。由麦克斯韦方程施加的边界条件要求通过导电部分106的电流Io 130在真空室104的导电部分106的外表面上。在真空室104内，除不导电间隙108的区域之外，由于施加的电压V或电流Io而不存在电场或磁场，其中，电场EG由几何结构给定为近似V/d，其中，d是不导电间隙108的间隙长度d 110。绝缘芯子102的作用是提供耦合到电源122的有限电感性阻抗，用dIo/dt＝V/L来限制电流Io 130。
仍考虑理想化情况，将用qV的能量增益来使穿过(traverse)真空室104中的不导电间隙108的带电粒子(电荷q)加速。由适当的磁引导场134在真空室104内部的绝缘芯子102周围引导此粒子。该粒子在真空室104中不经历减速场(retarding field)，因为除由粒子本身的电荷在壁上感生的那些之外，所有场(除下文所讨论的静磁引导场之外)为零。随着粒子在绝缘芯子102周围行进，其重新进入并穿过真空室104中的不导电间隙108，并且其能量再次增加增益qV。如果其完成真空室104的n圈(在本文中，术语“圈(一个或多个)”在涉及射束或粒子运动时意指真空室的完整回路、循环或回转)，其获得总能量nqV。一个完整路径中的E·dl的真空室104内部周围的路径积分(path integral)是V。这里，E是真空室104中的电场且d1表示用于射束路径的路径长度微分(differential)(使用粗体量来表示矢量)。E在导电部分106中是零且在不导电间隙108中等于EG。应认识到EG是不导电间隙的区域中的位置的复函数，而不是如近似关系式EG＝V/d所暗示的常数。出于简化讨论的目的，在本文中未详细地进行描述。然而，无论此复杂变化如何，大部分的场EG位于不导电间隙的附近且一个完整路径中的E·dl的路径积分严格地为V。也就是说，此电场具有用于其矢量字符的旋度。其将此电场与闭合路径周围的E·dl的积分为零的静电场区别开。根据本领域的技术人员众所周知的技术，采用传统方法(未示出)向真空室104中注入和/或从真空室104提取射束116。
因此，在此理想化情况下存在两个截然不同的电磁场区域。一个在真空室104内部，其中，只存在由不导电间隙108的区域中的V所产生的那些场，由真空室104的导电部分106的内壁上的粒子电荷q所感生的那些场和组成磁引导场的那些场。其它场区在真空室104的导电部分106外面，其中，来自dIo/dt＝V/L的电流Io 130沿着导电部分106的外表面行进。这两个区域仅经由不导电间隙108耦合。
仍考虑理想化情况，在真空室104的导电部分106的内表面上感生的镜像电荷形成电流II 132并沿着与射束116中的一个或多个粒子的路径相同的方向沿内表面行进。电流II 132在幅值上等于一个或多个粒子的电荷的流速且符号相反。当一个或多个粒子是例如一个或多个电子时，此镜像电荷是正的。当射束116中的一个或多个粒子到达不导电间隙108处的导电部分106的末端118时，其仅仅穿过真空室中的不导电间隙108并获得能量qV。然而，感生的镜像电荷(及因此的电流II 132)只好来到导电部分106的外表面。在到达末端118处的外表面时，电流II 132穿过电引线128并通过电源122，其具有理想的零阻抗。因此，在本示例中，从镜像电荷得到的电流II 132流过电源122、电引线128，并在末端120处进入真空室104的导电部分106的内壁，邻近具有电压+V的不导电间隙108，并在末端118处在导电部分106的内壁处离开(在所述内壁处电压是零)，并返回到电源122。镜像电荷流提供流入电源中的等于射束116的电流的附加电流II 132。镜像电荷流是镜像电流。因此，电源提供功率以激励绝缘芯子102，另外，其经由与镜像电荷或镜像电流的此耦合向射束116提供功率。
到目前为止，在讨论中，已将导电部分106视为没有电阻性阻抗的理想情况。在真实(非理想化)情况下，必须考虑有限的电阻。在关于电磁理论的许多论文中很好地处理这种情况。参照J.D.Jackson所著的书(“Classical Electrodynamics”，Third Edition，John Wiley & Sons，1999)，在多处论述了本主题。特别地，在第5和8章中，其显示有限的导电率的主要效果是使电流和场局限于称为“表皮厚度(skin thickness)”的表面的区域。这意味着在理想化全导体的表面处消失的场现在穿透本工作加速器的真实导体，但随着e-x/δ而消失，其中，x是垂直于表面的距离且δ是表皮厚度。δ的值取决于真空室104的导电部分106的电阻率和所考虑的外部相关电磁场的频率。例如，在对于铜而言的2kHz下，δ约为1.5mm。通过保证导电部分106的壁厚度w 112在相当程度上大于δ，仍有效地对真空室的内部和外部区域进行电磁解藕。然而，不导电间隙108仍促使镜像电荷电流II 132从电源122的+V侧流入真空室104的导电部分106的内表面且镜像电荷电流II 132从导电部分106的内表面流出到电源122的低电位侧。在真实情况下，电流II 132和电流Io 130的流动的欧姆电阻在导电部分106中不再是零(如在上文讨论的理想情况下一样)，但是可以在电流分布在如上所述的内表面和外表面的表皮厚度中的情况下使用流过具有电阻率p的介质的电流的标准表达式来进行评估。通常，对于诸如铜的良导体及对于几何结构和本文所考虑的频率下的δ值而言，这些损耗与其它元件的功率消耗相比可能是低的。
不能用标准固定电路参数来表示通过在不导电间隙108处经由导电部分106的末端118、120流入真空室104的镜像电荷实现的电源122到真空室104中的射束116的耦合。然而，可以构造等效电路以说明本文所述的功能性行为。这在图2中示出。
图2是图1所示的局部旋度加速器的近似等效电路示意图200。参照图1和2，在示意图200中用符号L来表示由绝缘芯子102周围的真空室104的导电部分106形成的一匝线圈的电感。在示意图200中用流过电阻Ro的电流Io来表示由于导电部分106的有限导电性而引起的外表面电流Io 130的能量耗散。由等式1来决定此电流Io：
V-LdIO/dt-IORO＝0    (等式1)
用流过在示意图200中用符号RI给出的电阻的电流II来表示导电部分内部的感生镜像电流II 132的能量耗散。符号CBP表示射束116经由导电部分106内部的感生镜像电流II 132到电源122的射束耦合。此感生镜像电流由II＝IB给出，其中，IB是由于射束116而引起的真空室104内部的环流(circulating)射束电流。由电源122通过不导电间隙108经由射束耦合CBP来提供镜像电流II 132。总电源122电流是：
I＝Io+II＝Io+IB      (等式2)
因此，来自电源122的总电流是激励绝缘芯子102中的磁通量的电流Io 130与由于射束116而引起的电流IB的和。电源122向绝缘芯子102中的磁场和射束116提供能量。如果不存在射束116，则只提供磁能。由P＝V(Io+IB)给出电源122所提供的功率。在任何实际情况下，由于Ro和RI的耗散而引起的损耗与由于迟滞和内部电流而引起的磁绝缘芯子102中的耗散相比是小的，因此可以忽略欧姆损耗。RI中的耗散导致环流射束116的能量增益的下降。通常，此减小比用于每圈的qV射束能量增益小得多，并且除评估最终粒子能量之外，在射束动力学方面再次可以忽略。
再次参照图1，示出上述局部旋度加速器的一种示例性结构。绝缘芯子102形成完整的磁路。真空室104为射束116提供抽真空式区以绕着绝缘芯子102而环流。射束116被约束所有射束轨道的磁引导场134引导至位于真空室104的界限(confine)内。真空室(虽然不一定是圆形形状)104围绕绝缘芯子102。电流Io 130在真空室104的导电部分106的外表面上流动。不导电间隙108具有跨接在其而连接的电源122。电流Io 130和IB＝电流II 132流出电源122的第一端子124(正端子)并流入电源122的第二端子126(负端子)。在图1中，电源122如上文所讨论的那样在其端子124、126两端提供电压V，并且第一端子125作为+的表征和第二端子126作为-的表征仅意味着当V是正的时，+处于高于-端子的电位。
对于类似于与***100的加速器(图1)而言，监视注入、捕捉、加速至最终射束能量和提取的过程由于真空室的内部和外部区域的电磁分离而是个挑战。监视射束的一种方式是使用位于射束轨道的不同位置处的拦截射束止动件。这种技术可以要求采用真空密封活动耦合器以便从外面操作真空室内部的活动探针。为了避免射束的拦截，可以采用非拦截换能(transducing)元件来观察并转送来自射束产生过程的相关阶段的信号。这些元件可以获得磁感应和电感应信号且可以包括固定和活动真空密封耦合器。
注入和捕捉的过程对于加速器的成功而言是关键的。例如，电子枪可以存在于内部半径处且可以产生一束粒子，其(1)与电压V到加速腔的不导电间隙的施加同步，并且(2)其持续由当前的应用确定的持续时间。在一个实施例中，其可以是粒子的短突发(burst)，使得该突发在前沿(leading edge)完成真空室的一个回路之前已经结束。在另一实施例中，其可以是只要绝缘芯子从-Bc扫至+Bc就持续的粒子的长突发，其中，Bc是绝缘芯子中的最大场；在某些情况下，可能期望Bc可以接近或达到芯饱和。
用于注入和捕捉的关键时期可以包括注入射束的真空室的几个至十几个回路或圈，使得如果已经成功地流转了(negotiate)那些回路，则认为捕捉到射束；如果未实现此数目的回路，则重要的将是理解注入射束已在哪里和何时丢失。
当捕捉到时，射束前进而加速至全能量。然而，由于引导磁场的模式及其设计参数的缺陷，射束的一部分或整个射束可能在其获得最终能量的途中丢失。知道此丢失何时在哪里发生对于诊断问题和进行调整以缓解或修正该情况是必不可少的。
全能量下的射束的提取还可能要求向射束施加特殊的磁和/或电信号以将其踢出稳定轨道而被提取***捕捉。同样地，如果射束与内靶一起使用而不是被提取，则知道何时发起该过程可能是重要的。因此，具有确定射束已达到全能量的一个或多个信号同样重要。
在加速器的例行操作期间，射束特性可能受到许多变量的影响，包括但不限于温度和电压波动、环境变化和意外事件。
具有用于在所有操作阶段监视和诊断射束特性的方法是重要的。在William Bertozzi和Robert J.Ledoux的美国专利申请序号12/351241“Diagnostic Methods And Apparatus For An Accelerator Using Induction ToGenerate An Electric Field With A Localized Curl”中公开了方法，由此，来自非拦截换能元件的信号允许确定加速器中的射束的各种属性，诸如：
1.)射束的一部分已在真空室中穿过的圈数；
2.)感兴趣的每个位置处的射束的能量；
3.)每个回路或圈和位置处的射束的强度；
4.)射束绕着其平衡轨道的运动；
5.)发生射束丢失的位置和时间；
6.)空间电荷对射束强度和轨道运动的影响；
7.)由于射束与真空室中的残余气体碰撞产生的离子而引起的对射束强度和轨道运动的影响；
8.)加速器的操作质量和用于微扰的缓解策略的效果；以及
9.)所提取或在内部使用的射束的有效占空比。
本文所述的这些及其它实施例是用于在加速期间监视带电粒子的本文公开的技术的可能应用的示例。虽然在对几种特定示例性局部旋度加速器类型的应用中讲授了实施例，但应认识到其具有更广泛的适用性。本领域的技术人员应认识到存在所公开的重要元件的扩展、修改及其它布置，其能够实现并且其意图涵盖在本公开的范围内。
在一个实施例中，换能元件由不拦截射束的导电电极组成，其位于粒子束路径之外的室中的不同位置处。此类示例性实施例在图3A和3B中示出。
图3A是举例说明除真空室304的横截面为(例如但不限于)矩形之外在构造和操作上与图1所示类似的示例性局部旋度加速器的***300的示意图300A。真空室304充当射束线并具有导电部分306和不导电部分(称为不导电间隙)308。真空室304的导电部分306具有由被用作加速间隙的不导电间隙308分开的两个末端318、320。用传统真空密封技术来密封导电部分306与不导电间隙308的末端318和320之间的接合点。限定沿方向A-A的横截面图的位置的假想割平面330指示切割真空室304的导电部分306。加速器具有电感芯子(inductive core)102。
图3B是在沿着(图3A的)方向A-A看的割平面330(图3A)截取的图3A的***300的一部分的横截面图300B，示出真空室304的导电部分306并示出图3A未示出的附加细节。
参照图3B，真空室304的导电部分306围起行进到纸张的平面中且在此视图中由其横断面剖面(例如，椭圆形)指示的射束316。一个或多个导电电极336被安装在真空室304的导电部分306内。导电电极336通过传统手段(未示出)与真空室304的导电部分306的壁电隔离并通过室的壁提供有外部连接。导电电极336可以是多个且可以布置成规则阵列(如所示)或可能期望的另一图案，并且可以布置在射束316的一侧或多侧。每个导电电极336具有用于连接的电引线。每个引线可以如对于导电部分306的顶部处的引线所指示的那样通过单引线密封馈通338穿过真空室304的导电部分306。在这种情况下，引线342可以连接到用于监视和分析由电引线342从导电电极336传送的信号的仪器350。或者，可以将引线捆成电缆340中并如针对在导电部分306的底部处的引线所指示的那样通过多引线密封馈通344穿过真空室304的导电部分306。在这种情况下，电缆340中的引线还可以连接到用于监视和分析来自导电电极336的信号的仪器350。(当然，可以使用单引线馈通、一个或多个多引线馈通、或其组合。)该仪器被设计为使得导电电极336每个可以呈现对电流的高(相对于***的其它导电路径而言)电阻性阻抗。每个导电电极336将从在附近通过的射束接收由镜像电荷q产生的感生电压VI。此VI将根据电磁学的标准规则感生并将取决于电路的q、分布电容和阻抗。此VI呈现一定量的射束电荷已在特定时间到达真空室304中的特定位置的信号。仪器350可以由为特定目的构建的仪器组成和/或可以包括通用微处理***。
此诊断方案提供关于加速器性能的以下信息：
1.)持续时间比用于一圈的时间少的射束电荷脉冲将(根据电极位置和间距)作为信号出现在经由感生电荷耦合的一个或几个导电电极336上。这些信号传送信息以确定射束316在其绕行真空室304时的位置，并且当对脉冲进行计数时，其可以确定已经执行的圈(真空室304的回路)的数目和来自每圈的损耗。也可以确定射束绕平衡轨道的幅度振荡，和在每次通过真空室304的不导电间隙308处的加速区时使射束加速时的轨道位置的变化。通过计数在衬垫上感生的信号中的脉冲数目，确定回路或圈的数目，因此，可以在任何时间知道射束的能量，因为对于每圈而言，能量增益是qV(其中，粒子的电荷是q)。同样地，可以在射束316已达到全能量时对其进行确定。还可以使用能量和导电电极336位置的相关性作为诊断方法。如果射束在真空室304的某个区域中丢失，则可以通过连续圈的信号的变化幅度来确定此位置，如射束丢失的开始可能的那样。
2.)如通过注入直至对于注入的第一批粒子而言达到全能量为止，射束脉冲可以比在上述情况下长。在这种情况下，仍可以通过在导电电极336上感生的信号的时序和幅度来监视射束316通过加速过程的前进。这允许在加速室充满电荷的情况下监视整个加速过程。射束316将具有从注入直至提取或与内靶一起使用的所有能量下的分量，并且不同的导电电极336将具有从不同能量的射束分量感生的信号。这允许经由真空室304中的空间电荷效应和残余气体中的离子生成对射束的不同分量的相互作用的效果进行附加监视。
3.)射束脉冲可以长于加速至全能量所需的时间，以便实现较高的射束占空比。在这种情况下，导电电极336上的信号将允许确定全占空比期间的操作质量并将提供控制和调整射束质量的机会。
图4A是包括与图1中的加速器类似的示例性局部旋度加速器的***400的图示，其中电流传感器的实施例用于检测流到用于加速器的电源122的电流而传感器用于各种其它射束特性。其还包括用于控制加速器的控制装置。***400的加速器类似于图1和图3A的加速器。具有与图1、3A、和3B中的那些相同的参考标号的项目是具有相同功能的项目。参照图4A，真空室104通常可以是管状的(如图1和4A所示的圆形横截面和如图3A和3B所示的矩形横截面，或者具有另一种横截面形状)，并且可以如所示的那样是圆环形的，或者可以具有允许射束在绝缘芯子102的一部分周围在圆形路径内循环/环流通过的其它闭合路径连接。剖面图114提供在真空室104内行进的一束带电粒子116的视图。(剖面图114仅仅是出于说明性的目的且不表示真空室104中的实际开口。)再次参照图4A，换能元件可以测量从真空室104的导电部分106流入电源122的电流。通过在将电源122连接到真空室的导电部分106的末端118、120的电引线128中的任一中引入电流传感器402，可以测量总电流I＝Io+IB(参见图2所示的电路)。电流Io 130和IB＝电流II 132流出电源122的第一端子124(正端子)并流入电源122的第二端子126(负端子)。可以例如在连接点C和D处连接电流传感器402。此电流传感器可以是电源122电引线128中的低阻抗电阻器；此电阻器两端的电压将指示通过电引线128的电流。(具有适当连接的电源122的内电阻可以用于相同的目的。)可以由电流传感器402生成表示电流I的信号并由一个或多个电引线404将其传送到仪器406，仪器406可以由为特定目的构件的仪器组成和/或可以包括用于分析电流I和用于提取并处理附加信息且用于作决策的通用微处理或其它计算***。
在真空室104的导电部分106内的用于感测射束116的特性的一个或多个不同位置处可以包括一个或多个导电电极(未示出，但类似于图3B的电极336)，并且其可以组成例如一个或多个导电电极阵列(未示出，但类似于图3B中的电极336)。真空室104的导电部分106内的导电电极可以通过一个或多个位置处(例如所示，但不是出于限制的目的)的一个或多个密封馈通344(例如所示的两个，但不是出于限制的目的)及通过电缆340连接到仪器350。仪器350和仪器406可以通过电缆408连接到控制器410。(应理解的是在本文中被描述为通过电缆执行的这种及其它通信可以替换地由无线装置来执行。还应理解的是可以方便地将在这里被示为两个位置上的仪器350和406的所需仪器部署在一个或多个位置上。)控制器410可以包括由为特定目的构建的控制元件和/或可以包括进行加速器控制决策并执行用于加速器控制的加速器控制算法的通用微处理或其它计算***。控制器410可以经由电缆412(电学、光学等)向控制元件414传送控制命令且可以包括显示器及其它通信装置。控制元件414可以包括电源(包括但不限于电源122)、磁体控制***(包括但不限于用于产生引导场134的磁体的控制)、执行机构(actuator)、及在加速器控制中常规采用(但图4A未示出)且本领域的技术人员众所周知的其它加速器控制元件。其它此类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(或与内靶一起使用)的元件、冷却和温度控制元件，引导场磁体、真空***控制机构、加速控制机构、去除由射束产生的离子的控制机构等。控制元件414可以具有到加速器***400的元件的直接联接(linkage)416，该直接联接可以包括但不限于电联接、磁性联接、光学联接、机械联接等。控制器410可以控制***400来作用于射束116中的带电粒子的运动的变化。
图4B是可以在***400或类似***中采用的替换电流传感器402实施例的电路的示意图450。现在参照图4A和4B，在本实施例中，电流传感器402是变压器452，例如环形变压器，其感测由来自电源122的电流I引起的磁场。来自变压器502的电压取决于电引线128中的电流I到电源122的时间变化率。本领域的技术人员将知道用于感测电流的其它方法且其意图包括在本公开内。
可从这些电流传感器(传统电阻性电流传感器或变压器452)之一获得的信号可以提供以下诊断性信息：
1.)持续时间比用于一圈的时间少的射束电荷脉冲对于射束的每转(“圈”)而言将作为电流脉冲出现在电源线中。通过计算这些脉冲的数目，可以确定成功地执行的圈数。将由所执行的圈数和电压V给定射束能量。通过测量每个脉冲的积分电荷(integrated charge)，可以确定每圈的射束损耗。对于短射束电荷脉冲，可以监视注入过程、捕捉过程、加速过程和提取或内部使用过程的成功。如果存在射束损耗，则可以确定已执行射束的圈数(和因此的射束能量)以及发生损耗的射束位置。
2.)可以在用于注入的第一批粒子实现最大能量所需的时间内连续地注入射束。在这种情况下，来自射束的电流随着射束转数的增加而增大。由于射束而引起的电源线中的电流随着时间的推移而增大。通过监视作为时间函数的电流，可以监视每圈处、每个径向位置处和每种能量下的射束条件。
3.)可以在大于实现最大能量所需的时间内连续地注入射束。在这种情况下，来自射束的电流随着射束转数的增加而增大。电流在提取了全加速射束时(或例如在使用内部射束目标时)停止增大。由于射束而引起的电源线中的电流随着时间的推移而增大并达到稳定值。通过监视作为时间函数的此电流，可以监视每圈处和每种能量下的射束条件。确定射束的有效占空比。
4.)对于所有射束持续时间，从线内电流到电源的信号将允许根据位置、时间和能量来确定射束的条件，并且该相关性将允许确定来自导电电极336(图3B)的信号的上文所讨论的相同效果。
总而言之，上文讨论的诊断测量可以检测粒子束和/或电源电流I且可以提供以下认知：
D1.电源电流I和射束电流IB；
D2.射束的一圈的完成，及其强度；
D3.一圈之后的射束的径向位置；
D4.任何圈期间的射束的垂直位置；
D5.任何圈期间的射束的径向位置和强度；
D6.作为圈数的函数的射束强度的衰减，和射束强度损失的位置；
D7.射束消失的圈数和位置；
D8.与圈数相关的射束的能量；
D9.存储在真空室中的电荷量对在任何指定圈数下的射束强度的影响；
D10.真空对任何指定圈数下的射束强度的影响；以及
D11.所提取或内部使用的射束强度。
当然，如本领域的技术人员已知的那样，也可以测量其它变量。重要的是认识到这些诊断测量允许知道关于加速过程期间的特定圈的许多射束特性，并因此将允许针对给定的圈将那些特性与期望或标称特性相比较。
先前所讨论的检测方法提供关于被加速的射束圈数的信号，和在加速期间的不同时间及针对不同射束强度的处于加速器中的不同位置处的加速射束的条件。其中，可用于改善并自动地控制加速器操作的控制动作由以下的调整组成：
V1.射束注入能量；
V2.注入时的射束强度；
V3.注入时的射束方向(垂直和水平)；
V4.注入时的射束位置(径向、垂直和水平)；
V5.在注入时干扰粒子轨道的电场和磁场元件；
V6.形成引导场并确定引导区域中的磁引导场的模式的磁性元件中的电流分布；
V7.绝缘芯子的温度；
V8.提供引导场的磁体的温度；
V9.加速真空室中的真空；
V10.在加速和提取期间或与内靶一起使用的干扰粒子轨道的电场和磁场元件；
V11.连接到真空室并负责提供射束加速的电源的电压；以及
V12.用来去除由射束产生的离子的真空室中的元件的电压。
当然，如本领域的技术人员已知的那样，也可以调整其它参数。应认识到可以通过向内部电极施加电压来对射束施加恒定或变化电场以干扰其轨道，所述内部电极诸如但不限于供在感测射束及其特性时使用的图3B所示的那些。
可以采取这些控制动作以保证加速器的适当操作并优化射束的成功圈数和提取或其它使用时的射束电流。其可以单独地或组合地使用。可以作为反馈回路的一部分来调整***参数以优化所提取或在内部使用的射束电流和发射，或者可以在不同的操作步骤中部分或甚至完全手动地设置该***参数。
作为控制反馈回路的示例，考虑用于加速器的以下可能初始启动动作序列。例如，但非限制性地，将加速器假设为诸如上文所讨论的设计的电子加速器并将射束注入装置假设为电子枪。
S1.将真空室中的真空质量与标称允许操作值相比较。
S2.通过将电源电压与预定期望值相比较来对其进行检查。
S3.确定对电源进行脉冲作用时在绝缘芯子中建立的场(通过测量或通过基于L和I的计算)并在三个或更多时间：循环开始；循环中间；和循环结束时将其与预定期望值相比较。
S4.对电子枪进行丝极(filament)和发射极的适当加热的检查。
S5.在磁体线圈中将引导场磁体供电至预定电流，或者对其供电以在真空室中建立预定的引导场模式。
S6.将注入电压接通至预定值。
S7.测量从电子枪发射的电流并将其与预定值相比较。
当然，如本领域的技术人员已知的那样，在启动序列中也可以包括其它步骤。
一旦在与用于组件的预置值相比较的情况下通过***控制来保证各个元件的适当操作，则加速器准备好进行操作以产生加速射束。可能已通过射束轨道的计算和/或先前的测量和成功加速器操作确定预置值。如果任何预置值是不可能的，则控制器可以呈现具有结果概要的警报。
在图5中示出用于示例性局部旋度加速器的自动启动和操作过程的实施例的流程图500。(应理解的是还可以适当地用其它加速器设计来使用本实施例，必要时带有符合特定加速器特性的修改，如本领域的技术人员将理解的那样。)在流程图500中示出使用诊断测量D(j)和控制动作V(i)的加速器的自动启动和操作过程的实施例。当然，也可以包含其它诊断测量和控制动作。可以对该序列进行编程以使真空室中的某些特定位置处或者在射束的特定圈数之后的射束强度(亦即，射束电流IB)优化(尽管也可以优化其它变量)，并在射束强度的最终优化的情况下接着进行射束的提取或与内靶一起使用。可以使用该过程来建立用来建立上述初始调谐的预定参数。(在下文中，可以将射束提取和射束与内靶的一起使用统称为“射束使用”。)
可以在判定步骤506、512、和518中将控制动作V(i)的变化对诊断测量D(j)的影响与可以存储在结果查找表中的预定或计算值相比较，该结果查找表用于确定适当和意向操作的射束强度或射束电流、圈数、能量、提取或内部使用的射束及其它特性。此过程可以使用在查找表中进行比较的预定算法并关联不同的D(j)和序列顺序以进行调整。可以通过计算和建模并通过来自实际加速器操作的实验来确定这些算法，由此说明特定的操作行为。术语“优化”可以指的是通过增大或减小参数V(i)来使对于诊断D(j)相关的位置处的射束强度最大化。(然而，使另一射束特性优化可能是方便的。)可能实现错误的局部射束强度最大值(或另一特性的最大值)，并可以通过用于V(i)的序列的随机变化和不同D(j)中的相关性来对此进行调查。此特征可以是预定算法的一部分。
流程图500中所公开的过程可以依次包括启动过程502和被指示为反馈回路I 524、反馈回路II 526和反馈回路III 528的三个不同子过程。启动过程502包括例如诸如S1～S7的正常起始步骤。反馈回路I 524的过程控制以下操作的发起：从准备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时在优化的射束强度和位置的情况下)。(可选地，此反馈回路可以扩展至包括附加圈数，足以保证射束越过(clear)注入枪或通过另一类似里程碑。)反馈回路II 526的过程控制以下操作：从射束的第一成功整圈的完成(或从某些预定更大圈数的完成)至获得满意的射束性质直至从加速器的第一次令人满意的射束提取或射束与内靶的第一次令人满意的使用(统称为“第一次令人满意的射束使用”)。反馈回路III 528的过程控制以下操作：从第一次令人满意的使用至提取射束的优化。在所使用的射束的优化之后，随后是步骤522：使用由先前的过程确定的控制参数的稳定提取的或在内部使用的射束的继续操作和使用。应理解的是，在每个反馈回路中，可以将一个或多个测量诊断数量的值与用于标称射束的期望或标称值相比较，该标称射束已完成与实际射束相同的圈数或处于与实际射束相同的加速阶段。
图5所公开的第一反馈过程由流程图的第一反馈回路(反馈回路I 524)示出。在步骤504处，可以进行某些或全部的诊断测量D1～D4。(在下文中，应将测量D1～D4称为“注入阶段诊断测量”。)在判定步骤506处，可以确定射束是否已成功地执行加速器的第一圈(或者可选地，如上文所讨论的，是否其已成功地执行附加圈数)。成功的完成可以是基于射束完成所需圈数，或者还可以基于射束具有满足预定标称值或阈值的测量特性。如果回答是“否”，则在步骤508处，此响应可以根据某些或所有控制动作V1～V6的变化关于来自用于成功调谐加速器的计算和/或先前经验的所预定值激活***的重新调谐。(在下文中，应将控制动作V1～V6称为“注入阶段控制动作”。)某些或全部的值V1～V6可以依次关于其预置值而变化，直至每个都产生用于加速器的第一圈(或前几圈)的最佳(或令人满意的)射束强度和用于该第一轨道的空间中的适当位置为止。变化的顺序可以以随机的方式改变以确定最佳操作并避免不是可能的最佳情况的局部最大值的可能性。可以根据预定算法来自动地执行变化，或者可以部分地、乃至完全手动地执行。应理解的是也可以在此操作阶段中改变不同于V1～V6的其它参数。如果过程不能成功地终止，则***可以产生警报(未示出)和/或变化V(i)和结果D(j)的历史日志(未示出)。
应注意的是，具有用于一圈或几圈的专用反馈回路I 524的一个目的是保证注入的射束错过可以是注入枪的注入装置。如前所述，射束在每圈处获得能量。由于能量随着每圈而增加，所以轨道在平均径向位置上膨胀。直至此膨胀足以使得所有连续的轨道都避过注入器为止，***可以依赖于射束的电子感应加速器振荡(在垂直和径向位置上)以保证射束错过注入装置。这可能要求如在V1～V6中执行的那样调整注入装置位置、注入方向、注入能量、射束强度和引导场值。
一旦满足反馈回路I的成功完成的标准(亦即，一旦在判定步骤506处的询问返回“是”回答)，则过程可以继续到反馈回路II 526。在步骤510处，进行某些或全部的诊断测量D1～D9。(在下文中，应将测量D1～D9称为“加速阶段诊断测量”。)在判定步骤512处，确定射束性质是否是令人满意，直至射束使用为止。如果回答是“否”，则在步骤514处，类似于相对于步骤508处的动作V1～V6所描述的，此响应根据某些或全部的控制动作V1～V12的变化激活***的重新调谐。(在下文中，可以将控制动作V1～V12称为“加速阶段控制动作”。)反馈回路II 526处理从环路I的结束至全能量第一射束使用的射束。诸如芯和磁体温度的某些可能调整(V7和V8)监视可能的***变化并适当地调整冷却剂流。其它调整处理射束位置和不同位置处的能量并改变不同位置处的引导场以避免损失射束。可导致射束损失的一种可能性是根据位置进行的引导磁场的不稳定调谐。可能遇到使射束以某一半径向真空室的壁偏转的谐振。这些谐振还可以促使射束剖面(profile)充分地扩张，从而导致提取或与内靶一起使用时的强度损失或比在不损失整个射束的情况下所使用的能量小的某一中间能量下的强度损失。(研究并量化这些谐振的方式是通过电场来干扰轨道，通过先前所讨论的电极上的电压来施加该电场。)关于射束损失方面的另一原因是由于射束与残余气体原子的碰撞而在残余气体中产生离子。诊断测量D(j)可以检测射束损失和射束位置且调整V1～V12处理这些可能性中的每一个并减轻射束损失。使射束达到最终能量以供使用。可以根据预定算法自动地执行变化V1～V2，或者可以部分、乃至完全地手动执行。应理解的是也可以在此操作阶段中改变不同于V1～V12的其它参数。如果根据预定条件，反馈回路II 526是不成功的，则可以用所有调整和诊断读数的历史来建立警报。
在反馈回路I 524和反馈回路II 526期间，射束可以短脉冲，其仅覆盖小于一圈的空间范围或者其可以覆盖几圈。在通过反馈回路II 526进行的此短持续时间射束的成功管理之后，可以按占空比扩展射束，以便在真空室中覆盖完整的能量范围，并且每圈都被射束占据。这将改变离子产生和空间电荷相互作用的效应。射束达到全能量以供提取或内部使用的管理可以包括自动调整的此部分。
一旦满足用于反馈回路II 526的成功完成的标准(亦即，一旦在判定步骤512处的询问返回“是”回答)，则过程可以继续到反馈回路III 528。反馈回路III 528在全能量射束条件下开始并使射束的提取或射束与内靶的一起使用优化。在步骤516处，进行某些或全部的诊断测量D1～D11。(在下文中，应将测量D1～D11称为“使用阶段诊断测量”。)在判定步骤518处，确定所提取或在内部使用的射束性质是否被优化至预定要求。如果回答是“否”，则类似于相对于步骤508处的动作V1～V6所描述的，在步骤520处，此响应根据某些或全部的控制动作V1～V12的变化激活***的重新调谐。(在下文中，可以将控制动作V1～V12称为“使用阶段控制动作”。)反馈回路II 528拥有从全能量第一射束提取或内部使用至所提取或在内部使用的射束的优化的射束。此反馈回路包括在空间和能量方面获得适当的射束强度和射束剖面。可以使用短射束来实现此调谐，并且最后可以使用高占空比操作，其中，射束从注入到使用填充整个真空室，占据所有圈和所有能量。可以根据预定算法自动地执行变更V1～V2，或者可以部分、乃至完全地手动执行。应理解的是也可以在此操作阶段中改变不同于V1～V12的其它参数。如先前的反馈回路的情况一样，未能满足预设标准可能产生具有所有诊断读数和调整的历史的警报。
一旦满足用于反馈回路III 528的成功完成的标准(亦即，一旦在判定步骤518处的询问返回“是”回答)，则过程可以继续到步骤522，使用由先前的过程确定的控制参数进行的稳定射束的继续操作和使用。
本文所述的实施例是用于带电粒子加速的本文公开的技术的可能应用的示例。本领域的技术人员应认识到存在所公开的重要元件的扩展、修改及其它布置，这能够被实现且被包括为本公开的一部分。

Claims (22)

1.一种控制粒子加速器的操作的方法，包括：
a)将粒子束注入到加速器中；
b)执行至少一个注入阶段诊断测量；
c)基于所述至少一个注入阶段诊断测量，确定粒子束是否已被成功注入；
d)在尚未成功地注入粒子束时，改变至少一个注入阶段控制动作，并重复步骤a至c)；
e)在已成功地注入粒子束时，执行至少一个加速阶段诊断测量；
f)基于所述至少一个加速阶段诊断测量，确定粒子束是否已被成功加速；
g)在粒子束尚未被成功加速时，改变至少一个加速阶段控制动作，并重复步骤a)和e)至f)；
h)在粒子束已被成功加速时，执行至少一个使用阶段诊断测量；
i)基于所述至少一个使用阶段诊断测量，确定粒子束是否已被成功使用；
j)在粒子束尚未被成功使用时，改变至少一个使用阶段控制动作，并重复步骤a)和h)至i)；以及
k)在粒子束已被成功使用时，进一步操作加速器。
2.权利要求1的方法，其中，所述粒子加速器是电子加速器。
3.权利要求1的方法，其中，所述粒子加速器是局部旋度加速器。
4.权利要求1的方法，其中，由电子枪注入所述粒子束。
5.权利要求1的方法，其中，在一圈之后确定粒子束是否已被成功注入。
6.权利要求1的方法，其中，在多圈之后确定粒子束是否已被成功注入。
7.权利要求1的方法，其中，所述至少一个注入阶段诊断测量包括测量射束的圈数。
8.权利要求7的方法，其中，测量射束的圈数包括测量对应于射束通过的信号中的脉冲。
9.权利要求8的方法，其中，使用导电电极来测量所述脉冲。
10.权利要求8的方法，其中，使用电流传感器来测量所述脉冲。
11.权利要求7的方法，其中，所述至少一个注入阶段诊断测量包括测量射束强度。
12.权利要求7的方法，其中，所述至少一个注入阶段诊断测量包括测量射束的位置。
13.权利要求1的方法，其中，所述至少一个注入阶段诊断测量包括测量射束强度。
14.权利要求1的方法，其中，所述至少一个注入阶段诊断测量包括测量射束的位置。
15.权利要求1的方法，其中，至少一个注入阶段诊断测量、至少一个加速阶段诊断测量、至少一个使用阶段诊断测量中的至少一个包括导电电极测量。
16.权利要求1的方法，其中，至少一个注入阶段诊断测量、至少一个加速阶段诊断测量、至少一个使用阶段诊断测量中的至少一个包括电流传感器测量。
17.权利要求16的方法，其中，所述电流传感器测量包括电源电流的测量。
18.权利要求1的方法，其中，至少部分地由射束强度来确定粒子束是否已被成功地注入或成功地加速。
19.权利要求1的方法，其中，至少部分地由射束位置来确定粒子束是否已被成功地注入或成功地加速。
20.权利要求1的方法，其中，粒子束的使用包括射束的提取。
21.权利要求1的方法，其中，粒子束的使用包括射束碰撞内靶。
22.权利要求1的方法，还包括通过在至少一对内部电极两端应用电压来对射束施加电场以干扰其轨道。
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