CN115499995B - 一种紧凑型多离子同步加速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑型多离子同步加速器，包括对称的光学结构，对称的光学结构包括多个直线离子束段和多个弧线离子束段，直线离子束段分为长直节和短直节，长直节上布置有四极磁铁组件，短直节上布置有单个四极磁铁，弧线离子束段上布置有二极磁铁，且多个四极磁铁以及多个二极磁铁沿顺时针方向构成四折镜像对称的八边形结构。本发明通过在光学上采用四折镜像对称的八边形结构，能够大幅减小了离子治疗同步加速器的周长和占地面积，并且经过优化后的光学，可以进一步压缩同步加速器磁铁和束诊元件尺寸，形成小束流包络，实现了同步环形加速器的小型化。

Description

一种紧凑型多离子同步加速器

技术领域

本发明涉及同步加速器技术领域，具体涉及一种紧凑型多离子同步加速器。

背景技术

由于离子束对生物体的照射具有倒转的深度剂量分布和较高的相对生物学效应，在杀死肿瘤细胞的同时能够更好的避免对正常细胞的伤害，使得离子治癌成为当今国际上先进有效的癌症放射治疗方法。目前离子治癌最常用的离子是质子和碳离子，两者在适应症和造价方面有较大的区别。

碳离子线性能量密度、相对生物效应、侧向散射优势更为显著，能够产生难以修复的DNA双链断裂(Double Strand Break，DSB)，对肿瘤中最常见的乏氧肿瘤细胞具有优秀的杀伤能力，通常用作癌症治疗的最优选择，但是由于碳离子加速器的能量需要在430MeV/u及以上，磁刚度较大，装置占地面积大，投资规模较高；质子治疗装置需要的磁刚度低，通常采用固定能量加速器，成本低，技术相对成熟，占地面积也较小，市场推广难度较低，但质子束传能线密度(Linear Energy Transfer，LET)低，只能打断DNA单链，对肿瘤细胞的杀灭效果不如碳离子，但由于布拉格峰后较小的拖尾效应，对正常组织的伤害较小。碳离子和质子治疗周期也有较大区别，以肝癌为例，全剂量的质子放疗需要三十天，而如果联合重离子，放疗时间可以缩短至四天。因此如果能够在相同的加速器规模和加速能力范围内，同时提供相对生物学效应差异化的多种离子，如质子～碳，将不仅可以用于常规质子、碳离子常规适应癌症种类的治疗，还可以帮助放疗人员根据病人肿瘤种类和位置的特异性选择更加灵活、科学的治疗计划等，大幅提高离子治疗的精准性和效率。

治疗装置在应用过程中的一个难点在于装置占地面积。目前成熟的高品质医院大多位于城市中心繁华地带，院区很难提供大面积土地用于装置建设，医院周边土地征用的难度也很大。传统的加速器重离子癌症治疗装置规模庞大，如我国首台具有完全自主知识产权的武威重离子治疗装置，占地面积达到5000平方米，远远超过一般医院的可用土地面积，成为制约加速器治疗装置应用推广的主要障碍之一。另一个难点在于装置建设成本。加速器治疗装置建设成本是一次性投入，根据装置配置不同价格也不相同，例如我国重离子癌症治疗装置的价格为6～8亿元，远远超过一般医疗设备价格，超过大多数医院承受能力，因此目前加速器治疗装置的建设是以省份为单位。降低装置建设成本，不仅可以使加速器治疗装置被更多的医院接纳，给更多的癌症患者带来康复的希望，同时也会降低癌症患者治疗费用，将这项尖端科技转化为普惠国计民生的典范。

减低装置占地面积和建设成本的关键在于降低装置规模。加速器治疗装置由离子源、低能束运线、直线注入器、中能束运线、同步加速器、高能束运线以及治疗终端组成。其中同步加速器是整个装置的核心，在面积和建设成本方面占比最高，因此同步加速器小型化，即降低同步加速器周长一直是是国际上同步加速器设计的一个热点方向。

申请号为CN202210674413.2的中国发明专利公开了一种紧凑型多离子加速器治疗装置及其应用，其包括同步加速器的光学设计，但是该设计存在紧凑性不足、慢引出静电偏转板需要的强度高等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种紧凑型多离子同步加速器，以解决现有技术中离子加速器治疗装置占地面积大、建设成本高的问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明提供一种紧凑型多离子同步加速器，包括对称的光学结构，对称的光学结构包括多个直线离子束段和多个弧线离子束段，多个所述直线离子束段和多个所述弧线离子束段交替排列，多个直线离子束段沿顺时针方向依次为第一长直节、第一短直节、第二长直节、第三长直节、第四长直节、第二短直节、第五长直节、第六长直节；

所述第一长直节上布置有包括第一四极磁铁和第二四极磁铁构成的四极磁铁组件，所述第一短直节上布置有第三四极磁铁，所述第二长直节上布置有包括第四四极磁铁和第五四极磁铁构成的四极磁铁组件，所述第四长直节上布置有包括第六四极磁铁和第七四极磁铁构成的四极磁铁组件，所述第二短直节上布置有第八四极磁铁，所述第五长直节上布置有包括第九四极磁铁和第十四极磁铁构成的四极磁铁组件；

所述弧线离子束段上布置有二极磁铁，多个二极磁铁沿顺时针方向依次为第一二极磁铁、第二二极磁铁、第三二极磁铁、第四二极磁铁、第五二极磁铁、第六二极磁铁、第七二极磁铁以及第八二极磁铁，且所述第一二极磁铁和第二二极磁铁之间通过所述第一长直节相连接；

其中，所述第一二极磁铁、第一四极磁铁和第二四极磁铁、第二二极磁铁、第三四极磁铁的二分之一构成光学单元A，所述第四二极磁铁、第四四极磁铁和第五四极磁铁、第三二极磁铁、第三四极磁铁的二分之一构成光学单元B，所述光学单元A与所述光学单元B为镜像对称，且多个所述二极磁铁和多个所述四极磁铁沿顺时针方向构成四折镜像对称的八边形结构。

进一步地，所述第一四极磁铁、第三四极磁铁、第五四极磁铁、第六四极磁铁、第八四极磁铁以及第十四极磁铁均为聚焦磁铁，所述第二四极磁铁、第四四极磁铁、第七四极磁铁以及第九四极磁铁均为散焦磁铁。

进一步地，各二极磁铁的偏转角度均为45度，边缘角的范围均为0～15度；

各四极磁铁组件中的聚焦四极磁铁的积分梯度场范围为0.1/m～1.0/m，散焦四极磁铁的积分梯度场的范围为-0.1/m～-1.0/m，所述第三四极磁铁和所述第八四极磁铁二分之一部分的积分梯度场范围均为0.1/m～1/m；

所述弧线离子束段上具有短直线节，所述短直线节的长度范围为0.3～3m；

二极磁铁与相邻的四极磁铁间距范围为0.1～1m，且四极磁铁组件中的两个四极磁铁的间距范围为1～5m。

进一步地，紧凑型多离子同步加速器还包括：

注入***，所述注入***包括设置在所述第一长直节上的注入切割磁铁以及注入静电偏转板，所述注入切割磁铁和所述注入静电偏转板设置在所述第一四极磁铁和所述第二四极磁铁之间，且所述注入静电偏转板位于所述注入切割磁铁的下游，所述注入切割磁铁用于将注入束流偏转接近至同步加速器束流接受度，所述注入静电偏转板用于将经过注入切割磁铁偏转的束流再次进行偏转并送入同步加速器接受度内；

引出***，所述引出***包括第一引出切割磁铁、第二引出切割磁铁和引出静电偏转板，所述第一引出切割磁铁和所述第二引出切割磁铁位于所述第六四极磁铁和所述第七四极磁铁之间设置在所述第四长直节上，且所述第二引出切割磁铁位于所述第一引出切割磁铁的下游，所述引出静电偏转板设置在所述第三长直节上，所述引出静电偏转板用于将同步加速器内部共振振幅增大的束流切割并偏离出同步加速器接受度，所述第一引出切割磁铁和所述第二引出切割磁铁用于将所述引出静电偏转板分离的束流进一步向同步加速器外偏转并引出同步加速器。

进一步地，所述第二长直节上布置有包括第一六极磁铁和第二六极磁铁构成的六极磁铁组件，所述第一六极磁铁和第二六极磁铁设置在所述第四四极磁铁和所述第五四极磁铁之间；

所述第三长直节上布置有第三六极磁铁；

所述第五长直节上布置有包括第四六极磁铁和第五六极磁铁构成的六极磁铁组件，所述第四六极磁铁和第五六极磁铁设置在所述第九四极磁铁和所述第十四极磁铁之间；

所述第六长直节上布置有第六六极磁铁；

其中，所述第一六极磁铁和所述第四六极磁铁用于垂直色品校正，所述第二六极磁铁和所述第五六极磁铁用于水平色品校正，所述第三六极磁铁和所述第六六极磁铁用于驱动共振慢引出。

进一步地，所述第五长直节上位于所述第四六极磁铁和所述第五六极磁铁之间布置有第一注入凸轨磁铁，所述第六长直节上位于所述第六六极磁铁的下游布置有第二注入凸轨磁铁，所述第一短直节上位于所述第三四极磁铁的下游布置有第三注入凸轨磁铁，所述第一注入凸轨磁铁、第二注入凸轨磁铁以及第三注入凸轨磁铁均用于注入过程中将束流接受度偏移至所述注入静电偏转板；

所述第二长直节上位于所述第一六极磁铁和所述第二六极磁铁之间布置有第一引出凸轨磁铁，所述第四长直节上位于所述第七四极磁铁和第二引出切割磁铁之间布置有第二引出凸轨磁铁，所述第二短直节上位于所述第八四极磁铁的上游布置有第三引出凸轨磁铁，所述第一引出凸轨磁铁、第二引出凸轨磁铁以及第三引出凸轨磁铁均用于慢引出过程中将束流偏移至所述引出静电偏转板。

进一步地，所述第二长直节上布置有引出激励，所述引出激励布置在所述第一六极磁铁和所述第一引出凸轨磁铁之间，用于慢引出过程中将可控的增加束流发射度。

进一步地，所述第一长直节、第一短直节、第二长直节、第四长直节、第二短直节以及第五长直节上分别设有校正磁铁。

进一步地，所述第一长直节、第一短直节、第二长直节、第三长直节、第四长直节、第二短直节、第五长直节以及第六长直节上分别布置有束流位置探测器，第一长直节、第二长直节、第四长直节以及第五长直节上的所述束流位置探测器和对应长直节上的所述校正磁铁套叠设置，所述第一短直节和所述第二短直节上的所述束流位置探测器和对应短直节上的所述校正磁铁套叠或分离设置，所述第三长直节和所述第六长直节上的所述束流位置探测器和对应长直节上的所述六极磁铁套叠设置。

进一步地，所述第六长直节上位于所述第六六极磁铁和所述第二注入凸轨磁铁之间布置有高频腔，用于加速过程中向束流提供能量。

本发明由于采取以上技术方案，其具备以下有益效果：

本发明在光学上采用顺时针方向四折镜像对称的八边形结构，通过调整二极磁铁、四极磁铁之间的位置关系和强度设置，可以实现周长36m以下430MeV/u碳离子同步加速器光学设计。相比于申请号为CN202210674413.2的发明专利中公开的光学设计，本发明将同步加速器周长进一步缩短近1/4，大幅降低了装置占地面积和建设成本。经过优化后的光学，水平方向包络函数下降40％，色散函数下降25％，使同步加速器全环束流尺寸大幅缩小，可以进一步压缩同步加速器磁铁和束诊元件尺寸，减小了所需电源功率和体积，提升了同步环形加速器的紧凑性；静电偏转板与切割铁置于光学水平包络函数较大位置处，在紧凑的空间内满足相移接近π/2，可以显著降低静电偏转板的强度需求；环中束流引出前的最后三圈轨道振荡幅度小，元件所需孔径小；同时该本发明可以加速多种离子，如质子、氦离子、碳离子等，能满足更多的治疗需求。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种紧凑型多离子同步加速器的总体布局图；

图2是本发明实施例提供的一种紧凑型多离子同步加速器的束流光学图；

图3是本发明实施例提供的一种紧凑型多离子同步加速器的束流包络图。

附图中各标记表示如下：

1-1：第一二极磁铁；1-2：第二二极磁铁；1-3：第三二极磁铁；1-4：第四二极磁铁；1-5：第五二极磁铁；1-6：第六二极磁铁；1-7：第七二极磁铁；1-8：第八二极磁铁；2-1：第一四极磁铁；2-2：第二四极磁铁；2-3：第三四极磁铁；2-4：第四四极磁铁；2-5：第五四极磁铁；2-6：第六四极磁铁；2-7：第七四极磁铁；2-8：第八四极磁铁；2-9：第九四极磁铁；2-10：第十四极磁铁；3-1：第一六极磁铁；3-2：第二六极磁铁；3-3：第三六极磁铁；3-4：第四六极磁铁；3-5：第五六极磁铁；3-6：第六六极磁铁；4-1：注入切割磁铁；4-2：第一引出切割磁铁；4-3：第二引出切割磁铁；5-1：注入静电偏转板；5-2：引出静电偏转板；6-1：第一注入凸轨磁铁；6-2：第二注入凸轨磁铁；6-3：第三注入凸轨磁铁；6-4：第一引出凸轨磁铁；6-5：第二引出凸轨磁铁；6-6：第三引出凸轨磁铁；7-1：引出激励；8-1～8-6：校正磁铁；9-1～9-8：束流位置探测器；10-1：高频腔。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

由于传统离子加速器治疗装置占地面积大、建设成本高。本发明提供紧凑型多离子同步加速器，包括对称的光学结构，对称的光学结构包括多个直线离子束段和多个弧线离子束段，直线离子束段分为长直节和短直节，长直节上布置有四极磁铁组件，每组四极磁铁组件包括两个四极磁铁，短直节上布置有单个四极磁铁，弧线离子束段上布置有二极磁铁，多个四极磁铁以及多个二极磁铁在顺时针方向上呈四折镜像对称的八边形结构。利用在光学上采用顺时针方向四折镜像对称的八边形结构，通过调整二极磁铁、四极磁铁之间的位置关系和强度设置，能够大幅减小了离子治疗同步加速器的周长和占地面积，并进一步压缩同步加速器磁铁和束诊元件尺寸，形成小束流包络，实现了同步环形加速器的小型化。

下面通过实施例对本发明的方案进行详细说明。

实施例

如图1-图3所示，本发明提供一种紧凑型多离子同步加速器，包括对称的光学结构，对称的光学结构包括多个直线离子束段和多个弧线离子束段，多个直线离子束段和多个弧线离子束段交替排列。多个直线离子束段沿顺时针方向依次为第一长直节、第一短直节、第二长直节、第三长直节、第四长直节、第二短直节、第五长直节、第六长直节。

第一长直节上布置有包括第一四极磁铁2-1和第二四极磁铁2-2构成的四极磁铁组件。第一短直节上布置有第三四极磁铁2-3。第二长直节上布置有包括第四四极磁铁2-4和第五四极磁铁2-5构成的四极磁铁组件。第四长直节上布置有包括第六四极磁铁2-6和第七四极磁铁2-7构成的四极磁铁组件。第二短直节上布置有第八四极磁铁2-8。第五长直节上布置有包括第九四极磁铁2-9和第十四极磁铁2-10构成的四极磁铁组件。

弧线离子束段上布置有二极磁铁，多个二极磁铁沿顺时针方向依次为第一二极磁铁1-1、第二二极磁铁1-2、第三二极磁铁1-3、第四二极磁铁1-4、第五二极磁铁1-5、第六二极磁铁1-6、第七二极磁铁1-7以及第八二极磁铁1-8，且第一二极磁铁1-1和第二二极磁铁1-2之间通过第一长直节相连接，并沿顺时针方向以此类推。

其中，第一二极磁铁1-1、第一四极磁铁2-1和第二四极磁铁2-2、第二二极磁铁1-2、第三四极磁铁2-3的二分之一构成光学单元A，第四二极磁铁1-4、第四四极磁铁2-4和第五四极磁铁2-5、第三二极磁铁1-3、第三四极磁铁2-3的另二分之一构成光学单元B，使光学单元A与光学单元B构成镜像对称的结构，并沿顺时针方向以此类推，使多个二极磁铁和多个四极磁铁沿顺时针方向构成“A-B-A-B”四折镜像的八边形结构。

进一步地，第一四极磁铁2-1、第三四极磁铁2-3、第五四极磁铁2-5、第六四极磁铁2-6、第八四极磁铁2-8以及第十四极磁铁2-10均为聚焦磁铁，用于对束流水平方向聚焦的同时对垂直方向散焦；第二四极磁铁2-2、第四四极磁铁2-4、第七四极磁铁2-7以及第九四极磁铁2-9均为散焦磁铁，用于对束流垂直方向聚焦的同时对水平方向散焦。

进一步地，各二极磁铁的偏转角度均为45度，边缘角的范围均为0～15度；

各四极磁铁组件中的聚焦四极磁铁的积分梯度场范围为0.1/m～1.0/m，散焦四极磁铁的积分梯度场的范围为-0.1/m～-1.0/m，所述第三四极磁铁和所述第八四极磁铁二分之一部分的积分梯度场范围均为0.1/m～1/m；

弧线离子束段上具有短直线节，该短直线节的长度范围为0.3～3m；

二极磁铁与相邻的四极磁铁间距范围为0.1～1m，且四极磁铁组件中的两个四极磁铁的间距范围为1～5m。

通过上述结构的设置，具备以下核心技术效果：

1、紧凑：光学采用独特的四折镜像对称的八边形结构，通过调整二极磁铁、四极磁铁之间的位置关系和强度设置，实现了小于36m的世界最短周长的同类型装置光学设计，相比于申请号为CN202210674413.2的发明专利中公开的光学设计，本发明将同步加速器周长进一步缩短近1/4，同步加速器直径仅12m，可以提供80～430MeV/u的碳离子束流，占地面积小于200㎡，大幅降低城市中成熟医院建设加速器治疗装置用地需求难度；速器建设成本与同步加速器周长成正比，本发明的同步加速器建设成本相比于已有同类型装置可降低1/3，不仅降低了医院和公司投资规模，有利于加速器治疗装置推广应用，而且传导至癌症患者的治疗费用也可以相应的降低，使加速器成为真正造福国计民生的普惠性癌症治疗方法；

2、束流包络小：经过优化后的光学，水平包络函数控制在7.5m以内，水平色散控制在3m以内，垂直包络函数整体控制在20m以内，相比于专利CN114867184A中公开的实例，水平方向包络函数下降40％，水平色散函数下降25％，同步加速器全环束流尺寸大幅减小，水平束流包络小于±45mm，垂直束流包络小于±20mm，可以进一步压缩同步加速器磁铁和束诊元件尺寸，减小了所需电源功率和体积，进而降低了加速器规模；

3、慢引出设计优势显著：同步加速器光学对称且工作点调节范围大，引出工作点接近5/3π，容易实现共振驱动与色品校正独立调节；全环Twiss参数变化平滑，包络起伏小，引出束在静电偏转板入口处负角度小，或是正角度，可减小静电偏转板所需踢角，降低硬件设计与加工难度；同时，环中束流引出前的最后三圈轨道振荡幅度小，元件所需孔径均在接受度范围内，无特殊孔径要求，有效减小磁元件的尺寸与重量；静电偏转板与切割铁置于光学水平包络函数较大位置处，在紧凑的空间内满足相移接近π/2，可以大幅降低静电偏转板的强度需求，相对于申请号为CN202210674413.2的发明专利中公开的光学设计慢引出***设计显著优化。

一种优选的实施方式为：紧凑型多离子同步加速器还包括注入***和引出***，具体设置如下：

注入***包括设置在第一长直节上的注入切割磁铁4-1以及注入静电偏转板5-1。注入切割磁铁4-1和注入静电偏转板5-1设置在第一四极磁铁2-1和第二四极磁铁2-2之间，且注入静电偏转板5-1位于注入切割磁铁4-1的下游。注入切割磁铁4-1用于将注入束流偏转接近至同步加速器束流接受度，注入静电偏转板5-1用于将经过注入切割磁铁偏转的束流再次进行偏转并送入同步加速器接受度内。

引出***包括第一引出切割磁铁4-2、第二引出切割磁铁4-3和引出静电偏转板5-2。第一引出切割磁铁4-2和第二引出切割磁铁4-3位于第六四极磁铁2-6和第七四极磁铁2-7之间设置在第四长直节上，且第二引出切割磁铁4-3位于第一引出切割磁铁4-2的下游。引出静电偏转板5-2设置在第三长直节上，引出静电偏转板5-2用于将同步加速器内部共振振幅增大的束流切割并偏离出同步加速器接受度，第一引出切割磁铁4-2和第二引出切割磁铁4-3用于将引出静电偏转板5-2分离的束流进一步向同步加速器外偏转并引出同步加速器。

进一步地，在第二长直节上布置有包括第一六极磁铁3-1和第二六极磁铁3-2构成的六极磁铁组件，第一六极磁铁3-1和第二六极磁铁3-2设置在第四四极磁铁2-4和第五四极磁铁2-5之间；

第三长直节上布置有第三六极磁铁3-3；

第五长直节上布置有包括第四六极磁铁3-4和第五六极磁铁3-5构成的六极磁铁组件，第四六极磁铁3-4和第五六极磁铁3-5设置在第九四极磁铁2-9和第十四极磁铁2-10之间；

第六长直节上布置有第六六极磁铁3-6；

其中，第一六极磁铁3-1和第四六极磁铁3-4用于垂直色品校正，第二六极磁铁3-2和第五六极磁铁3-5用于水平色品校正，第三六极磁铁3-3和第六六极磁铁3-6用于驱动共振慢引出。

进一步地，第五长直节上位于第四六极磁铁3-4和第五六极磁铁3-5之间布置有第一注入凸轨磁铁6-1。第六长直节上位于第六六极磁铁3-6的下游布置有第二注入凸轨磁铁6-2。第一短直节上位于第三四极磁铁2-3的下游布置有第三注入凸轨磁铁6-3。第一注入凸轨磁铁6-1、第二注入凸轨磁铁6-2以及第三注入凸轨磁铁6-3均用于注入过程中将束流接受度偏移至所述注入静电偏转板；

第二长直节上位于第一六极磁铁3-1和第二六极磁铁3-2之间布置有第一引出凸轨磁铁6-4。第四长直节上位于第七四极磁铁2-7和第二引出切割磁铁4-3之间布置有第二引出凸轨磁铁6-5。第二短直节上位于第八四极磁铁2-8的上游布置有第三引出凸轨磁铁6-6。第一引出凸轨磁铁6-4、第二引出凸轨磁铁6-5以及第三引出凸轨磁铁6-6均用于慢引出过程中将束流偏移至所述引出静电偏转板。

进一步地，第二长直节上布置有引出激励7-1。引出激励7-1布置在第一六极磁铁3-1和第一引出凸轨磁铁6-4之间，用于慢引出过程中将可控的增加束流发射度。

进一步地，第一长直节、第一短直节、第二长直节、第四长直节、第二短直节以及第五长直节上分别设有校正磁铁(8-1～8-6)。第一长直节、第一短直节、第二长直节、第三长直节、第四长直节、第二短直节、第五长直节以及第六长直节上分别布置有束流位置探测器(9-1～9-8)，第一长直节、第二长直节、第四长直节以及第五长直节上的束流位置探测器和对应长直节上的校正磁铁套叠设置(9-1和8-1、9-3和8-3、9-5和8-4、9-7和8-6)，第一短直节和第二短直节上的束流位置探测器和对应短直节上的校正磁铁套叠或分离设置(9-2和8-2、9-6和8-5)，第三长直节和第六长直节上的束流位置探测器和对应长直节上的六极磁铁套叠设置(9-4和3-3、9-8和3-6)。

进一步地，第六长直节上位于第六六极磁铁3-6和第二注入凸轨磁铁6-2之间布置有高频腔10-1，用于加速过程中向束流提供能量。

具体执行过程如下：

1、注入：来自直线加速器或回旋加速器的束流从注入切割磁铁4-1沿顺时针注入到同步加速器中，使束流由环外逐渐靠近同步加速器的接受度相空间，并进入注入静电偏转板5-1将束流送入同步加速器的接受度中，之后束流沿顺时针旋转。为了使束流可以被约束在同步加速器真空管道内，使用二极磁铁1-1～1-8对束流进行偏转，使束流轨迹形成闭合的圆。而为了避免束流发散，使用四极磁铁2-1～2-10对束流进行周期性约束，和光学透镜不同的地方在于四极磁铁2-1～2-10对束流水平方向聚焦的同时对垂直方向散焦，而对垂直方向聚焦的同时对水平方向散焦，光学设计的一个重要内容是合理的设置二极磁铁1-1～1-8以及四极磁铁2-1～2-10摆放的位置和强度，使水平方向和垂直方向均可以稳定的周期性聚散焦而没有不可控的发散；

2、加速：高频腔10-1是同步加速器的重要元件，用于产生高频交变电场，使束流每次经过高频腔都可以获得微小的加速，加速后束流速度增加，经过相同的磁场时偏转半径增大，不能再满足闭合轨道和聚焦的条件，会引起束流与真空壁碰撞而丢失，为了避免束流丢失，二极磁铁和四极磁铁中的磁场必须跟随束流的能量同步上升，保证束流轨道和聚散焦所用不变。束流经过几十万至几百万圈的加速后，能量增加到目标能量，就可以进行引出；

3、引出：采用慢引出方法，区别于快引出单圈即可将同步加速器中的束流全部引出，慢引出则是在几十万至几百万圈的时间里，将束流慢慢引出，用于工业辐照、癌症治疗等需要均匀束流扫描的领域，首先通过四极磁铁2-1～2-10将同步加速器水平工作点调整到1/3共振线附件，其次开启六极磁铁3-1～3-6，第一六极磁铁3-1和第四六极磁铁3-4用于垂直色品校正，第二六极磁铁3-2和第五六极磁铁3-5用于水平色品校正，第三六极磁铁3-3和第六六极磁铁3-6用于驱动共振慢引出，束流相空间变为三角形，满足三阶共振的条件，之后再慢引出激励7-1的作用下，束流振荡幅度可控的增加，从稳定区逐渐进入非稳定区，振荡幅度急剧增大，进入引出静电偏转板5-2，束流经过电场偏转作用而离开接受度，接下来依次进入引出切割磁铁(4-2～4-3)，束流逐渐远离同步加速器，完成束流的引出过程。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种紧凑型多离子同步加速器，其特征在于：所述紧凑型多离子同步加速器包括对称的光学结构、引出***以及注入***，对称的光学结构包括多个直线离子束段和多个弧线离子束段，多个所述直线离子束段和多个所述弧线离子束段交替排列，多个直线离子束段沿顺时针方向依次为第一长直节、第一短直节、第二长直节、第三长直节、第四长直节、第二短直节、第五长直节、第六长直节；

所述第一长直节上布置有包括第一四极磁铁和第二四极磁铁构成的四极磁铁组件，所述第一短直节上布置有第三四极磁铁，所述第二长直节上布置有包括第四四极磁铁和第五四极磁铁构成的四极磁铁组件，所述第四长直节上布置有包括第六四极磁铁和第七四极磁铁构成的四极磁铁组件，所述第二短直节上布置有第八四极磁铁，所述第五长直节上布置有包括第九四极磁铁和第十四极磁铁构成的四极磁铁组件；

所述弧线离子束段上布置有二极磁铁，多个二极磁铁沿顺时针方向依次为第一二极磁铁、第二二极磁铁、第三二极磁铁、第四二极磁铁、第五二极磁铁、第六二极磁铁、第七二极磁铁以及第八二极磁铁，且所述第一二极磁铁和第二二极磁铁之间通过所述第一长直节相连接；

其中，所述第一二极磁铁、第一四极磁铁和第二四极磁铁、第二二极磁铁、第三四极磁铁的二分之一构成光学单元A，所述第四二极磁铁、第四四极磁铁和第五四极磁铁、第三二极磁铁、第三四极磁铁的二分之一构成光学单元B，所述光学单元A与所述光学单元B为镜像对称，且多个所述二极磁铁和多个所述四极磁铁沿顺时针方向构成四折镜像对称的八边形结构；

所述第一四极磁铁、第三四极磁铁、第五四极磁铁、第六四极磁铁、第八四极磁铁以及第十四极磁铁均为聚焦磁铁，所述第二四极磁铁、第四四极磁铁、第七四极磁铁以及第九四极磁铁均为散焦磁铁；

所述注入***包括设置在所述第一长直节上的注入切割磁铁以及注入静电偏转板，所述注入切割磁铁和所述注入静电偏转板设置在所述第一四极磁铁和所述第二四极磁铁之间，且所述注入静电偏转板位于所述注入切割磁铁的下游，所述注入切割磁铁用于将注入束流偏转接近至同步加速器束流接受度，所述注入静电偏转板用于将经过注入切割磁铁偏转的束流再次进行偏转并送入同步加速器接受度内；

所述引出***包括第一引出切割磁铁、第二引出切割磁铁和引出静电偏转板，所述第一引出切割磁铁和所述第二引出切割磁铁位于所述第六四极磁铁和所述第七四极磁铁之间设置在所述第四长直节上，且所述第二引出切割磁铁位于所述第一引出切割磁铁的下游，所述引出静电偏转板设置在所述第三长直节上，所述引出静电偏转板用于将同步加速器内部共振振幅增大的束流切割并偏离出同步加速器接受度，所述第一引出切割磁铁和所述第二引出切割磁铁用于将所述引出静电偏转板分离的束流进一步向同步加速器外偏转并引出同步加速器；

所述第二长直节上布置有包括第一六极磁铁和第二六极磁铁构成的六极磁铁组件，所述第一六极磁铁和第二六极磁铁设置在所述第四四极磁铁和所述第五四极磁铁之间；

所述第三长直节上布置有第三六极磁铁；

所述第五长直节上布置有包括第四六极磁铁和第五六极磁铁构成的六极磁铁组件，所述第四六极磁铁和第五六极磁铁设置在所述第九四极磁铁和所述第十四极磁铁之间；

所述第六长直节上布置有第六六极磁铁；

其中，所述第一六极磁铁和所述第四六极磁铁用于垂直色品校正，所述第二六极磁铁和所述第五六极磁铁用于水平色品校正，所述第三六极磁铁和所述第六六极磁铁用于驱动共振慢引出。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型多离子同步加速器，其特征在于：

各二极磁铁的偏转角度均为45度，边缘角的范围均为0～15度；

各四极磁铁组件中的聚焦四极磁铁的积分梯度场范围为0.1/m～1.0/m，散焦四极磁铁的积分梯度场的范围为-0.1/m～-1.0/m，所述第三四极磁铁和所述第八四极磁铁二分之一部分的积分梯度场范围均为0.1/m～1/m；

所述弧线离子束段上具有短直线节，所述短直线节的长度范围为0.3～3m；

二极磁铁与相邻的四极磁铁间距范围为0.1～1m，且四极磁铁组件中的两个四极磁铁的间距范围为1～5m。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型多离子同步加速器，其特征在于：所述第五长直节上位于所述第四六极磁铁和所述第五六极磁铁之间布置有第一注入凸轨磁铁，所述第六长直节上位于所述第六六极磁铁的下游布置有第二注入凸轨磁铁，所述第一短直节上位于所述第三四极磁铁的下游布置有第三注入凸轨磁铁，所述第一注入凸轨磁铁、第二注入凸轨磁铁以及第三注入凸轨磁铁均用于注入过程中将束流接受度偏移至所述注入静电偏转板；

所述第二长直节上位于所述第一六极磁铁和所述第二六极磁铁之间布置有第一引出凸轨磁铁，所述第四长直节上位于所述第七四极磁铁和第二引出切割磁铁之间布置有第二引出凸轨磁铁，所述第二短直节上位于所述第八四极磁铁的上游布置有第三引出凸轨磁铁，所述第一引出凸轨磁铁、第二引出凸轨磁铁以及第三引出凸轨磁铁均用于慢引出过程中将束流偏移至所述引出静电偏转板。

4.根据权利要求3所述的一种紧凑型多离子同步加速器，其特征在于：所述第二长直节上布置有引出激励，所述引出激励布置在所述第一六极磁铁和所述第一引出凸轨磁铁之间，用于慢引出过程中将可控的增加束流发射度。

5.根据权利要求4所述的一种紧凑型多离子同步加速器，其特征在于：所述第一长直节、第一短直节、第二长直节、第四长直节、第二短直节以及第五长直节上分别设有校正磁铁。

6.根据权利要求5所述的一种紧凑型多离子同步加速器，其特征在于：所述第一长直节、第一短直节、第二长直节、第三长直节、第四长直节、第二短直节、第五长直节以及第六长直节上分别布置有束流位置探测器，第一长直节、第二长直节、第四长直节以及第五长直节上的所述束流位置探测器和对应长直节上的所述校正磁铁套叠设置，所述第一短直节和所述第二短直节上的所述束流位置探测器和对应短直节上的所述校正磁铁套叠或分离设置，所述第三长直节和所述第六长直节上的所述束流位置探测器和对应长直节上的所述六极磁铁套叠设置。

7.根据权利要求6所述的一种紧凑型多离子同步加速器，其特征在于：所述第六长直节上位于所述第六六极磁铁和所述第二注入凸轨磁铁之间布置有高频腔，用于加速过程中向束流提供能量。

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