[发明专利]匹配谐振腔的谐振频率与输入电压的频率

说明书

技术领域

本专利申请描述了匹配谐振腔的谐振频率与输入到该谐振腔的电压的频率。

背景技术

为了使带电粒子加速到高能量，已经开发了许多类型的粒子加速器。一种粒子加速器是回旋加速器。回旋加速器通过将交变电压施加到真空室中的一个或多个D形电极(dee)来加速轴向磁场中的带电粒子。名称“D形电极”是在早期回旋加速器中对电极形状的描述，尽管在一些回旋加速器中它们可能不类似字母D。由加速粒子产生的螺旋轨道垂直于磁场。随着粒子向外螺旋，加速电场被施加在所述D形电极之间的间隙处。射频(RF)电压产生穿过所述D形电极之间的间隙的交变电场。RF电压以及由此该场同步于磁场中的带电粒子的轨道周期，因此随着粒子重复地穿过所述间隙，粒子被射频波形加速。粒子的能量增加到超过所施加的RF电压的尖峰电压的能量级别。随着带电粒子加速，它们的质量(mass)由于相对论效应而增大。因此，粒子的加速变得不统一，并且粒子与所施加的电压的尖峰异步地到达所述间隙。

目前采用的两种回旋加速器，等时性回旋加速器和同步回旋加速器，以不同的方式克服了加速粒子的相对质量增加的挑战。该等时性回旋加速器使用恒定频率的电压，其磁场随着半径增加以便维持正常的加速。同步回旋加速器使用随着半径递增而递减的磁场并且改变加速电压的频率，以便匹配由带电粒子的相对速度造成的质量增加。

发明内容

在此描述一种同步回旋加速器，包括：磁轭，用于限定谐振腔；电源，用于向所述谐振腔提供输入电压；和反馈电路，用于控制所述电源，从而所述输入电压的频率基本上匹配所述谐振腔的谐振频率。所述同步回旋加速器也可以单独地或以组合方式包括下列特征中的一个或多个。

所述电源可以包括压控振荡器(VCO)。所述反馈电路可以包括：相位检测器，用于检测所述输入电压的频率与所述谐振频率之间的相位差。所述VCO可被配置成当所述相位差偏离预定值时，改变所述输入电压的频率。所述相位检测器可被配置成通过比较所述输入电压的频率与所述谐振腔中的电压或电流的谐振频率来检测所述相位差。

所述同步回旋加速器可以包括用于向所述相位检测器展示扫频频率范围上基本恒定的频率的电路。所述基本恒定的频率可以得自所述输入电压的频率和所述谐振频率。所述谐振频率可以在例如大约1毫秒(ms)的时间上在大约30兆赫兹(MHz)和大约300MHz(VHF)之间扫描。在一个示例中，所述频率可以在大约1ms内在95MHz和大约135MHz之间扫描。

所述同步回旋加速器可以包括：积分器，用于接收所述相位检测器的输出；和滤波器，用于基于所述相位检测器的输出而生成用于所述VCO的控制信号。当所述相位差偏离所述预定值时，所述控制信号可以是使得所述VCO改变所述输入电压的频率。所述滤波器可以包括低通滤波器，其具有与所述谐振频率的扫描时间成反比的截止频率。

所述同步回旋加速器可以包括用于改变所述谐振腔的谐振频率的调谐电路。所述调谐电路可以包括：可变电容电路，其是可旋转的；和/或可变电感电路。所述同步回旋加速器可以包括用于向所述谐振腔提供粒子的离子源。所述输入电压可以包括射频(RF)电压以便从所述谐振腔抽取粒子。所述RF电压和由磁轭引起的磁场的组合可以使得从所述谐振腔抽取的粒子加速。

在此还描述一种装置，包括：磁结构，用于限定谐振腔；用于向所述谐振腔提供粒子的源；电压源，用于向所述谐振腔提供射频(RF)电压；相位检测器，用于检测所述RF电压与所述谐振腔的随时间变化的谐振频率之间的相位差；和控制电路，其响应相位差控制所述电压源，从而所述RF电压的频率基本匹配于所述谐振腔的谐振频率。所述装置也可以单独地或以组合方式包括下列特征中的一个或多个。

所述控制电路可以包括：积分器，用于响应相位差而生成电流控制信号；和低通滤波器，用于响应所述电流信号生成用于所述电压源的电压控制信号。

所述谐振腔可以包括：第一D形电极，用于接收所述RF电压；和第二D形电极，其电接地。所述第一D形电极和所述第二D形电极之间的空间形成缝隙。所述第一D形电极和所述D形电极定义可调谐的谐振电路，该可调谐的谐振电路被配置成响应所述RF电压而产生穿过所述缝隙的振荡电场。电压/电流拾取元件可以与所述谐振腔关联，其可被用来获取所述谐振腔的瞬时频率和用于将电压/电流采样提供给所述相位检测器。