ES2558978T3 - Generador de formas de ondas de radiofrecuencia programable para un sincrociclotrón - Google Patents
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Abstract
Un sincrociclotrón (300) que comprende: polos magnéticos (4a, 4b) que tienen una separación (13) entre los mismos un generador de campo magnético para generar el campo magnético en la separación; una fuente de iones (18) para inyectar partículas cargadas en el sincrociclotrón; un generador de forma de onda programable (319) proporcionado para generar una entrada de tensión, estando la entrada de tensión en una frecuencia oscilante; un circuito resonante dispuesto para recibir la entrada de tensión, comprendiendo el circuito resonante: unos electrodos de aceleración (10 y 12), dispuestos entre los polos magnéticos (4a y 4b); y un elemento reactivo variable (28) en circuito con los electrodos (10 y 12) para variar la frecuencia de resonancia (602 y 604) del circuito resonante; estando el sincrociclotrón caracterizado por que el generador de forma de onda programable (319) es digital y está dispuesto para proporcionar la entrada de tensión a una frecuencia que varía a lo largo del tiempo de la aceleración de las partículas cargadas.
Description
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DESCRIPCION
Generador de formas de ondas de radiofrecuencia programable para un sincrociclotron Solicitudes relacionadas
Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud provisional de los EE.UU n.°. 60/590.089, presentada el 21 de julio de 2004.
Antecedentes de la invencion
Para acelerar partfculas cargadas a altas energfas, se han desarrollado muchos tipos de aceleradores de partfculas desde la decada de 1930. Un tipo de acelerador de partfculas es un ciclotron. Un ciclotron acelera partroulas cargadas en un campo magnetico axial mediante la aplicacion de una tension alterna a una o mas "des" en una camara de vado. El nombre "de" es descriptivo de la forma de los electrodos en los primeros ciclotrones, aunque no pueden parecerse a la letra D en algunos ciclotrones. El recorrido en espiral producido por las partfculas de aceleracion es normal al campo magnetico. Cuando las partroulas en espiral salen, se aplica un campo electrico de aceleracion en la separacion entre las des. La tension de la radiofrecuencia (RF) crea un campo electrico alterno a traves de la separacion entre las des. La tension de RF y, por lo tanto, el campo, se sincroniza con el perrodo orbital de las partfculas cargadas en el campo magnetico, de modo que las partfculas son aceleradas por la forma de onda de radiofrecuencia a medida que cruzan repetidamente la separacion. La energfa de las partfculas aumenta a un nivel de energfa muy por encima de la tension de pico de la tension aplicada de radiofrecuencia (RF). A medida que las partfculas cargadas se aceleran, sus masas crecen debido a los efectos relativistas. En consecuencia, la aceleracion de las partroulas se convierte en no uniforme y las partroulas llegan a la separacion de forma asrncrona con los picos de la tension aplicada.
Dos tipos de ciclotrones actualmente empleados, un ciclotron isocrono y sincrociclotron, superan el desafro de aumento de la masa relativista de las partroulas aceleradas de diferentes maneras. El ciclotron isocrono utiliza una frecuencia constante de la tension con un campo magnetico que aumenta con el radio para mantener la aceleracion adecuada. El sincrociclotron utiliza un campo magnetico decreciente al aumentar el radio y vana la frecuencia de la tension de aceleracion para coincidir con el aumento de la masa causada por la velocidad relativista de las partroulas cargadas. Por ejemplo, la patente US 4.641.057 divulga paneles de ajuste de accionamiento mecanico que vanan la frecuencia del campo de conduccion para compensar los efectos relativistas.
En un sincrociclotron, "haces" discretos de partroulas cargadas son acelerados a la energfa final antes de iniciar de nuevo el ciclo. En ciclotrones isocronos, las partroulas cargadas se pueden acelerar de forma continua, en lugar de en haces, permitiendo alcanzar una energfa del haz superior.
En un sincrociclotron, capaz de acelerar un proton, por ejemplo, a la energfa de 250 MeV, la velocidad final de los protones es de 0,61c, donde c es la velocidad de la luz, y el aumento de la masa es del 27% por encima de la masa en reposo. La frecuencia tiene que disminuir en una cantidad correspondiente, ademas de reducir la frecuencia para tener en cuenta la intensidad de campo magnetico radialmente decreciente. La dependencia de la frecuencia en el tiempo no sera lineal, y un perfil optimo de la funcion que describe esta dependencia dependera de un gran numero de detalles.
R. Schneider y J. Rainwater, IEEE Transactions on Nuclear Science, 16 (3): 430-433, 1969, divulga diversas tecnicas para corregir el comportamiento indeseable del circuito resonante, incluyendo la reduccion de la frecuencia y el factor de calidad de los modos no deseados. Estas soluciones, sin embargo, cambian en lugar de eliminar las restricciones a los parametros de funcionamiento del sincrociclotron, tales como el tipo de partroula, el rango de velocidades de partroulas, y la frecuencia de oscilacion del campo electrico. Alternativamente, la tension de aceleracion puede ser pulsada, tal como se divulga en I.B. Enchevich y T.N. Tomilina, traducido del Atomnaya Energiya, 26 (3): 285-287, 1969.
De acuerdo con un aspecto, se proporciona un sincrociclotron acuerdo con la reivindicacion 1.
Segun otro aspecto, se proporciona un metodo para producir un haz de partroulas en un sincrociclotron acuerdo con la reivindicacion 10.
El control preciso y reproducible de la frecuencia en el rango requerido por una energfa final deseada que compensa el aumento de la masa relativista y la dependencia del campo magnetico en la distancia desde el centro de la de ha sido historicamente un reto. Ademas, puede necesitar variarse la amplitud de la tension de aceleracion a lo largo del ciclo de aceleracion para mantener el enfoque y aumentar la estabilidad del haz. Por otra parte, las des y otros equipos que comprenden un ciclotron definen un circuito resonante, donde las des pueden considerarse los electrodos de un condensador. Este circuito resonante se describe mediante el factor Q, que contribuye al perfil de la tension a traves de la separacion.
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Un sincrociclotron para acelerar las partfculas cargadas, tales como protones, puede comprender un generador de campo magnetico y un circuito resonante que comprende electrodos, dispuesto entre los polos magneticos. Un espacio entre los electrodos se puede disponer a traves del campo magnetico. Una entrada de tension oscilante impulsa un campo electrico oscilante a traves de la separacion. La entrada de tension oscilante puede controlarse para variar en el tiempo la aceleracion de las partfculas cargadas. Cualquiera o ambas de la amplitud y la frecuencia de la entrada de tension oscilante se pueden variar. La entrada de tension oscilante puede generarse mediante un generador de forma de onda digital programable.
El circuito resonante incluye ademas un elemento reactivo variable en circuito con la entrada de tension y los electrodos para variar la frecuencia de resonancia del circuito resonante. El elemento reactivo variable puede ser un elemento de capacitancia variable tal como un condensador giratorio o una lamina vibrante. Mediante la variacion de la reactancia de este elemento reactivo y el ajuste de la frecuencia de resonancia del circuito resonante, las condiciones de resonancia se pueden mantener en el rango de frecuencia de funcionamiento del sincrociclotron.
El sincrociclotron puede incluir ademas un sensor de tension para medir el campo electrico oscilante a traves de la separacion. Al medir el campo electrico oscilante a traves de la separacion y compararlo con la entrada de tension oscilante, pueden detectarse condiciones de resonancia en el circuito resonante. El generador de forma de onda programable puede ser el ajuste de la entrada de tension y la frecuencia para mantener las condiciones de resonancia.
El sincrociclotron puede incluir ademas un electrodo de inyeccion, dispuesto entre los polos magneticos, bajo una tension controlada por el generador de forma de onda digital programable. El electrodo de inyeccion se utiliza para la inyeccion de partfculas cargadas en el sincrociclotron. El sincrociclotron puede incluir ademas un electrodo de extraccion, dispuesto entre los polos magneticos, bajo una tension controlada por el generador de forma de onda digital programable. El electrodo de extraccion se utiliza para extraer un haz de partfculas del sincrociclotron.
El sincrociclotron puede incluir ademas un monitor de haz para medir las propiedades del haz de partfculas. Por ejemplo, el monitor del haz puede medir la intensidad del haz de partfculas, el tiempo del haz de partfculas o la distribucion espacial del haz de partfculas. El generador de forma de onda programable puede ajustar al menos una de la entrada de tension, la tension en el electrodo de inyeccion y la tension en el electrodo de extraccion para compensar las variaciones en las propiedades del haz de partfculas.
Esta invencion tiene como objetivo tratar la generacion de las senales moduladas de la frecuencia y la amplitud variable adecuada para la inyeccion eficiente, mediante aceleracion, y la extraccion de partfculas cargadas desde un acelerador.
Breve descripcion de los dibujos
Los anteriores y otros objetos, caractensticas y ventajas de la invencion seran evidentes a partir de la siguiente descripcion mas particular de realizaciones preferidas de la invencion, como se ilustra en los dibujos adjuntos en los que caracteres de referencia similares se refieren a las mismas partes en todas las diferentes vistas. Los dibujos no estan necesariamente a escala, poniendose enfasis en su lugar en ilustrar los principios de la invencion.
La figura 1A es una vista en seccion transversal en planta de un sincrociclotron de la presente invencion.
La figura 1B es una vista en seccion transversal lateral del sincrociclotron que se muestra en la figura 1A.
La figura 2 es una ilustracion de una forma de onda idealizada que se puede utilizar para acelerar partfculas cargadas en un sincrociclotron que se muestra en las figuras 1A y 1B.
La figura 3 representa un diagrama de bloques de un sincrociclotron de la presente invencion que incluye un sistema generador de forma de onda.
La figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra los principios de operacion de un generador de forma de onda digital y un sistema de retroalimentacion adaptativo (optimizador) de la presente invencion.
La figura 5A muestra el efecto de la demora de propagacion finita de la senal a traves de diferentes trayectorias en una estructura de electrodo acelerador ("de").
La figura 5B muestra la temporizacion de forma de onda de entrada ajustada para corregir la variacion en el retardo de propagacion a traves de la estructura de "de".
La figura 6A muestra una respuesta de frecuencia, ilustrativa del sistema resonante con variaciones debido a los efectos de circuito parasitarios.
La figura 6B muestra una forma de onda calculada para corregir las variaciones en la respuesta de frecuencia debida a los efectos del circuito parasitarios.
La figura 6C muestra la respuesta de frecuencia "plana" resultante del sistema cuando la forma de onda mostrada en la figura 6B se utiliza como tension de entrada.
La figura 7A muestra una tension de entrada de amplitud constante aplicada a los electrodos de aceleracion que se muestran en la figura 7B.
La figura 7B muestra un ejemplo de la geometna del electrodo de aceleracion en la que la distancia entre los electrodos se reduce hacia el centro.
La figura 7C muestra la intensidad de campo electrico deseada y resultante en la separacion de los electrodos
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como una funcion del radio que logra una aceleracion estable y eficiente de las partfculas cargadas mediante la aplicacion de tension de entrada como se muestra en la figura 7A a la geometna del electrodo que se muestra en la figura 7B.
La figura 7D muestra amplitudes de tension de entrada como una funcion del radio que se corresponde directamente con la intensidad de campo electrico deseado y puede producirse utilizando un generador de forma de onda digital.
La figura 7E muestra una geometna paralela de los electrodos de aceleracion que da una proporcionalidad directa entre la tension aplicada y la intensidad de campo electrico.
La figura 7F muestra la intensidad de campo electrico deseada y resultante en la separacion de los electrodos como una funcion del radio que logra una aceleracion estable y eficiente de partfculas cargadas mediante la aplicacion de una tension de entrada como se muestra en la figura 7D a la geometna del electrodo se muestra en la figura 7E.
La figura 8A muestra un ejemplo de una forma de onda de la tension de aceleracion generada por el generador de forma de onda programable.
La figura 8B muestra un ejemplo de una senal de inyector de iones temporizado.
La figura 8C muestra otro ejemplo de una senal de inyector de iones temporizado.
Descripcion detallada de la invencion
Esta invencion se refiere a los dispositivos y metodos para generar las tensiones de aceleracion complejas temporizadas precisamente a traves de la separacion "de" en un sincrociclotron. Esta invencion comprende un aparato y un metodo para conducir la tension a traves de la separacion "de" mediante la generacion de una forma de onda espedfica, donde la amplitud, la frecuencia y la fase se controlan de una manera tal como para crear la aceleracion de partfculas mas eficaz dada la configuracion ffsica del acelerador individual, el perfil de campo magnetico, y otras variables que pueden o no pueden ser conocidas a priori. Un sincrociclotron necesita un campo magnetico decreciente para mantener el enfoque del haz de partfculas, modificando asf la forma deseada de la frecuencia de barrido. Hay finitos retardos de propagacion predecibles de la senal electrica aplicada al punto efectivo en la de, donde el haz de partfculas experimenta la aceleracion del campo electrico que conduce a la aceleracion continua. El amplificador se utiliza para amplificar la senal de radiofrecuencia (RF) que conduce a que la tension a traves de la separacion de tambien puede tener un desplazamiento de fase que vana con la frecuencia. Algunos de los efectos pueden no conocerse a priori, y puede solamente observarse despues de la integracion de todo el sincrociclotron. Ademas, la sincronizacion de la inyeccion de partfculas y la extraccion en una escala de tiempo de nanosegundos puede aumentar la eficacia de la extraccion del acelerador, reduciendo asf la radiacion parasita debido a las partfculas perdidas en las fases de aceleracion y de extraccion de la operacion.
Haciendo referencia a las figuras 1A y 1B, un sincrociclotron de la presente invencion comprende unas bobinas electricas 2a y 2b alrededor de dos polos magneticos 4a y 4b de metal separados configurados para generar un campo magnetico. Los polos magneticos 4a y 4b se definen mediante dos porciones opuestas de yugo 6a y 6b (mostradas en seccion transversal). El espacio entre los polos 4a y 4b define una camara de vado 8 o una camara de vado separada se puede instalar entre los polos 4a y 4b. La intensidad del campo magnetico es generalmente una funcion de la distancia desde el centro de la camara de vado 8 y esta determinada en gran medida por la eleccion de la geometna de las bobinas 2a y 2b y la forma y el material de los polos magneticos 4a y 4b.
Los electrodos de aceleracion comprenden "de" 10 y "de" 12, que tiene una separacion 13 entre los mismos. La de 10 esta conectado a un potencial de tension alterna cuya frecuencia se cambia de alta a baja durante el ciclo de aceleracion para tener en cuenta la masa relativista cada vez mayor de una partfcula cargada y campo magnetico radialmente decreciente (medido desde el centro de la camara de vado 8) producido por las bobinas 2a y 2b y las porciones polares 4a y 4b. El perfil caractenstico de la tension alterna en des 10 y 12 se muestran en la figura 2, y se describira en detalle a continuacion. La de 10 es una estructura de medio cilindro de interior hueca. La de 12, tambien conocida como la "de ficticia", no tiene por que ser una estructura cilmdrica hueca, ya que se basa en las paredes de la camara de vado 14. La de 12 como se muestra en las figuras 1A y 1B comprende una tira de metal, por ejemplo, cobre, que tiene una ranura cuya forma coincide con una ranura sustancialmente similar en la de 10. La de 12 puede conformarse para formar una imagen de espejo de la superficie 16 de la de 10.
La fuente de iones 18 que incluye un electrodo de fuente de iones 20, situado en el centro de la camara de vado 8, se proporciona para la inyeccion de partfculas cargadas. Unos electrodos de extraccion 22 se proporcionan para dirigir las partfculas de carga en el canal de extraccion 24, formando de este modo el haz 26 de las partfculas cargadas. La fuente de iones tambien puede montarse en el exterior e inyectar los iones de manera sustancialmente axial en la region de aceleracion.
Las des 10 y 12 y otras piezas de hardware que comprenden un ciclotron, definen un circuito resonante sintonizable en virtud de una entrada de tension oscilante que crea un campo electrico oscilante a traves de la separacion 13. Este circuito resonante puede sintonizarse para mantener el factor Q alto durante el barrido de frecuencias mediante el uso de unos medios de ajuste.
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Como se usa aqm, el factor Q es una medida de la "calidad" de un sistema resonante en su respuesta a las frecuencias cercanas a la frecuencia de resonancia. El factor Q se define como
donde R es la resistencia activa de un circuito resonante, L es la inductancia y C es la capacitancia de este circuito.
Los medios de ajuste pueden ser una bobina de inductancia variable o una capacitancia variable. Un dispositivo de capacitancia variable puede ser una lengueta vibrante o un condensador giratorio. En el ejemplo mostrado en las figuras 1A y 1B, los medios de ajuste son un condensador giratorio 28. El condensador giratorio 28 comprende unas cuchillas giratorias 30 accionadas mediante un motor 31. Durante cada cuarto de ciclo del motor 31, cuando las cuchillas 30 engranan con las cuchillas 32, la capacitancia del circuito resonante que incluye las "des" 10 y 12 y el condensador 28 giratorio aumenta y la frecuencia de resonancia disminuye. El proceso se invierte cuando las cuchillas se desengranan. Por lo tanto, la frecuencia resonante se cambia cambiando la capacitancia del circuito resonante. Esto sirve al proposito de reducir mediante un factor grande la potencia requerida para generar la alta tension aplicada a las "des" y necesaria para acelerar el haz. La forma de las cuchillas 3o y 32 puede mecanizarse para crear la dependencia de la frecuencia de resonancia requerida a tiempo.
La rotacion de la cuchilla se puede sincronizar con la generacion de frecuencia RF, de modo que variando el factor Q de la cavidad de RF, la frecuencia de resonancia del circuito resonante, definida por el ciclotron, se mantiene cerca de la frecuencia del potencial de tension alterna aplicada a las "des" 10 y 12.
La rotacion de las cuchillas puede controlarse mediante el generador de forma de onda digital, que se describe a continuacion con referencia a la figura 3 y a la figura 4, de una manera que mantiene la frecuencia de resonancia del circuito resonante proxima a la frecuencia de corriente generada por el generador de forma de onda digital. Alternativamente, el generador de forma de onda digital puede controlarse mediante un sensor de posicion angular (no mostrado) en el eje de rotacion del condensador 33 para controlar la frecuencia de reloj del generador de forma de onda para mantener la condicion resonante optima. Este metodo se puede emplear si el perfil de las cuchillas de engranaje del condensador giratorio esta precisamente relacionado con la posicion angular del eje.
Un sensor que detecta la condicion del pico de resonancia (no mostrada) se puede emplear tambien para proporcionar retroalimentacion al reloj del generador de forma de onda digital para mantener la mas alta coincidencia con la frecuencia de resonancia. Los sensores para detectar las condiciones de resonancia pueden medir la tension oscilante y la corriente en el circuito resonante. En otro ejemplo, el sensor puede ser un sensor de capacitancia. Este metodo puede acomodar pequenas irregularidades en la relacion entre el perfil de las cuchillas de engranaje del condensador de rotacion y la posicion angular del eje.
Un sistema de bombeo de vado 40 mantiene la camara de vado 8 a una presion muy baja para no dispersar el haz de aceleracion.
Para lograr la aceleracion uniforme en un sincrociclotron, la frecuencia y la amplitud del campo electrico a traves de la separacion "de" necesita variarse para tener en cuenta el aumento de masa relativista y la variacion radial (medido como la distancia desde el centro de la trayectoria en espiral de las particulas cargadas) del campo magnetico, asi como para mantener el foco del haz de particulas.
La figura 2 es una ilustracion de una forma de onda idealizada que puede ser necesaria para acelerar particulas cargadas en un sincrociclotron. Muestra solo unos pocos ciclos de la forma de onda y no representa necesariamente la frecuencia ideal y los perfiles de modulacion de amplitud. La figura 2 ilustra el tiempo que varia las propiedades amplitud y frecuencia de la forma de onda utilizada en un sincrociclotron dado. La frecuencia cambia de alta a baja cuando la masa relativista de las particulas aumenta, mientras que la velocidad de las particulas se acerca a una fraccion significativa de la velocidad de la luz.
La presente invencion utiliza un conjunto de convertidores de digital a analogico (DAC) de alta velocidad que pueden generar, a partir de una memoria de alta velocidad, las senales necesarias en una escala de tiempo de nanosegundos. Refiriendonos a la figura 1A, una senal de radiofrecuencia (RF) que acciona la tension a traves de la separacion de 13 y las senales que conducen a la tension en el electrodo inyector 20 y el electrodo extractor 22 puede generarse a partir de la memoria mediante los DACs. La senal del acelerador es una forma de onda de amplitud y frecuencia variable. Las senales de los inyectores y extractores pueden ser cualquiera de al menos tres tipos: continuas; senales discretas, tales como pulsos, que pueden operar en uno o mas periodos de la forma de onda del acelerador en sincronismo con la forma de onda del acelerador; o senales discretas, tales como los pulsos, que pueden operar en casos precisamente temporizados durante el barrido de frecuencia de forma de onda del acelerador en sincronismo con la forma de onda del acelerador. (Vease a continuacion con referencia a las figuras 8A-C).
La figura 3 representa un diagrama de bloques de un sincrociclotron 300 de la presente invencion que incluye un
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acelerador de parffculas 302, un sistema generador de forma de onda 319 y el sistema de amplificacion 330. La figura 3 muestra tambien un sistema de retroalimentacion adaptativo que incluye un optimizador 350. El condensador variable 28 opcional y el subsistema de accionamiento al motor 31 no se muestran.
Con referencia a la figura 3, el acelerador de parffculas 302 es sustancialmente similar al representado en las figuras 1A y 1B, e incluye una "de ficticia" (de conectada a tierra) 304, una "de" 306 y una horquilla 308, un electrodo de inyeccion 310, conectado a la fuente de iones 312, y unos electrodos de extraccion 314. Un monitor de haz 316 monitoriza la intensidad del haz 318.
El sincrociclotron 300 incluye un generador de forma de onda digital 319. El generador de forma de onda digital 319 comprende uno o mas convertidores de digital a analogico (DAC) 320 que convierten las representaciones digitales de formas de onda almacenadas en la memoria 322 en senales analogicas. El controlador 324 controla el direccionamiento de la memoria 322 a la salida de los datos apropiados y controla los DACs 320 a los que se aplican los datos en cualquier punto en el tiempo. El controlador 324 tambien escribe datos en la memoria 322. La interfaz 326 proporciona un enlace de datos a un ordenador externo (no mostrado). La interfaz 326 puede ser una interfaz de fibra optica.
La senal de reloj que controla la temporizacion del proceso de conversion "de analogico a digital" puede estar disponible como una entrada al generador de forma de onda digital. Esta senal se puede utilizar en conjuncion con un codificador de posicion del eje (no mostrado) en el condensador de rotacion (ver las figuras 1A y 1B) o un detector de condicion resonante para afinar la frecuencia generada.
La figura 3 ilustra tres DACs 320a, 320b y 320C. En este ejemplo, las senales desde los DACs 320a y 320b son amplificadas mediante unos amplificadores 328a y 328b, respectivamente. La senal amplificada desde el DAC 320a acciona la fuente de iones 312 y/o el electrodo de inyeccion 310, mientras que la senal amplificada desde el DAC 320b acciona los electrodos de extraccion 314.
La senal generada por el DAC 320c pasa al sistema de amplificacion 330, operado bajo el control del sistema de control del amplificador de RF 332. En el sistema de amplificacion 330, la senal del DAC 320c se aplica mediante el accionador de RF 334 al divisor de RF 336, que envfa la senal de RF para amplificarse mediante un amplificador de potencia de RF 338. En el ejemplo mostrado en la figura 3, se utilizan cuatro amplificadores de potencia, 338a, b, c y d. Cualquier numero de amplificadores 338 puede ser utilizado dependiendo del grado deseado de amplificacion. La senal amplificada, combinada mediante el combinador de RF 340 y filtrada por el filtro 342, sale del sistema de amplificacion 330 a traves del acoplador direccional 344, lo que garantiza que las ondas de RF no se reflejan de nuevo en el sistema de amplificacion 330. La potencia para el sistema de amplificacion de operacion 330 se suministra mediante la fuente de alimentacion 346.
A su salida del sistema de amplificacion 330, la senal desde el DAC 320c se pasa al acelerador de parffculas 302 a traves de red de adaptacion 348. La red de adaptacion 348 de la impedancia adapta una carga (acelerador de parffculas 302) y una fuente (sistema de amplificacion 330). La red de adaptacion 348 incluye un conjunto de elementos reactivos variables.
El sincrociclotron 300 puede incluir ademas un optimizador 350. Usando la medicion de la intensidad del haz 318 mediante el monitor de haz 316, el optimizador 350, bajo el control de un procesador programable puede ajustar las formas de onda producidas por los DACs 320a, b y c y su temporizacion para optimizar el funcionamiento del sincrociclotron 300 y lograr una optima aceleracion de las parffculas cargadas.
Los principios de funcionamiento del generador de forma de onda digital 319 y el sistema de retroalimentacion adaptativo 350 se describiran ahora con referencia a la figura 4.
Las condiciones iniciales para las formas de onda pueden calcularse a partir de principios ffsicos que gobiernan el movimiento de parffculas cargadas en el campo magnetico, a partir de la mecanica relativista que describe el comportamiento de una masa de parffculas cargadas, asf como de la descripcion teorica de campo magnetico como una funcion del radio en una camara de vacfo. Estos calculos se realizan en la etapa 402. La forma de onda teorica de la tension en la separacion de, RF (w, t), donde w es la frecuencia del campo electrico a traves de la separacion de y t es el tiempo, se calcula basandose en los principios ffsicos de un ciclotron, la mecanica relativista de un movimiento de parffculas cargadas, y la dependencia radial teorica del campo magnetico.
Las salidas de la practica de la teoffa pueden ser medidas y la forma de onda se puede corregir cuando el sincrociclotron opera bajo estas condiciones iniciales. Por ejemplo, como se describira a continuacion con referencia a las figuras 8A-C, la temporizacion del inyector de iones con respecto a la forma de onda de aceleracion puede variarse para maximizar la captura de las parffculas inyectadas en el haz acelerado de las parffculas.
La temporizacion de la forma de onda del acelerador se puede ajustar y optimizar, tal como se describe a continuacion, sobre una base de ciclo por ciclo para corregir los retardos de propagacion presentes en la disposicion ffsica del cableado de radiofrecuencia; la asimetffa en la colocacion o en la fabricacion de las des se puede corregir
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mediante la colocacion de la tension positiva pico mas cerca en el tiempo de la tension de pico negativa posterior o viceversa, creando en efecto una onda senoidal asimetrica.
En general, la distorsion de la forma de onda debida a las caractensticas del hardware puede corregirse mediante distorsion previa de la forma de onda teorica RF (w, t) utilizando una funcion de transferencia dependiente del dispositivo A, resultando asf en la forma de onda deseada que aparece en el punto espedfico en el electrodo de aceleracion, donde los protones estan en el ciclo de aceleracion. En consecuencia, y haciendo referencia de nuevo a la figura 4, en la etapa 404, se calcula una funcion de transferencia A (w, t) basandose en la respuesta medida experimentalmente del dispositivo para la tension de entrada.
En la etapa 405, una forma de onda que corresponde a una expresion RF (w, t)/A (w, t) se calcula y se almacena en la memoria 322. En la etapa 406, el generador de forma de onda digital 319 genera la forma de onda RF/A de la memoria. La senal de excitacion RF (w, t)/A (w, t) se amplifica en la etapa 408, y la senal amplificada se propaga a traves de todo el dispositivo 300 en la etapa 410 para generar una tension a traves de la separacion de en la etapa 412. Se dara una descripcion mas detallada de una funcion de transferencia representativa A (w, t) a continuacion con referencia a las figuras 6A-C.
Despues de que el haz haya alcanzado la energfa deseada, una tension precisamente temporizada se puede aplicar a un electrodo o dispositivo de extraccion para crear la trayectoria deseada del haz para extraer el haz del acelerador, donde se mide mediante el monitor del haz en la etapa 414a. La tension de RF y la frecuencia se miden mediante sensores de tension en la etapa 414b. La informacion sobre la intensidad del haz y la frecuencia RF se transmite de vuelta al generador de forma de onda digital 319, que ahora puede ajustar la forma de la senal de RF (w, t)/A (w, t) en la etapa 406.
Todo el proceso se puede controlar en la etapa 416 mediante el optimizador 350. El optimizador 350 puede ejecutar un algoritmo semi o totalmente automatico disenado para optimizar las formas de onda y el tiempo relativo de las formas de onda. El recocido simulado es un ejemplo de una clase de algoritmos de optimizacion que puede emplearse. Instrumentos de diagnostico en lmea pueden sondear el haz en diferentes etapas de aceleracion para proporcionar informacion para el algoritmo de optimizacion. Cuando se han encontrado las condiciones optimas, la memoria que contiene las formas de onda optimizadas puede fijarse y realizar una copia de seguridad para la operacion continua estable durante un cierto periodo de tiempo. Esta capacidad de ajustar la forma de onda exacta de las propiedades del acelerador individual disminuye la variabilidad de unidad a unidad en funcionamiento y puede compensar las tolerancias y las variaciones de fabricacion en las propiedades de los materiales utilizados en la construccion del ciclotron.
El concepto del condensador giratorio (tales como el condensador 28 que se muestra en las figuras 1A y 1B) se puede integrar en este esquema de control digital mediante la medicion de la tension y la corriente de la forma de onda de RF para detectar el pico de la condicion resonante. La desviacion de la condicion resonante puede alimentarse de vuelta al generador de forma de onda digital 319 (vease la figura 3) para ajustar la frecuencia de la forma de onda almacenada para mantener la condicion del pico de resonancia en todo el ciclo de aceleracion. La amplitud todavfa puede controlarse con precision, mientras se emplea este metodo.
La estructura del condensador de rotacion 28 (ver las figuras 1A y 1B) opcionalmente puede estar integrada con una bomba de vado turbomolecular, tal como la bomba de vado 40 que se muestra en las figuras 1A y 1B, que proporciona bombeo de vado a la cavidad del acelerador. Esta integracion se traducina en una estructura muy integrada y en ahorro de costes. El motor y el accionamiento para la bomba turbo pueden estar provistos de un elemento de retroalimentacion, tal como un codificador giratorio para proporcionar un control preciso sobre la velocidad y la posicion angular de las cuchillas giratorias 30, y el control de la unidad de motor se integrana con el generador de forma de onda 319 que controla el circuito para asegurar la correcta sincronizacion de la forma de onda de aceleracion.
Como se menciono anteriormente, la sincronizacion de la forma de onda de la entrada de tension oscilante puede ajustarse para corregir los retardos de propagacion que surgen en el dispositivo. La figura 5A ilustra un ejemplo de los errores de propagacion de la onda debido a la diferencia en las distancias R1 y R2 desde el punto 504 de entrada de RF a los puntos 506 y 508, respectivamente, en la superficie de aceleracion 502 del electrodo de aceleracion 500. La diferencia en las distancias R1 y R2 resulta en el retardo de la propagacion de la senal, que afecta a las partfculas a medida que aceleran a lo largo de una trayectoria en espiral (no mostrada) centrada en el punto 506. Si la forma de onda de entrada, representada por la curva 510, no tiene en cuenta el retardo de propagacion adicional causado por la distancia cada vez mayor, las partfculas pueden salir de sincronizacion con la forma de onda de aceleracion. La forma de onda de entrada 510 en el punto 504 sobre el electrodo de aceleracion 500 experimenta un retardo variable cuando las partfculas se aceleran hacia fuera desde el centro en el punto 506. Este retraso resulta en una tension de entrada que tiene una forma de onda 512 en el punto 506, pero una forma de onda 514 temporizada de manera diferente en el punto 508. La forma de onda 514 muestra un desplazamiento de fase con respecto a la forma de onda 512 y esto puede afectar al proceso de aceleracion. Como el tamano ffsico de la estructura de aceleracion (alrededor de 0,6 metros) es una fraccion significativa de la longitud de onda de la frecuencia de aceleracion (aproximadamente 2 metros), se experimenta un desplazamiento de fase significativo
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entre diferentes partes de la estructura de aceleracion.
En la figura 5B, la tension de entrada que tiene la forma de onda 516 se ajusta previamente con respecto a la tension de entrada descrita por la forma de onda 510 para tener la misma magnitud, pero de signo opuesto de retardo de tiempo. Como resultado, se corrige el retardo de fase causado por las diferentes longitudes de la trayectoria a traves del electrodo de aceleracion 500. Las formas de onda 518 y 520 resultantes estan ahora alineadas correctamente para aumentar la eficiencia del proceso de aceleracion de partfculas. Este ejemplo ilustra un simple caso de retardo de propagacion causado por uno efecto geometrico facilmente predecible. Puede haber otros efectos de temporizacion de formas de onda que se generan mediante la geometna mas compleja utilizada en el acelerador real, y estos efectos, si es que se pueden predecir o medir, pueden compensarse mediante el uso de los mismos principios ilustrados en este ejemplo.
Como se describio anteriormente, el generador de forma de onda digital produce una tension oscilante de entrada de la forma RF (w, t)/A (w, t), donde RF (w, t) es una tension deseada a traves de la separacion de y A (w, t) es una funcion de transferencia. Una funcion de transferencia A espedfica del dispositivo representativo se ilustra mediante la curva 600 en la figura 6A. La curva 600 muestra el factor Q como una funcion de la frecuencia. La curva 600 tiene dos desviaciones no deseadas a partir de una funcion de transferencia ideal, a saber, las depresiones 602 y 604. Estas desviaciones pueden ser causadas por efectos debido a la longitud ffsica de los componentes del circuito resonante, caractensticas auto-resonantes no deseadas de los componentes, u otros efectos. Esta funcion de transferencia puede ser medida y una tension de entrada de compensacion puede ser calculada y almacenada en la memoria del generador de forma de onda. Una representacion de esta funcion de compensacion 610 se muestra en la figura 6B. Cuando la tension de entrada compensada 610 se aplica al dispositivo 300, la tension resultante 620 es uniforme con respecto al perfil de tension deseado calculado para dar una aceleracion eficiente.
Otro ejemplo del tipo de efectos que pueden ser controlados con el generador de forma de onda programable se muestra en la figura 7. En algunos sincrociclotrones, la intensidad de campo electrico utilizado para la aceleracion puede seleccionarse para ser algo reducida, ya que las partfculas se aceleran hacia el exterior a lo largo de una trayectoria en espiral 705. Esta reduccion de la intensidad de campo electrico se realiza aplicando tension de aceleracion 700, que se mantiene relativamente constante, como se muestra en la figura 7A, en el electrodo de aceleracion 702. El electrodo 704 esta usualmente en el potencial de tierra. La intensidad de campo electrico en la separacion es la tension aplicada dividida por la longitud de la separacion. Como se muestra en la figura 7B, la distancia entre los electrodos de aceleracion 702 y 704 aumenta con el radio R. La intensidad de campo electrico resultante como una funcion o radio R se muestra como la curva 706 en la figura 7C.
Con el uso del generador de forma de onda programable, la amplitud de la tension de aceleracion 708 puede modularse de la manera deseada, como se muestra en la figura 7D. Esta modulacion permite mantener la distancia entre los electrodos de aceleracion 710 y 712, que se mantiene constante, como se muestra en la figura 7E. Como resultado, la misma intensidad de campo electrico resultante como una funcion del radio 714, que se muestra en la figura 7F, se produce como se muestra en la figura 7C. Aunque esto es un simple ejemplo de otro tipo de control sobre los efectos del sistema de sincrociclotron, la forma real de los electrodos y el perfil de la tension de aceleracion en comparacion con radio pueden no seguir este sencillo ejemplo.
Como se menciono anteriormente, el generador de forma de onda programable puede ser utilizado para controlar el inyector de iones (fuente de iones) para lograr la aceleracion optima de las partfculas cargadas mediante la temporizacion precisa de las inyecciones de partfculas. La figura 8A muestra la forma de onda de RF de aceleracion generada por el generador de forma de onda programable. La figura 8B muestra una senal del inyector temporizada de manera precisa ciclo por ciclo que puede accionar la fuente de iones de una manera precisa para inyectar un pequeno haz de iones en la cavidad del acelerador a intervalos controlados con precision para sincronizarse con el angulo de fase de aceptacion del proceso de aceleracion. Las senales se muestran en aproximadamente la alineacion correcta, ya que los haces de partfculas por lo general se desplazan a traves del acelerador en un angulo de desfase de 30 grados en comparacion con la forma de onda de campo electrico de RF para la estabilidad del haz. El momento actual de las senales en algun punto externo, como la salida de los convertidores de digital a analogico, puede no tener esta relacion exacta, ya que los retardos de propagacion de las dos senales es probable que sea diferente. Con el generador de forma de onda programable, la temporizacion de los pulsos de inyeccion puede variarse continuamente con respecto a la forma de onda de RF para optimizar el acoplamiento de los impulsos inyectados en el proceso de aceleracion. Esta senal puede activarse o desactivarse para activar el encendido y el apagado del haz. La senal tambien puede ser modulada a traves de tecnicas de cafda de pulsos para mantener una corriente de haz media requerida. Esta regulacion de corriente del haz se logra mediante la eleccion de un intervalo de tiempo macroscopico que contiene un numero de pulsos relativamente grande, del orden de 1000, y el cambio de la fraccion de pulsos que se habilitan durante este intervalo.
La figura 8C muestra un pulso de control de la inyeccion mas largo que corresponde a un numero multiple de ciclos de RF. Este pulso se genera cuando un haz de protones debe ser acelerado. El proceso de aceleracion periodica capta solo un numero limitado de partfculas que se aceleran a la energfa final y se extraen. El control de la sincronizacion de la inyeccion de iones puede resultar en una menor carga de gas y, en consecuencia, mejores condiciones de vacfo, lo que reduce los requisitos de bombeo de vacfo y mejora la alta tension y las propiedades de
perdida de haz durante el ciclo de aceleracion. Esto puede ser utilizado donde la temporizacion precisa de la inyeccion que se muestra en la figura 8B no se requiere para el acoplamiento aceptable de la fuente de iones para el angulo de fase de forma de onda de RF. Este enfoque inyecta iones para un numero de ciclos de RF que corresponde aproximadamente a la cantidad de "vueltas", que son aceptadas por el proceso de aceleracion en el 5 sincrociclotron. Esta senal tambien se activa o desactiva para activar el encendido y apagado del haz o modular la corriente de haz promedio.
Aunque esta invencion se ha mostrado y descrito particularmente con referencia a realizaciones preferidas de la misma, se entendera por los expertos en la tecnica que diversos cambios en forma y detalles pueden hacerse en la 10 misma sin apartarse del alcance de la invencion, abarcado por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (14)
- 5101520253035404550556065REIVINDICACIONES1. Un sincrociclotron (300) que comprende:polos magneticos (4a, 4b) que tienen una separacion (13) entre los mismos un generador de campo magnetico para generar el campo magnetico en la separacion; una fuente de iones (18) para inyectar partfculas cargadas en el sincrociclotron;un generador de forma de onda programable (319) proporcionado para generar una entrada de tension, estando la entrada de tension en una frecuencia oscilante;un circuito resonante dispuesto para recibir la entrada de tension, comprendiendo el circuito resonante:unos electrodos de aceleracion (10 y 12), dispuestos entre los polos magneticos (4a y 4b); yun elemento reactivo variable (28) en circuito con los electrodos (10 y 12) para variar la frecuencia deresonancia (602 y 604) del circuito resonante;estando el sincrociclotron caracterizado por que el generador de forma de onda programable (319) es digital y esta dispuesto para proporcionar la entrada de tension a una frecuencia que vana a lo largo del tiempo de la aceleracion de las partfculas cargadas.
- 2. El sincrociclotron de la reivindicacion 1, donde la frecuencia de la entrada de tension se ajusta para mantener condiciones de resonancia en el circuito resonante.
- 3. El sincrociclotron (300) de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que la amplitud de la tension es variada.
- 4. El sincrociclotron (300) de acuerdo con la reivindicacion 3, caracterizado por que incluye ademas uno o mas sensores para detectar condiciones de resonancia en el circuito resonante.
- 5. El sincrociclotron (300) de la reivindicacion 3, caracterizado por que incluye ademas:medios para controlar la reactancia del elemento reactivo variable (28) y ajustar la frecuencia de resonancia (602 y 604) del circuito resonante para mantener las condiciones resonantes.
- 6. El sincrociclotron (300) de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que incluye ademas un electrodo de extraccion (22) dispuesto entre los polos magneticos (4a y 4b) para extraer un haz de partfculas del sincrociclotron (300).
- 7. El sincrociclotron (300) de la reivindicacion 6, caracterizado por que incluye ademas un monitor de haz (316) para medir al menos una de la intensidad del haz de partfculas, la temporizacion del haz de partfculas, o la distribucion espacial del haz de partfculas; ydonde ademas al menos uno de la entrada de tension, la fuente de iones (18) y el electrodo de extraccion (22) se controlan para compensar las variaciones en el haz de partfculas.
- 8. El sincrociclotron (300) de acuerdo con la reivindicacion 7, caracterizado por que el generador de forma de onda programable (319) controla al menos uno de la fuente de iones (18) y el electrodo de extraccion (22) para compensar las variaciones en el haz de partfculas.
- 9. Un metodo para producir un haz de partfculas en un sincrociclotron (300) de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende:inyectar partfculas cargadas en el sincrociclotron (300) mediante la fuente de iones (18); aplicar una entrada de tension oscilante al circuito resonante; acelerar las partfculas cargadas;extraer las partfculas cargadas aceleradas (26) mediante un electrodo de extraccion (22) para formar un haz de partfculas; ycaracterizado por que la entrada de tension se hace variar en frecuencia mediante el generador de forma de onda digital programable a lo largo del tiempo de la aceleracion de las partfculas cargadas.
- 10. El metodo de la reivindicacion 9, caracterizado por que incluye ademas el ajuste de la frecuencia de la entrada de tension para mantener las condiciones de resonancia en el circuito resonante.
- 11. El metodo de la reivindicacion 9, caracterizado por que la amplitud de la tension de entrada es variada.
- 12. El metodo de la reivindicacion 9, caracterizado por que incluye ademas la deteccion de condiciones de resonancia en el circuito resonante.
- 13. El metodo de la reivindicacion 9, caracterizado por que incluye ademas el ajuste de la reactancia de un elemento reactivo variable (28) en circuito con la entrada de tension oscilante y los electrodos de aceleracion (10 y 12) para mantener las condiciones de resonancia en el circuito resonante.5 14. El metodo de la reivindicacion 9, caracterizado por que incluye, ademas, medir al menos una de la intensidaddel haz de partfculas, la temporizacion del haz, o la distribucion espacial del haz de partfculas mediante un monitor de haz; ycontrolar al menos uno de la entrada de tension oscilante, la fuente de iones (18) y el electrodo de extraccion (22) para compensar las variaciones en el haz de partfculas.10
- 15. El metodo de la reivindicacion 9, caracterizado por que el generador de forma de onda programable (319) controla al menos uno de la fuente de iones (18) y el electrodo de extraccion (22) para compensar las variaciones en el haz de partfculas.
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