[發明專利]射頻腔

有效

• 申請號: 201580063698.4
• 申請日: 2015-11-24
• 公開（公告）號: CN107211523B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: I·科諾利夫;G·伯特
• 申請（專利權）人: 牛津大學創新公司
• 主分類號: H05H7/06
• 分類號: H05H7/06;H05H13/10
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙志剛;趙蓉民

用于加速帶電粒子的射頻(RF)腔裝置(22)包括第一和第二腔臂(24，26)。第一和第二腔臂(24，26)具有相應的第一和第二旋轉對稱軸線(28，30)，并且每個腔臂包括至少一個單元(32，34；36，38)。第一和第二腔臂(24，26)通過諧振耦合器(40)連接。第一腔臂(24)的(一個或更多個)單元(32，34)具有等于第二腔臂(26)的(一個或更多個)單元(36，38)的對應軸向尺寸參數的軸向尺寸參數，并且第一腔臂(24)的(一個或更多個)單元(32，34)具有不同于第二腔臂(26)的(一個或更多個)單元(36，38)的對應的(一個或更多個)非軸向尺寸參數的至少一個非軸向尺寸參數。

技術領域

本發明大體涉及用于加速射頻(RF)腔中的帶電粒子的裝置和方法。在本發明的實施例中，可以使用射頻(RF)腔裝置來加速用于包括產生X射線和太赫茲輻射的各種應用的電子。

背景技術

加速粒子(例如產生X射線的電子)的常規方法使用直線粒子加速器將粒子加速到幾keV或幾MeV的能量。在典型的電子加速器中，常規的噴射器發出朝向目標(相互作用點)加速的電子束，其中，不同光譜的電磁輻射通過不同的裝置產生。之后，將電子束轉儲在經由軔致輻射撞擊時產生X射線輻射的收集器上。能量為0.12至12keV、波長為10至0.1nm的軟X射線可以以此方式在相互作用點或收集器處產生。近年來，諸如斯坦福直線加速器中心(SLAC)等直線加速器通常在電子束穿過包含分段RF腔的加速結構時，通過使用射頻(RF)場來逐漸加速電子束來實現約3GeV的電子能量。此些高能量電子束可以在使用同步的電場和磁場的存儲環中循環，并且例如用于提供包括X射線的同步加速器輻射源。這些極其亮(即高通量)的X射線可用于研究分子結構，產生許多生物醫學應用，諸如蛋白質晶體學。

雖然光源(如，SLAC的光源和英國的鉆石光源(Diamond light source))可以為研究人員提供非常硬和明亮的X射線進行實驗研究，但是此些設施非常大、運行成本高并且不容易對每個人都可用。鉆石光源位于周長738米、占地面積超過4.33萬平方米的環形建筑中。盡管來自同步加速器源的X射線可比例如由用于正常醫學成像的陰極射線管所產生的X射線亮度高十億倍，但是同步加速器源僅將電子能量的一小部分轉換為輻射。此外，自然同步加速器光不是單色的，并且其應用至例如相位對比成像可能需要使用復雜的插入裝置和其他技術。通常需要可以在更容易接近的規模上滿足學術和行業需求的替代X射線源和粒子加速器。

同步加速器光源的一種替代方案是基于直線加速器(直線加速器linac)的相干光源，諸如SLAC的直線加速器相干光源(LCLS)。該設施將直線粒子加速器與自由電子激光器(FEL)耦合以產生強烈的X射線。在自由電子激光器中，電子束本身用作激光介質。來自直線加速器的電子束被注入到波蕩器或“擺動器(wiggler)”——布置有沿光束相互作用路徑的交替極點的磁體陣列，以使電子束橫向輕微擺動，并以X射線形式激勵相干電磁輻射的發射。FEL輻射為單色和極其亮的——自放大自發發射的過程提取比同步加速器輻射大得多的電子能量。事實上，FEL X射線源可能比同步加速器光源亮度大好多數量級。

一些研究人員通過在電子束通過擺動器之后減速電子束，結合自由電子激光器來演示能量回收。英國達斯伯里(Daresbury)實驗室的ALICE加速器將能量回收直線加速器與產生中紅外范圍內光的自由電子激光器的波蕩器相耦接。在此提議中，當RF相位與初始加速相位完全相反時，廢(spent)電子束經由額外的光束路徑被返回到主直線加速器的入口，使得光束被減速并且能量可以被回收回到直線加速器RF腔內的電磁場。這種能量回收技術需要精確地調節電子束路徑長度，該調節通過移動整個光束路徑的弧度來實現。