專利名稱：匹配諧振腔的諧振頻率與輸入電壓的頻率的制作方法
技術領域：
本專利申請描述了匹配諧振腔的諧振頻率與輸入到該諧振腔的電壓的頻率。
背景技術：
為了使帶電粒子加速到高能量，已經(jīng)開發(fā)了許多類型的粒子加速器。一種粒子加 速器是回旋加速器?；匦铀倨魍ㄟ^將交變電壓施加到真空室中的一個或多個D形電極 (dee)來加速軸向磁場中的帶電粒子。名稱“D形電極”是在早期回旋加速器中對電極形狀 的描述，盡管在一些回旋加速器中它們可能不類似字母D。由加速粒子產(chǎn)生的螺旋軌道垂 直于磁場。隨著粒子向外螺旋，加速電場被施加在所述D形電極之間的間隙處。射頻(RF) 電壓產(chǎn)生穿過所述D形電極之間的間隙的交變電場。RF電壓以及由此該場同步于磁場中 的帶電粒子的軌道周期，因此隨著粒子重復地穿過所述間隙，粒子被射頻波形加速。粒子的 能量增加到超過所施加的RF電壓的尖峰電壓的能量級別。隨著帶電粒子加速，它們的質(zhì)量 (mass)由于相對論效應而增大。因此，粒子的加速變得不統(tǒng)一，并且粒子與所施加的電壓的 尖峰異步地到達所述間隙。目前采用的兩種回旋加速器，等時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對質(zhì)量增加的挑戰(zhàn)。該等時性回旋加速器使用恒定頻率的電壓，其 磁場隨著半徑增加以便維持正常的加速。同步回旋加速器使用隨著半徑遞增而遞減的磁場 并且改變加速電壓的頻率，以便匹配由帶電粒子的相對速度造成的質(zhì)量增加。

發(fā)明內(nèi)容
在此描述一種同步回旋加速器，包括磁軛，用于限定諧振腔；電源，用于向所述 諧振腔提供輸入電壓；和反饋電路，用于控制所述電源，從而所述輸入電壓的頻率基本上匹 配所述諧振腔的諧振頻率。所述同步回旋加速器也可以單獨地或以組合方式包括下列特征 中的一個或多個。所述電源可以包括壓控振蕩器(VCO)。所述反饋電路可以包括相位檢測器，用于 檢測所述輸入電壓的頻率與所述諧振頻率之間的相位差。所述VCO可被配置成當所述相位 差偏離預定值時，改變所述輸入電壓的頻率。所述相位檢測器可被配置成通過比較所述輸 入電壓的頻率與所述諧振腔中的電壓或電流的諧振頻率來檢測所述相位差。所述同步回旋加速器可以包括用于向所述相位檢測器展示掃頻頻率范圍上基本 恒定的頻率的電路。所述基本恒定的頻率可以得自所述輸入電壓的頻率和所述諧振頻 率。所述諧振頻率可以在例如大約1毫秒(ms)的時間上在大約30兆赫茲(MHz)和大約 300MHz (VHF)之間掃描。在一個示例中，所述頻率可以在大約Ims內(nèi)在95MHz和大約135MHz 之間掃描。所述同步回旋加速器可以包括積分器，用于接收所述相位檢測器的輸出；和濾 波器，用于基于所述相位檢測器的輸出而生成用于所述VCO的控制信號。當所述相位差偏 離所述預定值時，所述控制信號可以是使得所述VCO改變所述輸入電壓的頻率。所述濾波器可以包括低通濾波器，其具有與所述諧振頻率的掃描時間成反比的截止頻率。所述同步回旋加速器可以包括用于改變所述諧振腔的諧振頻率的調(diào)諧電路。所述 調(diào)諧電路可以包括可變電容電路，其是可旋轉(zhuǎn)的；和/或可變電感電路。所述同步回旋加 速器可以包括用于向所述諧振腔提供粒子的離子源。所述輸入電壓可以包括射頻(RF)電 壓以便從所述諧振腔抽取粒子。所述RF電壓和由磁軛引起的磁場的組合可以使得從所述 諧振腔抽取的粒子加速。在此還描述一種裝置，包括磁結(jié)構(gòu)，用于限定諧振腔；用于向所述諧振腔提供粒 子的源；電壓源，用于向所述諧振腔提供射頻(RF)電壓；相位檢測器，用于檢測所述RF電 壓與所述諧振腔的隨時間變化的諧振頻率之間的相位差；和控制電路，其響應相位差控制 所述電壓源，從而所述RF電壓的頻率基本匹配于所述諧振腔的諧振頻率。所述裝置也可以 單獨地或以組合方式包括下列特征中的一個或多個。所述控制電路可以包括積分器，用于響應相位差而生成電流控制信號；和低通 濾波器，用于響應所述電流信號生成用于所述電壓源的電壓控制信號。所述諧振腔可以包括第一 D形電極，用于接收所述RF電壓；和第二 D形電極，其 電接地。所述第一D形電極和所述第二D形電極之間的空間形成縫隙。所述第一D形電極 和所述D形電極定義可調(diào)諧的諧振電路，該可調(diào)諧的諧振電路被配置成響應所述RF電壓而 產(chǎn)生穿過所述縫隙的振蕩電場。電壓/電流拾取元件可以與所述諧振腔關聯(lián)，其可被用來 獲取所述諧振腔的瞬時頻率和用于將電壓/電流采樣提供給所述相位檢測器。在此還描述一種將諧振腔的諧振頻率與所述諧振腔的輸入電壓的頻率基本匹配 的電路。所述諧振頻率隨時間變化。所述電路包括相位檢測器，用于檢測所述諧振頻率與 所述輸入電壓之間的相位差。所述相位檢測器用于輸出與所述差對應的第一信號。積分器 和濾波電路被配置成響應所述第一信號而生成控制信號。壓控振蕩器被配置成響應所述控 制信號來調(diào)節(jié)所述輸入電壓。所述電路也可以單獨地或以組合方式包括下列特征中的一個 或多個。所述相位檢測器可被配置成從所述諧振腔的電壓或者從所述諧振腔的電流獲取 所述諧振頻率。所述諧振頻率可以在預定時間內(nèi)在大約30MHz和300MHz的頻率范圍上掃 描。在一個示例中，所述掃描可以在大約95MHz與大約135MHz之間。所述積分器和濾波電 路可以包括具有與所述預定時間成反比的截止頻率的低通濾波器。所述諧振腔可以是被配 置成加速來自所述諧振腔的質(zhì)子的同步回旋加速器的一部分。所述電路可以包括與所述諧振腔關聯(lián)的拾取元件。所述拾取元件可用于獲取與所 述諧振頻率對應的信號。所述相位檢測器可用于接收來自所述拾取元件的信號。所述拾取 元件可以是電容性的，并且所述信號可以包括電壓信號。所述拾取元件可以是電感性的，并 且所述信號可以包括電流信號。在此還描述一種將諧振腔的諧振頻率與所述諧振腔的輸入電壓的頻率匹配的方 法，其中所述諧振頻率隨時間變化。所述方法包括檢測所述諧振頻率與所述輸入電壓之間 的相位差，其中第一信號對應于所述差；響應所述第一信號生成控制信號；和響應所述控 制信號調(diào)節(jié)所述輸入電壓。所述方法也可以單獨地或以組合方式包括下列特征中的一個或 多個。檢測相位差的步驟可以包括從所述諧振腔的電壓和所述諧振腔的電流中的一個獲取所述諧振頻率。所述諧振頻率在大約的預定時間內(nèi)在大約30MHz和大約300MHz之間的 頻率范圍上掃描。所述控制信號可以是具有與所述預定時間成反比的截止頻率的低通濾波 器。所述諧振腔可以是被配置成加速來自所述諧振腔的質(zhì)子的同步回旋加速器的一部分。所述方法可以包括獲取與所述諧振頻率對應的信號。所述諧振頻率與所述輸入電 壓之間的相位差可以是基于與所述諧振頻率對應的信號來確定的。上面不限于供同步回旋加速器使用，而是相反可以供任何類型的回旋加速器使 用。可以組合上面特征中的任意一個或多個。附圖以及下面的描述中闡述了一個或多個示例的詳細內(nèi)容。從說明書、附圖以及 權利要求書中，其它特征、方面和優(yōu)點將變得明顯。


圖IA是同步回旋加速器的剖面圖。圖IB是圖IA中所示的同步回旋加速器的側(cè)剖面圖。圖2是可用來在圖IA和圖IB的同步回旋加速器中加速帶電粒子的理想波形的圖
7J\ ο圖3是可在圖IA和圖IB的同步回旋加速器中使用的控制電路的方框圖。圖4是示出同步回旋加速器的諧振腔中的諧振頻率的頻率范圍(frequency sweep)的圖。圖5包括示出在圖3的控制電路中使用的相位檢測器響應于兩個輸入的輸出的時 序圖。圖6是可在圖IA和圖IB的同步回旋加速器中使用的替換控制電路的方框圖。
具體實施例方式在此描述了一種基于同步回旋加速器的系統(tǒng)。然而，在此描述的電路和方法可與 任何類型的回旋加速器一起使用。參考圖IA和圖1B，同步回旋加速器包括圍繞兩個間隔開的金屬磁極4a和4b的電 線圈2a和2b，其中該金屬磁極4a和4b被配置成產(chǎn)生磁場。磁極4a和4b由兩個相對的 軛部分6a和6b限定(如剖面圖中所示)。磁極4a和4b之間的間距限定真空室8，或者單 獨的真空室可被安裝在磁極4a和4b之間。磁場強度通常是距真空室8的中心的距離的函 數(shù)，并且主要通過選擇線圈2a和2b的幾何形狀以及磁極4a和4b的形狀和材料來確定。加速電極被限定為D形電極10和D形電極12，它們之間具有間隙13。D形電極 10連接交變電壓電勢，其中該交變電壓電勢的頻率在加速周期期間從高變低以便解決帶電 粒子的相對質(zhì)量增加以及由線圈2a和2b以及磁極4a和4b產(chǎn)生的磁場(從真空室8的中 心測量的)沿半徑減小。D形電極10和12中的交變電壓的特性特征如圖2所示，并且將在 下面詳細討論。在這個示例中，D形電極10是半圓柱結(jié)構(gòu)(其是內(nèi)部中空的)。D形電極 12 (也稱作“虛擬D形電極”)不是必須為中空圓柱形結(jié)構(gòu)，這是因為它在真空室壁14處接 地。如圖IA和圖IB所示的D形電極12包括金屬(例如銅)條，具有被成型用來匹配D形 電極10中的基本相似縫隙的縫隙。D形電極12可被成型用來形成D形電極10的表面16的鏡像。包括離子源電極20的離子源18位于真空室8的中心處，并且被操作來提供帶電 粒子。提取電極22將帶電粒子導入提取通道24，從而形成帶電粒子束26。離子源也可是 外部安裝的，并且向加速區(qū)基本軸向地提供離子。離子源可以是美國專利申請第11/948662 號(發(fā)明名稱為 “Interrupted Particle Source (代理號 17970-010001) ”)中公開的類 型，其內(nèi)容并入于此作為參考，就像其完整闡述于此。同步回旋加速器中包括的D形電極10和12以及其它硬件塊在形成穿過間隙13 的振蕩電場的振蕩電壓輸入下限定可調(diào)諧諧振電路。其結(jié)果是真空室8中的諧振腔。在頻 率掃描期間，可以通過使用調(diào)諧機制將諧振腔的該諧振頻率調(diào)諧成保持它的Q因子較高。 在一個示例中，諧振腔的諧振頻率在大約1毫秒(ms)內(nèi)在大約30兆赫茲(MHz)和大約 300MHz (傳統(tǒng)VHF)之間移動或“掃描”。在另一個示例中，諧振腔的諧振頻率在大約1毫秒 (ms)內(nèi)在大約95MHz和大約135MHz之間移動或“掃描”。Q因子是諧振系統(tǒng)以其對接近諧振頻率的頻率的響應的“質(zhì)量”的測度。在這個示 例中，Q因子被定義為Q = 1/Rx7(L/C)，其中R是諧振電路的有效電阻，L是電感，C是諧振電路的電容。調(diào)諧機構(gòu)例如可以是可變電感線圈或者可變電容器?？勺冸娙萜骷梢允钦窕?(vibrating reed)或旋轉(zhuǎn)電容器。在圖IA和圖IB中示出的例子中，調(diào)諧機構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)電 容器28。旋轉(zhuǎn)電容器28包括由電機31驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)撥片30。在電機31的每個四分之一周 期期間，由于披片30與撥片32嚙合，因此包括D形電極10和12以及旋轉(zhuǎn)電容器28的諧 振電路的電容增加，并且諧振頻率減小。隨著撥片去嚙合，所述過程相反。因此，通過改變 諧振電路的電容來改變諧振頻率。這適合于以下意圖即，通過較大因子來減小用于產(chǎn)生施 加到所述D形電極的高電壓所需的功率，并且必須加速粒子束。撥片30和32的形狀可被 機械加工以便產(chǎn)生所需的諧振頻率與時間的關系。撥片旋轉(zhuǎn)可以與RF頻率生成同步，因此，通過改變諧振腔的Q因子，由同步回旋加 速器限定的諧振電路的諧振頻率被保持接近于施加到諧振腔的交變電壓電勢的頻率。真空泵系統(tǒng)40將真空室8維持在非常低的壓力以便不分散加速束。為了在同步回旋加速器中實現(xiàn)均勻加速，穿過D形電極間隙的電場的頻率和幅度 被變化用來解決相對質(zhì)量增加和磁場的徑向變化以及維持粒子束的聚焦。磁場的徑向變化 被測量為距帶電粒子的螺旋軌道的中心的距離。圖2是在同步回旋加速器中可用于加速帶電粒子所需的理想化波形的圖解。它僅 示出了一些周期的波形，并且并不必表示理想的頻率和幅度調(diào)制特性。圖2圖示了在同步 回旋加速器中使用的波形隨時間變化的幅度和頻率屬性。隨著粒子的相對質(zhì)量的增加，頻 率從高變低，同時粒子速度接近光速的有效部分。在同步回旋加速器粒子加速器中，當粒子獲得能量時，它們的頻率隨時間相對快 速地變化。為了相應地改變同步回旋加速器的諧振頻率，同步回旋加速器的電容和/或電 感屬性機械地變化，如上所述(例如使用旋轉(zhuǎn)電容器31)。為了生成穿過D形電極的間隙的 電壓(其在諧振頻率變化時確保粒子獲得足夠能量而加速到全速)，在整個粒子束加速期 間應當將功率傳送到諧振腔。為使用少量功率實現(xiàn)所需的電壓，輸入(或所施加)的RF電壓的頻率應當匹配諧振腔的諧振頻率。在同步回旋加速器中可以采用數(shù)字鎖相環(huán)技術以便將輸入RF電壓的頻率與諧振 腔的諧振頻率基本上匹配。在本上下文中，基本上匹配包括精確匹配或者足夠接近獲得精 確匹配的相似好處的匹配。如上所述，諧振腔的諧振頻率可以以相對高的速度速率在寬范圍上變化；在一個 示例中，諧振頻率可以在Ims中掃描40MHz。示例鎖相環(huán)技術中所使用的控制系統(tǒng)包括閉環(huán) 反饋電路，用于檢測輸入RF電壓的頻率與諧振腔的諧振頻率之間的相位差，生成與所述相 位差成比例的誤差信號，和驅(qū)動寬帶壓控振蕩器(VCO)來調(diào)節(jié)輸入RF電壓的頻率以便維持 諧振。為此目的使用在此描述的鎖相環(huán)的一個優(yōu)點是在其實現(xiàn)方式中使用的電路可以被放 置成與同步回旋加速器的粒子束真空室足夠遠以致在其輻射場之外。圖3示出了控制系統(tǒng)40的示例，該控制系統(tǒng)40可被用來將輸入RF電壓的頻率與 圖IA和圖IB的同步回旋加速器中的諧振腔38(真空室8)的諧振頻率相匹配?？刂葡到y(tǒng) 40包括相位檢測器41、積分電流電壓轉(zhuǎn)換環(huán)路濾波器42和VCO 44。相位檢測器41可以是任意類型的相位檢測電路，其能夠識別兩個輸入信號的頻 率之間的相位差。相位檢測器41在這個示例中以硬件來實現(xiàn)；然而，在其它示例中，相位檢 測器可以使用軟件來實現(xiàn)。輸入信號可以包括諸如兩個電壓信號或者電壓信號和電流信號 之類的信號的任何組合。相位檢測器41的輸出是對應于所檢測到的相位差的信號。在這 個示例中，相位檢測器41的輸出是具有與所檢測到的相位差對應的長度的電流脈沖。積分電流電壓轉(zhuǎn)換環(huán)路濾波器42包括用于在時間上對來自相位檢測器41的電流 脈沖求和的積分器和用于根據(jù)積分的電流脈沖生成用于VCO 44的電壓控制信號的環(huán)路濾 波器。環(huán)路濾波器42的傳遞函數(shù)是阻抗，這是因為積分電流電壓轉(zhuǎn)換環(huán)路濾波器42將相 位檢測器的開關電流轉(zhuǎn)換為用于VCO的電壓。在一個示例中，該傳遞函數(shù)可以是 其中R1和C1是環(huán)路濾波器的電阻值和電容值。環(huán)路濾波器的帶寬通過R1和C1的組合來設置，并且可以具有大約為VCO的調(diào)制 限值的1/3的值。該值可被設置為給予VCO 44足夠的時間響應輸入控制信號，以便維持環(huán) 路穩(wěn)定。而且，積分電流電壓轉(zhuǎn)換環(huán)路濾波器42的輸出可以被低通濾波例如以去除高頻噪 聲。低通濾波器可以是電阻電容(RC)電路，其是積分電流電壓轉(zhuǎn)換環(huán)路濾波器42的一部 分或與積分電流電壓轉(zhuǎn)換環(huán)路濾波器42分離。低通濾波器的截止頻率可以基于諧振腔的 諧振頻率的掃描時間(swe印time, τ sweep)。掃描時間是指諧振頻率移動或“掃描”整個所 有可能頻率(例如在95MHz和135MHz之間)所花費的時間。低通濾波器的截止頻率可以 通過下列等式來定義 前面的配置使得控制電路40能夠遵循在圖4的特定掃描時間τ sweep 43上近似線 性的頻率掃描，同時減小穩(wěn)定狀態(tài)響應中不期望的振蕩。VCO 44是電子振蕩器，其被輸入電壓信號控制成在特殊頻率處振蕩。在這種情況 下，輸入電壓信號是積分電流電壓轉(zhuǎn)換環(huán)路濾波器42的輸出電壓。VCO 44的輸出電壓被施加到諧振腔(例如，D形電極10)，如圖3中所示。VCO 44的輸出電壓也被施加到相位檢測 器41的輸入。在控制系統(tǒng)40的操作期間，諧振腔中的拾取元件獲取與諧振腔的諧振頻率對應 的信號。由于在諧振時電壓和電流同相，因此該信號可以或者是電壓信號，或者是電流信 號。諧振腔中的電容性電路可被用來獲取電壓信號。諧振腔中的電感性電路可被用來獲取 電流信號。在這種實現(xiàn)中，在諧振腔中幾乎沒有電流；因此，電容性電路(例如，一個或多個 電容器)獲取電壓信號。電壓信號被施加到相位檢測器41的輸入45。相位檢測器41的另一輸入46接收 VCO 44的輸出(即，到諧振腔的輸入RF電壓)。所述信號具有0°的相位差，因此如果VCO 輸出的頻率匹配諧振腔的諧振頻率(隨時間變化)，則所述信號同相。如果兩者不匹配或者 在例如由相位檢測器41限定的預定偏差內(nèi)，則相位檢測器41輸出電流脈沖。該電流脈沖 具有與由相位檢測器檢測到的相位差成比例的寬度，并且被標記為表示VCO輸出(輸入46) 是領先還是滯后諧振頻率(輸入45)。在圖5中示出了相位檢測器41響應于輸入49和50 的示例輸出47。積分電流電壓轉(zhuǎn)換環(huán)路濾波器42包括積分器，其接收相位檢測器41的輸出電流 脈沖并且在時間上對輸出電流脈沖求和。得到的總和被施加到內(nèi)部環(huán)路濾波器，其中，該內(nèi) 部環(huán)路濾波器生成用于VCO 44的電壓控制信號。該電壓控制信號被低通濾波以便去除例 如高頻噪聲分量，并且被施加到VC044。VCO 44生成輸出RF電壓以便基本上補償先前輸入 電壓頻率與先前諧振腔頻率之間的差。例如，相位差越大，則VCO 44的輸出RF電壓越大。 VC044的輸出被提供給諧振腔，例如，被提供給D形電極10和被提供給相位檢測器41的輸 入45。對于新的輸入電壓和諧振腔頻率重復上述處理。在一種實施方式中，控制系統(tǒng)40的開環(huán)傳遞函數(shù)如下 c —kd*kv*covR\C、S + kdkvcov- C1C2^4 +(C1 + RxCxC+C^vS1其中kd是用于實現(xiàn)相位檢測器的鎖相環(huán)路(PLL)芯片的電流增益，kv是VCO的增 益，ων是VCO的調(diào)制頻率限值，Rl和Cl是積分器的電阻性元件和電容性元件，以及R2和 C2是低通濾波器的電阻性元件和電容性元件。在此描述的控制系統(tǒng)不限于與圖IA和圖IB的同步回旋加速器或者甚至是普通的 同步回旋加速器一起使用，而是相反，可以在下述任意類型的回旋加速器中使用其中在該 任意類型的回旋加速器中諧振腔的諧振頻率具有相對高的回轉(zhuǎn)速率(slew rate)，S卩，以在 大約一或幾毫秒內(nèi)幾十兆赫茲的級別掃描的頻率。而且，在此描述的控制系統(tǒng)不限于圖3中所示的特定配置。而是，可以使用實現(xiàn)相 同、或相似功能的任何電路來實現(xiàn)所述控制系統(tǒng)。圖6示出了可在回旋加速器(例如圖IA和圖IB的同步回旋加速器)中實現(xiàn)的控 制系統(tǒng)55的另一示例。圖6的示例使用混頻電路(本文中稱作“混頻器”)以便向相位檢 測器展示在諧振腔56被掃描的基本整個頻率范圍(在一個示例中，在大約1毫秒(ms)內(nèi) 在大約95兆赫(MHz)和大約135MHz之間)上基本恒定的頻率。在圖6中，壓控振蕩器(VCO) 59的輸出57 (f2)(被施加到諧振腔56)也與基本恒 定的頻率60^)(可被信號生成電路61施加)混頻。在這個示例中，混頻器62用作正弦波乘法器。將如下兩個正弦波和f2相乘f1 = Asin (ω^+ θ》禾口 f2 = Bsin (ω 2t+ θ 2)會產(chǎn)生信號64 (f3)，該信號由兩個原始信號頻率f\、f2之和與之差組成/3 = /J2 二 — (cos(0丨-ω2) + φλ)- cos((iy+ ty2+ φ2))
2 ,其中^ = θ「θ 2以及Φ2 = θ 1+ θ 2。信號f3經(jīng)由低通濾波器65低通濾波而 產(chǎn)生濾波信號f4，如下/4 =— cosCCiy, -ω2) + φ:)由于VCO 59的輸出是隨時間變化的頻率，因此諧振腔56的諧振頻率ω2隨時間 變化，并且混頻器62的輸出也隨時間變化。諧振腔的輸出f5如下f5 = Csin ( ω 2t+ θ 3)經(jīng)由混頻器70和71，濾波信號& 66分別與諧振腔輸入f2 57和諧振腔輸出f5 69 混頻以產(chǎn)生兩個信號f6、f7，如下/6 =/2/4 =^-(Cos((2*ty2 + -φ、-90)-cos(6V + 02 +φ, +90))
4禾口
Λ Γ1/7 =fj5-2ω2) -θ, +φ, + 90)-cos(cy/+ ^3 +Φχ +90))4。帶通濾波器70和71在中心頻率ω 處分別對信號f6和f7進行帶通濾波以產(chǎn)生 信號f8 76和f9 77，如下:
AB2/8 = 一^_cos(ay + θ2+φ,+ 90))和
Anr/9 =CosO1 + 沒3 + 辦 + 90))在這個例子中，為了執(zhí)行頻率跟蹤，相位檢測器80確定在諧振腔輸入57和諧振腔 輸出69之間的相位差并且將該差驅(qū)動至大約為零。在信號f5和f6的相位分量中的差Θ 如下Θ = ( θ 2+φ1+90)-( θ 3+Φ !+90) = θ 2-θ 3。這是諧振腔56的輸入57與輸出69之間的相位差。在這種情況下，到相位檢測器 80的輸入信號的頻率在任何時刻t在頻率Q1處基本恒定，而不管輸出頻率ω2如何。相 位檢測器80的輸出通過環(huán)路濾波器81并且以與參考圖3描述的相同方式被處理。在此描述的不同實施方式的組件可被組合來形成上面未具體闡述的其它實施例。 在此未具體描述的其它實施方式也在所述權利要求的范疇之內(nèi)。
1權利要求
一種同步回旋加速器，包括磁軛，用于限定諧振腔；電源，用于向所述諧振腔提供輸入電壓；和反饋電路，用于控制所述電源，從而所述輸入電壓的頻率基本上匹配所述諧振腔的諧振頻率。
2.如權利要求1所述的同步回旋加速器，其中，所述電源包括壓控振蕩器(VCO)；和 其中，所述反饋電路包括相位檢測器，用于檢測所述輸入電壓的頻率與所述諧振頻率之間的相位差； 其中所述VCO被配置成當所述相位差偏離預定值時，改變所述輸入電壓的頻率。
3.如權利要求2所述的同步回旋加速器，還包括用于向所述相位檢測器展示在掃頻頻 率范圍上基本恒定的頻率的電路，所述基本恒定的頻率得自所述輸入電壓的頻率和所述諧 振頻率。
4.如權利要求2所述的同步回旋加速器，還包括 積分器，用于接收所述相位檢測器的輸出；和 濾波器，用于基于所述相位檢測器的輸出而生成用于所述VCO的控制信號，所述控制 信號用于在所述相位差偏離所述預定值時使得所述VCO改變所述輸入電壓的頻率。
5.如權利要求4所述的同步回旋加速器，其中，所述濾波器包括低通濾波器，其具有與 所述諧振頻率的掃描時間成反比的截止頻率。
6.如權利要求2所述的同步回旋加速器，其中，所述相位檢測器被配置成通過將所述 輸入電壓的頻率與所述諧振腔中的電壓的諧振頻率相比較來檢測相位差。
7.如權利要求2所述的同步回旋加速器，其中，所述相位檢測器被配置成通過將所述 輸入電壓的頻率與所述諧振腔中的電流的諧振頻率相比較來檢測相位差。
8.如權利要求1所述的同步回旋加速器，其中，所述諧振頻率在大約1毫秒(ms)內(nèi)在 大約30兆赫茲(MHz)和大約300MHz之間掃描。
9.如權利要求8所述的同步回旋加速器，還包括 調(diào)諧電路，用于改變所述諧振腔的諧振頻率， 其中，所述調(diào)諧電路包括可變電容性電路，其是可旋轉(zhuǎn)的；或 可變電感性電路。
10.如權利要求1所述的同步回旋加速器，還包括 離子源，用于向所述諧振腔提供粒子，其中，所述輸入電壓包括射頻(RF)電壓以便從所述諧振腔抽取粒子；和 其中，所述RF電壓和由磁軛引起的磁場的組合使得從所述諧振腔抽取的粒子加速。
11.一種裝置，包括 磁結(jié)構(gòu)，用于限定諧振腔；源，用于向所述諧振腔提供粒子； 電壓源，用于向所述諧振腔提供射頻(RF)電壓；相位檢測器，用于檢測所述RF電壓與所述諧振腔的諧振頻率之間的相位差，其中所述 諧振頻率隨時間變化；和控制電路，其響應相位差控制所述電壓源，從而所述RF電壓的頻率基本匹配于所述諧 振腔的諧振頻率。
12.如權利要求11所述的裝置，其中，所述控制電路包括 積分器，用于響應相位差而生成電流控制信號；和低通濾波器，用于響應所述電流信號而生成用于所述電壓源的電壓控制信號。
13.如權利要求11所述的裝置，其中，所述諧振腔包括 第一 D形電極，用于接收所述RF電壓；和第二 D形電極，其電連接于地；其中，所述第一 D形電極和所述第二 D形電極之間的空間形成縫隙；和 其中，所述第一 D形電極和所述D形電極限定可調(diào)諧諧振電路，該可調(diào)諧諧振電路被配 置成響應所述RF電壓而產(chǎn)生穿過所述縫隙的振蕩電場。
14.如權利要求11所述的裝置，還包括與所述諧振腔關聯(lián)的電壓拾取元件，所述電壓拾取元件用于獲取所述諧振腔的電壓并 且用于將該電壓提供給所述相位檢測器，其中所述電壓對應于所述諧振頻率。
15.用于將諧振腔的諧振頻率與到所述諧振腔的輸入電壓的頻率基本匹配的電路，其 中所述諧振頻率隨時間變化，所述電路包括相位檢測器，用于檢測所述諧振頻率與所述輸入電壓之間的相位差，所述相位檢測器 輸出與所述差對應的第一信號；積分器和濾波電路，用于響應所述第一信號而生成控制信號；和 壓控振蕩器，用于響應所述控制信號來調(diào)節(jié)所述輸入電壓。
16.如權利要求15所述的電路，其中，所述相位檢測器被配置成從所述諧振腔的電壓 和所述諧振腔的電流中的一個獲取所述諧振頻率。
17.如權利要求15所述的電路，其中，所述諧振頻率在大約的預定時間內(nèi)在大約30兆 赫茲(MHz)和大約300MHz之間的頻率范圍上掃描；和其中，所述積分器和濾波電路包括具有與所述預定時間成反比的截止頻率的低通濾波ο
18.如權利要求15所述的電路，其中，所述諧振腔是被配置成加速來自所述諧振腔的 質(zhì)子的同步回旋加速器的一部分。
19.如權利要求15所述的電路，還包括與所述諧振腔關聯(lián)的拾取元件，所述拾取元件用于獲取與所述諧振頻率對應的信號， 所述相位檢測器用于接收來自所述拾取元件的信號。
20.如權利要求15所述的電路，其中，所述拾取元件是電容性的，并且所述信號包括電 壓信號；或其中，所述拾取元件是電感性的，并且所述信號包括電流信號。
21.—種將諧振腔的諧振頻率與所述諧振腔的輸入電壓的頻率匹配的方法，其中所述 諧振頻率隨時間變化，所述方法包括檢測所述諧振頻率與所述輸入電壓之間的相位差，第一信號對應于所述差； 響應所述第一信號生成控制信號；和 響應所述控制信號調(diào)節(jié)所述輸入電壓。
22.如權利要求21所述的方法，其中，檢測相位差的步驟包括從所述諧振腔的電壓和 所述諧振腔的電流中的一個獲取所述諧振頻率。
23.如權利要求21所述的方法，其中，所述諧振頻率在大約的預定時間內(nèi)在大約30兆 赫茲(MHz)和大約300MHz之間的頻率范圍上掃描；和其中，所述控制信號是具有與所述預定時間成反比的截止頻率的低通濾波器。
24.如權利要求21所述的方法，其中，所述諧振腔是被配置成加速來自所述諧振腔的 質(zhì)子的同步回旋加速器的一部分。
25.如權利要求21所述的方法，還包括獲取與所述諧振頻率對應的信號，所述諧振頻率與所述輸入電壓之間的相位差是基于 與所述諧振頻率對應的信號來確定的。
全文摘要
一種同步回旋加速器，包括磁結(jié)構(gòu)，用于限定諧振腔；源，用于向所述諧振腔提供粒子；電壓源，用于向所述諧振腔提供射頻(RF)電壓；相位檢測器，用于檢測所述RF電壓與所述諧振腔的隨時間變化的諧振頻率之間的相位差；和控制電路，響應相位差，控制所述電壓源，從而所述RF電壓的頻率基本上匹配所述諧振腔的諧振頻率。
文檔編號H05H13/02GK101933406SQ200880125832
公開日2010年12月29日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權日2007年11月30日
發(fā)明者亞當·C·莫爾贊, 查爾斯·D·奧尼爾, 約翰·J·文森特 申請人:斯蒂爾河系統(tǒng)股份有限公司