医疗
能量可调
（ C-EA-）
前言
上一篇文章介绍了“一种能量可调，可以在质子和碳离子之间切换的医用回旋加速器”（P&C-EA-），如下图所示。
一个显著的特点是，加速碳离子的中间加速器（回旋加速器 A，见上一篇文章）更大，几乎与主加速器（回旋加速器 B）的大小相同。这是因为当回旋加速器 A 是质子的主加速器时，其加速频率的上限受到限制（fDmax 在同一个回旋加速器中
）。
≦），因此音量不会降低。
在本文中，我们将加速质子的功能去除，只留下加速的碳离子，看看会发生什么。
C-EA-
能量可调医用碳离子回旋加速器 （C-EA-） 包括离子源、倍压加速器、光束集中器、中间加速器、剥离器、弯曲磁体和主加速器。
C-EA 是一个复杂的系统，它包括许多其他保持系统运行的组件，但这些组件与解释系统的工作原理无关。
1. 离子源
离子源安装在倍压加速器的高压室中。
离子源为C+粒子源，可选择的类型有：双等离子离子源、三重等离子离子源、双潘宁多电荷离子源和电子回旋共振（ECR）粒子源。
从放疗的角度来看，需要考虑粒子的束流强度越高越好，所以应选择一定的电荷状态作为碳离子 C+n，它所占的比例最大。
此设计假设 n=2，这是一个保守的估计值，n 越大越好。
2. 倍压加速器
如上图所示，初级加速器是倍压加速器，主要由高压发生器、高压室、加速管和弯曲磁体组成。
（1） 高压发电机
高压发生器的高电压值一般小于 1 MV，据此注入中间加速器的 C+2 粒子束的能量≦ 2 MeV。这里的能量是动能，用 W 表示。
（2） 高压氧舱
高压舱是一个矩形腔，以相同的电位连接到高压发生器上方的半球。
这
放置在腔室中的离子源对地面也具有相同的高压。鉴于是正离子加速，高压就是正高压。
（3） 加速管
这
加速器管连接到高压舱，利用高压舱提供的对地高压加速 C+2 离子。
（4） 弯曲磁铁
弯曲的磁体负责过滤掉 n 不等于 2 的碳离子 C+n。
3. 光束集中器
这是一种谐振器式双波束集中器结构，工作频率可在 31.5MHz~48MHz 之间调节。
四、中间加速器
中间加速器是一个分离的扇形等时回旋加速器。
（1） 相关参数
1、扇铁数量为4个，扇铁开启角度为45°。
2、加速机构数量为2个，两个Dee电极（粉红色）的张角为30°，每个Dee电极可加速两次，谐波数h为6。
3. 参考圆在弹射半径处的半径 R0 为 1.2m，粒子束在扇形磁体中弯曲的半径为 0.649m。
4. 注射半径处的参考圆半径 R0 为 0.1m，弯曲半径 Rr 为 0.055m。
5. 当提取的 C+2 离子能量 W 为 234.11 MeV （19.51 MeV/u） 时，注入的 C+ 2 离子能量为 1.57 MeV （0.13 MeV/u）;当诱导的 C+2 离子的能量为 99.18 MeV （8.27 MeV/u） 时，注入的 C+2 离子的能量 W 为 0.68 MeV （0.06 MeV/u）。
C+2 离子能量 W234.11MeV （19.51MeV/u） 对应于主加速器产生的 C+6 离子能量 W （/u）。C+2 离子能量 W 99.18 MeV （8.27 MeV/u） 对应于从主加速器汲取的 C+6 离子能量 W （/u）。
从大的参考圆半径到小的参考圆半径，回转中的粒子能量如下图所示。
6. 当 C+2 离子能量为 234.11MeV 时，离子回转频率为 8MHz，当 C+2 离子能量为 99.18MeV 时，离子回转频率为 5.25MHz，要求加速机构的加速频率 fD 在 31.5MHz~48MHz 之间可调。
7. 当感应出的 C+2 离子的能量为 234.11 MeV 时，感应弯曲半径 r 处的磁场为 5.92T，注入弯曲半径 r 处的磁场为 5.80T，如下图所示。
8. 当感应出的 C+2 离子能量为 99.18MeV 时，感应弯曲半径 R 和注入弯曲半径 r 处的磁场均为 3.80T，小数点后两位的精度没有差异。
（2） 相关组件
这里只提到了少数几个重要组件，但其他组件可以在上一篇文章中找到（“一种可以在质子和碳离子之间切换的能量可调医用回旋加速器”）。
1. 超导扇形磁体
（1） 磁极、绕组柱和励磁线圈
杆（蓝色）采用直边设计，杆的厚度暂定为 120mm，上下杆之间的间隙暂定为 100mm。
根据相关参数 7 中描述的特征，柱子周围的径向宽度（绿色）从大半径逐渐扩大到小半径。
励磁线圈（棕色）可以上下交错排列，以缩小绕组柱之间的间隙。
励磁线圈的匝数由其厚度和高度（宽度）决定。
2. 磁轭、液氦池和绝热垫
这
轭（蓝色）是 C 型轭。
每层由四个液氦池（黄色）组成，它们与绕组柱、励磁线圈和磁轭接触一起冷却。
四个轭中的每一个都落在带有绝缘垫（白色）的基座上。
2. 注射系统
在上图中回旋加速器的工作原理，
蓝线描绘磁极;
绿线描绘了绕组柱，中间增加了一个半圆形绕组柱和两个梯形绕组柱，分别连接到与扇形磁体相邻的磁极上;
棕色线描绘激励线圈;
粉红色的物体是加速机构，粉红色的线代表加速电场的峰值位置;
白线是粒子束的轨迹。
在这样的布局中，粒子沿半圆绕圆柱体偏转，直接进入加速机构，完成粒子束的注入。圆柱体周围的半圆半径为 50mm，该位置的磁场强度应达到 6.27T。
此外，还设置了两个小的梯形绕组柱，缠绕在它们周围的励磁线圈可以调节该位置的磁场强度，完成粒子回转的过渡段。
这种注射系统的突出特点是将多个弯曲磁体和扇形磁体合二为一。
3. 真空系统
由于需要建立真空环境的物体很多，因此安装了一体式真空罩。
5. 剥皮器
汽提塔负责剥离由中间加速器加速的 C+2 粒子的所有核外电子贝语网校，并将它们转化为 C+6 粒子。
旋转剥皮机配有多个剥皮膜，当全部消耗时，这些薄膜易于更换和更换。
6. 弯曲磁铁
弯曲磁体负责过滤掉正电荷小于 6 的碳离子，这些碳离子没有充分剥离原子核外的电子。
7. 主加速器
主加速器也是分离扇区同步回旋加速器。
（1） 相关参数
1、扇铁芯数量为6个，扇铁开口角度为30°。
2、加速机构数目为 4，各单边加速机构张角（粉红色）为 15°，谐波数为 6。
3. 参考圆在出射半径处的半径 R0 为 2.9m，扇形磁体中粒子束的弯曲半径 R 为 1.501m。
4. 注射半径处的参考圆半径 R0 为 0.8m，弯曲半径 Rr 为 0.414m。
主加速器的顶出半径与中间加速器的喷射半径的关系为：
r0 主 = 2/3 r0 中间。
5. C+6 离子的能量可在 ~（/u~/u） 之间调节。
6. 注入的 C+6 离子能量在 234.11MeV ~ 99.18MeV 之间可调。
7、提取C+6离子能量时，离子回旋频率为12MHz;当提取 C+6 离子能量时，离子回旋频率为 7.88MHz，要求加速机构的加速频率在 72MHz~47.28MHz 之间可调。
这
中间加速器粒子的回旋频率与主加速粒子的回旋频率之间的关系为：
f 中间 = 2/3f 主。
8. 当提取 C+6 离子能量时，弯曲半径 r 处的磁场为 4.42T，弯曲半径 r 处的磁场强度为 3.10T，如下图所示。
9. 当提取 C+6 离子能量时，弯曲半径 r 处的磁场为 2.27T，弯曲半径 r 处的磁场为 2.01T。
（2） 相关组件
1. 超导扇形磁体
（1） 磁极、绕组柱和励磁线圈
杆（蓝色）采用直边设计，杆的厚度暂定为 150mm，上下杆之间的间隙暂定为 100mm。
根据相关参数 8 中描述的特征，柱（绿色）在径向上设计为等宽和等间隙。
（2） 磁轭、液氦池和绝热垫
2. 注射系统
这
白线代表入射的 C+6 粒子束，它被两个弯曲的磁体弯曲，然后发射成一个小半径的扇形磁体，该磁体延伸到中间，并增加一个绕组柱以增加磁场的调制，然后粒子束通过一个扇形磁体进入加速机构，完成粒子束的注入。
两个转动磁体的弯曲半径为 0.64m，最大磁场为 2.79T（相当于 234.11 MeV 的 C+6 粒子束）。
鉴于两个磁极非常接近，因此共享一个液氦池，如下图所示。
后记 - 一些未知数
第一个未知
笔者不知道碳离子源是如何提供碳离子电荷态分布的，如果最大比例不是 C+2，而是 C+3，则中间加速器的加速效率会提高，体积可以进一步减小。
第二个未知
作者不知道 C+2 的能量在多高时可以剥离掉所有的核外电子，如果这个能量不高，中间加速器可以做得更小。
第三个未知数
笔者不知道选择主加速器的最高磁场是多少才合适。
在
上一篇文章和本文的设计，主加速器的最大磁场选择为4.07T和4.42T，这是以日本的理化学全粒子加速器（4.4T）为基础的，以前的超导重离子回旋加速器的最大磁场在5.6T~6.2T之间，如果最高磁场为6.2T回旋加速器的工作原理， 主加速器的体积将减小（参考圆 R0 的半径从 2.9m 减少到 2.07m）。