專利名稱:粒子加速器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種粒子加速器，尤其醫(yī)學技術中使用的電子加速器，用于產生由帶電粒子組成的粒子束。
背景技術：
粒子加速器用于借助電磁場加速帶電粒子。由此獲得高動能的粒子，高動能的粒子可利用于不同的使用目的。
在醫(yī)學技術中使用高能帶電粒子有特殊的意義，在那里它們尤其利用于放射治療。在許多情況下不直接使用加速粒子，而是用于產生高能電磁束，高能電磁束尤其使用于成像檢查法或用于治療。
在要達到的動能約為IMeV和更高時，為了加速來自一個源的帶電粒子，典型地使 用由空腔諧振器構成的駐波加速器或行波加速器，在其中耦合輸入具有空腔諧振器共振頻率的電磁束。通過充分利用相應的諧振器，可以用比較少的技術投入產生很大的數千萬V/m的電場強度。然后借助此電場在空腔諧振器內實現(xiàn)帶電粒子的加速。
此外，能量濾波元件通常是粒子加速器的組成部分。帶電粒子在其動能方面并由此也在其在與物質相互作用時的效果方面不希望有所不同。通過使用能量濾波元件實現(xiàn)分離所有它們的動能在規(guī)定的能量范圍之外的粒子。以此方式產生在一次近似時單能的并因而特別有利的射束。然而在這種情況下喪失了分離的似乎看作廢品的粒子，這對于效率并因而對粒子加速器的功效起不利的作用。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種改進的粒子加速器。
按本發(fā)明上述技術問題通過一種粒子加速器，尤其醫(yī)學技術中使用的電子加速器得以解決，所述粒子加速器用于產生由帶電粒子組成的粒子束，所述粒子加速器設計為兩級的，包括第一加速段、第二加速段和在所述兩個加速段之間用于減小粒子能量分布寬度的濾波器。
也就是說，按本發(fā)明的基本思想，粒子加速器分為兩級，包括一個預加速級和一個再加速級，其中在兩級之間并因而在特別有利的能量范圍內進行粒子分離，以限制粒子的能量分布寬度。所述能量范圍在這里可以自由選擇并與粒子加速器的結構條件最佳匹配，以有利于達到盡可能高的效用。因此效率不再與實現(xiàn)總加速后的粒子能量分布有關。除此之外，粒子的分離在一個實現(xiàn)總加速后測量的在數值上比較低的能量范圍內進行。由此也可以為實施所述的分離施加較小的力，從而降低為此所需的技術投入。因為帶電粒子分離時典型地通過闌膜(Blende)過濾，所以在這里形成所謂漏泄射束，亦即未能利用的射束，出自于安全性的原因，為其設置例如鉛制的屏蔽裝置。若在粒子能量較低時從事能量選擇性地過濾粒子，則恰好還能減少這種漏泄射束，從而較小的屏蔽裝置便足以達到同樣的保護效果。[0009]在這里，粒子束并不強制性地理解為一種隨時間恒定和均勻的粒子流，而僅應表達一些帶電的粒子，亦即也是指具有規(guī)定動能的有目的地朝預定方向偏轉的一種脈沖式粒子束。
粒子加速器使用于前言列舉的目的之一，但優(yōu)選地在醫(yī)學技術的領域中使用。按一項與目的特別相符的設計，粒子加速器設計為電子加速器。在這種情況下，作為粒子源的電子源，例如熱發(fā)射體，位于第一加速段前。
粒子加速器一種優(yōu)選的方案在于，為了加速帶電粒子，在加速段之一上使用空腔諧振器。這種方案尤其適用于為帶電粒子規(guī)定最大動能約大于IMeV。
按一種恰當的擴展設計，在加速段之一上帶電粒子的加速借助駐波諧振器以及尤其借助由一些耦合的也稱型腔(Kavitaten )的空腔諧振器構成的駐波諧振器進行。通過這些空腔諧振器，在輸入的電磁束的給定的振幅時，可以確定加速段的長度，并因而也可確定粒子的最大動能。特別恰當的是，第一加速段設計為，使工作時在第一加速段端部粒子能量分布的最大值處于0. 5與6MeV之間的范圍內，優(yōu)選地處于0. 8與I. 2MeV之間的范圍內。業(yè)已證實，正是這一范圍對于粒子加速器以高功效并因而有高效率地工作是特別有利的。優(yōu)選地，第一加速段通常是針對以規(guī)定的固定最大值工作來設計的。
按另一項優(yōu)選的擴展設計，第二加速段設計為，使工作時在第二加速段端部粒子能量分布的最大值處于3與50MeV之間的范圍內，以及優(yōu)選地處于3與25MeV之間的范圍內。由此產生的粒子束尤其適合在醫(yī)學技術中使用或使用于材料無損檢驗。
此外恰當的是，濾波器可使用磁鐵裝置。在這里能量選擇性地過濾借助至少一個偶極矩進行，通過偶極矩在當地產生與粒子束方向垂直定向的近似于均勻的磁場作為致偏場。與此相應，帶電粒子在此局部區(qū)域內實施圓形運動，其中各粒子軌跡的半徑與粒子的脈沖成正比。由此實現(xiàn)粒子束取決于能量的擴展，所以為了選擇粒子只要在此局部區(qū)域的端部設簡單的闌膜便足夠了。此外為了操縱粒子優(yōu)選地采用更大的磁力矩。例如為了粒子束聚焦典型地利用四極矩，借助它在闌膜后減小粒子束的擴展。因為在兩級式粒子加速器中帶電粒子的分離在比較低的能量范圍內實施，對于粒子束規(guī)定的擴展而言一個與之匹配的較弱的致偏場就夠了，所以產生致偏場的磁鐵可以設計得簡單而緊湊。
按一種有利的擴展設計規(guī)定，作為磁鐵可使用永久磁鐵。由此，尤其與使用電磁鐵相比，可以減少在經濟和能量方面的運行成本。此外，永久磁鐵不需要附加的冷卻。通過在第一加速段端部調整為規(guī)定的能量值，可以使用與此規(guī)定的能量值協(xié)調一致的永久磁鐵。
此外也恰當的是，為了輸入電磁束，尤其頻率在0. 4至12GHz之間的微波束，在空腔諧振器內設有公共的射束源。由于取消了多級式粒子加速器的附加的射束源，顯著限制了為實現(xiàn)所述結構而與單級方案相比更多的化費。
按另一種優(yōu)選的設計，至少加速段之一與射束源連接為，使輸入該加速段的電磁束振幅可通過操作件調整。在規(guī)定的設計和具有多個空腔諧振器的情況下，粒子能量分布的最大值可以通過振幅改變。以此方式實現(xiàn)一種可變的粒子加速器，其中粒子能量分布的最大值由粒子加速器操作者根據具體的使用目的調整。
按一種與目的相符的擴展設計，由射束源產生的電磁束借助分配器或分向濾波器(Weiche)為兩個加速段分成兩部分，其中規(guī)定用于第二加速段的那部分的振幅可通過操作件調整。按一種實施方案這種可調性通過可變電阻提供，借助它減弱規(guī)定用于第二加速段的那部分的振幅。與此同時用于第一加速段的部分優(yōu)選地與粒子能量分布的最大值無關地保持為常數。與此相應地，根據能量的過濾始終在同一個能量范圍內進行，為此因而可預先規(guī)定特別有利的值。此外，在這種情況下濾波器不必與粒子最大值相匹配，所以濾波器可借助永久磁鐵實現(xiàn)。
此外一種粒子加速器也是優(yōu)選的，其中，為了規(guī)定要輸入加速段的電磁束兩個振幅中的至少一個，設置優(yōu)選地起干涉裝置作用的分向濾波器，該電磁束在此分向濾波器內通過結構性或毀滅性干涉衰減。在這里要達到的目的是，粒子加速器可借助一些作為單個構件已能提供使用的組件構成，因此不必針對此使用目的專門生產。優(yōu)選地在這里可變地預定相位關系和振幅或振幅比，為此借助有源高頻元件和尤其借助以鐵氧體為基的微波構件，它們的特性可由操作者通過可操縱的磁場調整。
此外有利的是，為了規(guī)定要輸入加速段的電磁束的兩個振幅，設有可變的高頻分配器，優(yōu)選地包括波導E-H分路，也稱為“Magisches T”，以及高頻調諧器。高頻調諧器在這里優(yōu)選地設有電子控制裝置，所以操作者可以通過調整高頻調諧器彼此獨立地規(guī)定各加速 段的振幅。
此外，特別恰當的是，射束源、分配器和第一加速段通過環(huán)行器導引射束地互相連接。借助環(huán)行器使電磁束的不同的部分去耦，并按一種系統(tǒng)的方式從分向濾波器輸入到規(guī)定的波導內，通過波導將粒子加速器各構件導引射束地互相連接。
為避免不希望的反饋，電磁束的未輸入加速段內的并因而反射的部分導入輔助負載內。在這里尤其針對兩級式粒子加速器，為每個空腔諧振器設置一個輔助負載。
最后，有利地使用附加的移相器，借助它尤其可以通過操作者從事兩個加速段之間的調諧。因為輸入加速段內的電磁束的振幅可以優(yōu)選可變地規(guī)定，因此粒子在加速段之間的傳播時間也是可變的。然而空腔諧振器內部與時間有關的電磁場必須與帶電粒子的運動互相協(xié)調，因此有必要調整相位。為此適用的移相器在這里優(yōu)選地定位在分配器與第二加速段之間。


下面借助示意圖詳細說明本發(fā)明。其中
圖I表示兩級式粒子加速器的方塊線路圖。
具體實施方式
在這里作為舉例在圖I中說明并示意性表示出的粒子加速器2，包括加速器單元4和用于控制和供應加速器單元2的供應單元6。
加速器單元2由電子源8、第一加速段10、能量濾波器和第二加速段14構成。這兩個加速段10、14鄰近和互相平行布設，由此為構成優(yōu)選地大體呈U形的加速器單元4只需要比較小的空間。
定位在兩個加速段10、14之間的能量濾波器，在本實施例中包括一個180°偏轉磁鐵。它本身由多個永久磁鐵組成,將永久磁鐵排列成,使得一次近似時作為磁力矩以兩個偶極矩12a、12c和一個四極矩12b在空間彼此獨立作用。借助偶極矩12a、12b，由電子源8作為電子束注入第一加速段10中并從第一加速段10端側排出的電子，被迫沿圓形軌跡并因而朝第二加速段14的方向偏轉。各電子軌跡的半徑取決于各自電子的脈沖，并因而與其動能有關，因此電子束主要在第一偶極矩12a的區(qū)域內橫向于射束方向扇展。作為補充，在第一偶極矩12a或第一偶極矩與四極矩12b或四極矩之間以圖中未詳細表示的方式定位一個由實體銅制的闌膜，因此僅限于通過能量濾波器結構特性確定的能量范圍內的電子進入第二加速段14內。
優(yōu)選地包括2至30個細胞狀和互相耦合的空腔諧振器Z的駐波加速器起加速段10,14的作用。在本實施例中，對于第一加速段10舉例設兩個 空腔諧振器Z，以及對于第二加速段14舉例設四個空腔諧振器Z。在每個設計為駐波加速器的部分加速器中，工作時通過波導H將有共同共振頻率的微波束輸入空腔諧振器Z，在兩個相鄰的空腔諧振器Z之間微波束的傳輸或進一步導引，借助在這里沒有描繪的所謂耦合胞保證。借助在空腔諧振器Z中構成的電場，加速電子束的電子。經如此操縱的電子束最終作為有規(guī)定動能的粒子束16在第二加速段14的端部從加速器單元4排出，接著可供給規(guī)定的使用目的。目前例如規(guī)定在醫(yī)學領域使用于治療或診斷設備中。
為了將微波束供應或饋給空腔諧振器，供應單元6有微波源18，4門環(huán)行器20導引射束地與之連接。由微波源18產生的微波束通過4門環(huán)行器20的門ITl進一步傳給它的門2T2，在這里連接可變的高頻分配器22。
可變的高頻分配器22本身由包括四個臂Al至A4的波導E-H分路24構成，其中有利于使反射特性盡可能好的兩個臂A3、A4，在下面稱橫臂A3、A4，在端側用平的金屬板短路。在其中一個橫臂A4內定位所謂的“快速鐵氧體調諧器(FAST FERRITE TUNER :FFT)”26。相應的“快速鐵氧體調諧器” 26用作電子控制的，因此也可通過操作件控制的反射移相器，以及具有由鐵氧體(FERRITE)充填的波導結構組成的電感回線。
由此，一方面可以有目的進行阻抗失配，因此使通過門2T2導向可變高頻分配器22的微波束裂解為反射部分和發(fā)射部分，以及另一方面借助“快速鐵氧體調諧器”26實現(xiàn)相位移，因此可以操縱所述發(fā)射部分的振幅。在進口 Al發(fā)射的部分此時裂解為兩個相同的部分，它們彼此反向傳播到橫臂A3、A4內并在它們的端部反射。因此這兩個部分在通過這兩個橫臂A3、A4構成的波導H內疊加，在這里兩個部分之間的相位關系通過“快速鐵氧體調諧器”26的相位移函數規(guī)定。以此方式可以改變這兩個部分振幅之和，以及通過臂2A2從可變的高頻分配器22耦合輸出。正是下面稱為第二饋給部分的這一部分規(guī)定用于供應第二加速段14。在進口 Al處反射的部分則用于供應第一加速段10并相應地稱為第一饋給部分。
第一饋給部分借助4門環(huán)行器20通過門2T2進一步傳給門3T3，并因而進一步傳給第一加速段10。第一饋給部分在第一加速段10裂解為兩部分。一部分輸入第一加速段10，以及一部分在波導H與第一加速段10之間的接口處反射，上述波導H導引射束地連接4門環(huán)行器20與第一加速段10。第一饋給部分在所述接口處反射的部分，為避免不希望的反饋，在4門環(huán)行器20從門3T3進一步傳給門4T4，并在那里輸入輔助負載28。在這里優(yōu)選地由一種對電阻性損耗敏感的材料制成的Pin起輔助負載28的作用，它伸入波導H內并在那里吸收微波束。在該石墨棒內微波束轉換成熱量，最后借助水冷排出。
第二饋給部分通過3門環(huán)行器30從其門5T5進一步傳給其門6T6，以及同樣在加速段14與起引線作用的波導H之間的接口處，裂解為輸入部分和反射部分。類似地，為第二饋給部分的反射部分設置輔助負載28，反射部分借助3門環(huán)行器30及其門6T6和門7T7輸入其中。
除此之外，為了使在空腔諧振器中產生的電場與電子束的運動狀態(tài)相匹配，以及尤其為了與兩個加速段10、14之間電子的傳播時間協(xié)調一致，設有移相器32。在本實施例中它定位在可變的高頻分配器22與3門環(huán)行器30之間。
本發(fā)明不受以上所介紹的實施例限制。確切地說也可以由專業(yè)人員導出本發(fā)明的 其他方案，不應脫離本發(fā)明的技術主題。此外尤其是所有結合實施例說明的各項特征也可以按其他方式互相組合，也不會脫離本發(fā)明的技術主題。
權利要求
1.一種粒子加速器(2)，尤其醫(yī)學技術中使用的電子加速器(2)，用于產生由帶電粒子組成的粒子束(16)，其特征為所述粒子加速器設計為兩級的，包括第一加速段(10)、第二加速段(14)和在所述兩個加速段(10、14)之間用于減小粒子能量分布寬度的濾波器(12a、12b、12c)。
2.按照權利要求
I所述的粒子加速器(2)，其特征為，為了加速帶電粒子，在所述加速段(10、14)之一上設有空腔諧振器(Z)。
3.按照權利要求
I或2所述的粒子加速器(2)，其特征為，為了加速帶電粒子，在所述加速段(10、14)之一上設有駐波諧振器(10、14)以及尤其由一些耦合的空腔諧振器(Z)組成的駐波諧振器(10、14 )。
4.按照權利要求
I至3之一所述的粒子加速器(2)，其特征為，所述第一加速段(10)設計為，使在該第一加速段(10)端部粒子能量分布的最大值處于0. 5與6MeV之間的范圍內，優(yōu)選地處于0. 8與I. 2MeV之間的范圍內。
5.按照權利要求
I至4之一所述的粒子加速器(2)，其特征為，所述第二加速段(14)設計為，使在該第二加速段(14)端部粒子能量分布的最大值處于3與50MeV之間的范圍內。
6.按照權利要求
I至5之一所述的粒子加速器(2)，其特征為，所述濾波器(12a、12b、12c)包括磁鐵(12a、12b、12c)的裝置。
7.按照權利要求
6所述的粒子加速器(2)，其特征為，作為磁鐵(12a、12b、12c)可使用永久磁鐵(12a、12b、12c)。
8.按照權利要求
I至7和權利要求
2之一所述的粒子加速器(2)，其特征為，為了在空腔諧振器(Z)內輸入電磁束，尤其微波束，設有公共的射束源(18 )。
9.按照權利要求
8所述的粒子加速器(2)，其特征為，至少所述加速段(10、14)之一與所述射束源(18)連接為，使輸入該加速段(10、14)內的電磁束的振幅可通過操作件(26)調難
10.按照權利要求
8或9所述的粒子加速器(2)，其特征為，由所述射束源(18)產生的電磁束借助分配器(22)為所述兩個加速段(10、14)分成兩部分；以及，規(guī)定用于第二加速段(14)的那部分的振幅可通過操作件(26)調整。
11.按照權利要求
9或10所述的粒子加速器(2)，其特征為，為了規(guī)定要輸入所述加速段(10、14)內的電磁束的兩個振幅中的至少一個而設有干涉裝置(22)，該電磁束在此干涉裝置內通過結構性或毀滅性干涉衰減。
12.按照權利要求
8至11之一所述的粒子加速器(2)，其特征為，為了規(guī)定要輸入所述加速段(10、14)內的電磁束的兩個振幅，設有可變的高頻分配器(22)，優(yōu)選地包括波導E-H分路(24)和至少一個高頻調諧器(26)作為操作件(26)。
13.按照權利要求
9至12之一所述的粒子加速器(2)，其特征為，射束源(18)、分配器(22)和第一加速段(10)通過環(huán)行器(20)互相連接。
14.按照權利要求
I至13和權利要求
2之一所述的粒子加速器(2)，其特征為，為了避免不希望的反饋，電磁束的未輸入加速段(10、14)內的并因而反射的部分導入輔助負載(28)內。
15.按照權利要求
I至14之一所述的粒子加速器(2)，其特征為，為了調諧所述粒子加速器設有附加的移相器(32)。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種粒子加速器(2)，尤其醫(yī)學技術中使用的電子加速器(2)，用于產生由帶電粒子組成的粒子束(16)，所述粒子加速器設計為兩級的，包括第一加速段(10)、第二加速段(14)和在所述兩個加速段(10、14)之間用于減小粒子能量分布寬度的濾波器(12a、12b、12c)。
文檔編號G21K3/00GKCN102802338SQ201210161704
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月23日
發(fā)明者S.米勒, S.塞澤 申請人:西門子公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan