CN102802338B - 粒子加速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粒子加速器（2），尤其医学技术中使用的电子加速器（2），用于产生由带电粒子组成的粒子束（16），所述粒子加速器设计为两级的，包括第一加速段（10）、第二加速段（14）和在所述两个加速段（10、14）之间用于减小粒子能量分布宽度的滤波器（12a、12b、12c）。

Description

粒子加速器

技术领域

本发明涉及一种粒子加速器，尤其医学技术中使用的电子加速器，用于产生由带电粒子组成的粒子束。

背景技术

粒子加速器用于借助电磁场加速带电粒子。由此获得高动能的粒子，高动能的粒子可利用于不同的使用目的。

在医学技术中使用高能带电粒子有特殊的意义，在那里它们尤其利用于放射治疗。在许多情况下不直接使用加速粒子，而是用于产生高能电磁束，高能电磁束尤其使用于成像检查法或用于治疗。

在要达到的动能约为1MeV和更高时，为了加速来自一个源的带电粒子，典型地使用由空腔谐振器构成的驻波加速器或行波加速器，在其中耦合输入具有空腔谐振器共振频率的电磁束。通过充分利用相应的谐振器，可以用比较少的技术投入产生很大的数千万V/m的电场强度。然后借助此电场在空腔谐振器内实现带电粒子的加速。

此外，能量滤波元件通常是粒子加速器的组成部分。带电粒子在其动能方面并由此也在其在与物质相互作用时的效果方面不希望有所不同。通过使用能量滤波元件实现分离所有它们的动能在规定的能量范围之外的粒子。以此方式产生在一次近似时单能的并因而特别有利的射束。然而在这种情况下丧失了分离的似乎看作废品的粒子，这对于效率并因而对粒子加速器的功效起不利的作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种改进的粒子加速器。

按本发明上述技术问题通过一种粒子加速器，尤其医学技术中使用的电子加速器得以解决，所述粒子加速器用于产生由带电粒子组成的粒子束，所述粒子加速器设计为两级的，包括第一加速段、第二加速段和在所述两个加速段之间用于减小粒子能量分布宽度的滤波器。

也就是说，按本发明的基本思想，粒子加速器分为两级，包括一个预加速级和一个再加速级，其中在两级之间并因而在特别有利的能量范围内进行粒子分离，以限制粒子的能量分布宽度。所述能量范围在这里可以自由选择并与粒子加速器的结构条件最佳匹配，以有利于达到尽可能高的效用。因此效率不再与实现总加速后的粒子能量分布有关。除此之外，粒子的分离在一个实现总加速后测量的在数值上比较低的能量范围内进行。由此也可以为实施所述的分离施加较小的力，从而降低为此所需的技术投入。因为带电粒子分离时典型地通过阑膜（Blende）过滤，所以在这里形成所谓漏泄射束，亦即未能利用的射束，出自于安全性的原因，为其设置例如铅制的屏蔽装置。若在粒子能量较低时从事能量选择性地过滤粒子，则恰好还能减少这种漏泄射束，从而较小的屏蔽装置便足以达到同样的保护效果。

在这里，粒子束并不强制性地理解为一种随时间恒定和均匀的粒子流，而仅应表达一些带电的粒子，亦即也是指具有规定动能的有目的地朝预定方向偏转的一种脉冲式粒子束。

粒子加速器使用于前言列举的目的之一，但优选地在医学技术的领域中使用。按一项与目的特别相符的设计，粒子加速器设计为电子加速器。在这种情况下，作为粒子源的电子源，例如热发射体，位于第一加速段前。

粒子加速器一种优选的方案在于，为了加速带电粒子，在加速段之一上使用空腔谐振器。这种方案尤其适用于为带电粒子规定最大动能约大于1MeV。

按一种恰当的扩展设计，在加速段之一上带电粒子的加速借助驻波谐振器以及尤其借助由一些耦合的也称型腔的空腔谐振器构成的驻波谐振器进行。通过这些空腔谐振器，在输入的电磁束的给定的振幅时，可以确定加速段的长度，并因而也可确定粒子的最大动能。

特别恰当的是，第一加速段设计为，使工作时在第一加速段端部粒子能量分布的最大值处于0.5与6MeV之间的范围内，优选地处于0.8与1.2MeV之间的范围内。业已证实，正是这一范围对于粒子加速器以高功效并因而有高效率地工作是特别有利的。优选地，第一加速段通常是针对以规定的固定最大值工作来设计的。

按另一项优选的扩展设计，第二加速段设计为，使工作时在第二加速段端部粒子能量分布的最大值处于3与50MeV之间的范围内，以及优选地处于3与25MeV之间的范围内。由此产生的粒子束尤其适合在医学技术中使用或使用于材料无损检验。

此外恰当的是，滤波器可使用磁铁装置。在这里能量选择性地过滤借助至少一个偶极矩进行，通过偶极矩在当地产生与粒子束方向垂直定向的近似于均匀的磁场作为致偏场。与此相应，带电粒子在此局部区域内实施圆形运动，其中各粒子轨迹的半径与粒子的脉冲成正比。由此实现粒子束取决于能量的扩展，所以为了选择粒子只要在此局部区域的端部设简单的阑膜便足够了。此外为了操纵粒子优选地采用更大的磁力矩。例如为了粒子束聚焦典型地利用四极矩，借助它在阑膜后减小粒子束的扩展。因为在两级式粒子加速器中带电粒子的分离在比较低的能量范围内实施，对于粒子束规定的扩展而言一个与之匹配的较弱的致偏场就够了，所以产生致偏场的磁铁可以设计得简单而紧凑。

按一种有利的扩展设计规定，作为磁铁可使用永久磁铁。由此，尤其与使用电磁铁相比，可以减少在经济和能量方面的运行成本。此外，永久磁铁不需要附加的冷却。通过在第一加速段端部调整为规定的能量值，可以使用与此规定的能量值协调一致的永久磁铁。

此外也恰当的是，为了输入电磁束，尤其频率在0.4至12GHz之间的微波束，在空腔谐振器内设有公共的射束源。由于取消了多级式粒子加速器的附加的射束源，显著限制了为实现所述结构而与单级方案相比更多的化费。

按另一种优选的设计，至少加速段之一与射束源连接为，使输入该加速段的电磁束振幅可通过操作件调整。在规定的设计和具有多个空腔谐振器的情况下，粒子能量分布的最大值可以通过振幅改变。以此方式实现一种可变的粒子加速器，其中粒子能量分布的最大值由粒子加速器操作者根据具体的使用目的调整。

按一种与目的相符的扩展设计，由射束源产生的电磁束借助分配器或分向滤波器（Weiche）为两个加速段分成两部分，其中规定用于第二加速段的那部分的振幅可通过操作件调整。按一种实施方案这种可调性通过可变电阻提供，借助它减弱规定用于第二加速段的那部分的振幅。与此同时用于第一加速段的部分优选地与粒子能量分布的最大值无关地保持为常数。与此相应地，根据能量的过滤始终在同一个能量范围内进行，为此因而可预先规定特别有利的值。此外，在这种情况下滤波器不必与粒子最大值相匹配，所以滤波器可借助永久磁铁实现。

此外一种粒子加速器也是优选的，其中，为了规定要输入加速段的电磁束两个振幅中的至少一个，设置优选地起干涉装置作用的分向滤波器，该电磁束在此分向滤波器内通过结构性或毁灭性干涉衰减。在这里要达到的目的是，粒子加速器可借助一些作为单个构件已能提供使用的组件构成，因此不必针对此使用目的专门生产。优选地在这里可变地预定相位关系和振幅或振幅比，为此借助有源高频元件和尤其借助以铁氧体为基的微波构件，它们的特性可由操作者通过可操纵的磁场调整。

此外有利的是，为了规定要输入加速段的电磁束的两个振幅，设有可变的高频分配器，优选地包括波导E-H分路，也称为“Magisches T”，以及高频调谐器。高频调谐器在这里优选地设有电子控制装置，所以操作者可以通过调整高频调谐器彼此独立地规定各加速段的振幅。

此外，特别恰当的是，射束源、分配器和第一加速段通过环行器导引射束地互相连接。借助环行器使电磁束的不同的部分去耦，并按一种***的方式从分向滤波器输入到规定的波导内，通过波导将粒子加速器各构件导引射束地互相连接。

为避免不希望的反馈，电磁束的未输入加速段内的并因而反射的部分导入辅助负载内。在这里尤其针对两级式粒子加速器，为每个空腔谐振器设置一个辅助负载。

最后，有利地使用附加的移相器，借助它尤其可以通过操作者从事两个加速段之间的调谐。因为输入加速段内的电磁束的振幅可以优选可变地规定，因此粒子在加速段之间的传播时间也是可变的。然而空腔谐振器内部与时间有关的电磁场必须与带电粒子的运动互相协调，因此有必要调整相位。为此适用的移相器在这里优选地定位在分配器与第二加速段之间。

附图说明

下面借助示意图详细说明本发明。其中：

图1表示两级式粒子加速器的方块线路图。

具体实施方式

在这里作为举例在图1中说明并示意性表示出的粒子加速器2，包括加速器单元4和用于控制和供应加速器单元2的供应单元6。

加速器单元2由电子源8、第一加速段10、能量滤波器和第二加速段14构成。这两个加速段10、14邻近和互相平行布设，由此为构成优选地大体呈U形的加速器单元4只需要比较小的空间。

定位在两个加速段10、14之间的能量滤波器，在本实施例中包括一个180°偏转磁铁。它本身由多个永久磁铁组成，将永久磁铁排列成，使得一次近似时作为磁力矩以两个偶极矩12a、12c和一个四极矩12b在空间彼此独立作用。借助偶极矩12a、12b，由电子源8作为电子束注入第一加速段10中并从第一加速段10端侧排出的电子，被迫沿圆形轨迹并因而朝第二加速段14的方向偏转。各电子轨迹的半径取决于各自电子的脉冲，并因而与其动能有关，因此电子束主要在第一偶极矩12a的区域内横向于射束方向扇展。作为补充，在第一偶极矩12a或第一偶极矩与四极矩12b或四极矩之间以图中未详细表示的方式定位一个由实体铜制的阑膜，因此仅限于通过能量滤波器结构特性确定的能量范围内的电子进入第二加速段14内。

优选地包括2至30个细胞状和互相耦合的空腔谐振器Z的驻波加速器起加速段10、14的作用。在本实施例中，对于第一加速段10举例设两个空腔谐振器Z，以及对于第二加速段14举例设四个空腔谐振器Z。在每个设计为驻波加速器的部分加速器中，工作时通过波导H将有共同共振频率的微波束输入空腔谐振器Z，在两个相邻的空腔谐振器Z之间微波束的传输或进一步导引，借助在这里没有描绘的所谓耦合胞保证。借助在空腔谐振器Z中构成的电场，加速电子束的电子。经如此操纵的电子束最终作为有规定动能的粒子束16在第二加速段14的端部从加速器单元4排出，接着可供给规定的使用目的。目前例如规定在医学领域使用于治疗或诊断设备中。

为了将微波束供应或馈给空腔谐振器，供应单元6有微波源18，4门环行器20导引射束地与之连接。由微波源18产生的微波束通过4门环行器20的门1T1进一步传给它的门2T2，在这里连接可变的高频分配器22。

可变的高频分配器22本身由包括四个臂A1至A4的波导E-H分路24构成，其中有利于使反射特性尽可能好的两个臂A3、A4，在下面称横臂A3、A4，在端侧用平的金属板短路。在其中一个横臂A4内定位所谓的“快速铁氧体调谐器（FAST FERRITE TUNER：FFT）”26。相应的“快速铁氧体调谐器”26用作电子控制的，因此也可通过操作件控制的反射移相器，以及具有由铁氧体（FERRITE）充填的波导结构组成的电感回线。

由此，一方面可以有目的进行阻抗失配，因此使通过门2T2导向可变高频分配器22的微波束裂解为反射部分和发射部分，以及另一方面借助“快速铁氧体调谐器”26实现相位移，因此可以操纵所述发射部分的振幅。在进口A1发射的部分此时裂解为两个相同的部分，它们彼此反向传播到横臂A3、A4内并在它们的端部反射。因此这两个部分在通过这两个横臂A3、A4构成的波导H内叠加，在这里两个部分之间的相位关系通过“快速铁氧体调谐器”26的相位移函数规定。以此方式可以改变这两个部分振幅之和，以及通过臂2A2从可变的高频分配器22耦合输出。正是下面称为第二馈给部分的这一部分规定用于供应第二加速段14。在进口A1处反射的部分则用于供应第一加速段10并相应地称为第一馈给部分。

第一馈给部分借助4门环行器20通过门2T2进一步传给门3T3，并因而进一步传给第一加速段10。第一馈给部分在第一加速段10裂解为两部分。一部分输入第一加速段10，以及一部分在波导H与第一加速段10之间的接口处反射，上述波导H导引射束地连接4门环行器20与第一加速段10。第一馈给部分在所述接口处反射的部分，为避免不希望的反馈，在4门环行器20从门3T3进一步传给门4T4，并在那里输入辅助负载28。在这里优选地由一种对电阻性损耗敏感的材料制成的Pin起辅助负载28的作用，它伸入波导H内并在那里吸收微波束。在该石墨棒内微波束转换成热量，最后借助水冷排出。

第二馈给部分通过3门环行器30从其门5T5进一步传给其门6T6，以及同样在加速段14与起引线作用的波导H之间的接口处，裂解为输入部分和反射部分。类似地，为第二馈给部分的反射部分设置辅助负载28，反射部分借助3门环行器30及其门6T6和门7T7输入其中。

除此之外，为了使在空腔谐振器中产生的电场与电子束的运动状态相匹配，以及尤其为了与两个加速段10、14之间电子的传播时间协调一致，设有移相器32。在本实施例中它定位在可变的高频分配器22与3门环行器30之间。

本发明不受以上所介绍的实施例限制。确切地说也可以由专业人员导出本发明的其他方案，不应脱离本发明的技术主题。此外尤其是所有结合实施例说明的各项特征也可以按其他方式互相组合，也不会脱离本发明的技术主题。

Claims (21)

1.一种粒子加速器(2)，用于产生由带电粒子组成的粒子束(16)，其特征为：所述粒子加速器设计为两级的，包括第一加速段(10)、第二加速段(14)和在所述两个加速段(10、14)之间用于减小粒子能量分布宽度的滤波器(12a、12b、12c)，其中，滤波器(12a、12b、12c)为了分离粒子而具有阑膜。

2.根据权利要求1所述的粒子加速器(2)，其特征为，所述粒子加速器(2)是医学技术中使用的电子加速器(2)。

3.根据权利要求1所述的粒子加速器(2)，其特征为，将永久磁体装置用作滤波器，从而借助至少一个偶极矩实现能量选择性的过滤，通过偶极矩产生与粒子束方向垂直定向的近似于均匀的磁场作为致偏场，从而带电粒子在此局部区域内实施圆形运动，其中，各粒子轨迹的半径与粒子的脉冲成正比，由此实现粒子束取决于能量的扩展，所以为了选择粒子只要在此局部区域的端部设简单的阑膜便足够了，其中，为了粒子束聚焦利用四极矩，借助它在阑膜后减小粒子束的扩展。

4.按照权利要求1所述的粒子加速器(2)，其特征为，为了加速带电粒子，在所述加速段(10、14)之一上设有空腔谐振器(Z)。

5.按照权利要求1或4所述的粒子加速器(2)，其特征为，为了加速带电粒子，在所述加速段(10、14)之一上设有驻波谐振器(10、14)。

6.按照权利要求5所述的粒子加速器(2)，其特征为，所述驻波谐振器(10、14)由耦合的空腔谐振器(Z)组成。

7.按照权利要求1或4所述的粒子加速器(2)，其特征为，所述第一加速段(10)设计为，使在该第一加速段(10)端部粒子能量分布的最大值处于0.8与1.2MeV之间的范围内，所述第二加速段(14)设计为，使在该第二加速段(14)端部粒子能量分布的最大值处于3与50MeV之间的范围内。

8.按照权利要求1至4之一所述的粒子加速器(2)，其特征为，所述滤波器(12a、12b、12c)包括磁铁(12a、12b、12c)的装置。

9.按照权利要求8所述的粒子加速器(2)，其特征为，作为磁铁(12a、12b、12c)使用永久磁铁(12a、12b、12c)。

10.按照权利要求4所述的粒子加速器(2)，其特征为，为了在空腔谐振 器(Z)内输入电磁束，设有公共的射束源(18)。

11.按照权利要求10所述的粒子加速器(2)，其特征为，所述电磁束是微波束。

12.按照权利要求10所述的粒子加速器(2)，其特征为，至少所述加速段(10、14)之一与所述射束源(18)连接为，使输入该加速段(10、14)内的电磁束的振幅可通过操作件(26)调整。

13.按照权利要求10或12所述的粒子加速器(2)，其特征为，由所述射束源(18)产生的电磁束借助分配器(22)为所述两个加速段(10、14)分成两部分；以及，规定用于第二加速段(14)的那部分的振幅可通过操作件(26)调整。

14.按照权利要求12所述的粒子加速器(2)，其特征为，为了规定要输入所述加速段(10、14)内的电磁束的两个振幅中的至少一个而设有干涉装置，该电磁束在此干涉装置内通过结构性或毁灭性干涉衰减。

15.按照权利要求10或12所述的粒子加速器(2)，其特征为，为了规定要输入所述加速段(10、14)内的电磁束的两个振幅，设有可变的高频分配器(22)。

16.按照权利要求15所述的粒子加速器(2)，其特征为，所述可变的高频分配器(22)包括波导E-H分路(24)和至少一个高频调谐器(26)作为操作件(26)。

17.按照权利要求12所述的粒子加速器(2)，其特征为，射束源(18)、分配器(22)和第一加速段(10)通过环行器(20)互相连接。

18.按照权利要求4所述的粒子加速器(2)，其特征为，为了避免不希望的反馈，电磁束的未输入加速段(10、14)内的并因而反射的部分导入辅助负载(28)内。

19.按照权利要求1至4之一所述的粒子加速器(2)，其特征为，为了调谐所述粒子加速器设有附加的移相器(32)。

20.一种粒子加速器(2)，用于产生由带电粒子组成的粒子束(16)，其特征为：所述粒子加速器设计为两级的，包括第一加速段(10)、第二加速段(14)和在所述两个加速段(10、14)之间用于减小粒子能量分布宽度的滤波器(12a、12b、12c)，其中，滤波器(12a、12b、12c)为了分离粒子而具有阑膜，

其特征为，将永久磁体装置用作滤波器，从而借助至少一个偶极矩实现能 量选择性的过滤，通过偶极矩产生与粒子束方向垂直定向的近似于均匀的磁场作为致偏场，从而带电粒子在此局部区域内实施圆形运动，其中，各粒子轨迹的半径与粒子的脉冲成正比，由此实现粒子束取决于能量的扩展，所以为了选择粒子只要在此局部区域的端部设简单的阑膜便足够了，其中，为了粒子束聚焦利用四极矩，借助它在阑膜后减小粒子束的扩展，

其中，所述第一加速段(10)设计为，使在该第一加速段(10)端部粒子能量分布的最大值处于0.8与1.2MeV之间的范围内，所述第二加速段(14)设计为，使在该第二加速段(14)端部粒子能量分布的最大值处于3与50MeV之间的范围内。

21.根据权利要求20所述的粒子加速器(2)，其特征为，所述粒子加速器(2)是医学技术中使用的电子加速器(2)。