DE10100130A1 - Stehwellen-Partikelstrahl-Beschleuniger mit schaltbarer Strahlenergie - Google Patents
Stehwellen-Partikelstrahl-Beschleuniger mit schaltbarer StrahlenergieInfo
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Abstract
Stehwellen-Partikelstrahl-Beschleuniger (10), bei dem die elektrischen Felder in einem Seiten-Kopplungshohlraum (34) dadurch geschaltet werden, daß zwei Sonden (56, 57) ausgewählten Durchmessers eingeführt werden, wodurch an benachbarte gekoppelte Beschleunigungshohlräume (16, 18) in Strahleingangsrichtung und in Strahlausgangsrichtung eine jeweils unterschiedliche elektrische Feldkopplung entsteht.
Description
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Stehwellen-Partikelstrahl-Beschleuni
ger und insbesondere auf Beschleuniger eines Strahls geladener Partikel, bei denen
zum Schalten der Energie des Partikelstrahls die stehende Welle in mindestens ei
nem Seitenkopplungshohlraum bezüglich der Kopplung elektromagnetischer Felder
an die beiden benachbarten Haupthohlräume in mindestens zwei verschiedenen A
symmetrien geschaltet werden kann.
Stehwellen-Partikelstrahl-Beschleuniger werden inzwischen häufig in medizi
nischen Beschleunigern eingesetzt, bei denen der Hochenergie-Partikelstrahl zum
Erzeugen von Röntgenstrahlen verwendet wird. Bei dieser Anwendung muß die
Ausgangs-Röntgenleistung stabil sein. Außerdem ist es erstrebenswert, wenn die
Energie des Partikelstrahls leicht und schnell umgeschaltet werden kann, so daß
Röntgenstrahlen unterschiedlicher Energie vorgesehen werden, wodurch während
medizinischer Behandlungen Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Eindringtiefen
bereitgestellt werden können.
Ein Verfahren zum Steuern der Strahlenergie ist das Variieren der an die Be
schleunigungshohlräume angelegte HF-Energie. Andere Anwendungsgebiete sind in
verschiedenen Patenten beschrieben. Im US-Patent Nr. 4,286,192 (Tanabe und Va
guine) wird die Energie durch Umkehren der Beschleunigungsfelder in einem Teil
des Beschleunigers zum Bremsen des Strahls gesteuert. Im US-Patent Nr.
4,382,208 (Meddaugh et al.) wird die elektromagnetische Feldverteilung im Kopp
lungshohlraum zum Steuern der an die benachbarten Resonator-Hohlräume ange
legten Felder verändert. Im Patent Nr. 4,746,839 (Kazusa und Yoneda) wird die Ver
wendung zweier Kopplungshohlräume offenbart, die zum Steuern der Beschleuni
gungsfelder geschaltet werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Seitenkopplungshohlraum-
Stehwellen-Partikelstrahl-Beschleuniger mit schaltbarer Energie vorzusehen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Seitenkopplungshohlraum-
Stehwellen-Partikelstrahl-Beschleuniger mit schaltbarer Energie vorzusehen, der so
schaltbar ist, daß drei Ebenen der Ausgangsenergie vorgesehen werden, wobei die
Frequenz und der Energiespektrumsbereich nur unwesentlich verändert werden
müssen.
Zum Erfüllen der obigen und weiterer Aufgaben weist der Partikelbeschleuni
ger einen Eingangshohlraum zum Empfangen geladener Partikel, Zwischen-
Beschleunigungshohlräume und einen Ausgangshohlraum sowie mehrere Kopp
lungshohlräume auf, die benachbarte Paare der Hohlräume entlang des Beschleuni
gers miteinander verbinden, wobei mindestens einer der Kopplungshohlräume eine
Einrichtung zum Schalten der Stärke der elektromagnetischen Feldkopplung an be
nachbarte Hohlräumen zwischen einem ersten Pegel und mindestens zwei weiteren
Pegeln zum Liefern von Ausgangsenergie auf mindestens drei Pegeln aufweist.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun
anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen seitenhohlraumgekoppelten Steh
wellen-Partikelstrahl-Beschleuniger.
Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1, der den Seiten
hohlraum nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt,
Fig. 3 eine Draufsicht ungefähr entlang der Linie 3-3 von Fig. 2 und
Fig. 4 eine Draufsicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 1 ist ein schematischer Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Stehwellen-
Beschleunigerstruktur für geladene Partikel. Sie weist eine Kette elektromagnetisch
gekoppelter resonierender Hohlräume auf. Ein linearer Elektronenstrahl 12 wird von
einer herkömmlichen Elektronenkanonenquelle 14 in den Beschleuniger injiziert. Der
Strahl 12 kann entweder kontinuierlich oder pulsierend sein.
Die Stehwellen-Beschleunigerstruktur 10 wird von Mikrowellenenergie mit ei
ner in der Nähe der Resonanzfrequenz gelegenen Frequenz angeregt, die zwischen
1000 und 10.000 MHz liegt, beispielsweise bei 2856 MHz. Die Energie gelangt durch
eine Irisblende 15 in einen Hohlraum, vorzugsweise einen der Hohlräume entlang
der Kette.
Die Kette hat zwei Typen, 16 und 18, von Beschleunigungshohlräumen. Die
Hohlräume sind ringförmig und haben ausgerichtete mittige Strahlöffnungen 17, die
ein Hindurchtreten des Strahls 12 erlauben. Die Hohlräume 16 und 18 haben vor
zugsweise hervorstehende Nasen 19 optimierter Konfiguration zur Verbesserung der
Wechselwirkung der Mikrowellenenergie und dem Elektronenstrahl. Bei Elektronenbeschleunigern
werden die Hohlräume 16, 18 durch einen "Seiten"- oder "Kopp
lungs"-Hohlraum 20 elektromagnetisch miteinander gekoppelt, die über eine Irisblen
de 22 mit jedem Hohlraum des benachbarten Hohlraumpaars gekoppelt ist. Die
Kopplungshohlräume 20 resonieren bei der gleichen Frequenz wie die Be
schleunigungshohlräume 16, 18 und stehen nicht mit dem Strahl 12 in Wechselwir
kung. In dieser Ausführungsform haben sie eine zylindrische Form mit einem Paar
axial hervorstehender leitfähiger kapazitiv gekoppelter Nasen 24.
Die Anregungsfrequenz ist so beschaffen, daß die Kette zu einer Stehwellen
resonanz angeregt wird mit einer Phasenverschiebung um π/2 im Bogenmaß zwi
schen einem jeweiligen Kopplungshohlraum und dem benachbarten Beschleuni
gungshohlraum. Es besteht also eine Phasenverschiebung um π im Bogenmaß zwi
schen benachbarten Beschleunigungshohlräumen 16, 18. Der π/2-Modus hat mehre
re Vorteile. Es besteht dabei die größtmögliche Trennung der Resonanzfrequenz von
benachbarten Moden, die zufällig angeregt werden könnten. Außerdem, wenn die
Kette richtig abgeschlossen wird, entstehen sehr kleine elektromagnetische Felder in
den Kopplungshohlräumen 20, so daß die Energieverluste in diesen nicht in Wech
selwirkung stehenden Hohlräumen gering sind. Es ist zu sehen, daß der erste und
der letzte Beschleunigungshohlraum 26, 28 jeweils aus einer Hälfte eines inneren
Hohlraums 16, 18 bestehen, und folglich ist die Gesamt-Beschleunigerstruktur im
Verhältnis zum HF-Eingangskoppler 15 symmetrisch. Es versteht sich, daß die End
hohlräume natürlich auch ganze Hohlräume, wie das die Hohlräume 16, 18 sind, sein
können.
Der Abstand zwischen den Beschleunigungshohlräumen 16, 18 beträgt unge
fähr die Hälfte einer Freiraumwellenlänge, so daß die in einem Hohlraum 16 be
schleunigten Elektronen in der richtigen Phase im Verhältnis zum Mikrowellenfeld zur
weiteren Beschleunigung beim nächsten Beschleunigungshohlraum ankommen.
Nach seiner Beschleunigung trifft der Strahl 12 auf ein Röntgenziel 32. Alternativ da
zu kann 32 ein Vakuumfenster aus Metall sein, das so dünn ist, daß die Elektronen
zum Zweck einer Partikelbestrahlung eines Subjekts hindurchgelassen werden.
Wenn alle Beschleunigungshohlräume 16, 18 und alle Kopplungshohlräume
20 ähnlich und um ihre Mittelebenen spiegelsymmetrisch sind, ist das Feld in allen
Beschleunigungshohlräumen im wesentlichen das gleiche.
Im Stand der Technik, repräsentiert zum Beispiel durch die US-Patente Nr.
4,286,192, 4,382,208 und 4,746,839, ist mindestens ein Kopplungshohlraum so konfiguriert,
daß eine Steuerung oder Einstellung der Ausgangsenergie im Elektronen
strahl möglich ist. Im Patent Nr. 4,382,208 wird die Ausgangsenergie dadurch ge
steuert, daß der Kopplungshohlraum durch mechanische Einstellung asymmetrisch
gemacht wird. Die geometrische Asymmetrie erzeugt eine Asymmetrie der elektro
magnetischen Feldverteilung im Kopplungshohlraum 34, so daß die Magnetfeldkom
ponente an einer Irisblende 38 größer als an der anderen Irisblende 40 ist. Das ge
koppelte Magnetfeld ist daher in den durch die Irisblende 38 gekoppelten vorherge
henden Hohlräumen 16 größer als in den durch die Irisblende 40 gekoppelten Hohl
räumen 18. Da die Hohlräume 16, 18 identisch sind, ist das Verhältnis der Beschleu
nigungsfelder in den Hohlräumen 16 und 18 direkt proportional zum Verhältnis der
Magnetfelder an den Irisblenden 38 und 40. Durch Verändern des Grads der magne
tischen Asymmetrie im Kopplungshohlraum 34 kann die HF-Spannung des Be
schleunigungsfelds in der folgenden Kette 18 verändert werden, während das Be
schleunigungsfeld in den Hohlräumen 16 in der Nähe des Strahlinjektionsbereichs
konstant gehalten werden kann. Die Energie des Ausgangsstrahls kann daher selek
tiv eingestellt werden.
Da die Bildung von Elektronenbündeln aus einem anfänglich kontinuierlichen
Strahl in den zuerst durchquerten Hohlräumen 16 stattfindet, kann die Bündelbildung
dort optimiert und nicht durch Verändern des Beschleunigungsfelds in den Aus
gangshohlräumen 18 beeinträchtigt werden. Die Energiestreuung im Ausgangsstrahl
wird daher von der sich verändernden mittleren Elektronen-Ausgangsenergie unab
hängig.
Die sich verändernde Energie, die dem Strahl durch die Ausgangshohlräume
18 verlorengeht, wird natürlich die auf die (nicht dargestellte) Mikrowellenquelle wir
kende Veränderung der Lastimpedanz verändern, wodurch eine kleine von der Iris
blende 15 reflektierte Mikrowellenenergie erzeugt wird. Diese Veränderung ist gering
und kann leicht entweder durch eine variable Impedanz oder durch Einstellen der
Mikrowellen-Eingangsenergie kompensiert werden.
Im Stand der Technik sind Ausgangsenergiepegel allgemein auf zwei Pegel
beschränkt, einen ersten Energiepegel, bei dem der Seitenhohlraum so konfiguriert
ist, daß er die Konfiguration der Felder im Hohlraum nicht stört, wobei durch die Iris
blenden 38, 40 hindurch eine gleiche induktive Kopplung mit den benachbarten Hohl
räumen entsteht, und einen zweiten Energiepegel, bei dem die Felder im Hohlraum
dadurch verändert werden, daß die physische Konfiguration des Hohlraums und die
durch die Irisblenden hindurch wirkende induktive Kopplung verändert wird, wodurch
das Feld in den Hohlräumen 16, 18 und so auch das Magnetfeld an den beiden Iris
blenden verändert wird.
Bei vielen medizinischen Vorgängen besteht ein Bedarf nach drei oder mehr
Ausgangsenergiepegeln zur Bildung von Röntgenstrahlen unterschiedlicher Pegel
zur Behandlung von Tumoren usw., die unterschiedlich tief in einem Patienten liegen.
Der erfindungsgemäße Seiten- oder Kopplungshohlraum ist mit zwei oder mehr a
symmetrisch angeordneten Plungern oder Sonden konfiguriert. Die Sonden sind vor
zugsweise Kreiszylinder. Sie können aber auch rechteckig geformt oder Zylinder ei
ner anderen Form sein. Der in Fig. 2 gezeigte Kopplungshohlraum 34 weist insbe
sondere einen zylindrischen, napfförmigen Körper 50 auf, der einen zylindrischen
Kopplungshohlraum 52 bildet, der am Hauptkörper 53 des Beschleunigers befestigt
ist. Nasen oder Elemente 54, deren Endflächen einander gegenüberliegen, erstre
cken sich axial in den Hohlraum. Bewegliche Plunger oder Sonden 56, 57, Fig. 2,
erstrecken sich radial durch die Wand 50 des zylindrischen Kopplungshohlraums in
den Hohlraum, wobei ihre Achsen ein "V" beschreiben. Hierdurch wird für die Me
chanismen physisch ein Raum geschaffen, die die Enden der Sonden betätigen, um
die Sonden 56, 57 ohne mechanische Einwirkung ein- und auszufahren. Der (nicht
dargestellte) Mechanismus kann elektrisch betätigte Solenoide oder pneumatisch
betriebene Zylinder aufweisen. Eine Bewegung der Plunger geschieht durch die Va
kuumwand über Bälge 61, 62, die eine Vakuumdichtung bilden. Wie noch erläutert
wird, ist die Bewegung der Plunger so programmiert, daß sie die Magnetfelder im
Hohlraum so ändern, daß entweder, wenn beide Plunger eingezogen sind, ein sym
metrisches Feld erzeugt wird, oder unterschiedliche asymmetrische Felder erzeugt
werden, wobei der eine oder andere Plunger 56, 57 bis auf einen vorbestimmten Ab
stand zu einer benachbarten Nase 54 in den Hohlraum eingeführt wird, damit so die
Magnetfelder verändert werden, die an die Irisblenden gekoppelt werden. Die so er
zeugte Asymmetrie kann durch den Durchmesser der Plunger und zweitens (und
wichtiger) durch die Position des Endes des Plungers im Innern des Hohlraums be
züglich der Nase 54 gesteuert werden. Typischerweise verringern auf der Strahlein
gangsseite der Längsmittellinie des Hohlraums liegende Sonden die magnetische
Kopplung an die auf der Strahlausgangsseite liegende Irisblende und daher auch die
Ausgangsenergie, während auf der Strahlausgangsseite der Längsmitte des Hohl
raums angeordnete Sonden die magnetische Kopplung zur Strahlausgangsseite hin
an die auf der Strahlausgangsseite gelegene Irisblende und daher auch die Aus
gangsenergie erhöhen.
Da die Sonden in Fig. 2 und 3 bei der auf der Strahleingangsseite gelegenen
Nase 54 angeordnet sind, kann zum Verringern der Ausgangsenergie um einen vor
bestimmten Betrag der Einführungsgrad und die Größe der Sonde so gewählt wer
den, daß die magnetische Kopplung an die zur Strahlausgangsseite zeigende Iris
blende verglichen mit der auf der Strahleingangsseite gelegenen Irisblende um einen
ersten Betrag verringert wird. Der Einführungsgrad und die Größe der anderen Son
de können so gewählt werden, daß zum Verringern der Ausgangsenergie um einen
zweiten Betrag die magnetische Kopplung um einen anderen Betrag verringert wird.
Bei einem Beispiel war die Ausgangsenergie bei zwei eingezogenen Sonden 18 MeV
und wurde dann durch das Einschieben des einen oder anderen Plungers auf 10 MeV
bzw. 6 MeV verändert.
Außerdem bestehen Abstimmungsanforderungen, die noch nicht beschrieben
wurden. Insbesondere darf die normale Anforderung, daß der geschaltete Seiten
hohlraum auf die gleiche Frequenz wie die beiden anderen Seitenhohlräume einge
stellt sein muß, nicht mißachtet werden. Eine solche Mißachtung würde die Stabilität
des Leiters gefährden. Die Abstimmungsanforderung wird hauptsächlich dadurch
erfüllt, daß der Durchmesser der Sonde und der Einführungsgrad variiert werden.
Allgemein sind das auf der Strahleingangsseite gelegene und das auf der Strahlaus
gangsseite gelegene Magnetfeld so beschaffen, daß im Schalt-Hohlraum kein Feld
resultiert.
In Fig. 4 sind die Sonden 56a, 57a in Längsrichtung entlang der Länge des
Hohlraums voneinander getrennt, wobei eine Sonde auf der Strahleingangsseite der
Längsmitte des Hohlraums liegt und die andere auf der Strahlausgangsseite. Das
Einführen der auf der Strahleingangsseite gelegenen Sonde 56a wird daher die ma
gnetische Kopplung durch die auf der Strahlausgangsseite gelegenen Irisblende ver
ringern und die Ausgangsenergie verglichen mit dem Zustand, da beide Sonden ein
gezogen sind, verringern. Ein Einführen der auf der Strahlausgangsseite gelegenen
Sonde 57a wird die magnetische Kopplung durch die auf der Strahlausgangsseite
gelegene Irisblende und daher auch die Ausgangsenergie im Vergleich zu dem Zu
stand, da beide Sonden eingezogen sind, erhöhen. Zum Beispiel kann die Energie
von 10 MeV auf 18 MeV erhöht oder von 10 MeV auf 6 MeV verringert werden.
Es wurde so ein Beschleuniger vorgesehen, bei dem die Strahlenergie zwi
schen drei Pegeln geschaltet werden kann, wobei zwei sich radial erstreckende Son
den verwendet werden. Die Sonden werden aus zwei verschiedenen Richtungen in
einer V-Konfiguration radial eingeführt. Diese Konfiguration ermöglicht es den die
Sonden jeweils haltenden und bewegenden Mechanismen, sich nicht gegenseitig
physisch zu stören. Die Verwendung von zwei Sonden erlaubt ein einzelnes Einfüh
ren der Sonden, wobei die Durchmesser der Sonden so ausgewählt werden, daß die
Resonanz erhalten bleibt und bei minimaler Energiestreuung drei Ausgangsleis
tungspegel vorgesehen werden.
Claims (12)
1. Beschleuniger (10) zum Beschleunigen eines Partikelstrahls (12), mit einer
resonanten Kette elektromagnetischer Hohlräume (16, 18), die in Reihe ge
schaltet sind und mit ungefähr der gleichen Frequenz resonieren,
gekennzeichnet durch
- - einen mit jedem von mindestens zwei zwischenliegenden benachbarten Hohl räumen (16, 18) gekoppelten Kopplungshohlraum (34),
- - mindestens eine erste und eine zweite Sondeneinrichtung (56, 57) zur unab hängigen Einführung in den Kopplungshohlraum (34) zum Verändern der Ver teilung elektromagnetischer Felder im Hohlraum (34), wobei die elektromagne tische Feldkopplung zwischen den beiden benachbarten Hohlräumen (16, 18) verändert wird, wodurch die Energie des Partikelstrahls (12) von einem Wert verändert wird, bei dem die Sonden (56, 57) eingezogen sind, zu einem ersten unterschiedlichen Wert, bei dem eine Sonde eingeführt ist, und einem anderen unterschiedlichen Wert, bei dem nur die andere Sonde eingeführt ist.
2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die andere
Sonde eingeführt ist.
3. Beschleuniger (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopp
lungshohlraum (34) zylindrisch ist und die Sondeneinrichtungen (56, 57) zum
Verändern des elektromagnetischen Felds im Kopplungshohlraum (34) radial
mit einem radialen Winkel voneinander eingeführt werden, so daß dabei ein
"V" gebildet wird.
4. Beschleuniger (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
und die zweite Sondeneinrichtung (56, 57) beide auf einer Seite der Längsmit
tellinie des Kopplungshohlraums (34) sind.
5. Beschleuniger (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
und die zweite Sondeneinrichtung (56a, 57a) auf entgegengesetzten Seiten
der Längsmittellinie des Kopplungshohlraums (34) sind.
6. Beschleuniger (10) nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, oder 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kopplung der elektromagnetischen Felder an die beiden be
nachbarten Hohlräume (16, 18) durch Irisblenden (38, 40) geschieht und die
Sondeneinrichtungen (56, 57) die Verteilung des elektromagnetischen Felds
bezüglich der Irisblenden (38, 40) verändern.
7. Beschleuniger (10) nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Durchmesser der ersten und der zweiten Sonde (56, 57) so
ausgewählt wird, daß die Frequenz des Hohlraums (34) gesteuert wird.
8. Partikelbeschleuniger (10) mit einer Kette elektromagnetischer Beschleuni
gungshohlräume (16, 18), zylindrischen Kopplungshohlräumen (20, 34), die
benachbarte Beschleunigungshohlräume (16, 18) miteinander koppeln, wobei
die Kopplungshohlräumen (20, 34) sich axial gegenüberliegende Leiternasen
(24, 54) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß
einer der dazwischen liegenden Kopplungshohlräume (34) mindestens eine
erste und eine zweite unabhängig in den Kopplungshohlraum (34) einzufüh
rende Sondeneinrichtung (56, 57) zum Verändern der Verteilung der elektro
magnetischen Felder im Kopplungshohlraum (34) aufweist, wodurch die mag
netische Feldkopplung an die zwei benachbarten Hohlräume (16, 18) durch
das Einführen der einen oder der anderen Sondeneinrichtung (56, 57) um ei
nen unterschiedlichen Betrag verändert wird, wodurch zum Verändern der E
nergie des Partikelstrahls (12) die Beschleunigungsfelder in den Beschleuni
gungshohlräumen (16, 18) verändert werden.
9. Beschleuniger (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Son
deneinrichtungen (56, 57) zum Verändern des elektromagnetischen Felds im
Kopplungshohlraum (34) radial zueinander in einem radialen Winkel in der
Form eines "V" eingeführt werden.
10. Beschleuniger (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
und zweite Sondeneinrichtung (56, 57) beide auf einer Seite der Längsmittelli
nie des Kopplungshohlraums (34) liegen.
11. Beschleuniger (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
und zweite Sondeneinrichtung (56a, 57a) auf entgegengesetzten Seiten der
Längsmittellinie des Kopplungshohlraums (34) liegen.
12. Beschleuniger (10) nach den Ansprüchen 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kopplung der elektromagnetischen Felder an die beiden be
nachbarten Hohlräume (16, 18) durch Irisblenden (38, 40) geschieht und die
Sondeneinrichtungen (56, 57) die Verteilung des elektromagnetischen Felds
bezüglich der Irisblenden (38, 40) verändern.
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