CN101155464B - 环形加速装置、电磁波发生器和电磁波成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种环形加速设备，它包括：电子发生器(1)，用于响应从高压电源(4)施加在电子发生器(1)上的脉冲电压以脉冲方式产生电子；以及环形加速器(2)，它包括用于使已经由电子发生器(1)产生并且注入到环形加速器中的电子加速的电子加速装置(13)和用于使注入的电子发生偏转的偏转磁场产生装置(14)，其特征在于，所述高压电源(4)设有用于使施加在电子发生器(1)上的脉冲电压具有缓慢上升边缘和缓慢下降边缘中的至少一个的电路元件。
Description
技术领域
本发明涉及能够使大电流电子束加速的环形加速装置、用来通过使由环形加速装置加速的电子撞击标靶来产生电磁波例如X射线的电磁波发生器以及用于使用由电磁波发生器产生的X射线等产生人体、半导体等的放射图像的电磁波成像系统。
背景技术
在下面的说明书中，假设环形加速装置配备有环形加速器、电子注入装置和驱动它们所需的电源。环形加速器将由电子发生器产生的电子处理成注入电子，并且使这些注入电子加速直到它们具有预定的能量，同时使得它们在其轨道中运动；该环形加速器不必是环形的。为了方便起见，因为这些电子在其轨道中循环运动，因此使用该术语“环形”。
在使用环形加速器产生X射线的电磁波发生器等中，已经采用电子感应加速器和同步加速器作为环形加速器。但是，在采用电子感应加速器时，由于在电子之间的库伦排斥作用，所以难以增大电流，从而导致通过使电子撞击标靶而产生的X射线等的电磁波强度较低，因此难以将使用这些加速器的电磁波发生器应用于工业和医疗领域。还有，在使用同步加速器以便产生高能电磁波时，要采取没有利用同步辐射但是要使得电子撞击标靶的方法；但是该方法存在与使用电子感应加速器时相同的困难，因为难以增大电流，从而所产生的电磁波例如X射线的强度变得较低；因此，难以将使用同步加速器的电磁波发生器作为高能发生器应用于工业和医疗领域。
为了改善上述状况，在日本专利特许公开No.2004-296164(专利文献1)中已经提出了使用了所谓的混合型加速器的电磁波发生器。该混合型加速器为采用了如下加速方法的加速器：在加速装置自从电子开始注入加速器的时刻起对电子进行加速时，由包括在加速器中的偏转电磁铁产生的偏转磁场在注入期间保持恒定，并且将它控制成在完成注入之后改变。在该加速器中，稳定的电子轨道扩散分布在较宽的半径范围内；因此，在按照上述方式注入电子时，这些电子根据其在注入时期内的注入情况而在每个具有不同直径的轨道中稳定运动。因此，加速器使得这些电子在分布在较宽轨道范围内的轨道中运动。由此，可以降低电子的空间密度，从而导致这些电子之间的库伦排斥减小，这使大电流加速成为可能。
混合加速器采取所谓的通过由加速磁场感应出的电场进行的感应加速作为加速手段。图10显示出根据专利文献1的偏转磁场强度和加速磁场强度随着时间的变化。在图10中，“41”为相对于时间的加速磁场强度变化，“42”为偏转磁场强度相对于时间的变化；假设以脉冲的方式进行注入操作。这里“以脉冲方式进行注入操作”指的是，每次注入在矩形波脉冲到达其波峰之后的预定时期内进行。更具体地说，因为脉冲紧随其产生之后上升至其峰值，所以如下设定注入时期：在从已施加脉冲的时刻到脉冲到达其峰值的时刻的特定时间过去后开始注入，并且在保持脉冲峰值的同时一直持续至已经过去了特定时间。因为加速磁场强度41从开始注入电子的时刻开始增大，所以这些电子在它们已经被注入时已经被加速。同时，将偏转磁场强度42控制成从注入开始时刻到注入结束时刻停留在恒定数值处；一旦注入结束，与加速磁场强度41类似，将强度42控制为开始增大。在偏转磁场强度42停留在恒定数值期间，彼此具有相同能量的注入电子在其注入之后马上被加速，并且其偏转曲线逐渐变大。因此，在注入结束时刻，根据在其在注入时期内的注入时刻将每个电子进行不同的加速；注入电子在径向分布的轨道中运动。因为这些电子之后继续加速以便具有预定的能量，所以径向分布的轨道进一步径向膨胀。在注入结束之后，偏转磁场强度42增大；轨道径向膨胀程度通常比在注入期间更小。一旦已经将这些电子加速至具有预定的能量，则可以例如通过将偏转磁场强度42控制在恒定数值等处来使电子轨道膨胀。
在将标靶放置在电子能够稳定地来回运动的多个轨道当中的具有预定半径的轨道中时，在电子轨道的半径改变的情况下，电子束能够按照受控的方式撞击标靶，从而通过撞击产生电磁波例如X射线。这里，因为标靶具有一定的面积，所以在特定半径范围内的轨道中运动的电子容易与标靶撞击。下面将把这些轨道称为撞击轨道。即使在电子轨道半径正在改变期间，电子也径向发散并且在轨道中运动；通过逐渐改变轨道的半径，这些电子束能够连续撞击标靶，从而能够连续产生X射线。这里，已经与标靶撞击的所有电子不总是消失，已经降低能量的电子在其撞击之后保留在那里。因为一般来说残余电子也具有能够在轨道中稳定运动的能量，所以一部分电子每一圈能够用来自加速磁场的充足能量补充能量，以便返回到撞击轨道。因此，使用加速器，能够利用在轨道中运动的电子有效地产生电磁波(参见专利文献1)。
如上所述，在这些加速器中，因为这些电子具有稳定的径向分布轨道，使得在这些电子之间的库伦排斥更小，从而容易加速大电流；因为能够改变轨道的位置，所以在通过控制加速磁场强度和偏转磁场强度来保持让电子在轨道中稳定运动的条件的同时，能够使电子在轨道中运动以便与标靶有效撞击。到目前为止，已经描述了混合型加速器作为一个典型的例子，但是本发明不限于能够通过增大电子轨道半径来增大电流的混合型加速器。任意类型的环形加速器或多或少地具有一定半径范围的电子稳定运动的轨道；因此，也能够以类似的方式通过增大电子轨道的半径来增大电流。同时，一些加速器采用了电场加速方法代替利用磁场的感应加速方法。在该情况下，如果将术语“加速磁场强度”与在图10中的术语“电场加速器”更换，则上面的说明也一样。
但是，在电子注入期间，混合加速器需要控制加速磁场强度和偏转磁场强度随着时间的变化以便在它们之间形成预定的关系；这导致复杂的电磁体电源控制，其中电子加速装置和电子偏转装置产生磁场，从而造成加速器制造成本高的问题。在采用电场加速方法以及感应加速方法作为电子加速手段时也存在上面的问题。在该情况中，这导致对用于电场加速的电源和让电子偏转装置产生磁场的电磁体电源的控制复杂化，从而造成加速器制造成本高的问题。因此，在打算根据上述方法增大在环形加速器中的电流时，不限于混合型加速器，存在的共同问题是：对用来向电子加速装置施加高电压的电源和用于给用来产生偏转磁场的电子偏转装置输送电流的电源的控制变得复杂，从而造成成本高。
发明内容
根据本发明的环形加速设备包括：用于响应从高压电源施加在电子发生器上的脉冲电压以脉冲方式产生电子的电子发生器；以及环形加速器，它包括使由电子发生器产生并且注入到环形加速器中的电子加速的电子加速装置和用于使注入的电子发生偏转的偏转磁场产生装置，其中该环形加速设备的特征在于，高压电源设有用于使施加在电子发生器上的脉冲电压具有缓慢上升边缘和缓慢下降边缘中的至少一个的电路元件。
根据本发明，因为采用了简化的高压电源，所以可以获得这样一种环形加速设备，它能够加速更高的电流同时避免对由电子偏转装置产生的偏转磁场的控制复杂。还有，在将该环形加速设备应用于电磁波发生器以及使用该电磁波发生器的电磁波成像系统的情况下，能够实现可产生增强电磁波例如X射线的发生器和具有高分辨率的电磁波成像系统。
附图说明
图1为根据本发明实施方案1的电磁波发生器的剖视图；
图2A为在根据本发明实施方案1的环形加速器中由电子加速装置和电子偏转装置产生的电磁场波形图，并且图2B为一示意图，显示出在根据本发明实施方案1的环形加速器中施加在电子发生器上的电压的时间间隔；
图3为一示意图，显示出施加在根据本发明实施方案1至实施方案3的电子发生器上的脉冲高压的波形；
图4为一示意图，显示出施加在根据本发明实施方案2的电子发生器上的脉冲高压的波形；
图5为用于向根据本发明实施方案4的电子发生器施加高电压的高压电源的示意性电路图；
图6为一示意图，显示出在根据本发明实施方案1的环形加速器中由电子发生器产生的电子的能量如何相对于加速电流扩散的关系；
图7为根据本发明实施方案5的电磁波发生器的剖视图；
图8为根据本发明实施方案6的X射线成像系统的示意性结构图；
图9为由根据本发明实施方案6的X射线成像系统拍摄的直径为1毫米的球体的图像模拟结果；
图10为一示意图，显示出在与背景技术相关的环形加速设备中由电子加速装置和电子偏转装置产生的电磁场强度的波形。
附图标记
1 电子发生器
2 环形加速器
3 用于产生电磁波例如X射线的标靶
11 真空室
12 电子轨道
13 电子加速装置
14 电子偏转装置
21 由电子加速装置产生的磁场的强度；
22 由电子偏转装置产生的磁场的强度
23 施加在电子发生器上的脉冲高电压
24 第一注入时期
25 第二注入时期
31 电子发生器的等效电路
32 AC电压源
33 整流/平滑电路
34 开关器件
35 高压变压器
41 由传统电子加速装置产生的磁场的强度
42 由传统电子偏转装置产生的磁场的强度
71 电磁波发生器
72 人体
73 图像检测器
74 数据处理单元
75 X射线
81 常见的吸收反差图像
82 采用根据本发明的电磁波发生器得到的折射反差图像
具体实施方式
下面将基于这些附图对根据本发明的实施方案进行说明。
实施方案1
根据本发明的实施方案在于，通过将由电子发生器产生的能量变化的电子注入到环形加速器中来增大在环形加速器中的电子的轨道半径。采用该实施方案，即使在偏转磁场的强度以与加速磁场相同的模式随着时间变化时，也能够增大已经注入并且被加速的电子的轨道半径，而不用按照如在传统设备中所采用的复杂方式来控制偏转磁场随着时间的强度变化。因此，能够按照简化的方式明显降低轨道运行电子的空间密度，从而实现大电流加速和存储。下面首先简要说明根据该实施方案的整体设备；然后说明改变由电子发生器产生的电子能量的方法。
图1显示了根据实施方案1的电磁波发生器，它配备有采用混合加速器作为环形加速器的环形加速设备；图1也是从电子在轨道中运动的轨道平面上获得的剖视图。在图1中，“1”为用于产生电子的电子发生器，“2”为环形加速器——在该图中被举例为混合加速器——用于将由电子发生器1产生的电子注入到其中并且在使电子在轨道中运动的同时将电子加速至预定能量。“3”为设置在环形加速器2中的电子轨道中的电磁波产生标靶，并且被加速至预定能量的电子与标靶3撞击以便产生电磁波例如X射线。“4”为向电子发生器1施加脉冲电压以便产生电子的高压电源。所有上述部件构成电磁波发生器。
下面将对在环形加速器2中的各个组成部件(下面将混合型加速器作为环形加速器的示例)进行详细说明。“11”为电子在其中进行轨道运行的真空室；“12”为电子在真空室11中运动的轨道并且这些轨道在该图中径向分布。这里在该图中，每条轨道12显示为封闭轨道；但是如将在下面所详细说明的一样，因为轨道运行的电子正在加速，所以它们可以在相同的固定轨道中或者在响应偏转磁场随时间的强度变化以螺旋方式连续变化的轨道中运动。但是，即使在出现变化的情况下，每一圈半径变化量一般是不可预测的；构造出大致封闭的轨道22。因此之后，术语“封闭”将同样用来意指上面的含义。另外，在该图中所示的轨道是电子能够在其中稳定运动的轨道；其它稳定的轨道可以存在于在该图中所示的轨道之间。“13”为环形加速器2中用于使在轨道12中运动的电子加速的电子加速装置，“14”为用于使正在运动并且加速的电子在由轨道12形成的平面中偏转的电子偏转装置。利用电源，电子加速装置13和电子偏转装置14产生频率在50赫兹至几万赫兹范围的交变磁场，它们将在下面被分别称为加速磁场和偏转磁场。
如上所述，已经由电子加速装置1产生的电子被注入到环形加速器2中，在穿过电子偏转装置14的同时受到来自偏转磁场的偏转力，并且在真空室11中的封闭轨道12中运动。在这些电子正在轨道中运动期间，在穿过电子加速装置13时通过从由电子加速装置13产生的加速磁场所感应出的电场使得它们加速；可以根据由电子偏转装置14产生并且随着时间变化的偏转磁场的强度来改变轨道的半径。采用上述方法来控制通过加速已经到达预定能级的电子，以使之运动到安放有标靶3的轨道中，以便产生电磁波例如X射线，从而这些电子与标靶3撞击以便沿着电子运动方向产生电磁波例如X射线。
接下来，将参照图2对将由电子发生器1产生的电子注入到环形加速器2中的方式进行说明。在图2中，显示出由在环形加速器2中的电子加速装置13产生的加速磁场强度21、由电子偏转装置14产生的偏转磁场强度22和施加在用于产生电子的电子发生器1上的脉冲高电压23随着时间变化的波形。图3为脉冲高电压23的放大图。由电子发生器1产生的电子的能量取决于施加在其上的脉冲高电压23的数值。
假设加速磁场强度21和偏转磁场强度22的波形彼此类似，例如大致为随时间变化的正弦波形。在该情况中，将在电子加速装置13的磁极之间和在电子偏转装置14的磁极之间的间隙调节至预定长度，从而可以使两个装置共享一个电源。由此，还不必按照复杂的方式控制如图10所示的偏转磁场强度，从而可以按照非常低的成本制造电源。在如上所述通过彼此类似的波形来控制磁场时，偏转磁场强度在注入时期内按照与加速磁场强度类似的方式增大；电子轨道在注入时期内的半径变化变得小于在图10中所示的情况。因此，电子轨道在注入时期内的半径比在图10中所示的情况扩展更小；电子的密度变得相对较高。为了避免出现上面的情况，在根据该实施方案的电磁波发生器中故意大大增大在注入时电子能量波动；由此，即使在那些情况下也使得电子轨道半径扩大，从而意味着电子的密度降低。下面将采用图2和图3对有关的细节进行说明。
在图2中，在由电子加速装置13产生的磁场21的强度和由电子偏转装置14产生的磁场22的强度已经上升至预定数值之后，将在图3中所示的脉冲高电压23施加在电子发生器1上。该脉冲高电压不是已经施加在电子发生器1上的电压，而是具有缓慢上升边缘。由在图1中的电子发生器产生的每个电子其自身的能量与脉冲高电压23的瞬时数值对应。脉冲高电压的波形具有缓慢上升边缘，它在高压电源中产生。在图3中显示出施加在电子发生器1上的脉冲高电压23的波形形成为例如在一个微秒内缓慢上升至其峰值。同时，在环形加速器中，存在让电子在注入之后能够稳定加速的一定范围的注入能量。如上所述，由电子发生器1产生的电子根据脉冲高电压数值获得能量；脉冲的峰值被确定为它相当于在注入能量范围中的上限值。同时，在注入能量范围中的下限值对应于在缓慢上升脉冲电压波形上的预定电压值，如图3所示。另外，在环形加速器2中存在注入时期的上限；这是因为注入太长时间会导致注入的电子在轨道中不稳定地运动。考虑到上面的情况，在正在施加在图3中的脉冲高电压23期间，注入时期被确定为满足：这些电子在注入之后在轨道中稳定地运动。该注入时期表示为在图3中的第一注入时期24。
因此，在正在施加脉冲高电压23期间，在第一时期24内根据波形产生的电子能量在该时期的初始部分中较低，但是随着时间逐渐增大；每个电子在其产生时注入到环形加速器2中。低能量的电子在所述时期的初始部分中注入并且从那里开始加速以便具有更大的能量；因此，其能量变得接近在第一注入时期24内的后面阶段期间注入的电子的能量。但是，即使在这些情况下，也能够确保电子轨道充分扩展。在加速磁场强度21和偏转磁场强度22按照这样一种方式彼此相关时，从而在电子在每个注入时刻具有恒定能量时，如果使得电子在规定轨道中运动而不考虑每个注入时刻，电子轨道由于在注入电子之间的能量差异而径向散开。在两个情况中，在不对加速磁场强度21和偏转磁场强度22采取复杂控制的情况下，可以很容易通过使施加在电子发生器1上的脉冲高电压23的前缘缓慢上升来扩展电子轨道的半径；因此，可以降低电子的空间填充，从而能够实现增大电流的其中一个初始目标。同时，在传统的向电子发生器1施加脉冲电压的情况中，电子注入在脉冲电压到达恒定数值时开始，并且在其中脉冲电压仍然保持在恒定电压的时期内的某个时刻终止；也就是说，基本上假设注入了具有恒定能量的电子。根据该实施方案的电磁波发生器与现有技术完全不同之处在于，注入在脉冲电压到达恒定电压之前的某个时刻开始或者一直持续到电压已经到达恒定电压之后的某个时刻。
下面将采用图6作为实施例描述电流增大的程度。图6显示出在控制加速磁场强度21和偏转磁场强度22从而使轨道不会因加速而改变时将注入到环形加速器2中的电子的能量分散(能量差)作为参数得出的加速电流的模拟计算结果。从该图中可以看出，随着注入电子的能量分散，加速电流的最大值增大。但是，在低于5％的能量分散范围中不会发现明显的增大，这是因为每个能量在低于5％的能量分散范围中相差很小；将与每个能量对应的自身波束尺寸当作决定空间充电效果的主要因素。在大于5％的能量分散范围中，随着能量分散增大，加速电流大幅度增大；它几乎线性增大直到能量分散达到其15％；超过那个能量分散，则加速电流再次逐渐增大。这是因为在能量分散太大的情况下，一些电子在环形加速器2的稳定轨道区域之外运动，从而它们不会在轨道中稳定运动。在图6中，发现加速电流能够增大至5倍或更大。另外，根据加速器的设计，也可以将加速电流增大至10倍或更大。
接下来，为了产生电磁波例如X射线，在轨道中运动的电子必须与电磁波产生标靶3撞击。在图1中所示的实施例中，电子发生器1设置在环形加速器2的外侧中，从而电子从其圆周注入，同时电磁波产生标靶3设置在环形加速器2的内侧中。在其中加速磁场强度21和偏转磁场强度22随着时间变化的情况下，如图2所示，通过将其强度比预设为预定数值，从而根据该数值能够使电子轨道半径在其加速期间向内径向减小。如上所述，通过将在加速磁场强度21和偏转磁场强度22之间的关系固定在预定数值处，从而能够使已经在环形加速器2中径向扩散的电子轨道半径向内逐渐减小；这些电子能够如此与电磁波产生标靶3撞击，从而在其中轨道半径根据每个距离(距离标靶的)减小的时期内连续产生。在通过在加速完成时使偏转磁场进行微小变化来改变轨道半径时，能够获得类似的效果，从而电子与电磁波产生标靶3撞击。如上所述，其电流增大的电子束能够与电磁波产生标靶3撞击；即使在电磁波产生标靶3变得更小时，也能够产生其强度与该电流相当的电磁波例如X射线。
以上已经将混合型加速器例举为环形加速器2；但是，环形加速器不限于混合型加速器。只要加速器能够稳定加速具有在一定范围中的能量的注入电子，则该加速器能够产生与上述加速器类似的效果；同步加速器和电子感应加速器是这些加速器的例子。但是，在增大电流方面的改进程度根据加速器类型而不同，因为每种类型具有其自身的许可注入能量范围。另外，上面的说明是在假设电子加速装置13采用了其中通过从加速磁场产生的电场加速电子的感应磁场加速的情况下给出的。但是，上述方法不仅限于感应磁场加速，而是还可以完全适用于高频电场加速。在该情况下，通过用加速电场强度代替在图2中的加速磁场强度21，从而可以适用上面的说明。
实施方案2
在当前实施方案中，施加在电子加速器1上的脉冲高电压23具有缓慢下降边缘，并且在该缓慢下降时期内产生的电子被注入到环形加速器2中。脉冲高电压的波形具有缓慢下降边缘，它在高压电源中产生。当使用在图3中所示的第二注入时期25作为注入时期时，还可以使用已经在脉冲高电压23的下降边缘时期内产生的具有较低能量的电子。图4为一示意图，显示出根据该实施方案的脉冲高电压23的波形。因为使用了该脉冲的下降边缘，所以该脉冲的任意上升边缘不是关键的。在该图中，显示出如在传统方式中一样陡峭上升的脉冲高电压。在该图中，“25”表示在稳定加速所需的注入能量范围和注入时期的约束条件下确定的第二注入时期。也就是说，第二注入时期在其中电压保持其峰值的时期内的某个时刻开始，并且一直持续到在电压下降时期内的预定时刻。在图3和图4的每一个中，施加在电子发生器1上的高电压一开始较高，然后随着时间变得较低；根据该电压，一开始将具有高能量的电子注入到环形加速器2中，然后随着时间将具有低能量的那些电子注入到其中。因此，在注入完成时，注入电子能量与在图3中不同地分散；能量差异变得比在其注入时的那些更大；因此注入电子的轨道径向展开。如上所述，可以使得脉冲高电压23的波形在下降边缘处缓慢下降，并且使用与该边缘对应的时期来注入电子，从而也能够扩展电子轨道的半径；因此，可以与实施方案1类似地增大在环形加速器中的电流。因此，使用如上所述的环形加速设备，可以加强由电磁波发生器例如X射线发生器产生的电磁波例如X射线。
实施方案3
在该实施方案中，注入时期包括在图3中的第一注入时期24和第二注入时期25。因为该实施方案具有在实施方案1和实施方案2中所述的两个效果，所以也能够使电子轨道的半径扩大，从而与实施方案1类似地增大在环形加速器中的电流。因此，使用如上所述的环形加速设备，可以增强由电磁波发生器例如X射线发生器所产生的电磁波例如X射线。但是，如上所述，注入时期具有上限；在一些情况中，在实施方案1和实施方案2中所述的每个时期不能简单地合并。在这些情况中，总脉冲宽度可能变窄，因而两个时期可合并为注入时期。
实施方案4
在本实施方案中，将在下面描述其中将在图3中所示的脉冲高电压23施加在电子发生器1上的装置。用于电子感应加速器等的普通高压电源通过用由高压发生器产生的电能给电容器充电并且用真空管例如闸流管切换充电来产生脉冲电压。但是，问题在于，高压电源变得笨重而昂贵，并且需要频繁更换真空管。在根据本发明的该实施方案中，可以通过在图5中所示的简单电源电路来产生在图3中所示的脉冲高电压。
为了让电子发生器1的等效电路31产生预定的高电压脉冲，首先产生低电压脉冲。也就是说，用整流/平滑电路33将来自AC电源32的AC电压转换成DC电压，并且通过开关装置34例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或者金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS-FET)来从DC电压中产生预定低电压脉冲；然后通过高压变压器35使这些脉冲逐步升高至高电压脉冲。因为脉冲在低电压侧中形成，所以容易将这些脉冲形成为任意波形的脉冲，并且变压器35能够使得电压缓慢升高，并且能够使得电压在其上升边缘单调增大；因此，能够很容易形成在图3中所示的脉冲高压23。另外，用来产生这些脉冲的电路能够只用廉价元件构成；因此能够大大降低该脉冲高压电源的制造成本。
实施方案5
在实施方案1中，电磁波产生标靶3在电子轨道12的内侧轨道中移动；在如图7所示将标靶设置在其外侧轨道中时可以获得如在实施方案1中一样的效果。采用电磁体电源，电子加速装置13和电子偏转装置14产生其频率在50赫兹和几万赫兹之间的AC磁场；当在两个磁场的磁场强度之间的关系设定为预定值时，电子束不会大大改变其轨道，从而电子束在一区域内被稳定地加速。已经加速的电子束根据在电子加速装置13和电子偏转装置14的磁场强度之间的稍微关系变化向外移动；电子束在稳定轨道运行区域中与设置在轨道中的电磁波产生标靶3撞击，从而产生电磁波例如X射线。这里，在将标靶3设置在加速器的外部时，部分电子束在其注入之后立即与标靶撞击。但是，只要标靶3为几个微米的数量级，则在注入时与标靶3撞击的电子数量较少，并且大部分电子能够被稳定地加速。
在该情况中，电子束在从标靶3的位置向内的区域中被加速以便产生电磁波例如X射线。在已经完成加速之后，扩大电子束轨道的半径，从而使电子移动以到达标靶3，以便产生电磁波例如X射线。使电子束移动并且产生电磁波例如X射线的详细说明与在实施方案1中相同。另外，在靠近环形加速器的外圆周的区域中产生电磁波例如X射线时，产生电磁波例如X射线的发生源比其中在靠近加速器中央的区域中产生电磁波例如X射线的情况更靠近辐射标靶设置；因此，可以提高辐射密度并且缩短辐射时期。另外，容易增大成像放大率。通过使辐射标靶与成像屏幕间隔开能够实现成像放大率的增大。假设R1为在辐射标靶和用来产生电磁波例如X射线的发生源之间的距离，R2为在辐射标靶和成像屏幕之间的距离，成像放大率为R2/R1。因为在使R1+R2保持恒定的同时能够使得R1更小，所以成像放大率变得更大。相反，当R1在第一位置中较大，R2必须增大以便实现高成像放大率，这造成这样一个问题，即不仅需要较大的面积来安装成像系统，而且因为成像面积变得较大，所以能够用于成像的单位面积的电磁波强度变得较低，从而降低了在成像数据中的统计精度。在其中R1保持较小的情况下，辐射面积也因此变小。
实施方案6
图8为根据该实施方案的X射线成像系统(电磁波成像系统，在广义上的)的示意性结构图。该成像系统包括电磁波发生器71、对象——在这里为人体72、图像检测器73和数据处理单元74。入射在人体72上的已经由电磁波发生器71产生的加强X射线75由图像检测器73检测出，然后由数据处理单元74处理以便产生放射图像。因为电磁波发生器71能够产生其辐射源尺寸在几个微米至大约几十个微米的范围内的增强X射线，所以可以实现折射反差成像，其中使用了在X射线中的微小折射。因为折射效应小，所以该方法直到辐射源的尺寸变得足够小才被实施。但是，假设辐射源的尺寸较小，则通常减小了X射线强度；难以用足够的统计精度生产出图像。因此，一般来说，该方法只是在高强化同步辐射发生器例如其直径为几百米的超级光子环8GeV(Spring8)中实现，从而在医疗用途中还有得到应用；但是，可以通过使用根据本发明的电磁波发生器71来获得折射反差图像，其尺寸几乎等于或小于普通X射线管的尺寸；因此，期望促进该方法的医疗使用。采用折射反差成像方法，可以在其边界得到强化的情况下将具有不同质量密度的微小材料混合物成像，并且也能够获得其放大图像；因此，可以感知大致几个毫米的小癌症。另外，因为由折射反差成像方法获取的图像可实现的对比度是由传统吸收反差成像方法所获得图像的十倍，所以可以在使对象曝露于大约为普通成像方法的十分之一的辐射剂量的情况下获得这些图像。
图9显示出这样一种结果，其中在图8中所示的系统已经模拟了由相当于水的材料构成的直径为1毫米的球体的辐射图像，这被假设为小癌症。假设，标靶的尺寸为10个微米；电子束的加速能量为100万电子伏特；电子束电流在注入电子束的ΔE/E为15％时为3安培。“81”为传统的吸收反差图像，“82”为折射反差图像。在折射反差图像82中清晰出现的环形线为相当于水的球体的边界，并且与在吸收反差图像81中的相应部分的差别是明显的。只能采用上述折射反差成像方法，因为其辐射源较小并且具有高强度。因此，已经验证了这样的意义，其中根据本发明的辐射源用作X射线成像系统的辐射源。显然这不仅对于X射线如此，而且对于所有其它电磁波都如此。
另外，X射线成像系统的成像对象不仅仅是人体；例如在利用设有折射反差成像方法的系统产生功率半导体器件的辐射图像时，可以通过折射反差成像方法感知到器件中的铝导线，而这些导线不能由传统的吸收反差成像方法感知到。因为折射反差成像方法能够区分原子量彼此接近的两种材料，所以该方法还能够区分原子量接近硅原子量的铝导线。
虽然在上面的说明书中，用来减缓脉冲高压的上升和下降边缘中的至少一个边缘的电路元件被设在高压电源中，但是该电路元件也可以设在高压电源的外面。
另外，虽然如上所述已经参照了这些附图对根据本发明的实施方案进行了说明，但是具体结构不限于这些实施方案，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以在本发明中包括其它结构。
Claims (8)
1.一种环形加速设备，它具有：电子发生器(1)，用于响应从高压电源(4)施加在电子发生器(1)上的脉冲电压以脉冲方式产生电子；以及环形加速器(2)，该环形加速器(2)包括用于使已经由电子发生器(1)产生并且注入到环形加速器(2)中的电子加速的电子加速装置(13)和用于使注入的电子发生偏转的偏转磁场产生装置(14)，所述环形加速设备的特征在于：
所述高压电源(4)设有作为如下电路元件的变压器，
该电路元件将从电源电压生成的低电压脉冲升高为高电压，使施加到所述电子发生器的所述脉冲电压的上升时间波形在第一注入时期内从环形加速器的注入能量范围中的下限值上升到上限值；或者使施加到所述电子发生器的所述脉冲电压的下降时间波形在第二注入时期内从环形加速器的注入能量范围中的上限值下降到下限值；或者使施加到所述电子发生器的所述脉冲电压的上升时间波形在第一注入时期内从环形加速器的注入能量范围中的下限值上升到上限值，并且使下降时间波形在第二注入时期内从环形加速器的注入能量范围中的上限值下降到下限值，其中，第一注入时期是满足注入之后的电子在轨道中稳定地运动的条件的注入时期，第二注入时期是在环形加速器的稳定加速所需的注入能量范围和注入时期的约束条件下确定的时期。
2.如权利要求1所述的环形加速设备，其中在通过将脉冲电压施加在电子发生器(1)上而产生的电子之中，将从在脉冲电压正在上升至其峰值的时期内的预定时刻直到在其峰值时期内的预定时刻产生的电子注入到环形加速器(2)中。
3.如权利要求1所述的环形加速设备，其中在通过将脉冲电压施加在电子发生器(1)上而产生的电子之中，将从在脉冲电压的峰值时期内的预定时刻直到在脉冲电压到达峰值之后正在下降的时期内的预定时刻产生的电子注入到环形加速器(2)中。
4.如权利要求1所述的环形加速设备，其中在通过将脉冲电压施加在电子发生器(1)上而产生的电子之中，将从在脉冲电压正在上升至其峰值的时期内的预定时刻直到在脉冲电压到达峰值之后正在下降的时期内的预定时刻产生的电子注入到环形加速器(2)中。
5.如权利要求1至4中任一项所述的环形加速设备，其中所述电子加速装置(13)通过感应加速来加速电子。
6.如权利要求1至4中任一项所述的环形加速设备，其中高压电源(4)利用变压器(35)通过逐步升高一个脉冲低电压来输出在上升边缘单调上升的脉冲高电压，其中所述脉冲低电压具有与通过电子发生器(1)产生的电子脉冲的周期相对应的周期，所述变压器(35)是具有使波形缓慢上升的功能的电路元件。
7.一种电磁波发生器，包括：
如权利要求1至6中任一项所述的环形加速设备；以及
电磁波产生标靶(3)，它被设置在构成所述环形加速设备的环形加速器(2)中的电子稳定运动的轨道中，以便通过与电子撞击产生电磁波。
8.一种电磁波成像系统，包括：
如权利要求7所述的电磁波发生器；
测量装置(73)，用于测量由电磁波发生器产生的电磁波；以及
数据处理单元(74)，用于处理由测量装置测量出的数据。
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