CN102084728A - 用于加速带电粒子的加速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加速带电粒子的加速器，它包括多个延迟线（13、15），其通到射束轨迹（35）上并且其在射束轨迹（35）的方向上顺序布置，其中至少其中一些延迟线（13、15）基于射束轨迹（35）相对旋转布置。

Description

用于加速带电粒子的加速器

技术领域

本发明涉及一种用于加速带电粒子的加速器以及一种用于使这种加速器运行的方法。这种加速器通常可以应用在医药技术，特别是放射治疗中，那里必需，为了产生治疗射线要加速带电粒子例如电子、质子或者其它的带电离子。带电粒子例如可以或者用于产生伦琴制动辐射（Bremsstrahlung），或者直接用于照射目标对象。

背景技术

为此已知所谓的“dielectric wall accelerator”（英语：介电壁加速器），也可以简称DWA。这种加速器通常是非铁的感应式粒子加速器，它包括具有通常多个延迟线的组并且它的工作方式以电磁波在延迟线中的不同延迟时间为基础。电磁信号在延迟线中传播的原理例如在A.D Blumlein的US 2,465,840中公开。

对于加速器在多个延迟线中引入电流脉冲。延迟线的几何结构以及通过电流脉冲产生的电磁波产生时间上变化的磁场或者说磁流的变化，它（通过延迟线的几何结构决定）在地点，例如在射线管的内部，产生加速电势。该电势对此应用，即加速带电粒子。

例如由US 5,757,146公开了一种这样的粒子加速器。这里使用盘形电容器对的堆叠作为延迟线的组。电容器对在此由两个盘形的板电容器组成。板电容器的高度和电容器板之间的电介质这样选择，使在电容器对的电容器中的电磁脉冲波比在其它的电容器中明显更快地传播。这种电容器对根据由A.D. Blumlein公开的延迟线也称为不对称的Blumlein或者Blumlein模块。

盘形电容器对的堆叠或者说Blumlein（布鲁姆纳）模块在此围绕中心管布置。每隔一个电容器板在另外的电容器板的对面处在正的电势上。在静态的情况下电容器交替地产生分别反向的电场，它在堆叠的内部相互补偿，即沿着中心管。如果现在电容器板在外周边上短路，电磁脉冲波在每个电容器板对之间径向向内传播。通过指向中心的脉冲波在每隔一个电容器中的更快的传播速度，在每隔一个电容器中的脉冲波头在一个时间点达到中心管，在另一个电容器中的脉冲波头在该时间点还处于向内的路上并且还没有达到中心管。由此产生电磁场的状态，它对一定的时间在堆叠的中心沿着管产生电势。由电容器对产生的电势在理想情况下是电容器板的充电电压的两倍并且存在这么久，直到较慢的脉冲波同样达到了中心管。这个时间段可以对此利用，即沿着管加速带电粒子。在延迟线的出口处（在这种情况下在内部的管中），脉冲波被反射。这通过不同的延迟时间决定地在不同的时间点实现。

在2007年6月25-29号的粒子加速器讨论会的Caporaso，GJ等的会议论文“High Gradient Induction Accelerator（高梯度感应加速器）”中此外提到了这种可能性，在盘形构造的延迟线的情况下，介电常数根据半径变化，以在盘形构造的延迟线的情况下保持场波阻抗恒定。

在ISBN 0-471-87878-2，Humphrie,S的论文“Principles of Charged Particle Acceleration（带电粒子加速原理）”中在317页公开了，电极板的距离随着半径上升，这样可以应用均匀的电介质并因此可以达到径向保持相同的阻抗。

在WO 2008/051358 A1中公开了延迟线的不同实施方式，诸如Blumlein模块，它条带状地中心向内通到喷射管。这种条带状的Blumlein模块在此也可能呈现震荡的曲线。

Caporaso，GJ的文章“High Gradient Induction Cell(高梯度感应单元)”（加速器驱动高能量密度治疗的研讨会的学报，2004年10月26-29号，劳伦斯伯克利国际实验室），和Nelson，SD，Poole，BR的文章“Electromagentic Simulations of Dielectric Wall Accelerator Structures for Electron Beam Acceleration（用于电子束加速的介电壁加速器结构的电磁模拟）”（粒子加速器讨论会，2005，PAC 2005，2005年5月16-20号，2550-2552）同样描述了具有平面的、直线的、条带状的延迟线的Blumlein模块的结构。

发明内容

本发明的任务是提供一种加速器，它可以在更简单生产的情况下获得带电粒子的有效加速。

该任务通过根据权利要求1的加速器解决。有利的改进方案存在于从属权利要求的特征中。

根据本发明的用于加速带电粒子的加速器包括多个延迟线，其通到射束轨迹上并且其在射束轨迹的方向上顺序布置。至少其中一些延迟线基于射束轨迹相对旋转布置。在此旋转轴线是射束轨迹。

这意味着，在射束轨迹的方向看，延迟线的投影不全等地处于重叠，而是相对旋转布置。投影不完全重叠并且仅部分相交。延迟线通到射束轨迹上，由此射入延迟线中的电磁波同样通到射束轨迹上或者说可以在反射后重新返回。延迟线基于射束轨迹的延伸方向顺序布置。例如延迟线可以堆叠式地顺序沿着射束轨迹布置。

本发明基于此构思，即在盘形构造的延迟线的情况下电磁场的空间传输是有利的。在环形向内延伸地射入的脉冲波的情况下，磁流同样必须绕着中心布置的射线管盘绕，因为实际上没有其它的漏磁场磁轭空间。因此几乎全部的磁流都产生电势，它可以用于加速。

不过在此也认识到，在盘形延迟线的情况下，对电磁脉冲波的不失真的传播必需的恒定的场波阻抗只能很难且昂贵地实现。

如果两个电容器例如利用均匀的电介质填充并且具有不依赖于半径的厚度，当然希望的径向脉冲波传播是不可能的：在脉冲头中的位移电流密度通过电介质的放电提供；在小的半径时提供小的脉冲头横截面，由此沿着板的放电电流不能保持恒定。

在恒定的盘形延迟线几何厚度的情况下必须应用径向不均匀的电介质，以在盘形构造的延迟线的情况下保持场波阻抗恒定并且由此实现脉冲波的传播。这带来此问题，即产生径向变化的介电常数。此外在这样的延迟线的情况下电介质的能量储存能力只在中心射线管的附近被完全利用。在大的半径的情况下介电常数以及由此每体积单位的能量储存能力必须人工降低。

另一种解决方案具有径向恒定的介电常数，此时延迟线的厚度根据半径向外线性增加，反之不利于紧凑的加速器造型。利用这种造型实现的堆叠密度相对小并且不通过在内边缘处在射束轨迹附近的加速路程规定，而是通过在外边缘处的高度确定。

此外本发明基于此构思，即直线的、条带状的延迟线尽管在生产中是简单的并且具有有利的、在均匀的电介质的情况下也尽可能保持不变的场波阻抗，但是这种延迟线在工作中不能产生电磁场的最优的空间状态。导入的波在工作中产生磁流，它侧面从线中流出并且优选直接围绕延迟线盘绕并且不是围绕中心的射线管，这样产生的磁流只有一部分可以应用用于带电粒子的加速。

在利用磁芯实现的磁流线的解决方案中，有时由于磁材料的非常快速的饱和或者说大的必需的横截面而不能或者仅很难实现。

通过在根据本发明的加速器中延迟线相对旋转布置，一部分侧面从延迟线中流出的并且围绕延迟线盘绕的磁流，被部分引入另外的，为此旋转布置的延迟线中。由此实现磁流配置，它接近磁流在盘形构造的延迟线的情况下的有利的配置并且较大部分围绕中心布置的射线管盘绕。由此总体提供更大的磁流部分用于加速在射线管中的粒子。

通常延迟线布置在Blumlein模块中，其中Blumlein模块包括由快速的延迟线和慢速的延迟线组成的配对。在这种情况下在加速器中至少一部分Blumlein模块基于射束轨迹相对旋转布置。

例如一种这样的Blumlein模块可以通过电容器对实现，其中该电容器对具有共同的中间电极以及两个外侧电极。在中间电极和外侧电极之间分别存在电介质。由此产生由单个导体组成的双层，它通过电介质的选择以及通过几何尺寸可以具有例如以1比3的比例的延迟时间。

特别是延迟线可以条带状地构造。在这种情况下延迟线或者说延迟线在射束轨迹的方向的投影基本上具有长矩形的形状，它具有基本上恒定的小于射线管直径的八倍的宽度，特别是小于射线管直径的四倍，并且最高特别是小于射线管直径的两倍。

这产生一种延迟线，它按照类型设计成条带。这个长形的条带也可以如在WO 2008/051358 A1中在条带平面中呈现弯曲的曲线或者朝射束轨迹逐渐变细。按照条带类型构造的延迟线具有基本上恒定的高度和基本上恒定的宽度。

在一种优选的实施方式中，对一部分延迟线，延迟线互相交错。这是可能的，因为延迟线相对旋转布置，这样它随着增加的离开射束轨迹的距离可以布置在空隙上。由此延迟线彼此的交错是可能的，这又可以实现在紧凑的结构方式上或者说在延迟线的接通时的优点。

特别是一部分延迟线这样互相交错，即由此互相交错的延迟线呈现具有径向向外减小的高度的形状。该形状特别是可以这样获得，即它可以布置在围绕射束轨迹旋转对称的包络面内部，该包络面具有径向向外减小的高度。该包络面可以通过双曲线围绕射束轨迹的旋转构成。

该实施方式基于此构思，即从能量密度分配出发考虑径向向内运行的电磁波的问题。恒定的能量密度分配w，通过关系w=ε_rε_oE²（ε_r…相对的介电常数，ε_o…自由空间的介电常数，E…电场强度）给出，在恒定的介电常数ε_r和恒定的电场强度E的情况下导致，每半径元素dR的电介质的质量同样应该保持恒定。这意味着，在电介质的厚度D和径向距离R之间存在反比关系D ~1/R。

通过延迟线互相的交错并且通过交错的延迟线的几何形状（它具有径向向外减小的高度的形状），可以至少接近满足上面列举的理想的关系。通过随着增加的半径变大的交错，可以此外实现，磁场强度B的场体积和电场强度E的场体积大约处于相同的数量级，这最终导致改善的或者甚至最大的加速电势。

延迟线可以此外通过共同的环形电极互相接通，这由于彼此旋转的延迟线而是特别有利的。

特别是在交错的延迟线的情况下，其中一部分延迟线在外端大约处在相同的平面内，这样一种环形电极可以以简单的方式实现接通。

附图说明

本发明的实施方式连同根据从属权利要求的特征的有利的改进方案借助下面的附图详细说明，但是不限于它们。图中示出：

图1是通过具有双导体结构的Blumlein模块的纵向截面图，它以直线方式径向向内通到射束轨迹上，

图2是在八个条带状构造的、相对旋转布置的Blumlein模块上的俯视图，其中每个Blumlein模块包括单个导体的双层，

图3是八个条带状构造的、互相交错的Blumlein模块的透视图，

图4是图3的Blumlein模块中的准确视图，

图5是沿着射线管的双曲线包络线的示意图。

具体实施方式

图1借助通过Blumlein模块11的一部分的纵向截面图示意示出了Blumlein模块11的结构。感应加速器由这种Blumlein模块构成。利用Blumlein模块可以沿着射束轨迹35产生加速电势。加速器通常具有多个这样的Blumlein模块11，其通常堆叠式地顺序布置。

Blumlein模块11在此包括快速的延迟线15和慢速的延迟线13。两个延迟线15、13设计成电容器，其中快速的延迟线15的电容器具有具有第一介电常数ε₁的第一电介质，并且其中慢速的延迟线的电容器具有具有第二介电常数ε₂的第二电介质。电容器的高度和电介质的介电常数在此这样选择，即电磁波在快速的延迟线15中比在慢速的延迟线13中明显更快地传播，这通过细箭头29以及粗箭头27象征性地示出。在介电常数的比例ε₁:ε₂是1:9的情况下，特别有利的高度比例通过比例1:                                                

给出。利用这些参数阻抗可以最大，这使对于接通必需的电流最小。电磁波在延迟线中13、15中的延迟时间在这种情况下是1:3的比例。

两个外侧的电容器板23，即外侧的电极被接地，而中间的电容器板25或者说中间电极接通后可以置于确定的电势上。为此在延迟线13、15的输入侧19上有开关装置21，利用它可以将中间的电容器板25置于确定的电势上。在中间电极和外侧电极短路时它们产生电磁脉冲波，它从输入侧19径向向内朝输出侧17传播。在输出侧17上有射线管31，它与Blumlein模块11通过真空绝缘体33绝缘，在它里面（通过电磁波的不同的延迟时间决定地）对一定的时间段产生电势，它可以利用用于沿着射束轨迹35加速带电粒子。

图2示出了八个条带状构造的Blumlein模块11的俯视图，其堆叠式地顺序沿着射线管31布置。射线管31在此穿过每个条带状构造的Blumlein模块11的中心延伸。Blumlein模块11在此基于垂直于图纸平面延伸的作为旋转轴线的射束轨迹35相对旋转布置。Blumlein模块11在射束轨迹35的方向的投影由于它们相对彼此的旋转不重叠。

两个径向向内指向的箭头37标明在其中一个Blumlein模块11的情况下电磁波的运行方向，它可以在Blumlein模块11的输入侧17上射入。电磁波通到射线管31上。为此产生电磁场的配置，它至少部分产生磁流，它绕着射线管31延伸并且在时间上变化。这个时间上变化的磁流在射线管31的内部产生沿着射束轨迹35的加速电势。

通过在Blumlein模块11的内部形成的电磁波产生的磁流通常侧面从单个的Blumlein模块流出，通过虚线箭头39象征表示。通过相对旋转布置的Blumlein模块11，这个侧面流出的磁流现在部分地这样引导，即它进入另一个Blumlein模块11并且由此围绕射线管31盘绕。

如果没有Blumlein模块11的旋转，这些磁流的一部分（其现在围绕射线管31传输），将围绕条带状构造的Blumlein模块11的纵向，也就是说，围绕电磁波的传播方向传输。这个部分由此无法用于产生加速电势。通过Blumlein模块11相对彼此的旋转由此提高了产生的加速电势，因为产生的磁流增多地围绕射线管31传输。

为了接通Blumlein模块11可以设置环形电极41，它可以使电磁脉冲波射入Blumlein模块11中。

图3示出了条带状构造的Blumlein模块11的透视图。在这个透视图中可以清楚地看出，Blumlein模块11相对彼此交错。为了延迟线的交错，条带状构造的延迟线有时不再在平面内延伸，而是弯曲。图4示出了堆叠的最上面的延迟线的放大的示意图，其中分层的结构可以识别到具有中间电极25和两个外侧电极23。

通过周长随着增加的半径增长，随着增加的半径提供更多的空间，以并排布置Blumlein模块11，而Blumlein模块11围绕射线管31顺序地沿着射线管31，即堆叠形地布置。

并排布置的、交错的延迟线特别简单地通过布置在平面内的环形电极接通。

图5示出了围绕射线管31布置的包络面43，它具有随着增加的半径R双曲线式减小的高度h。为了更好的显示，包络面43和射线管31剖开地示出。在图3中示出的，彼此交错的条带状构造的延迟线可以这样布置在包络面43的内部，即其处于包络面43的内部。由此可以实现上面所述的优点。在图3中示出的具有彼此交错的、条带状的延迟线的组可以沿着射线管重复地布置，这样可以产生大的加速电势。

Claims (8)

1. 用于加速带电粒子的加速器，包括多个延迟线（13、15），其通到射束轨迹（35）上并且其在射束轨迹（35）的方向上顺序布置，其特征在于，至少其中一些延迟线（13、15）基于射束轨迹（35）相对旋转布置。

2. 根据权利要求1所述的加速器，其特征在于，所述延迟线（13、15）布置在Blumlein模块（11）中，其中Blumlein模块（11）包括由快速的延迟线（15）和慢速的延迟线（13）组成的配对，并且其中至少一部分Blumlein模块（11）基于射束轨迹（35）相对旋转布置。

3. 根据权利要求1或2所述的加速器，其特征在于，所述延迟线（13、15）条带状地构造。

4. 根据权利要求1至3中任意一项所述的加速器，其特征在于，对于一部分延迟线（13、15），延迟线（13、15）互相交错。

5. 根据权利要求4所述的加速器，其特征在于，对于一部分延迟线（13、15），延迟线（13、15）这样互相交错，即互相交错的延迟线（13、15）呈现具有径向向外减小的高度的形状。

6. 根据权利要求5所述的加速器，其特征在于，所述形状可以布置在围绕射束轨迹（35）旋转对称的包络面（43）内部，该包络面具有径向向外减小的高度。

7. 根据权利要求6所述的加速器，其特征在于，所述包络面（43）可以通过双曲线围绕射束轨迹（35）的旋转产生。

8. 根据权利要求1至7中任意一项所述的加速器，其特征在于，所述延迟线（13、15）通过环形电极（41）互相接通。

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