CN102440080B - 级联加速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有两组(2，4)分别串联的、经由二极管(24，30)以格莱纳赫级联(20)的方式连接的电容器(26，28)的级联加速器(1)，在紧凑的结构方式的情况下该级联加速器应当具有特别高的可达到的粒子能量。为此，该级联加速器包括经由一组电容器(2)的电极中的开口所构造的、对准布置在带有最高电压(12)的电极的区域中的粒子源(6)上的加速通道(8)，其中，借助固体的或者液体的绝缘材料(14)，除了所述加速通道(8)之外，所述电极被彼此绝缘。

Description

级联加速器

技术领域

本发明涉及一种具有两组分别串联的、经由二极管以格莱纳赫级联(Greinacherkaskade)的方式连接的电容器的级联加速器。本发明还涉及一种具有这样的级联加速器的放射性治疗设备。

背景技术

在医学的放射性治疗中使用电离辐射，以便治疗病症或者推延病症的恶化。主要是伽马射线、X射线以及电子被用于电离的高能量的辐射。

为了产生电子射线通常粒子加速器被用于直接投入治疗或者用于产生X射线。在粒子加速器中，带电粒子通过电场变为高速并且由此具有了动能，其中几种加速器类型的电场是通过在变化的磁场中的电磁感应产生的。在此，粒子获得相当于其自身的静止能量(Ruheenergie)数倍大小的动能。

在粒子加速器中，将具有诸如电子回旋加速器或者回旋加速器的循环加速的粒子加速器与这样的具有直线加速的粒子加速器区别开来。后者允许紧凑的结构方式并且也包含所谓的级联加速器(也称为Cockcroft-Walton-Beschleuniger，科克罗夫特-沃尔顿加速器)，对此借助被多级串联(级联)的格莱纳赫电路、通过对交流电压的倍增(Vervielfachung)和整流(Gleichrichtung)能够产生高的直流电压以及由此产生强的电场。

在此，格莱纳赫电路的工作方式基于二极管和电容器的布局。交流电压源的负半波通过第一二极管以交流电压源的电压给第一电容器充电。在随后的正半波中，于是第一电容器的电压与交流电压源的电压叠加，从而此时通过第二二极管以加倍了的交流电压源的输出电压给第二电容器充电。通过按照格莱纳赫级联方式的多级级联，这样获得了倍压器。在此，各第一电容器构成级联电路的第一组直接串联电容，各第二电容器构成相应的第二组。二极管构成在组之间的横向连接。

在这样的级联加速器中，可以在兆电子伏范围内达到相对来说高的粒子能量。然而在此，尤其是在正常气压下所指定的级联加速器存在电击穿(elektrischer Durchschlag)的危险(在空气中的击穿电压：3kV/mm)，因此最大的粒子能量以不期望地方式受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种级联加速器，其在紧凑的结构方式的情况下具有特别高的可达到的粒子能量。

按照本发明，上述问题通过这样的一种级联加速器来解决，其具有通过一组电容器的电极中的开口构造的、对准布置在带有最高电压的电极区域中的粒子源的加速通道，其中，除了加速通道之外，电容器的电极借助固体的或液体的绝缘材料被彼此绝缘。

本发明基于这样的想法，即通过提高加速电压可以提高级联加速器所产生的粒子束的能量。在此为了将产生电击穿的危险减少到最小程度，可以增大级联加速器的各个电容器片之间的距离。然而这会和紧凑的结构方式相抵触，该紧凑的结构方式正好是医学领域中所期望的应用能力。为了可以在同时具有紧凑的结构方式的情况下提高加速电压，由此应当在其他方面防止电击穿来保护电容器。另外，应该使用合适的固体的或液体的绝缘体，其允许对电容器片的可靠的绝缘。这是可以达到的，通过借助固体的或液体的绝缘材料填满除了加速通道之外的电极的间隙。

除了合适的绝缘厚度之外，还应当通过合适的防止电击穿的几何形状的构造来保护在级联加速器中产生的高电压。因此应当将电压生成和粒子加速器集成在一起，并且将具有特别高的电压的组件安置在尽可能小的体积内。因为最大的电场强与电极的曲率成比例，所以球体的或椭圆体的几何形状尤其具有优势。特别是，关于在绝缘体内的尽可能最大的电场强，球体几何形状意味着特别小的体积以及此外由此特别小的质量。当然在这里，以特定的结构形式变形成椭圆体也是被期望的。因此优选地是，多个电极被构造为同心的、围绕粒子源彼此间隔布置的空心椭圆体段(Hohlellipsoidsegmente)。

一种特别简单的将椭圆体几何形状的优势与简单的电压生成在格莱纳赫级联中结合起来的结构方式是可能的，通过所述被构造为空心椭圆体段的电极分别是空心半椭圆体(Halbhohlellipsoide)，也就是说，将每个空心椭圆体在赤道处进行分割，从而这样形成的多层的空心半椭圆体构成了所述两组电容器，这两组电容器对于格莱纳赫级联是必需的。然后，加速通道优选地被引导通过每个空心半椭圆体的顶点(Scheitelpunkt)，由此实现了特别简单的几何形状。

在另一种优选的构造中，各个二极管被布置在相应的空心椭圆体的大圆的区域内。也就是，如果当空心半椭圆体分别构成两组分别串联的电容器，则二极管分别将空心椭圆体与交错的半球体相连。此外，可以在赤道截面中将二极管构造成特别简单的结构。

为了防止击穿获得级联加速器的特别高的稳定性，沿着加速路径(Beschleunigungsstrecke)，即在格莱纳赫级联的单个电极之间，应当设置均匀的电压梯度。这是可以实现的，通过将多个电极等间距地彼此间隔。因为每组电极具有线性的电压增长(Spannungsanstieg)，由此沿着加速通道存在实际的电压的线性上升。

在另一种优选的构造中，所述粒子源是冷阴极。冷阴极的电极不会被加热并且在运行中也这样保持冷，从而在电极上不发生热电子发射。由此，可以实现级联加速器的特别简单的结构。

加速通道允许从级联加速器中提取粒子流。因此加速通道也经受切向的电场，而不被击穿，那么加速通道应当包含圆筒状的壁(Wand)，该壁用类似金刚石(diamantartig)的碳和/或氧化的金刚石涂覆。这些材料能够经受得住所述比较高的电压。

优选地，这样的级联加速器被用在放射性治疗设备中。

在本发明中所获得的优势特别体现在，在基于格莱纳赫级联、通过将粒子源和/或电极嵌入到固体的或者液体的绝缘材料中的级联加速器中，能够产生特别高的加速电压，以用来加速带电粒子。此外，在将电极构造为球体的或者椭圆体的几何形状的情况下，可以实现特别紧凑的结构方式，并且附加地将格莱纳赫电路的第二电容器组用作对于电场分布围绕粒子源和高压电极的同心的电势均衡电极这样的级联加速器在特别紧凑的设计的情况下允许特别高的电压，就像在医学应用中所期望的那样。

附图说明

结合附图对本发明的实施例进行详细描述。附图中：

图1示出了通过级联加速器的截面的示意图，并且

图2示出了格莱纳赫电路的示意图。

用相同的附图标记表示两图中的相同的部件。

具体实施方式

根据图1的级联发生器1具有由空心半球体形状的电极组成的第一组2以及第二组4。它们同心地围绕粒子源6布置。

加速通道8穿过第二电极组4，该通道对准粒子源6并且允许提取粒子流10，该粒子流从粒子源发出并且从半球体形状的高压电极12处经受高的加速电压。

为了防止在内部被粒子源6上的高压电极12的高压击穿，可以将粒子源6完全地嵌入到固体的或液体的绝缘材料14中，使得除了加速通道8之外的在高压电极12和粒子源6之间的空间用绝缘材料14填满。由此能够在高压电极12处提供特别高的电压，这能够产生特别高的粒子能量。此外，通过固体的或液体的绝缘材料14，除了加速通道8之外的电极或者电极的电容器片基本上可以被彼此绝缘。

借助在图2中以电路图示出的格莱纳赫级联20实现在高压电极12上的高电压的电压产生。在输入端22提供交流电压U。第一半波通过二极管24将电容器26充电到电压U。在随后的交流电压的半波中，电容器26的电压U与输入端22处的电压U叠加，从而通过二极管30将电容器28充电到电压2U。

所述过程在随后的二极管和电容器上重复，从而在图2描述的电路中总共在输出端32处获得电压6U。图2也清楚的示出，如何通过所描述的电路分别构造第一电容器组2以及第二电容器组4。

两个电容器的分别在图2中彼此连接的电极，现在根据图1在级联加速器1中分别作为空心半球层(Halbhohlkugelschale)被同心地构造。由此在最外层40、42上分别施加电压源22的电压U。构成该电路的二极管被布置在每个半空球体的大圆的区域内，也就是在各个空心球体的赤道切面上。

具有内径r₀和外径r₁的球体电容器(Kugelkondensator)具有电容

$C=4\mathrm{\π\ϵ}\frac{r_0{r}_1}{r_1-r_0}.$

此外，在半径为r时，场强为

$E=\frac{r_0{r}_{1}U}{(r_1-r_0)r^2}.$

该场强与半径成平方关系，并且在这里由此靠近内电极时场强增强。

由此，在级联加速器1中，格莱纳赫级联20的电容器的电极作为中间电极被接在清晰地规定的电动势上，从而场强分布经由半径被线性均衡，因为对于薄壁的空心球体，电场强大约等于具有最小的最大场强的平面情况

$E=\frac{U}{r_1-r_0}.$

对于基本上完全嵌入在固体的或液体的绝缘材料14中的高压电极12和粒子源6中的电场分布，通过将格莱纳赫级联20的两个电容器组2、4补充使用为同心的电势均衡电极，在级联加速器1中实现特别高的电压。同时该设计非常紧凑，这可以实现特别是在放射性治疗中的灵活应用。

附图标记列表

1     级联发生器

2     第一组

4     第二组

6     粒子源

8     加速通道

10    粒子流

12    高压电极

14    绝缘材料

20    格莱纳赫级联

22    电压源

24    二极管

26，28电容器

30    二极管

32    输出端

40，42最外层

r₀    球体电容器的内径

r₁    球体电容器的外径

U     电压

Claims (8)

1.一种级联加速器（1），其具有两组（2，4）分别串联的、经由二极管（24，30）以格莱纳赫级联（20）的方式连接的电容器（26，28），并且具有经由一组电容器（2）的电极中的开口所构造的、对准布置在带有最高电压（12）的电极的区域中的粒子源（6）的加速通道（8），其中，借助固体的或液体的绝缘材料（14），除了所述加速通道（8）之外，所述电极被彼此绝缘。

2.根据权利要求1所述的级联加速器（1），其中，多个电极被构造为同心的围绕所述粒子源（6）、彼此间隔布置的空心椭圆体段。

3.根据权利要求2所述的级联加速器（1），其中，所述各个空心椭圆体段是空心半椭圆体，并且所述加速通道（8）被引导通过所述空心半椭圆体的顶点。

4.根据权利要求3所述的级联加速器（1），其中，所述二极管（24，30）分别被布置在所述相应的空心半椭圆体的大圆区域内。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的级联加速器（1），其中，多个电极被等间距地彼此间隔。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的级联加速器（1），其中，所述粒子源（6）是冷阴极。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的级联加速器（1），其中，所述加速通道（8）包含圆筒状的壁，该壁被用类似金刚石的碳和/或氧化的金刚石涂覆。

8.一种放射性治疗设备，其具有根据权利要求1至7中任一项所述的级联加速器（1）。