CN102769990A - 线性加速器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于脉冲地运行线性加速器(1)的方法，具有如下的特征：产生带电粒子的脉冲，方法是由粒子源(2)发射粒子并且在包含多个互相耦合的空腔共振器(4)的加速装置(3)中加速，其中所述加速装置(3)由能量供应单元(5)提供能量，仅通过改变每个脉冲由所述粒子源(2)发射的粒子的数量来改变粒子能量。

Description

线性加速器
技术领域
本发明涉及一种用于脉冲地运行线性加速器的方法以及一种用于执行这种方法的合适的装置，该线性加速器包含多个互相耦合的空腔共振器。
背景技术
由DE 10 2009 007 218 A1公知一种用于产生光子射线的电子加速器。这种电子加速器例如可以用于放射治疗或者用于无破坏的材料检查，并且包括电子源以及真空室，在该真空室中加速由电子源发射的电子。在DE 102009 007 218 A1中没有对产生的电子束的可能的时间结构做出结论。
根据EP 0037 051 A1公知一种用于带电粒子，也就是电子的加速器，设置该加速器以用于发射粒子束，该粒子束或者直接作为电子束使用或者用于产生X射线辐射。
例如由DE 10 2004 055 256 B4公知另一种电子源。在这种情况下电子源，也就是高频电子源的共振器由超导材料构成。
在医疗技术的脉冲地运行的加速器中，区别微脉冲与宏脉冲：通过加速器管的物理性能来确定微脉冲并且具有例如几十至几百皮秒的持续时间期间，而宏脉冲可以由几千或几万微脉冲组合而成并且具有几微秒的持续时间，其中两个宏脉冲之间的时间上的距离可以是几毫秒，从而加速器的脉冲频率是几百Hz。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，相对于提到的现有技术进一步开发借助线性加速器产生脉冲的粒子束，特别是电子束的可能性。
按照本发明，上述技术问题通过用于脉冲地运行线性加速器的方法以及通过用于执行该方法的合适的装置来解决。本发明的技术问题还通过计算机程序产品来解决，该计算机程序产品被构造为用于在线性加速器中执行所述方法。下面解释的本发明的构成和优点既适用于装置，也就是线性加速器，也适用于用来运行线性加速器的方法，以及适用于用来与装置共同作用来实现该方法的软件。
用于脉冲地运行线性加速器的方法包括如下的特征：
-产生带电粒子的脉冲，方法是由粒子源发射粒子并且在包含多个互相耦合的空腔共振器的加速装置中被加速，其中加速装置由高频供能装置提供能量，
-在输入加速装置的高频功率完全或至少近似地保持恒定的情况下仅通过对于每个宏脉冲由粒子源发射的粒子的数量的变化改变粒子能量，也就是经过加速装置之后每个粒子的能量。
由粒子源发射的粒子的数量也称为射束负载或射束流强度。
本发明基于如下的考虑，即馈入到由耦合的空腔共振器构造的粒子加速器中的高频功率在加速器运行期间典型地近似恒定，至少从粒子脉冲至粒子脉冲没有显著变化。在假定恒定的高频功率的情况下，用来将粒子在经过空腔共振器时加速到通常为几个MeV的能量的加速电压是射束流的函数。在此近似地成立如下的关系式：
Pin＝U*I+U2/Rv
其中
Pin＝馈入的高频功率
U＝加速电压
I＝射束流强度
Rv＝损耗电阻
由此对于加速电压得出：
U＝(Pin*Rv+0.25*I2*Rv 2)1/2-0.5*I*Rv
射束负载的提高，也就是每个时间单元发射的并借助空腔共振器加速的粒子的提高相应地导致了加速电压的降低并且由此导致了动力学能量的减少，该动力学能量是粒子在经过加速器之后具有的能量。总之由此通过负载改变实现了加速的粒子的能量改变。
除了所描述的负载改变的效果之外另一种效果，也就是阻抗匹配在通过改变射束流强度有针对性地改变粒子能量中起重要作用：
通过改变射束流来改变粒子加速器的负载电阻(阻抗)，对此也改变加速器的阻抗与高频源的匹配。阻抗匹配的这种改变意味着加速器的反射因数的改变。最终，在加速器中耦合的功率取决于阻抗匹配并且因此取决于射束流。
该依赖关系在合适地设计线性加速器的情况下可以用于控制粒子能量，方法是在加速器中耦合的功率随着射束流的升高而减少。由此，阻抗错误匹配的效果放大了负载改变的效果。为了实现负载改变和阻抗匹配这两个效果的最佳的共同作用，线性加速器优选被这样构造，使得给出在最小粒子流时，也就是理论上在射束流强度为零时加速装置的阻抗与粒子源的理想的匹配。这意味着，在加速装置中耦合的高频功率在最小射束流时为最大并且随着射束流的升高而连续地减少。
通过负载改变和阻抗匹配的互相放大的效果，加速的粒子的能量的改变可以达到多于1MeV，特别是多于2MeV。
优选地，线性加速器被设计为将粒子加速到0.5MeV与20MeV之间的能量。
粒子源优选是电子源。但本发明在加速器中也可以实现加速任意其它带电粒子，例如质子或离子。即使下面从作为粒子源的电子源来讲，相应的技术功能同样可以通过加速器实现用于其它带电粒子。
在电子源的情况下，射束流强度以及由此的加速的电子的能量可以以本身已知的方式通过改变例如电子枪的，也就是粒子源的栅格电压来改变。该改变按照优选的实施方式能够在毫秒范围内。由此能够有针对性地改变从脉冲至脉冲的电子能量。在粒子源的或在其后连接的、由高压源提供功率的加速器的控制中的其他改变对于电子能量的改变是不需要的。电子脉冲的时钟频率位于1至1000Hz的范围内并且优选为超过100Hz。如开头解释的那样，此处是与微脉冲不同的所谓的宏脉冲。
按照优选的实施方式，为此构造为了控制粒子源而设置的控制装置，在输入加速装置的高频功率完全或至少尽可能保持恒定的情况下可选地在较低的第一粒子能量中或者在较高的第二粒子能量中产生对每个脉冲所发射的粒子的特定的剂量率。特定的恒定的剂量率的提供在此通过两个同时在相反的方向上起作用的效果来实现：随着射束流强度的提高一方面提高了每个时间单元的粒子数量，但另一方面减少了每个粒子的能量。为了运行线性加速器而设置的操作单元，例如软件，向预先给定期望的剂量率的用户提供在用来实现该剂量率的两个粒子能量之间的选择可能。
特别地本发明的优点在于，以简单的方式并且以较高的改变速度可以改变单独地由线性加速器，特别是电子加速器发射的粒子的能量，方法是在保持所有的其它运行参数的情况下仅改变射束流强度。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。附图中：
图1示出了线性加速器、即电子加速器的示意图，
图2示出了在根据图1的线性加速器中射束流强度与电子能量之间的依赖关系的线图，
图3示出了在根据图1的线性加速器中电子能量与剂量率之间的依赖关系的线图，以及
图4示出了根据图1的线性加速器的不同调整可能的流程图。
具体实施方式
总体上用附图标记1表示的线性加速器包括一般被称为粒子源的电子源2以及为了加速发射的电子而构造的加速装置3，该加速装置3具有多个互相耦合的空腔共振器4。关于线性加速器1、也就是电子加速器的原理性功能参见开头引用的现有技术。
加速装置3通过提供高频功率的能量供应单元5提供高频功率。设置控制装置6以用于控制电子源2，该控制装置6一方面允许脉冲地运行电子源2，而另一方面允许改变脉冲，也就是特别允许改变对每个脉冲所发射的电子的数量。脉冲地发射的电子在总体上产生射束流，该射束流的量被称为射束流强度。由电子源2发射的、借助加速装置3转换到提高的能级的电子束被入射到将加速装置3封闭的、与电子源2相对布置的出射窗7，以便可以或者直接作为电子束使用或者用于产生电磁射束(光子)。
电子源2的两个互相跟随的脉冲之间的距离，也就是两个宏脉冲之间的距离为几个毫秒，相应于几百赫兹的脉冲频率。线性加速器1为此被这样构造，有针对性地改变从一个至下一个脉冲的射束流强度，以便由此以期望的方式改变每个宏脉冲的每个由加速装置3加速的电子的能量。仅借助控制电子源2的控制装置6来实现从脉冲至脉冲的电子能量变化。在向加速装置3提供能量的高频电源上，也就是在能量供应单元5上在此不主动地进行改变。
电子源2和加速装置3为此目的这样互相调谐，使得在空载运行(射束流为零)时得到最佳的阻抗匹配。随着射束流的提高以期望的方式使阻抗匹配变差，以便有针对性地降低电子能量。对于阻抗匹配的该效果在提高的射束流、也就是在每个脉冲由电子源2发射的电子的提高的数量的情况下附加了负载改变的效果，其同样在降低电子能量的方向上起作用。
由线性加速器1发射的电子的能量E(按照MeV的标称能量)与射束流强度I(按照mA的“束”)之间的关系在图2中对于不同的功率(1.0MW至2.6MW)示出。在1.4MW与2.0MW之间的中间功率范围内给出在提高射束流强度I时能量减小的近似线性的曲线。例如在示例性的线性加速器1的功率为1.8MW时电子的能量E仅仅通过改变射束流强度I就可以在少于8MeV和多于10MeV之间调节。基于如下的事实，即对于电子能量E的改变不是调节加速装置3的能量供应单元5的运行参数，而是仅需要调节电子源2的运行参数，可以以相当小的设备开销来实现既快速也精确地改变电子能量E。由此能够连续地改变或逐级地调节的电子能量在线性加速器1的医疗技术以及工业的应用中被考虑。
图3再次对于在1.0MW与2.6MW之间的功率示出了在脉冲频率为300Hz时由线性加速器1在确定的试验条件的情况下给出的最大剂量率D[Gray/min]。特别地在中间和较高的功率范围内期望的(相同的)剂量率D可选地可以在较低的第一电子能量E中或在较高的第二电子能量E中提供。该选择可能性在软件技术上以用户友好的方式实现，如图4中表示的那样。
在通过S1表示程序开始之后在第二步骤S2中通过线性加速器1的操作人员进行参数输入。特别地，操作人员输入期望的剂量率。作为下一个步骤S3进行如下查询，在该查询中，程序检查，关于脱离加速装置3时电子的能量，是否可以利用不同的能量设置来实现输入的剂量率。如果是这样的情况，则程序向操作人员提供相应的选择并且相应地或者进行较低的例如8MeV的第一能量设置E1或者进行较高的例如10MeV的第二能量设置E2。在两个可能的能量设置E1、E2之间的转换必要时如上面描述的那样通过改变由电子源2发射的射束流进行。

Claims (10)

1.一种用于脉冲地运行线性加速器(1)的方法，具有如下的特征：
-产生带电粒子的脉冲，方法是由粒子源(2)发射粒子并且在包含多个互相耦合的空腔共振器(4)的加速装置(3)中加速，其中所述加速装置(3)由能量供应单元(5)提供能量，
-仅通过改变每个脉冲由所述粒子源(2)发射的粒子的数量来改变粒子能量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述加速装置(3)将粒子加速到多于0.5MeV的能量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过所述加速装置(3)将粒子加速到少于30-50MeV的能量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，仅通过改变每个脉冲由所述粒子源(2)发射的粒子的数量将粒子的能量改变了多于1MeV。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述粒子源(2)以多于100Hz的频率发射带电粒子的脉冲。
6.一种线性加速器，具有粒子源(2)以及包含多个互相耦合的空腔共振器(4)的加速装置(3)，其中由所述粒子源(2)发射的粒子流借助控制装置(6)形成脉冲，其特征在于，所述控制装置(6)和所述加速装置(3)被构造为通过改变每个脉冲由所述粒子源(2)发射的粒子的数量来改变粒子的能量。
7.根据权利要求6所述的线性加速器，其特征在于，所述粒子源(2)被构造为电子源。
8.根据权利要求6或7所述的线性加速器，其特征在于，所述控制装置(6)为此被构造为，在输入所述加速装置(3)的高频功率保持恒定的情况下可选地在较低的第一粒子能量中或者在较高的第二粒子能量中产生对每个脉冲所发射的粒子的特定的剂量率。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的线性加速器，其特征在于，所述加速装置(3)的阻抗与所述粒子源(2)的匹配在最小粒子流时是最大的。
10.一种用于运行线性加速器(1)的计算机程序产品，其被构造为用于执行根据权利要求1所述的方法。
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