CN104509219A - 用于对带电粒子束分包的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在用于对带电粒子束分包的方法中，粒子穿越一个装置中的电场。该装置具有环形中心电极，所述环形中心电极在辐射方向上布置在第一外电极与第二外电极之间。中心电极被施加时变的电压信号，所述电压信号的时间变化过程被选择为，使得位于所述装置内部的粒子经历与位置相关的速度变化，其中所述速度变化的变化过程在辐射方向上接近于锯齿形。

Description

用于对带电粒子束分包的方法和装置

技术领域

本发明涉及按照权利要求1的用于对带电粒子束分包的方法，按照权利要求7的用于对带电粒子束分包的装置，以及按照权利要求8的用于执行粒子治疗的仪器。

背景技术

加速的带电粒子、例如电子或质子被应用于多样的技术、科学和医疗目的。已知通过粒子源产生这样的粒子并利用粒子加速器进行加速。

粒子源通常产生连续的带电粒子束。几种粒子加速器，例如RF-线性加速器不适合于加速连续的粒子束。因此要求通过分包装置(buncher集束器)将粒子束分包(bunchen集束)，即分成离散的粒子包。

从背景技术中，例如从US5,719,478中已知各种用于对连续粒子束分包的分包装置。但是这些已知的装置有缺点，即在其中空间电荷分布不影响分包过程的小束流情况下会产生不理想的分包。

发明内容

本发明的任务在于，对一种改进的用于对带电粒子束分包的方法进行说明。该任务将通过一种具有权利要求1的特征的方法解决。本发明的另一项任务在于，提供一种改进的用于带电粒子束分包的装置。该任务将通过一种具有权利要求7的特征的装置解决。本发明的又一项任务在于，提供一种用于执行粒子治疗的仪器。该任务将通过一种具有权利要求8的特征的仪器解决。优选的改进方式在从属的权利要求中进行说明。

在按照本发明的用于对带电粒子束分包的方法中粒子穿越一个装置中的电场。在此，该装置具有环形中心电极，所述环形中心电极在辐射方向上布置在第一外电极与第二外电极之间。该中心电极被施加时变的电压信号，所述电压信号的电变化过程被选择为，使得位于装置内部的粒子经历与位置相关的速度变化，所述速度变化的变化过程在辐射方向上接近锯齿形。有利地，粒子的在辐射方向上呈锯齿形的速度变化无论是在部分分包的情况下还是在完全分包的情况下都会导致特别有价值的、具有良好包特性的分包。

在所述方法的一个优选的实施方式中，所述电压信号具有接近三角形的时间变化过程。有利地这是一种实现具有在辐射方向上接近锯齿形变化过程的速度变化的适当的可能性。

在所述方法的一个改进形式中，在第一外电极与中心电极形成第一间隙，在中心电极与第二外电极之间形成第二间隙。在此第一间隙的中心与第二间隙的中心彼此之间具有设定的间隙距离。电压信号具有设定的激励频率。粒子在穿越装置之前具有设定的速度。在此产生包距离作为速度与激励频率之商。选择激励频率，使得与位置相关的速度变化的至少三个最低的傅里叶分量不等于零。有利地于是产生速度变化在辐射方向上的变化过程与锯齿形的有利接近。

在所述方法的一个实施方式中，选择激励频率，使得包距离是间隙距离的四倍。于是有利地至少三个最低的傅里叶分量不等于零。

在所述方法的一个实施方式中，粒子具有非相对速度。

在所述方法的一个实施方式中，外电极被接地。于是有利地在外电极与中心电极之间产生电位差。

按照本发明的用于对带电粒子束分包的装置包括环形中心电极，所述环形中心电极在辐射方向上布置在第一外电极与第二外电极之间。在此在第一外电极与中心电极之间形成第一间隙，在中心电极与第二外电极之间形成第二间隙。在此第一间隙的中心与第二间隙的中心彼此之间具有设定的间隙距离。此外该装置被形成为按照上述类型的方法运行。于是有利地该装置适用于，将粒子束分成具有出色包特性的包。

按照本发明的用于执行粒子治疗的仪器包括上述类型的装置。于是有利地可以通过带电粒子包执行粒子治疗。

附图说明

结合以下将结合附图进一步阐述的实施例的描述，本发明的上述特性、特征和优点以及如何实现这些特性、特征和优点的方式方法将更加清楚和更易于理解。在这里示出：

图1粒子治疗仪的示意框图；

图2分包示意图；

图3分包装置的示意图；

图4分包装置内部轴向场分布的示意图；

图5理想的场分布的示意图；

图6真实的场分布的示意图；

图7第一傅里叶分解；

图8第二傅里叶分解；和

图9优化的场分布。

具体实施方式

图1所示为粒子治疗仪100的示意框图。粒子治疗仪100用作仪器的示例，在所述粒子治疗仪中可以使用分包装置。但是在本发明意义下的分包装置也可以应用在大量其它的仪器中。

粒子治疗仪100可以用于对患者执行粒子治疗。在粒子治疗中通过带电粒子照射患者生病的身体部位。带电粒子可以例如是质子。

粒子治疗仪100包括离子源110，所述离子源向辐射方向101发射带电粒子的粒子束115。离子源110例如可以是质子源。离子源110例如可以产生能量为10keV-20keV的粒子。粒子作为连续的粒子束115沿辐射方向101离开离子源110。

粒子治疗仪100在辐射方向101上在离子源110的后面具有分包装置120。分包装置120被设置用于将连续的粒子束115分成一系列离散的粒子包125。分包装置120也可以被称作Buncher(集束器)。将粒子束115分包或分成粒子包125也可以被称作bunchen(集束)。粒子包125沿保持不变的辐射方向101离开分包装置120。

粒子治疗仪100在辐射方向101上在分包装置120的后面具有偏转装置130。偏转装置130可以用于使各个粒子包125相对于辐射方向101偏转。在辐射方向101上在偏转装置130的后面布置光阑140。根据通过偏转装置130导致的粒子包125从辐射方向101偏转的强度，粒子包125可以完全地通过光阑140、仅部分地通过光阑140或根本不通过光阑140。由此偏转装置130与光阑140的组合可以用于选择性地滤除各个粒子包125和/或使各个粒子包125变细。

粒子治疗仪100在辐射方向101上在光阑140的后面具有粒子加速器150。粒子加速器150可以是例如线性加速器，优选RF-线性加速器。粒子加速器150用于将粒子包125加速到更高的动能，例如80MeV-250MeV。

图2所示为分包模式200的简图，用于阐述通过分包装置120执行的分包。

连续的粒子束115沿辐射方向101进入分包装置120。粒子束115通过分包装置120被分成粒子包125，这些粒子包的中心在辐射方向101上具有包距离210。在此包距离210不必与分包装置120在辐射方向101上的长度相对应。

分包是通过在分包装置120内部有效的电场进行的，该电场影响粒子束115的粒子在辐射方向101上的速度。每个粒子包125的先导粒子被减速，使得它们获得降低的相对速度230。每个粒子包125的后面的粒子被加速，使得它们获得提高的相对速度220。一个粒子的相对速度220，230被降低或提高得越大，该粒子相距其粒子包125的中心就越远。

在粒子沿辐射方向101继续运动期间，每个粒子包125的在辐射方向101上处于后面的粒子由于其提高的相对速度220而逐渐追上各自粒子包125的先导粒子。每个粒子包125的先导粒子在粒子沿辐射方向101继续运动期间由于其降低的相对速度230被粒子包125的其它粒子追上。粒子包125的分包程度由此在辐射方向101上增加，直到在辐射方向101的一个点处达到最大的分包。粒子包125从那里起在粒子沿辐射方向101继续运动期间重新分开。在粒子治疗仪100中粒子包125的最大的分包的点例如可以与光阑140的位置或与粒子加速器150的入口重合。

图3所示为分包装置120的剖面的示意图。在辐射方向101上该分包装置依次具有第一外电极310，中心电极330和第二外电极320。电极310，320，330分别形成为空心圆柱体形或管状。中心电极330在辐射方向101上比外电极310，320短。由此中心电极330也可以形成为环形。粒子束115在内部沿着管状电极310，320，330的纵轴伸展。

在第一外电极310与中心电极330之间形成第一间隙315。在中心电极330与第二外电极320之间形成第二间隙325。间隙315，325使得电极310，330，320之间相互电绝缘。

间隙315，325的中心在辐射方向101上彼此间具有间隙距离340。中心电极330的中心在辐射方向101上形成分包装置120的中心335。

在分包装置120运行的情况下在中心电极330与外电极310，320之间施加时变电压。在此优选外电极310，320处在共同的电位上。外电极310，320可以是例如被接地。中心电极330与外电极310，320之间的电位差导致电场的形成，该电场的等电位线350在图3中示意性示出。

沿着分包装置120的电极310，320，330的中心轴(纵轴)，在辐射方向101上的场分布可以接近于通过高斯函数描述。这在图4中通过轴向场分布400示意性示出。在图4的图的水平轴上所示为在包装置120的中心335的周围区域中的辐射方向101。图4的图的垂直轴所示为在辐射方向101上的电场强度401。高斯近似410接近在辐射方向101上电场强度的变化过程。在每个间隙315，325上场强变化过程是高斯形。这两个高斯函数由此彼此间具有间隙距离340。

如果向分包装置120的中心电极330施加时变电压，则在图4中示意性示出的场分布E(z)在辐射方向101(z)上通过由于向中心电极330施加电压而造成的时变电场S(t)调制。因此在辐射方向101上产生瞬时场Ez作为轴向场分量E(z)与时变电场S(t)的乘积：E_z(z，t)＝E(z)S(t)。

粒子束115在辐射方向101上进入分包装置120的粒子在辐射方向101上经受与瞬时场Ez及其电荷q成比例的力。由此得出速度变化

$v=-\frac{q}{m}E\left(z\right)*S\left(t\right),$

所述速度变化与轴向场分布E(z)和S(t)的卷积成比例。在这里在辐射方向101上的z-位置、粒子束115的粒子的速度v和时间t通过包位置w＝z-vt相关联。其中m代表粒子的质量。

如果所述卷积和由此粒子束115的粒子的速度变化在辐射方向101上是锯齿形的，则最为有利。于是得出越大则一个粒子离各自粒子包125的中心越远的速度变化。图5通过示意图显示在相应的场分布500中得出的粒子束115的粒子的速度变化。在水平轴上画出在辐射方向101上的包位置w。在垂直轴501上画出粒子束115的粒子的相对速度变化。所近似的锯齿函数510描述粒子束115的粒子所经历的接近理想的相对速度变化，以实现具有最佳分包特性的分包。

但是在实践中图5的锯齿函数很难实现。图6通过示意图显示在真实的场分布600中占主导地位的比例。在图6所示的图的水平轴上绘出在辐射方向101上的z-位置或在辐射方向101上的包位置w或粒子束115的粒子在时间vt内在辐射方向101上走过的路程601。显示了轴向场变化过程E(z)的高斯近似410。此外还显示了向分包装置120的中心电极330施加的电压信号610的时间变化过程。电压信号610具有三角形的时间变化过程。此外图6还显示了所得出的粒子束115的粒子的速度变化620。可以认识到，尽管电压信号610是三角形的时间变化过程，仍然得出具有正弦变化过程的速度变化620。因此速度变化620没有接近锯齿形的变化过程。

这可通过观察傅里叶系数进行解释：

$\frac{\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}{e}^{\frac{{2\mathrm{\π}}^2{n}^2{t1}^2}{{\mathrm{\λ}}^2}}\sin \left(\frac{\mathrm{\πn}{t}^2}{\mathrm{\λ}}\right)}}{t2}.$

在这里t2是间隙距离340，t1是高斯近似410的高斯脉冲的宽度，n是傅里叶系数的阶和λ是作为粒子速度v和电压信号S(t)的激励频率f之商得出的包距离210。

图7所示为在第一傅里叶分解700中在示例性的固定间隙距离340等于t2＝4.6的情况下前5个傅里叶系数与包距离210的依赖关系。在图7所示的图的水平轴上绘出包距离210(λ)。在垂直轴701上显示的是各自傅里叶系数的幅度。所示的曲线说明第一傅里叶系数710，第二傅里叶系数720，第三傅里叶系数730，第四傅里叶系数740和第五傅里叶系数750的变化过程。

在图7中标记出第一包距离760等于λ＝9.2＝2t2。这是在图6的显示中所使用的参数。已表明在第一包距离760情况下全部偶数的傅里叶系数720，740，即全部谐波被滤除。这是在图6中所示的速度变化620的正弦变化曲线的原因。

图8所示为另一个傅里叶分解800。这次在水平轴上绘出间隙距离340(t2)。包距离210为λ＝9.2。垂直轴801显示傅里叶系数的幅度。曲线是第一傅里叶系数810，第二傅里叶系数820，第三傅里叶系数830，第四傅里叶系数840和第五傅里叶系数850的变化过程。此外还标记第一间隙距离860为t2＝2.3和在图7的显示中所使用的第二间隙距离870为t2＝4.6＝1/2λ。如已经借助图7阐述的，当在第二间隙距离870的情况下第二傅里叶系数820和第四傅里叶系数840被滤除的时候，在下降的第一间隙距离860为t2＝2.3＝1/4λ的情况下前三个傅里叶系数810，820，830具有不等于零的幅度。因此如果选择包距离210是间隙距离340的四倍大，则至少前三个傅里叶系数810，820，830具有不等于零的幅度。

图9在优化的场分布900的图中显示所得出的粒子束115的粒子的相对速度变化。在水平轴上绘出辐射方向101。在垂直轴901上显示所得出的粒子束115的粒子的相对速度变化。如果如上所述地选择间隙距离340和包距离210，使得至少前三个傅里叶系数810，820，830具有不等于零的幅度，则得出锯齿函数的第一近似910。如果额外地对各个傅里叶系数的幅度进行优化，则得出更强地近似于锯齿函数的第二近似920。

尽管已通过优选实施例详细地进一步图解和描述了本发明，但本发明并不局限于所公开的示例。专业人士可以在不脱离本发明保护范围的情况下从中导出其它变型方案。

Claims (8)

1.用于对带电粒子束(115)分包的方法，

其中粒子穿越装置(120)中的电场，

其中该装置(120)具有环形中心电极(330)，所述环形中心电极在辐射方向(101)上布置在第一外电极(310)与第二外电极(320)之间，

其中中心电极(330)被施加时变的电压信号(610)，所述电压信号的时间变化过程被选择为，使得位于所述装置(120)内部的粒子经历与位置相关的速度变化(510，910，920)，

其中所述速度变化的变化过程(510，910，920)在辐射方向(101)上接近于锯齿形。

2.根据权利要求1所述的方法，其中电压信号(610)具有接近三角形的时间变化过程。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在第一外电极(310)与中心电极(330)形成第一间隙(315)，和在中心电极(330)与第二外电极(320)之间形成第二间隙(325)，

其中第一间隙(315)的中心与第二间隙(325)的中心之间具有设定的间隙距离(340，860，870)，

其中电压信号(610)具有激励频率，

其中粒子在穿越所述装置(120)之前具有设定的速度，

其中产生包距离(210，760)作为速度与激励频率之商，

其中选择激励频率，使得与位置相关的速度变化(510，910，920)的至少三个最低的傅里叶分量(810，820，830)不等于零。

4.根据权利要求3所述的方法，其中选择激励频率，使得包距离(210，760)是间隙距离(340，860)的四倍。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中粒子具有非相对速度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中外电极(310，320)被接地。

7.用于对带电粒子束(115)分包的装置(120)，

具有环形中心电极(320)，所述环形中心电极在辐射方向(101)上布置在第一外电极(310)与第二外电极(320)之间，

其中在第一外电极(310)与中心电极(330)之间形成第一间隙(315)，和在中心电极(330)与第二外电极(320)之间形成第二间隙(325)，

其中第一间隙(315)的中心与第二间隙(325)的中心之间具有设定的间隙距离(340，860，870)，

其中所述装置(120)被形成为按照根据权利要求1-6中任一项所述的方法运行。

8.用于执行粒子治疗的仪器(100)，包括根据权利要求7所述的装置(120)。