DE10100130A1 - Stehwellen-Partikelstrahl-Beschleuniger mit schaltbarer Strahlenergie - Google Patents

Abstract

Stehwellen-Partikelstrahl-Beschleuniger (10), bei dem die elektrischen Felder in einem Seiten-Kopplungshohlraum (34) dadurch geschaltet werden, daß zwei Sonden (56, 57) ausgewählten Durchmessers eingeführt werden, wodurch an benachbarte gekoppelte Beschleunigungshohlräume (16, 18) in Strahleingangsrichtung und in Strahlausgangsrichtung eine jeweils unterschiedliche elektrische Feldkopplung entsteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Stehwellen-Partikelstrahl-Beschleuni­ ger und insbesondere auf Beschleuniger eines Strahls geladener Partikel, bei denen zum Schalten der Energie des Partikelstrahls die stehende Welle in mindestens ei­ nem Seitenkopplungshohlraum bezüglich der Kopplung elektromagnetischer Felder an die beiden benachbarten Haupthohlräume in mindestens zwei verschiedenen A­ symmetrien geschaltet werden kann.

Stehwellen-Partikelstrahl-Beschleuniger werden inzwischen häufig in medizi­ nischen Beschleunigern eingesetzt, bei denen der Hochenergie-Partikelstrahl zum Erzeugen von Röntgenstrahlen verwendet wird. Bei dieser Anwendung muß die Ausgangs-Röntgenleistung stabil sein. Außerdem ist es erstrebenswert, wenn die Energie des Partikelstrahls leicht und schnell umgeschaltet werden kann, so daß Röntgenstrahlen unterschiedlicher Energie vorgesehen werden, wodurch während medizinischer Behandlungen Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Eindringtiefen bereitgestellt werden können.

Ein Verfahren zum Steuern der Strahlenergie ist das Variieren der an die Be­ schleunigungshohlräume angelegte HF-Energie. Andere Anwendungsgebiete sind in verschiedenen Patenten beschrieben. Im US-Patent Nr. 4,286,192 (Tanabe und Va­ guine) wird die Energie durch Umkehren der Beschleunigungsfelder in einem Teil des Beschleunigers zum Bremsen des Strahls gesteuert. Im US-Patent Nr. 4,382,208 (Meddaugh et al.) wird die elektromagnetische Feldverteilung im Kopp­ lungshohlraum zum Steuern der an die benachbarten Resonator-Hohlräume ange­ legten Felder verändert. Im Patent Nr. 4,746,839 (Kazusa und Yoneda) wird die Ver­ wendung zweier Kopplungshohlräume offenbart, die zum Steuern der Beschleuni­ gungsfelder geschaltet werden.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Seitenkopplungshohlraum- Stehwellen-Partikelstrahl-Beschleuniger mit schaltbarer Energie vorzusehen.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Seitenkopplungshohlraum- Stehwellen-Partikelstrahl-Beschleuniger mit schaltbarer Energie vorzusehen, der so schaltbar ist, daß drei Ebenen der Ausgangsenergie vorgesehen werden, wobei die Frequenz und der Energiespektrumsbereich nur unwesentlich verändert werden müssen.

Zum Erfüllen der obigen und weiterer Aufgaben weist der Partikelbeschleuni­ ger einen Eingangshohlraum zum Empfangen geladener Partikel, Zwischen- Beschleunigungshohlräume und einen Ausgangshohlraum sowie mehrere Kopp­ lungshohlräume auf, die benachbarte Paare der Hohlräume entlang des Beschleuni­ gers miteinander verbinden, wobei mindestens einer der Kopplungshohlräume eine Einrichtung zum Schalten der Stärke der elektromagnetischen Feldkopplung an be­ nachbarte Hohlräumen zwischen einem ersten Pegel und mindestens zwei weiteren Pegeln zum Liefern von Ausgangsenergie auf mindestens drei Pegeln aufweist.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen seitenhohlraumgekoppelten Steh­ wellen-Partikelstrahl-Beschleuniger.

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1, der den Seiten­ hohlraum nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt,

Fig. 3 eine Draufsicht ungefähr entlang der Linie 3-3 von Fig. 2 und

Fig. 4 eine Draufsicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Fig. 1 ist ein schematischer Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Stehwellen- Beschleunigerstruktur für geladene Partikel. Sie weist eine Kette elektromagnetisch gekoppelter resonierender Hohlräume auf. Ein linearer Elektronenstrahl 12 wird von einer herkömmlichen Elektronenkanonenquelle 14 in den Beschleuniger injiziert. Der Strahl 12 kann entweder kontinuierlich oder pulsierend sein.

Die Stehwellen-Beschleunigerstruktur 10 wird von Mikrowellenenergie mit ei­ ner in der Nähe der Resonanzfrequenz gelegenen Frequenz angeregt, die zwischen 1000 und 10.000 MHz liegt, beispielsweise bei 2856 MHz. Die Energie gelangt durch eine Irisblende 15 in einen Hohlraum, vorzugsweise einen der Hohlräume entlang der Kette.

Die Kette hat zwei Typen, 16 und 18, von Beschleunigungshohlräumen. Die Hohlräume sind ringförmig und haben ausgerichtete mittige Strahlöffnungen 17, die ein Hindurchtreten des Strahls 12 erlauben. Die Hohlräume 16 und 18 haben vor­ zugsweise hervorstehende Nasen 19 optimierter Konfiguration zur Verbesserung der Wechselwirkung der Mikrowellenenergie und dem Elektronenstrahl. Bei Elektronenbeschleunigern werden die Hohlräume 16, 18 durch einen "Seiten"- oder "Kopp­ lungs"-Hohlraum 20 elektromagnetisch miteinander gekoppelt, die über eine Irisblen­ de 22 mit jedem Hohlraum des benachbarten Hohlraumpaars gekoppelt ist. Die Kopplungshohlräume 20 resonieren bei der gleichen Frequenz wie die Be­ schleunigungshohlräume 16, 18 und stehen nicht mit dem Strahl 12 in Wechselwir­ kung. In dieser Ausführungsform haben sie eine zylindrische Form mit einem Paar axial hervorstehender leitfähiger kapazitiv gekoppelter Nasen 24.

Die Anregungsfrequenz ist so beschaffen, daß die Kette zu einer Stehwellen­ resonanz angeregt wird mit einer Phasenverschiebung um π/2 im Bogenmaß zwi­ schen einem jeweiligen Kopplungshohlraum und dem benachbarten Beschleuni­ gungshohlraum. Es besteht also eine Phasenverschiebung um π im Bogenmaß zwi­ schen benachbarten Beschleunigungshohlräumen 16, 18. Der π/2-Modus hat mehre­ re Vorteile. Es besteht dabei die größtmögliche Trennung der Resonanzfrequenz von benachbarten Moden, die zufällig angeregt werden könnten. Außerdem, wenn die Kette richtig abgeschlossen wird, entstehen sehr kleine elektromagnetische Felder in den Kopplungshohlräumen 20, so daß die Energieverluste in diesen nicht in Wech­ selwirkung stehenden Hohlräumen gering sind. Es ist zu sehen, daß der erste und der letzte Beschleunigungshohlraum 26, 28 jeweils aus einer Hälfte eines inneren Hohlraums 16, 18 bestehen, und folglich ist die Gesamt-Beschleunigerstruktur im Verhältnis zum HF-Eingangskoppler 15 symmetrisch. Es versteht sich, daß die End­ hohlräume natürlich auch ganze Hohlräume, wie das die Hohlräume 16, 18 sind, sein können.

Der Abstand zwischen den Beschleunigungshohlräumen 16, 18 beträgt unge­ fähr die Hälfte einer Freiraumwellenlänge, so daß die in einem Hohlraum 16 be­ schleunigten Elektronen in der richtigen Phase im Verhältnis zum Mikrowellenfeld zur weiteren Beschleunigung beim nächsten Beschleunigungshohlraum ankommen.

Nach seiner Beschleunigung trifft der Strahl 12 auf ein Röntgenziel 32. Alternativ da­ zu kann 32 ein Vakuumfenster aus Metall sein, das so dünn ist, daß die Elektronen zum Zweck einer Partikelbestrahlung eines Subjekts hindurchgelassen werden.

Wenn alle Beschleunigungshohlräume 16, 18 und alle Kopplungshohlräume 20 ähnlich und um ihre Mittelebenen spiegelsymmetrisch sind, ist das Feld in allen Beschleunigungshohlräumen im wesentlichen das gleiche.

Im Stand der Technik, repräsentiert zum Beispiel durch die US-Patente Nr. 4,286,192, 4,382,208 und 4,746,839, ist mindestens ein Kopplungshohlraum so konfiguriert, daß eine Steuerung oder Einstellung der Ausgangsenergie im Elektronen­ strahl möglich ist. Im Patent Nr. 4,382,208 wird die Ausgangsenergie dadurch ge­ steuert, daß der Kopplungshohlraum durch mechanische Einstellung asymmetrisch gemacht wird. Die geometrische Asymmetrie erzeugt eine Asymmetrie der elektro­ magnetischen Feldverteilung im Kopplungshohlraum 34, so daß die Magnetfeldkom­ ponente an einer Irisblende 38 größer als an der anderen Irisblende 40 ist. Das ge­ koppelte Magnetfeld ist daher in den durch die Irisblende 38 gekoppelten vorherge­ henden Hohlräumen 16 größer als in den durch die Irisblende 40 gekoppelten Hohl­ räumen 18. Da die Hohlräume 16, 18 identisch sind, ist das Verhältnis der Beschleu­ nigungsfelder in den Hohlräumen 16 und 18 direkt proportional zum Verhältnis der Magnetfelder an den Irisblenden 38 und 40. Durch Verändern des Grads der magne­ tischen Asymmetrie im Kopplungshohlraum 34 kann die HF-Spannung des Be­ schleunigungsfelds in der folgenden Kette 18 verändert werden, während das Be­ schleunigungsfeld in den Hohlräumen 16 in der Nähe des Strahlinjektionsbereichs konstant gehalten werden kann. Die Energie des Ausgangsstrahls kann daher selek­ tiv eingestellt werden.

Da die Bildung von Elektronenbündeln aus einem anfänglich kontinuierlichen Strahl in den zuerst durchquerten Hohlräumen 16 stattfindet, kann die Bündelbildung dort optimiert und nicht durch Verändern des Beschleunigungsfelds in den Aus­ gangshohlräumen 18 beeinträchtigt werden. Die Energiestreuung im Ausgangsstrahl wird daher von der sich verändernden mittleren Elektronen-Ausgangsenergie unab­ hängig.

Die sich verändernde Energie, die dem Strahl durch die Ausgangshohlräume 18 verlorengeht, wird natürlich die auf die (nicht dargestellte) Mikrowellenquelle wir­ kende Veränderung der Lastimpedanz verändern, wodurch eine kleine von der Iris­ blende 15 reflektierte Mikrowellenenergie erzeugt wird. Diese Veränderung ist gering und kann leicht entweder durch eine variable Impedanz oder durch Einstellen der Mikrowellen-Eingangsenergie kompensiert werden.

Im Stand der Technik sind Ausgangsenergiepegel allgemein auf zwei Pegel beschränkt, einen ersten Energiepegel, bei dem der Seitenhohlraum so konfiguriert ist, daß er die Konfiguration der Felder im Hohlraum nicht stört, wobei durch die Iris­ blenden 38, 40 hindurch eine gleiche induktive Kopplung mit den benachbarten Hohl­ räumen entsteht, und einen zweiten Energiepegel, bei dem die Felder im Hohlraum dadurch verändert werden, daß die physische Konfiguration des Hohlraums und die durch die Irisblenden hindurch wirkende induktive Kopplung verändert wird, wodurch das Feld in den Hohlräumen 16, 18 und so auch das Magnetfeld an den beiden Iris­ blenden verändert wird.

Bei vielen medizinischen Vorgängen besteht ein Bedarf nach drei oder mehr Ausgangsenergiepegeln zur Bildung von Röntgenstrahlen unterschiedlicher Pegel zur Behandlung von Tumoren usw., die unterschiedlich tief in einem Patienten liegen. Der erfindungsgemäße Seiten- oder Kopplungshohlraum ist mit zwei oder mehr a­ symmetrisch angeordneten Plungern oder Sonden konfiguriert. Die Sonden sind vor­ zugsweise Kreiszylinder. Sie können aber auch rechteckig geformt oder Zylinder ei­ ner anderen Form sein. Der in Fig. 2 gezeigte Kopplungshohlraum 34 weist insbe­ sondere einen zylindrischen, napfförmigen Körper 50 auf, der einen zylindrischen Kopplungshohlraum 52 bildet, der am Hauptkörper 53 des Beschleunigers befestigt ist. Nasen oder Elemente 54, deren Endflächen einander gegenüberliegen, erstre­ cken sich axial in den Hohlraum. Bewegliche Plunger oder Sonden 56, 57, Fig. 2, erstrecken sich radial durch die Wand 50 des zylindrischen Kopplungshohlraums in den Hohlraum, wobei ihre Achsen ein "V" beschreiben. Hierdurch wird für die Me­ chanismen physisch ein Raum geschaffen, die die Enden der Sonden betätigen, um die Sonden 56, 57 ohne mechanische Einwirkung ein- und auszufahren. Der (nicht dargestellte) Mechanismus kann elektrisch betätigte Solenoide oder pneumatisch betriebene Zylinder aufweisen. Eine Bewegung der Plunger geschieht durch die Va­ kuumwand über Bälge 61, 62, die eine Vakuumdichtung bilden. Wie noch erläutert wird, ist die Bewegung der Plunger so programmiert, daß sie die Magnetfelder im Hohlraum so ändern, daß entweder, wenn beide Plunger eingezogen sind, ein sym­ metrisches Feld erzeugt wird, oder unterschiedliche asymmetrische Felder erzeugt werden, wobei der eine oder andere Plunger 56, 57 bis auf einen vorbestimmten Ab­ stand zu einer benachbarten Nase 54 in den Hohlraum eingeführt wird, damit so die Magnetfelder verändert werden, die an die Irisblenden gekoppelt werden. Die so er­ zeugte Asymmetrie kann durch den Durchmesser der Plunger und zweitens (und wichtiger) durch die Position des Endes des Plungers im Innern des Hohlraums be­ züglich der Nase 54 gesteuert werden. Typischerweise verringern auf der Strahlein­ gangsseite der Längsmittellinie des Hohlraums liegende Sonden die magnetische Kopplung an die auf der Strahlausgangsseite liegende Irisblende und daher auch die Ausgangsenergie, während auf der Strahlausgangsseite der Längsmitte des Hohl­ raums angeordnete Sonden die magnetische Kopplung zur Strahlausgangsseite hin an die auf der Strahlausgangsseite gelegene Irisblende und daher auch die Aus­ gangsenergie erhöhen.

Da die Sonden in Fig. 2 und 3 bei der auf der Strahleingangsseite gelegenen Nase 54 angeordnet sind, kann zum Verringern der Ausgangsenergie um einen vor­ bestimmten Betrag der Einführungsgrad und die Größe der Sonde so gewählt wer­ den, daß die magnetische Kopplung an die zur Strahlausgangsseite zeigende Iris­ blende verglichen mit der auf der Strahleingangsseite gelegenen Irisblende um einen ersten Betrag verringert wird. Der Einführungsgrad und die Größe der anderen Son­ de können so gewählt werden, daß zum Verringern der Ausgangsenergie um einen zweiten Betrag die magnetische Kopplung um einen anderen Betrag verringert wird. Bei einem Beispiel war die Ausgangsenergie bei zwei eingezogenen Sonden 18 MeV und wurde dann durch das Einschieben des einen oder anderen Plungers auf 10 MeV bzw. 6 MeV verändert.

Außerdem bestehen Abstimmungsanforderungen, die noch nicht beschrieben wurden. Insbesondere darf die normale Anforderung, daß der geschaltete Seiten­ hohlraum auf die gleiche Frequenz wie die beiden anderen Seitenhohlräume einge­ stellt sein muß, nicht mißachtet werden. Eine solche Mißachtung würde die Stabilität des Leiters gefährden. Die Abstimmungsanforderung wird hauptsächlich dadurch erfüllt, daß der Durchmesser der Sonde und der Einführungsgrad variiert werden. Allgemein sind das auf der Strahleingangsseite gelegene und das auf der Strahlaus­ gangsseite gelegene Magnetfeld so beschaffen, daß im Schalt-Hohlraum kein Feld resultiert.

In Fig. 4 sind die Sonden 56a, 57a in Längsrichtung entlang der Länge des Hohlraums voneinander getrennt, wobei eine Sonde auf der Strahleingangsseite der Längsmitte des Hohlraums liegt und die andere auf der Strahlausgangsseite. Das Einführen der auf der Strahleingangsseite gelegenen Sonde 56a wird daher die ma­ gnetische Kopplung durch die auf der Strahlausgangsseite gelegenen Irisblende ver­ ringern und die Ausgangsenergie verglichen mit dem Zustand, da beide Sonden ein­ gezogen sind, verringern. Ein Einführen der auf der Strahlausgangsseite gelegenen Sonde 57a wird die magnetische Kopplung durch die auf der Strahlausgangsseite gelegene Irisblende und daher auch die Ausgangsenergie im Vergleich zu dem Zu­ stand, da beide Sonden eingezogen sind, erhöhen. Zum Beispiel kann die Energie von 10 MeV auf 18 MeV erhöht oder von 10 MeV auf 6 MeV verringert werden.

Es wurde so ein Beschleuniger vorgesehen, bei dem die Strahlenergie zwi­ schen drei Pegeln geschaltet werden kann, wobei zwei sich radial erstreckende Son­ den verwendet werden. Die Sonden werden aus zwei verschiedenen Richtungen in einer V-Konfiguration radial eingeführt. Diese Konfiguration ermöglicht es den die Sonden jeweils haltenden und bewegenden Mechanismen, sich nicht gegenseitig physisch zu stören. Die Verwendung von zwei Sonden erlaubt ein einzelnes Einfüh­ ren der Sonden, wobei die Durchmesser der Sonden so ausgewählt werden, daß die Resonanz erhalten bleibt und bei minimaler Energiestreuung drei Ausgangsleis­ tungspegel vorgesehen werden.

Claims (12)

1. Beschleuniger (10) zum Beschleunigen eines Partikelstrahls (12), mit einer resonanten Kette elektromagnetischer Hohlräume (16, 18), die in Reihe ge­ schaltet sind und mit ungefähr der gleichen Frequenz resonieren, gekennzeichnet durch

• - einen mit jedem von mindestens zwei zwischenliegenden benachbarten Hohl­ räumen (16, 18) gekoppelten Kopplungshohlraum (34),
• - mindestens eine erste und eine zweite Sondeneinrichtung (56, 57) zur unab­ hängigen Einführung in den Kopplungshohlraum (34) zum Verändern der Ver­ teilung elektromagnetischer Felder im Hohlraum (34), wobei die elektromagne­ tische Feldkopplung zwischen den beiden benachbarten Hohlräumen (16, 18) verändert wird, wodurch die Energie des Partikelstrahls (12) von einem Wert verändert wird, bei dem die Sonden (56, 57) eingezogen sind, zu einem ersten unterschiedlichen Wert, bei dem eine Sonde eingeführt ist, und einem anderen unterschiedlichen Wert, bei dem nur die andere Sonde eingeführt ist.

2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die andere Sonde eingeführt ist.

3. Beschleuniger (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopp­ lungshohlraum (34) zylindrisch ist und die Sondeneinrichtungen (56, 57) zum Verändern des elektromagnetischen Felds im Kopplungshohlraum (34) radial mit einem radialen Winkel voneinander eingeführt werden, so daß dabei ein "V" gebildet wird.

4. Beschleuniger (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Sondeneinrichtung (56, 57) beide auf einer Seite der Längsmit­ tellinie des Kopplungshohlraums (34) sind.

5. Beschleuniger (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Sondeneinrichtung (56a, 57a) auf entgegengesetzten Seiten der Längsmittellinie des Kopplungshohlraums (34) sind.

6. Beschleuniger (10) nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kopplung der elektromagnetischen Felder an die beiden be­ nachbarten Hohlräume (16, 18) durch Irisblenden (38, 40) geschieht und die Sondeneinrichtungen (56, 57) die Verteilung des elektromagnetischen Felds bezüglich der Irisblenden (38, 40) verändern.

7. Beschleuniger (10) nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchmesser der ersten und der zweiten Sonde (56, 57) so ausgewählt wird, daß die Frequenz des Hohlraums (34) gesteuert wird.

8. Partikelbeschleuniger (10) mit einer Kette elektromagnetischer Beschleuni­ gungshohlräume (16, 18), zylindrischen Kopplungshohlräumen (20, 34), die benachbarte Beschleunigungshohlräume (16, 18) miteinander koppeln, wobei die Kopplungshohlräumen (20, 34) sich axial gegenüberliegende Leiternasen (24, 54) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß einer der dazwischen liegenden Kopplungshohlräume (34) mindestens eine erste und eine zweite unabhängig in den Kopplungshohlraum (34) einzufüh­ rende Sondeneinrichtung (56, 57) zum Verändern der Verteilung der elektro­ magnetischen Felder im Kopplungshohlraum (34) aufweist, wodurch die mag­ netische Feldkopplung an die zwei benachbarten Hohlräume (16, 18) durch das Einführen der einen oder der anderen Sondeneinrichtung (56, 57) um ei­ nen unterschiedlichen Betrag verändert wird, wodurch zum Verändern der E­ nergie des Partikelstrahls (12) die Beschleunigungsfelder in den Beschleuni­ gungshohlräumen (16, 18) verändert werden.

9. Beschleuniger (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Son­ deneinrichtungen (56, 57) zum Verändern des elektromagnetischen Felds im Kopplungshohlraum (34) radial zueinander in einem radialen Winkel in der Form eines "V" eingeführt werden.

10. Beschleuniger (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Sondeneinrichtung (56, 57) beide auf einer Seite der Längsmittelli­ nie des Kopplungshohlraums (34) liegen.

11. Beschleuniger (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Sondeneinrichtung (56a, 57a) auf entgegengesetzten Seiten der Längsmittellinie des Kopplungshohlraums (34) liegen.

12. Beschleuniger (10) nach den Ansprüchen 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kopplung der elektromagnetischen Felder an die beiden be­ nachbarten Hohlräume (16, 18) durch Irisblenden (38, 40) geschieht und die Sondeneinrichtungen (56, 57) die Verteilung des elektromagnetischen Felds bezüglich der Irisblenden (38, 40) verändern.