DE102007045495B4

DE102007045495B4 - Kreisbeschleunigungsvorrichtung, Generator für elektromagnetische Wellen und elektromagnetische Wellen verwendendes Abbildungssystem

Info

Publication number: DE102007045495B4
Application number: DE102007045495.5A
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Tanaka; Takahisa Nagayama; Nobuyuki Zumoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2007-09-24
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2027-09-25
Also published as: US7634062B2; JP4622977B2; CN101155464B; CN101155464A; US20080079372A1; JP2008084572A; DE102007045495A1

Abstract

Kreisbeschleunigungsvorrichtung mit einem Elektronengenerator (1), um Elektronen stoßweise im Ansprechen auf eine gepulste Spannung zu erzeugen, die an den Elektronengenerator (1) von einer Hochspannungsstromversorgung (4) angelegt wird, und einem Kreisbeschleuniger (2) mit einer Elektronenbeschleunigungseinheit (13), um Elektronen zu beschleunigen, die vom Elektronengenerator (1) erzeugt und in diese injiziert wurden, und einer Ablenkungsmagnetfelderzeugungseinheit (14), um die injizierten Elektronen abzulenken, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsstromversorgung (4) mit Schaltungselementen versehen ist, um die Anstiegsflanke und/oder Abfallsflanke der gepulsten Spannung, die an den Elektronengenerator (1) angelegt wird, derart zu mäßigen, dass Elektronenenergieschwankungen beim Injizieren erhöht und somit Radien der Elektronenumlaufbahnen im Kreisbeschleuniger (2) ausgeweitet werden, wobei die Schaltungselemente durch einen Transformator (35) gebildet werden und die Hochspannungsstromversorgung (4) die gepulste Hochspannung ausgibt, die durch Hochtransformieren einer gepulsten Niederspannung erzeugt wird, die von einer Schaltvorrichtung (34) erzeugt wird, mit einer Periode, die derjenigen eines Impulses von Elektronen des Elektronengenerators (1) entspricht, wobei das Hochtransformieren mittels des Transformators (35) erfolgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kreisbeschleunigungsvorrichtung, die stromstarke Elektronenstrahlen beschleunigen kann, einen Generator für elektromagnetische Wellen, der elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen erzeugen kann, indem man Elektronen, die von der Kreisbeschleunigungsvorrichtung beschleunigt wurden, mit einem Ziel kollidieren lässt, und ein elektromagnetische Wellen verwendendes Abbildungssystem, das Röntgenbilder von menschlichen Körpern, Halbleitern u. dgl. unter Verwendung von Röntgenstrahlen und solchen Strahlen, die von den Generatoren für elektromagnetische Wellen erzeugt werden, herstellen.
STAND DER TECHNIK
In der nachstehenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass eine Kreisbeschleunigungsvorrichtung mit einem Kreisbeschleuniger, einer Elektroneninjektionseinheit und einer Stromversorgung ausgelegt ist, die notwendig ist, um sie zu betreiben. Der Kreisbeschleuniger nimmt Elektronen, die von einem Elektronengenerator erzeugt werden, als Injektionselektronen her und beschleunigt sie, bis sie eine vorbestimmte Energie haben, während er sie sich in ihren Kreisbahnen bewegen lässt, er selbst aber nicht unbedingt kreisförmig sein muss. Der Einfachheit halber wurde der Begriff „Kreis“ oder „kreisförmig“ vergeben, weil Elektronen in Kreis- oder Umlaufbahnen zirkulieren.
Bei Generatoren elektromagnetischer Wellen, die sich Kreisbeschleunigern bedienen, um Röntgenstrahlen und dergleichen zu erzeugen, wurden Betatron-Beschleuniger und Synchrotron-Beschleuniger wie etwa Elektronenspeicherringe als Kreisbeschleuniger verwendet. Jedoch ist, wenn die Betatron-Beschleuniger verwendet werden, eine Stromerhöhung aufgrund der Auswirkungen der Coulombschen Abstoßung zwischen Elektronen schwierig, was zu einer geringen Stärke der elektromagnetischen Wellen der Röntgenstrahlen u. dgl. führt, die dadurch erzeugt werden, dass man Elektronen mit einem Ziel kollidieren lässt, so dass es schwierig war, die Generatoren elektromagnetischer Wellen, welche die Beschleuniger verwenden, auf industriellem und medizinischem Gebiet anzuwenden. Wenn Synchrotron-Beschleuniger als Strahlungsquellen verwendet werden, sind die dadurch erzeugten elektromagnetischen Wellen stark, haben aber eine niedrige Energie; es war schwierig, diese auf industrielle und medizinische Gebiete anzuwenden. Auch wenn Synchrotron-Beschleuniger verwendet werden, um hochenergetische elektromagnetische Wellen zu erzeugen, muss jedoch ein Verfahren übernommen werden, das keine Synchrotron-Strahlung verwendet, sondern Elektronen mit einen Ziel kollidieren lässt; dieses Verfahren bringt jedoch dieselben Schwierigkeiten wie diejenigen beim Einsatz von Betatron-Beschleunigern mit sich, und zwar insofern als es schwierig ist, den Strom zu erhöhen, damit die Stärke der erzeugten elektromagnetischen Wellen wie Röntgenstrahlen niedrig wird; deshalb war es schwierig, die Generatoren elektromagnetischer Wellen, welche die Synchrotron-Beschleuniger als hochenergetische Beschleuniger verwenden, auf industrielle und medizinische Gebiete anzuwenden.
Um die vorstehend beschriebene Situation zu verbessern, wurde ein Generator für elektromagnetische Wellen, der einen sogenannten Hybridbeschleuniger verwendet, in der japanischen Patentveröffentlichung JP 2004-296164 A vorgeschlagen (Patentschrift 1). Der Hybridbeschleuniger ist ein Beschleuniger, der ein Beschleunigungsverfahren wie folgt einsetzt: während eine Beschleunigungseinrichtung Elektronen ab dem Zeitpunkt, an dem deren Injektion in den Beschleuniger beginnt, beschleunigt, wird ein Ablenkmagnetfeld, das durch im Beschleuniger enthaltene Ablenkelektromagnete erzeugt wird, während einer Injektionsdauer konstant gehalten und so geregelt, dass es sich nach dem Ende der Injektion verändert. In diesem Beschleuniger bestehen stabile Elektronenumlaufbahnen, die sich über einen breiten radialen Bereich ausbreiten; wenn Elektronen auf die vorstehend beschriebene Weise injiziert werden, bewegen sie sich deshalb je nach ihren Injektionszeitpunkten während der Injektionsdauer stabil in Umlaufbahnen, wovon jede einen anderen Durchmesser hat. Deshalb lässt der Beschleuniger die Elektronen sich in Umlaufbahnen bewegen, die sich über einen weiten Umlaufbereich ausbreiten. Dadurch kann die räumliche Dichte der Elektronen gesenkt werden, was zu einer geringeren Coulombschen Abstoßung zwischen den Elektronen führt, was eine stromstarke Beschleunigung ermöglicht.
Der Hybridbeschleuniger übernimmt als Beschleunigungsmittel eine sogenannte Induktionsbeschleunigung durch ein elektrisches Feld, das ein Beschleunigungsmagnetfeld induziert. 10 zeigt zeitabhängige Veränderungen der Ablenkungsmagnetfeldstärke und der Beschleunigungsmagnetfeldstärke nach der Erfindung der Patentschrift 1. In 10 ist ‚41‘ die Veränderung der Beschleunigungsmagnetfeldstärke im Hinblick auf Zeit, ‚42‘ ist diejenige der Ablenkungsmagnetfeldstärke; es wird davon ausgegangen, dass die Injektionsvorgänge stoßweise erfolgen. Hier bedeutet „die Injektionsvorgänge erfolgen stoßweise “, dass jede Injektion während eines vorbestimmten Zeitraums stattfindet, nachdem ein Impuls mit einer Rechteckwellenform seinen Scheitelwellenhöhenwert erreicht hat. Da im Spezielleren der Impuls unmittelbar, nachdem er erzeugt wurde, auf seinen Scheitelwert ansteigt, wird die Injektionsdauer wie folgt eingestellt: die Injektion beginnt, nachdem eine spezifische Zeit - ab einem Zeitpunkt, an dem der Impuls angelegt wurde, bis zu einem Zeitpunkt, an dem der Impuls seinen Scheitelwert erreicht - vergangen ist, und geht dann weiter, bis eine spezifische Zeit verstrichen ist, während der Impulsscheitelwert gehalten wird. Weil die Beschleunigungsmagnetfeldstärke 41 ab einem Zeitpunkt zuzunehmen beginnt, an dem die Injektion von Elektronen beginnt, wurden die Elektronen ab dem Moment beschleunigt, an dem sie injiziert wurden. Dabei wird die Ablenkungsmagnetfeldstärke 42 so geregelt, dass sie ab dem Zeitpunkt des Injektionsbeginns bis zu einem Zeitpunkt des Injektionsendes auf einem konstanten Wert bleibt; sobald die Injektion zu Ende geht, wird die Stärke 42, ähnlich wie die Beschleunigungsmagnetfeldstärke 41 so geregelt, dass sie wieder zuzunehmen beginnt. Während die Ablenkungsmagnetfeldstärke 42 auf dem konstanten Wert bleibt, werden die injizierten Elektronen, die untereinander dieselbe Energie haben, unmittelbar nach ihrer Injektion beschleunigt, und ihre Ablenkungskrümmungen werden schrittweise größer. Deshalb wurde zum Zeitpunkt des Injektionsendes jedes der Elektronen je nach seinem Injektionsmoment während des Injektionszeitraums unterschiedlich beschleunigt; die Injektionselektronen bewegen sich in Umlaufbahnen, die sich radial ausbreiten. Weil die Elektronen danach weiter beschleunigt werden, um eine vorbestimmte Energie aufzuweisen, werden die sich radial ausbreitenden Umlaufbahnen weiter radial ausgeweitet. Nach dem Ende der Injektion nimmt die Ablenkungsmagnetfeldstärke 42 zu; das Ausmaß der radialen Umlaufbahnausweitung wird für gewöhnlich geringer als während der Injektion. Sobald die Elektronen auf ihre vorbestimmte Energie beschleunigt wurden, können die Radien der Elektronenumlaufbahnen beispielsweise dadurch ausgeweitet werden, dass die Ablenkungsmagnetfeldstärke 42 auf einen konstanten Wert u. dgl. geregelt wird.
Wenn ein Ziel oder Target im Weg einer Umlaufbahn angeordnet wird, die von den Umlaufbahnen, in denen sich die Elektronen stabil bewegen können, einen vorbestimmten Radius hat, können die Elektronenstrahlen, da sich die Radien der Elektronenumlaufbahnen ändern, mit dem Ziel auf eine kontrollierte Weise kollidieren, so dass elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen durch die Kollision erzeugt werden. Weil hier das Ziel eine bestimmte Fläche hat, sind die Elektronen, die sich in Umlaufbahnen innerhalb eines spezifischen radialen Bereichs bewegen, bereit, mit dem Ziel kollidieren zu können. Solche Umlaufbahnen werden nachstehend als Kollisionsumlaufbahnen bezeichnet.
Auch während die Radien der Elektronenumlaufbahnen verändert werden, werden Elektronen radial abgelenkt und bewegen sich in Umlaufbahnen; indem die Radien der Umlaufbahnen schrittweise verändert werden, können die Elektronenstrahlen weiterhin mit dem Ziel kollidieren, so dass kontinuierlich Röntgenstrahlen erzeugt werden können. Hier verschwinden nicht alle Elektronen, die mit dem Ziel kollidiert sind, sondern es bleiben Elektronen übrig, deren Energie nach ihrer Kollision reduziert ist. Weil die restlichen Elektronen auch Energien in dem Bereich haben, der eine stabile Bewegung in Umlaufbahnen ermöglicht, können einige Elektronen bei jedem Umlauf wieder mit ausreichend Energie aus dem Beschleunigungsmagnetfeld aufgeladen werden, um wieder in eine Kollisionsumlaufbahn zurückzukehren. Deshalb können unter Verwendung des Beschleunigers elektromagnetische Wellen erzeugt werden, der wirksam Elektronen nutzt, die sich in Umlaufbahnen bewegen (siehe Patentschrift 1).
Wie beschrieben wurde, wird es bei den Beschleunigern, weil die Elektronen stabile radial ausgebreitete Bahnen haben, wodurch eine geringere Coulombsche Abstoßung zwischen den Elektronen bewirkt wird, einfach, große Ströme zu beschleunigen, weil die Position der Umlaufbahnen verändert werden kann. Während gleichzeitig die Bedingungen für die Elektronen, sich stabil in Umlaufbahnen zu bewegen, dadurch aufrechterhalten werden können, dass die Beschleunigungs- und die Ablenkungsmagnetfeldstärke geregelt wird, wird es für die sich in Umlaufbahnen bewegenden Elektronen möglich, wirksam mit dem Ziel kollidieren zu können. Dadurch wird es möglich, die Stärke der elektromagnetischen Wellen wie etwa Röntgenstrahlen zu erhöhen, die vom Beschleuniger erzeugt werden. Soweit wurde ein Hybridbeschleuniger als typisches Beispiel beschrieben, dieser ist aber nicht darauf beschränkt, dass Strom erhöht werden kann, indem die Radien der Elektronenumlaufbahnen vergrößert werden. Jede Art von Kreisbeschleuniger hat mehr oder weniger einen bestimmten radialen Bereich von Umlaufbahnen, in denen sich die Elektronen stabil bewegen; deshalb ist es auch möglich, auf eine ähnliche Weise den Strom zu erhöhen, indem die Radien der Elektronenumlaufbahnen vergrößert werden. Dabei verwenden manche Beschleuniger ein Verfahren der elektrischen Feldbeschleunigung anstelle eines Induktionsverfahrens unter Verwendung eines Magnetfelds. In diesem Fall trifft die vorstehende Beschreibung auch zu, wenn in 10 der Begriff „Beschleunigungsmagnetfeldstärke“ durch den Begriff „elektrische Feldstärkenbeschleunigung“ ausgetauscht wird.
Die US 2 738 420 A beschreibt eine Hochstromversorgung für einen Elektroneninjektor eines Kreisbeschleunigers, mit der eine gepulste Spannung erzeugt werden kann, die anden Kreisbeschleuniger zur Beschleunigung injizierter Elektronen angelegt wird.
Aus der DE 11 2004 000 137 T5 ist weiterhin ein Beschleuniger für geladene Teilchen bekannt, bei dem geladene Teilchen mittels zeitlich veränderlicher elektrischer und magnetischer Felder beschleunigt werden.
Die US 6 445 766 B1 beschreibt eine bildgebende Vorrichtung für medizinische Anwendungen, bei der Röntgenstrahlen mittels eines Teilchenbeschleunigers erzeugt werden.
Während einer Elektroneninjektionsdauer muss ein Hybridbeschleuniger jedoch die zeitabhängigen Veränderungen sowohl der Beschleunigungsmagnetfeldstärke als auch der Ablenkungsmagnetfeldstärke so regeln, dass vorbestimmte Verhältnisse zwischen diesen bestehen; dies führt zu einer komplexen Elektromagnetstromversorgungsregelung, bei der die Elektronenbeschleunigungseinheit und die Elektronenablenkeinheit Magnetfelder erzeugen, was insofern ein Problem aufwirft, als der Beschleuniger zu hohen Kosten hergestellt wurde. Das vorstehende Problem stellte sich auch, als ein Verfahren der elektrischen Feldbeschleunigung wie auch ein Induktionsverfahren als Elektronenbeschleunigungsmittel eingesetzt wurde. In diesem Fall führt dies zu einer komplizierten Regelung der Stromversorgung für die elektrische Feldbeschleunigung und die Elektromagnetstromversorgung, welche die Elektronenablenkeinheit Magnetfelder erzeugen lässt, was insofern ein Problem aufwirft, als der Beschleuniger zu hohen Kosten hergestellt wurde. Deshalb bestand, wenn der Strom im Kreisbeschleuniger nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhöht werden sollte, ein allgemeines Problem, das nicht auf den Hybridbeschleuniger beschränkt ist, und zwar, dass die Regelung einer Stromversorgung, die eine hohe Spannung an eine Elektronenbeschleunigungseinheit anlegt, und einer Stromversorgung, die einer Elektronenablenkeinheit Ströme zuführt, um ein Ablenkungsmagnetfeld zu erzeugen, komplex wird, was hohe Kosten verursacht.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Zur Lösung der oben genannten Probleme werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Kreisbeschleunigungsvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1, ein Generator für elektromagnetische Wellen mit den Merkmalen von Anspruch 7, sowie ein elektromagnetische Wellen verwendendes Abbildungssystem mit den Merkmalen von Anspruch 8 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Da nach der vorliegenden Erfindung eine vereinfachte Hochspannungsstromversorgung übernommen wird, ist es möglich, eine Kreisbeschleunigungsvorrichtung zu erhalten, die höhere Ströme beschleunigen sowie eine komplexe Regelung eines von einer Elektronenablenkeinheit erzeugten Ablenkungsmagnetfelds vermeiden kann. Indem die Kreisbeschleunigungsvorrichtung auf einen Generator für elektromagnetische Wellen und ein Abbildungssystem für elektromagnetische Wellen, das den Generator für elektromagnetische Wellen verwendet, angewendet wird, kann auch ein Generator, der verstärkte elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen erzeugen kann, und ein Abbildungssystem für elektromagnetische Wellen erhalten werden, das eine hohe Auflösung hat.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht eines Generators von elektromagnetischen Wellen nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
2A ist ein Schema von Wellenformen elektromagnetischer Felder, die von einer Elektronenbeschleunigungseinheit und einer Elektronenablenkeinheit in einem Kreisbeschleuniger nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, und
2B ist ein Schema, das Intervalle von Spannungen darstellt, die an einen Elektronengenerator im Kreisbeschleuniger nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung angelegt werden;
3 ist ein Schema, das die Wellenform einer gepulsten Hochspannung darstellt, die an den Elektronengenerator nach Ausführungsform 1 bis Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung angelegt wird;
4 ist ein Schema, das die Wellenform einer gepulsten Hochspannung darstellt, die an den Elektronengenerator nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung angelegt wird;
5 ist ein Überblickschaltbild einer Hochspannungsstromquelle, die eine Hochspannung an einen Elektronengenerator nach Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung anlegt;
6 ist ein Schema, das ein Verhältnis darstellt, wie sich die Energien der Elektronen, die vom Elektronengenerator erzeugt werden, in Bezug auf den Beschleunigungsstrom im Kreisbeschleuniger nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ausbreiten;
7 ist eine Schnittansicht einer Generators von elektromagnetischen Wellen nach Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung;
8 ist ein Umrissaufbauschema eines Röntgenstrahlabbildungssystems nach Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung;
9 stellt Simulationsergebnisse von Bildern einer Kugel mit einem Durchmesser von einem Millimeter dar, die durch das Röntgenstrahlabbildungsverfahren nach Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung aufgenommen wurden;
10 ist ein Schema, das Wellenformen von Stärken elektromagnetischer Felder darstellt, die von der Elektronenbeschleunigungs- und der Elektronenablenkeinheit in einer Kreisbeschleunigungsvorrichtung nach dem Stand der Technik erzeugt wurden.

Bezugszeichenliste

„1“: Elektronengenerator
„2“: Kreisbeschleuniger
„3“: Ziel oder Target zum Erzeugen elektromagnetischer Wellen wie Röntgenstrahlen
„4“: Hochspannungsstromversorgung
„11“: Vakuumkammer
„12“: Elektronenumlaufbahnen
„13“: Elektronenbeschleunigungseinheit
„14“: Elektronenablenkeinheit
„21“: Stärke eines von der Elektronenbeschleunigungseinheit erzeugten Magnetfelds
„22“: Stärke eines von der Elektronenablenkeinheit erzeugten Magnetfelds
„23“: gepulste Hochspannung, die an den Elektronengenerator angelegt wird
„24“: erste Injektionsdauer
„25“: zweite Injektionsdauer
„31“: Ersatzschaltung des Elektronengenerators
„32“: AC-Spannungsquelle
„33“: Gleichrichter-/Glättungsschaltung
„34“: Schaltvorrichtung
„35“: Hochspannungstransformator
„41“: Stärke eines Magnetfelds, das von einer herkömmlichen Elektronenbeschleunigungseinheit erzeugt wurde
„42“: Stärke eines Magnetfelds, das von einer herkömmlichen Elektronenablenkeinheit erzeugt wurde
„71“: Generator für elektromagnetische Wellen
„72“: menschlicher Körper
„73“: Bildabtaster
„74“: Datenverarbeitungseinheit
„75“: Röntgenstrahlen
„81“: herkömmliches Absorptionskontrastbild
„82“: Brechungskontrastbild unter Verwendung eines Generators von elektromagnetischen Wellen nach der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachstehend werden Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage von Figuren erklärt.
Ausführungsform 1
Eine Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Umlaufbahnradien von Elektronen in einem Kreisbeschleuniger vergrößert werden, indem Elektronen, die von einem Elektronengenerator erzeugt wurden, in den Kreisbeschleuniger injiziert werden, wobei ihre Energien verändert werden. Wenn diese Ausführungsform angewendet wird, wird es, auch wenn die Stärke eines Ablenkungsmagnetfelds sich im Hinblick auf Zeit in denselben Mustern verändert wie ein Beschleunigungsmagnetfeld, möglich, Umlaufbahnradien von Elektronen, die injiziert und beschleunigt wurden, zu vergrößern, und zwar ohne die zeitabhängige Stärkeveränderung des Ablenkungsmagnetfelds auf komplizierte Weise zu regeln, wie das in einer herkömmlichen Vorrichtung der Fall war. Deshalb wird es möglich, auf vereinfachte Weise, die räumliche Dichte von umlaufenden Elektronen wesentlich zu senken, wodurch eine große Strombeschleunigung und -speicherung ermöglicht wird. Nachstehend wird zuerst ein Überblick über eine Gesamtvorrichtung nach dieser Ausführungsform gegeben; dann wird ein Verfahren zum Verändern der Energien von Elektronen beschrieben, die vom Elektronengenerator erzeugt werden.
1 stellt einen Generator für elektromagnetische Wellen nach Ausführungsform 1 dar, der mit einer Kreisbeschleunigungsvorrichtung ausgestattet ist, die einen Hybridbeschleuniger als Kreisbeschleuniger verwendet; 1 ist auch eine Schnittansicht entlang einer Umlaufbahnebene, in der sich Elektronen in Umlaufbahnen bewegen. In 1 ist 1 ein Elektronengenerator zum Erzeugen von Elektronen, 2 ist ein Kreisbeschleuniger - in der Figur ist ein Hybridbeschleuniger beispielhaft dargestellt - zum Injizieren von Elektronen in diesen, die vom Elektronengenerator 1 erzeugt wurden und zum Beschleunigen der Elektronen bis auf eine vorbestimmte Energie, während man sie sich in Umlaufbahnen bewegen lässt. 3 ist ein Ziel/Target zum Erzeugen von elektromagnetischen Wellen, das im Weg einer Elektronenumlaufbahn im Kreisbeschleuniger 2 angeordnet ist, und die Elektronen, die bis auf eine vorbestimmte Energie beschleunigt wurden, kollidieren mit dem Ziel 3, um elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen zu erzeugen. 4 ist eine Hochspannungsstromversorgung, welche gepulste Spannung an den Elektronengenerator 1 anlegt, um Elektronen zu erzeugen. Alle der vorstehend beschriebenen Bestandteile bilden den Generator für elektromagnetische Wellen.
Die Bestandteile im Kreisbeschleuniger 2 (im Folgenden wird ein Hybridbeschleuniger beispielhaft als Kreisbeschleuniger angeführt) werden nachstehend im Einzelnen beschrieben. 11 ist eine Vakuumkammer, in der die Elektronen kreisen; 12 sind Umlaufbahnen, in denen sich die Elektronen in der Vakuumkammer 11 bewegen und sich, wie in der Figur gezeigt, radial ausbreiten. Hier in der Figur ist jede der Umlaufbahnen 12 als eine geschlossen Umlaufbahn dargestellt; wie später jedoch noch im Detail beschrieben wird, können die kreisenden Elektronen, weil sie beschleunigt werden, sich in denselben feststehenden Umlaufbahnen oder in Umlaufbahnen bewegen, die sich ständig im Ansprechen auf eine zeitabhängige Stärkeveränderung eines Ablenkungsmagnetfelds spiralartig verändern. Selbst wenn die Veränderung stattfindet, ist jedoch der Betrag der Radiusveränderung pro Umlauf im Allgemeinen nicht wahrnehmbar; in etwa geschlossene Umlaufbahnen 22 sind vorgesehen. Deshalb wird der Begriff „geschlossen“ im Folgenden so verwendet, dass er auch die vorstehende Bedeutung mit einschließt. Zusätzlich handelt es sich bei den in der Figur dargestellten Umlaufbahnen um diejenigen, in denen sich die Elektronen stabil bewegen können; zwischen den in der Figur dargestellten kann es auch andere stabile Umlaufbahnen geben.
13 ist eine Elektronenbeschleunigungseinheit zum Beschleunigen von Elektronen, die sich in den Umlaufbahnen 12 im Kreisbeschleuniger 1 bewegen, 14 ist eine Elektronenablenkeinheit zum Ablenken der sich bewegenden und beschleunigten Elektronen in einer durch die Umlaufbahnen 12 gebildeten Ebene. Die Elektronenbeschleunigungseinheit 13 und die Elektronenablenkeinheit 14 erzeugen mit einer Stromversorgung Wechselmagnetfelder mit Frequenzen, die von 50 Hertz bis zu mehreren Dutzend Kilohertz reichen. Diese Magnetfelder werden im Folgenden als Beschleunigungsmagnetfeld bzw. Ablenkungsmagnetfeld bezeichnet.
Wie beschrieben wurde, werden die Elektronen, nachdem sie von der Elektronengeneratoreinheit 1 erzeugt wurden, in den Kreisbeschleuniger 2 injiziert, erfahren eine Ablenkkraft vom Ablenkungsmagnetfeld beim Durchlaufen der Elektronenablenkeinheit 14, und bewegen sich in den geschlossenen Umlaufbahnen 12 in der Vakuumkammer 11. Während die Elektronen sich in den Umlaufbahnen bewegen, werden sie beschleunigt, wenn sie die Elektronenbeschleunigungseinheit 13 durchlaufen, und zwar durch das elektrische Feld, das vom Beschleunigungsmagnetfeld induziert wird, das von der Elektronenbeschleunigungseinheit 13 erzeugt wird; die Radien der Umlaufbahnen können im Ansprechen auf die Stärke des Ablenkungsmagnetfelds verändert werden, das von der Elektronenablenkeinheit 14 erzeugt wird und sich im Hinblick auf die Zeit verändert. Elektronen, die durch die Beschleunigung einen vorbestimmten Energiepegel erreicht haben, werden unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahren so gesteuert, dass sie sich in eine Umlaufbahn bewegen, in der ein Ziel/Target 3 zum Erzeugen von elektromagnetischen Wellen wie Röntgenstrahlen so angeordnet ist, dass die Elektronen mit dem Ziel 3 kollidieren, um elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen in einer Elektronenbewegungsrichtung zu erzeugen.
Als Nächstes wird anhand von 2 die Art und Weise beschrieben, auf die Elektronen, die vom Elektronengenerator 1 erzeugt wurden, in den Kreisbeschleuniger 2 injiziert werden. In 2 sind Wellenformen der Stärke eines von der Elektronenbeschleunigungseinheit 13 im Kreisbeschleuniger 2 erzeugten Beschleunigungsmagnetfelds 21, der Stärke eines von der Elektronenablenkeinheit 14 erzeugten Ablenkungsmagnetfelds 22, und einer gepulsten Hochspannung 23, die an den Elektronengenerator 1 zum Erzeugen von Elektronen angelegt wird, im Hinblick auf die Zeit dargestellt. 3 ist eine vergrößerte Ansicht der gepulsten Hochspannung 23. Die Energie der Elektronen, die vom Elektronengenerator 1 erzeugt werden, hängt vom Wert der gepulsten Hochspannung 23 ab, die an ihn angelegt wird.
Es wird davon ausgegangen, dass die Wellenformen der Stärke des Beschleunigungsmagnetfelds 21 und der Stärke des Ablenkungsmagnetfelds 22 einander ähnlich sind, wie in etwa sinusförmige Wellenverläufe, die sich mit der Zeit ändern. In diesem Fall wird es durch Einstellen der Zwischenräume zwischen Magnetpolen der Elektronenbeschleunigungseinheit 13 und denjenigen der Elektronenablenkeinheit 14 auf vorbestimmte Längen möglich, dass sich beide Einheiten eine Stromversorgung teilen können. Dadurch wird es auch unnötig, die Ablenkungsmagnetfeldstärke wie in 10 dargestellt auf komplexe Weise regeln zu müssen, so dass eine Stromversorgung zu sehr niedrigen Kosten hergestellt werden kann. Wenn Magnetfelder wie vorstehend beschrieben durch einander ähnliche Wellenformen geregelt werden, nimmt die Ablenkungsmagnetfeldstärke während der Injektionszeiträume auf eine der Beschleunigungsmagnetfeldstärke ähnliche Weise zu; eine radiale Veränderung der Elektronenumlaufbahnen während der Injektionszeiträume wird geringer als in dem in 10 gezeigten Fall. Deshalb weiten sich die Radien der Elektronenumlaufbahnen während den Injektionszeiträumen weniger aus als in dem in 10 gezeigten Fall; die Dichte der Elektronen wird relativ hoch. Um die vorstehenden Situationen zu vermeiden, werden beim Generator elektromagnetischer Wellen nach dieser Ausführungsform Elektronenenergieschwankungen beim Injizieren größtenteils absichtlich stark erhöht; dadurch werden die Radien der Elektronenumlaufbahnen auch in diesen Situationen mit der Absicht ausgeweitet, dass die Elektronendichte gesenkt wird. Anhand von 2 und 3 werden nachstehend Einzelheiten dazu beschrieben.
Nachdem in 2 die Stärke des Magnetfelds 21, das von der Elektronenbeschleunigungseinheit 13 erzeugt wird, und diejenige des Magnetfelds 22, das von der Elektronenablenkeinheit 14 erzeugt wird, auf vorbestimmte Werte angestiegen sind, wird die in 3 gezeigte gepulste Hochspannung 23 an den Elektronengenerator 1 angelegt. Bei der gepulsten Hochspannung handelt es sich nicht um diejenige, die generell an den Elektronengenerator 1 angelegt wurde, sondern um eine Hochspannung, die eine langsam ansteigende Flanke hat. Jedes der Elektronen, die in 1 vom Elektronengenerator 1 erzeugt wurden, hat seine eigene Energie, die einem Momentanwert der gepulsten Hochspannung 23 entspricht. Die Wellenform der gepulsten Hochspannung hat die gemäßigte Anstiegsflanke, die in der Hochspannungsstromversorgung erzeugt wird. In 3 ist gezeigt, dass die Wellenform der gepulsten Hochspannung 23, die an den Elektronengenerator 1 angelegt wird, so geformt ist, dass sie langsam bis zu ihrem Scheitelpunkt beispielsweise innerhalb einer Mikrosekunde ansteigt. Dabei besteht im Kreisbeschleuniger ein Injektionsenergiebereich, der es ermöglicht, dass die Elektronen, nachdem sie injiziert wurden, stabil beschleunigt werden können. Wie vorstehend beschrieben wurde, erlangen Elektronen, die vom Elektronengenerator 1 erzeugt wurden, Energien in Abhängigkeit vom Wert einer gepulsten Hochspannung; der Scheitelwert des Impulses wird so bestimmt, dass er mit dem oberen Grenzwert im Injektionsenergiebereich übereinstimmt. Dabei entspricht der untere Grenzwert im Injektionsenergiebereich einem wie in 3 gezeigten vorbestimmten Spannungswert an der Wellenform der langsam ansteigenden gepulsten Spannung. Darüber hinaus besteht eine Obergrenze für eine Injektionsdauer im Kreisbeschleuniger 2; und zwar, weil eine zu lange Injektionsdauer dazu führt, dass sich die Elektronen in den Umlaufbahnen instabil bewegen. Unter Berücksichtigung der obigen Bedingungen muss, wenn die in 3 gezeigte gepulste Hochspannung 23 angelegt wird, eine Injektionsdauer so bestimmt werden, dass sich die Elektronen, nachdem sie injiziert wurden, stabil in Umlaufbahnen bewegen. Diese Injektionsdauer ist in 3 als erste Injektionsdauer 24 angegeben.
Deshalb ist, während die gepulste Hochspannung 23 angelegt wird, die Elektronenenergie, die im Ansprechen auf die Wellenform erzeugt wird, während der ersten Dauer 24 im Anfangsteil des Zeitraums niedrig, nimmt aber im Laufe der Zeit zu; jedes der Elektronen wird jedes Mal, wenn es erzeugt wird, in den Kreisbeschleuniger 2 injiziert. Elektronen mit niedrigen Energien werden im Anfangsteil des Zeitraums injiziert und von da ab beschleunigt, um höhere Energien aufzuweisen; deshalb kommen ihre Energien denjenigen der Elektronen nahe, die während des späteren Teils des Zeitraums innerhalb der ersten Injektionsdauer 24 injiziert wurden. Allerdings ist es auch unter solchen Umständen möglich, sicherzustellen, dass die Elektronenumlaufbahnen ausreichend ausgebreitet sind. Wenn die Stärke des Beschleunigungsmagnetfelds 21 und die Stärke des Ablenkungsmagnetfelds 22 zueinander so in Beziehung gesetzt werden, dass, wenn die Elektronen zu jedem Injektionsmoment eine konstante Energie haben, man die Elektronen sich in einer feststehenden Umlaufbahn ohne Rücksicht auf jeden Injektionsmoment bewegen lässt, sich die Elektronenumlaufbahnen aufgrund der Energieunterschiede zwischen den injizierten Elektronen radial ausbreiten. In beiden Fällen ist es, auch ohne eine komplexe Regelung der Stärke des Beschleunigungsmagnetfelds 21 und der Stärke des Ablenkungsmagnetfelds 22 vorzunehmen, möglich, dass sich die Radien der Elektronenumlaufbahnen mühelos ausweiten können, indem die Anstiegsflanke der an den Elektronengenerator 1 angelegten gepulsten Hochspannung 23 langsam angehoben wird; deshalb kann eine räumliche Ladung der Elektronen gesenkt werden, so dass eines der Ausgangsziele, nämlich den Strom zu erhöhen, erzielt werden kann. Dabei beginnt beim herkömmlichen Anlegen gepulster Spannung an den Elektronengenerator 1 eine Elektroneninjektion dann, wenn die gepulste Spannung eine konstante Spannung erreicht, und endet zu einem Zeitpunkt während des Zeitraums, in dem die gepulste Spannung immer noch auf der konstanten Spannung gehalten wird; das heißt, es wird grundsätzlich davon ausgegangen, dass Elektronen mit einer konstanten Energie injiziert werden. Der Generator für elektromagnetische Wellen nach der Ausführungsform unterscheidet sich dadurch vollkommen vom Stand der Technik, dass die Injektion zu einem Zeitpunkt beginnt, bevor die gepulste Spannung ihre konstante Spannung erreicht, oder so lange bis zu einem Moment weitergeht, nachdem die Spannung den konstanten Wert erreicht hat.
Anhand von 6 als Beispiel wird ein Ausmaß wie folgt erklärt, in dem ein Strom erhöht wird. 6 zeigt Ergebnisse von Simulationsberechnungen eines Beschleunigungsstroms, die als Parameter eine Energieausbreitung (Energiedifferenz) von Elektronen hernimmt, die in den Kreisbeschleuniger 2 injiziert werden, wenn die Stärke des Beschleunigungsmagnetfelds 21 und die Stärke des Ablenkungsmagnetfelds 22 so geregelt werden, dass die Umlaufbahnen durch die Beschleunigung nicht verändert werden. Wie aus der Figur ersichtlich ist, nimmt der Höchstwert des Beschleunigungsstroms zu, wenn sich die Energien der injizierten Elektronen ausbreiten. Allerdings ist in einem Energieausbreitungsbereich von unter fünf Prozent keine nennenswerte Zunahme anzutreffen, wofür der Grund darin liegt, dass sich stabile Umlaufbahnen, die jeweils den Energien entsprechen, im Ausbreitungsbereich von unter fünf Prozent etwas voneinander unterscheiden; eine Strahlengröße selbst, die jeder Energie entspricht, wird als vorherrschender Faktor angesehen, der den räumlichen Ladungseffekt bestimmt. In einem Energieausbreitungsbereich von über fünf Prozent nimmt der beschleunigungsmögliche Strom drastisch zu; er nimmt fast linear zu, bis dessen Energieausbreitung 15 Prozent erreicht, wenn die Energieausbreitung zunimmt; jenseits dieser Energieausbreitung nimmt der Beschleunigungsstrom wieder schrittweise zu. Und zwar deswegen, weil, wenn sich die Energieausbreitung zu sehr ausweitet, einige der Elektronen sich über einen stabilen Umlaufbahnbereich des Kreisbeschleunigers 2 so hinaus bewegen, dass sie sich nicht stabil in Umlaufbahnen bewegen. In 6 ist zu sehen, dass der Beschleunigungsstrom bis zum Fünffachen oder mehr erhöht werden kann. Darüber hinaus ist es je nach Auslegung des Beschleunigers auch möglich, den Beschleunigungsstrom bis zum Zehnfachen oder mehr zu erhöhen.
Als Nächstes müssen, damit elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen erzeugt werden, Elektronen, die sich in Umlaufbahnen bewegen, mit dem elektromagnetische Wellen erzeugenden Ziel 3 kollidieren. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist der Elektronengenerator an der Außenseite des Kreisbeschleunigers 2 angeordnet, so dass Elektronen von dessen Umfang aus injiziert werden; dabei ist das die elektromagnetischen Wellen erzeugende Ziel 3 an der Innenseite des Kreisbeschleunigers 2 angeordnet. Unter den Umständen, in denen sich die Beschleunigungsmagnetfeldstärke 21 und die Ablenkungsmagnetfeldstärke 22 im Hinblick auf Zeit ändern, wie in 2 gezeigt ist, können, indem deren Stärkenverhältnis auf einen vorbestimmten Wert voreingestellt wird, die Radien der Elektronenumlaufbahnen während ihrer Beschleunigung je nach dem Wert radial nach innen verkleinert werden. Wie vorstehend beschrieben wurde, können die Radien der Elektronenumlaufbahnen, die im Kreisbeschleuniger 2 radial ausgeweitet wurden, schrittweise nach innen verkleinert werden, indem das Verhältnis zwischen der Beschleunigungsmagnetfeldstärke 21 und der Ablenkungsmagnetfeldstärke 22 auf ein vorbestimmtes Verhältnis festgelegt wird; die Elektronen können so mit dem elektromagnetische Wellen erzeugenden Ziel 3 kollidieren, dass kontinuierlich elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen während eines Zeitraums erzeugt werden, in dem die Radien der Umlaufbahnen in Abhängigkeit jedes Abstands (vom Ziel) verkleinert werden. Eine ähnliche Wirkung lässt sich erzielen, wenn die Radien der Umlaufbahnen verändert werden, indem zum Abschlusszeitpunkt der Beschleunigung eine Perturbation in das Ablenkungsmagnetfeld eingebracht wird, so dass die Elektronen mit dem elektromagnetische Wellen erzeugenden Ziel 3 kollidieren. Wie beschrieben wurde, können die Elektronenstrahlen einen höheren Strom haben, um mit dem elektromagnetische Wellen erzeugenden Ziel 3 zu kollidieren; auch wenn das elektromagnetische Wellen erzeugende Ziel 3 kleiner wird, können elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen erzeugt werden, deren Stärke dem Strom entspricht. Das heißt, es wird möglich, elektromagnetische Wellen mit hoher Reinheit herzustellen.
Bislang wurde ein Hybridbeschleuniger als Beispiel für den Kreisbeschleuniger 2 angeführt; jedoch ist ein Kreisbeschleuniger nicht auf den Hybridbeschleuniger beschränkt. Solange ein Beschleuniger Injektionselektronen mit Energien in einem bestimmten Bereich stabil beschleunigen kann, kann er ähnliche Wirkungen wie die vorstehend beschriebenen erbringen; Synchrotron- und Betatronbeschleuniger sind Beispiele dafür. Allerdings differiert der Verbesserungsgrad bei der Erhöhung von Strom je nach den Beschleunigerarten, weil jede Art ihren eigenen Bereich an zulässiger Injektionsenergie hat. Zusätzlich erfolgten die vorstehenden Erklärungen unter der Voraussetzung, dass die Elektronenbeschleunigungseinheit 13 eine induzierte Magnetfeldbeschleunigung einsetzt, bei der die Elektronen von einem elektrischen Feld beschleunigt werden, das von einem Beschleunigungsmagnetfeld erzeugt wird. Jedoch ist das vorstehend beschriebene Verfahren nicht nur auf die induzierte Magnetfeldbeschleunigung beschränkt, sondern lässt sich auch unverändert auf Hochfrequenz-elektrische-Feldbeschleunigung anwenden. Wenn in diesem Fall die Beschleunigungsmagnetfeldstärke 21 in 2 durch eine Beschleunigungs-elektrische-Feldstärke ersetzt wird, trifft die Beschreibung ebenfalls zu.
Ausführungsform 2
In der vorliegenden Ausführungsform hat die gepulste Hochspannung 23, die an den Elektronengenerator 1 angelegt wird, eine langsam abfallende Flanke, und Elektronen, die während dieses langsamen Abfallzeitraums erzeugt werden, werden in den Kreisbeschleuniger 2 injiziert. Die Wellenform der gepulsten Hochspannung hat die gemäßigte Abfallsflanke, die in der Hochspannungsstromversorgung erzeugt wird. Wenn eine zweite, in 3 gezeigte Injektionsdauer 25 als Injektionszeitraum verwendet wird, ist es auch möglich, Elektronen mit niedrigeren Energien zu verwenden, die während der Dauer der Abfallflanke der gepulsten Hochspannung 23 erzeugt wurden. 4 ist ein Schema, das ein Beispiel einer Wellenform einer gepulsten Hochspannung 23 nach der Ausführungsform darstellt. Weil die Abfallflanke des Impulses verwendet wird, ist irgendeine Anstiegsflanke des Impulses nicht von kritischer Bedeutung. In der Figur ist eine gepulste Hochspannung gezeigt, die nach herkömmlicher Art steil ansteigt. In der Figur gibt 25 eine zweite Injektionsdauer an, die durch Randbedingungen eines Injektionsenergiebereichs und einer Injektionsdauer bestimmt ist, die für eine stabile Beschleunigung gebraucht werden. Das heißt, die zweite Injektionsdauer beginnt zu einem Zeitpunkt während eines Zeitraums, in dem die Spannung ihren Scheitelwert hält, und dauert bis zu einem vorbestimmten Moment während eines Zeitraums an, in dem die Spannung abfällt. In 3 und 4 ist eine an den Elektronengenerator 1 angelegte Spannung anfänglich jeweils hoch und wird dann mit der Zeit niedriger; im Ansprechen auf die Spannung werden Elektronen mit hohen Energien zu Anfang in den Kreisbeschleuniger 2 injiziert, und dann werden diejenigen mit niedriger Energie mit der Zeit in ihn injiziert. Beim Abschluss der Injektion breiten sich deshalb die Energien der Injektionselektronen anders aus als die in 3 gezeigten; die Energieunterschiede werden größer als bei ihrer Injektion; dementsprechend breiten sich die Umlaufbahnen der injizierten Elektronen radial aus. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann die Wellenform der gepulsten Hochspannung 23 so ausgelegt werden, dass sie an der Abfallflanke langsam abfällt, und ein Zeitraum, welcher der Flanke entspricht, wird zum Injizieren der Elektronen verwendet, so dass die Radien der Elektronenumlaufbahnen auch ausgeweitet werden können; deshalb ist es möglich, den Strom im Kreisbeschleuniger ähnlich Ausführungsform 1 zu erhöhen. Wenn eine wie vorstehend beschriebene Kreisbeschleunigungsvorrichtung verwendet wird, wird es deshalb möglich, elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen, die durch Generatoren von elektromagnetischen Wellen wie etwa Röntgenstrahlgeneratoren erzeugt werden, zu verstärken.
Ausführungsform 3
In dieser Ausführungsform umfasst der Injektionszeitraum sowohl die erste Injektionsdauer 24 als auch die zweite Injektionsdauer 25, die in 3 gezeigt sind. Weil die Ausführungsform beide Wirkungen erbringt, die in Ausführungsform 1 und Ausführungsform 2 beschieben wurden, können die Radien der Elektronenumlaufbahnen auch ausgeweitet werden, so dass es möglich ist, den Strom in den Kreisbeschleunigern ähnlich Ausführungsform 1 zu erhöhen. Wenn eine wie vorstehend beschriebene Kreisbeschleunigungsvorrichtung verwendet wird, wird es deshalb möglich, elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen, die durch Generatoren von elektromagnetischen Wellen wie etwa Röntgenstrahlgeneratoren erzeugt werden, zu verstärken. Wie jedoch beschrieben wurde, hat der Injektionszeitraum eine Obergrenze; in manchen Fällen können die Zeiträume, die jeweils in Ausführungsform 1 und Ausführungsform 2 beschrieben wurden, nicht so einfach kombiniert werden. In diesen Fällen kann die Gesamtimpulsbreite so geschmälert werden, dass die Kombination beider Zeiträume als Injektionsdauer zulässig ist.
Ausführungsform 4
In dieser vorliegenden Ausführungsform wird nachstehend eine Art und Weise beschrieben, auf welche die in 3 gezeigte gepulste Hochspannung 23 an den Elektronengenerator 1 angelegt wird. Herkömmliche Hochspannungsquellen, die für Betatronbeschleuniger u. dgl. verwendet werden, erzeugen gepulste Spannung, indem ein Kondensator mit Elektrizität geladen wird, die von einem Hochspannungsgenerator erzeugt wird, und die Ladung mit einer Vakuumröhre wie einem Thyratron geschaltet wird. Das Problem war jedoch, dass die Hochspannungsquellen platzraubend und teuer waren und die Vakuumröhre häufig ausgetauscht werden muss. In dieser Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung kann die in 3 gezeigte gepulste Hochspannung von einer einfachen Stromversorgungsschaltung erzeugt werden, die in 5 gezeigt ist.
Damit eine Ersatzschaltung 31 des Elektronengenerators 1 vorbestimmte Hochspannungsimpulse erzeugen kann, werden zuerst Niederspannungsimpulse erzeugt. Das heißt, eine AC-Spannung aus einer AC-Stromversorgung 32 wird mit Gleichrichter-/Glättungsschaltungen 33 in eine DC-Spannung umgewandelt, und die vorbestimmten Niederspannungsimpulse werden aus der DC-Spannung durch eine Schaltvorrichtung 34 wie einen Isolierschicht-Bipolartransistor (IGBT) oder einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOS-FET) erzeugt; dann werden die Impulse durch einen Hochspannungstransformator 35 zu Hochspannungsimpulsen hochtransformiert. Weil auf dessen Niederspannungsseite Impulse entstehen, ist es einfach, diese zu Impulsen mit einer beliebigen Wellenform zu transformieren, und der Spannungstransformator 35 kann die Spannung langsam ansteigen lassen, und kann die Spannung an ihrer Anstiegsflanke monoton ansteigen lassen; deshalb kann die in 3 gezeigte gepulste Hochspannung 23 auf einfache Weise hergestellt werden. Zusätzlich kann die Schaltung, welche die Impulse erzeugt, mit lediglich kostengünstigen Elementen ausgelegt werden; deshalb können die Herstellungskosten für die gepulste Hochspannungsquelle drastisch gesenkt werden.
Ausführungsform 5
In Ausführungsform 1 wird das elektromagnetische Wellen erzeugende Ziel 3 in einer innenseitig gelegenen Umlaufbahn der Elektronenumlaufbahnen 12 verschoben; dieselben Wirkungen wie diejenigen von Ausführungsform 1 lassen sich auch erzielen, wenn das Ziel, wie in 7 gezeigt, in einer außenseitig liegenden Umlaufbahn angeordnet wird. Mit einer Elektromagnet-Stromversorgung erzeugen die Elektronenbeschleunigungseinheit 13 und die Elektronenablenkeinheit 14 AC-Magnetfelder mit Frequenzen zwischen 50 Hertz und mehreren Dutzend Kilohertz; wenn das Verhältnis zwischen den Magnetfeldstärken beider Magnetfelder auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird, wechseln die Elektronenstrahlen ihre Umlaufbahnen nicht in großem Maße, so dass sie innerhalb eines Bereichs stabil beschleunigt werden. Nachdem die Elektronenstrahlen beschleunigt wurden, werden sie im Ansprechen auf eine geringe Veränderung des Verhältnisses zwischen den Magnetfeldstärken der Elektronenbeschleunigungseinheit 13 und der Elektronenablenkeinheit 14 nach außen verschoben; die Elektronenstrahlen kollidieren mit dem elektromagnetische Wellen erzeugenden Ziel 3, das auf dem Weg einer Umlaufbahn in einem stabil umlaufenden Bereich angeordnet ist, so dass elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen entstehen. Wenn hier das Ziel 3 im äußeren Teil des Beschleunigers angeordnet wird, kollidiert ein Teil der Elektronenstrahlen mit dem Ziel 3 unmittelbar nach der Injektion der Elektronen. Solange das Ziel 3 jedoch in der Größenordnung von mehreren Mikrometern ist, ist die Anzahl der mit dem Ziel 3 kollidierenden Elektronen gering und die meisten von ihnen können stabil beschleunigt werden.
In diesem Fall werden die Elektronenstrahlen in einem einwärts von der Stelle des Ziels 3 zum Erzeugen elektromagnetischer Wellen wie Röntgenstahlen liegenden Bereich beschleunigt. Nach Abschluss der Beschleunigung sind die Radien der Elektronenstrahlenumlaufbahnen so vergrößert, dass die Elektronen verlagert werden, um das Ziel 3 zum Erzeugen elektromagnetischer Wellen wie Röntgenstrahlen zu erreichen. Die ausführlichen Erklärungen zum Verlagern der Strahlen und Erzeugen elektromagnetischer Wellen wie Röntgenstrahlen sind dieselben wie bei Ausführungsform 1. Wenn zusätzlich elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen in einem Bereich nahe am Außenumfang des Kreisbeschleunigers erzeugt werden, ist die Erzeugungsquelle, die elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen erzeugt, näher am Bestrahlungsziel angeordnet als in dem Fall, bei dem elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen in einem Bereich nahe an der Mitte des Beschleunigers erzeugt werden; deshalb wird es möglich, die Bestrahlungsdichte zu erhöhen und die Bestrahlungsdauer zu verkürzen. Darüber hinaus wird es einfach, die Abbildungsvergrößerung heraufzusetzen. Eine Heraufsetzung der Abbildungsvergrößerung kann dadurch erzielt werden, dass das Bestrahlungsziel in einem größeren Abstand von einem Bildschirm weg angeordnet wird. Angenommen, dass R1 ein Abstand zwischen dem Bestrahlungsziel und der Generatorquelle ist, die elektromagnetische Wellen wie Röntgenstrahlen erzeugt, und R2 ein Abstand zwischen dem Bestrahlungsziel und dem Bildschirm ist, ist die Bildvergrößerung R2 dividiert durch R1. Weil R1 kleiner ausgelegt werden kann, während R1 + R2 konstant gehalten wird, wird die Abbildungsvergrößerung groß. Ist hingegen R1 an der ersten Stelle groß, muss R2 erhöht werden, um eine hohe Abbildungsvergrößerung zu erzielen, was insofern ein Problem aufwirft, als nicht nur eine große Fläche benötigt wird, um das Abbildungssystem aufzustellen, sondern auch, weil die Abbildungsfläche groß wird, die Stärke der elektromagnetischen Wellen pro Fläche, die zur Abbildung verwendet werden kann, niedrig wird, so dass die statistische Genauigkeit der Abbildungsdaten herabgesetzt ist. In einem Fall, bei dem R1 klein gehalten wird, wird auch eine Bestrahlungsfläche um genauso viel kleiner.
Ausführungsform 6
8 ist ein Umrissaufbauschema eines Röntgenstrahlabbildungssystems (eines elektromagnetische Wellen verwendenden Abbildungssystems im weiten Sinne) nach dieser Aus führungs form. Das Abbildungssystem umfasst einen Generator 71 von elektromagnetischen Wellen, einen Bildgegenstand, hier einen menschlichen Körper 72, einen Bildabtaster 73 und eine Datenverarbeitungseinheit 74. Verstärkte Röntgenstrahlen 75, die vom Generator 71 für elektromagnetische Wellen erzeugt wurden, fallen auf den menschlichen Körper 72, werden vom Bildabtaster 73 erfasst und dann von der Datenverarbeitungseinheit 74 verarbeitet, um ein Röntgenbild herzustellen. Weil der Generator 71 von elektromagnetischen Wellen 71 verstärkte Röntgenstrahlen herstellen kann, deren Strahlenquellengröße von mehreren Mikrometern bis zu in etwa mehreren Dutzend Mikrometern reicht, kann eine Brechungskontrastbildgebung durchgeführt werden, bei der winzige Brechungen in Röntgenstrahlen verwendet werden. Wegen der geringen Brechungswirkung wurde dieses Verfahren solange nicht eingesetzt, bis nicht auch die Größe der Strahlungsquelle ausreichend klein wurde. Jedoch ist auch, vorausgesetzt, dass die Größe der Strahlungsquelle gering ist, die Röntgenstrahlstärke im Allgemeinen herabgesetzt; es war schwierig, Bilder mit ausreichender statistischer Genauigkeit herzustellen. Deshalb wurde das Verfahren herkömmlicher Weise nur in einem hochverstärkten Synchrotron-Strahlungsgenerator - wie dem Super Photon Ring 8GeV (Spring8) - eingesetzt, der einen Durchmesser von mehreren hundert Metern hat, so dass im medizinischen Gebrauch kein Fortschritt zu verzeichnen war; Brechungskontrastbilder können jedoch erhalten werden, wenn ein Generator 71 von elektromagnetischen Wellen nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dessen Größe fast gleich derjenigen oder kleiner als diejenige einer herkömmlichen Röntgenröhre ist; deshalb wird davon ausgegangen, dass der medizinische Einsatz des Verfahrens gefördert wird. Wenn das Verfahren der Brechungskontrastabbildung verwendet wird, kann ein Gemisch von winzigen Materialien mit unterschiedlichen Massendichten abgebildet werden, wobei deren Grenzen verstärkt werden, und es können auch vergrößerte Bilder davon gemacht werden; deshalb ist es möglich, ein kleines Krebsgeschwür von ungefähr mehreren Millimetern wahrzunehmen. Weil zusätzlich die Bilder, die mit den Brechungskontrastabbildungsverfahren aufgenommen werden, einen zehnmal höheren Kontrast erzielen können als diejenigen, die mit dem herkömmlichen Absorptionskontrastabbildungsverfahren aufgenommen wurden, können die Bilder bei einer Person gemacht werden, die einer Strahlendosis ausgesetzt wird, die in etwa ein Zehntel im Vergleich zu herkömmlichen Abbildungsverfahren beträgt.
9 zeigt ein Ergebnis, bei dem das in 8 gezeigte System ein Röntgenbild einer Kugel mit einem Millimeter Durchmesser simuliert hat, die aus einem Wasser gleichkommenden Material besteht, das als kleines Krebsgeschwür angenommen wird. Es wird davon ausgegangen, dass die Größe des Ziels zehn Mikrometer beträgt; eine Beschleunigungsenergie für die Elektronenstrahlen beträgt ein Mega-Elektronenvolt; ein Strahlstrom beträgt, wenn ΔE/E des Injektionsstrahls 15 Prozent lautet, zwei Ampere. 81 ist ein herkömmliches Absorptionskontrastbild, 82 ist ein Brechungskontrastbild. Eine Kreislinie, die im Brechungskontrastbild 82 als sich gut abzeichnend erscheint, ist eine Grenze der Wasser gleichkommenden Kugel, und der Unterschied zu derjenigen im Absorptionskontrastbild 81 ist markant. Das vorstehend beschriebene Brechungskontrastabbildungssystem kann einfach nur deswegen verwendet werden, weil seine Strahlungsquelle klein ist und eine hohe Stärke besitzt. Hiermit wurde eine Meinung nachgewiesen, nach der eine Strahlungsquelle nach der vorliegenden Erfindung als Strahlungsquelle für Röntgenabbildungssysteme verwendet werden kann. Dies trifft offensichtlich nicht nur für Röntgenstrahlen, sondern auch auf alle anderen elektromagnetischen Wellen zu.
Darüber hinaus sind menschliche Körper nicht die einzigen Bildgegenstände von Röntgenabbildungssystemen; beispielsweise können bei der Herstellung eines Röntgenbilds einer Leistungshalbleitervorrichtung mit den Systemen, die mit dem Brechungskontrastabbildungsverfahren ausgestattet sind, Aluminiumleiterbilder in der Vorrichtung durch das Brechungskontrastabbildungsverfahren wahrgenommen werden, die mit dem herkömmlichen Absorptionskontrastabbildungsverfahren nicht wahrgenommen wurden. Weil das Brechungskontrastabbildungsverfahren zwei Arten von Materialien unterscheiden kann, deren Atomzahlen nahe beieinander liegen, kann das Verfahren auch Aluminiumleiterbilder erkennen, deren Atomzahl nahe an der von Silizium liegt.
Obwohl in der vorstehenden Erklärung das Schaltungselement, das mindestens eine Flanke der Anstiegs- oder Abfallflanke der gepulsten Hochspannung dämpft, in der Hochspannungsstromversorgung vorgesehen wurde, kann das Schaltungselement auch außerhalb der Hochspannungsstromversorgung vorgesehen sein.
Obwohl außerdem, wie vorstehend beschrieben, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben wurden, sind die spezifischen Strukturen nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, sondern es können auch andere Strukturen in die Erfindung mit eingebunden werden, ohne dass dabei vom Aussagegehalt und Umfang der Erfindung abgewichen wird.

Claims

Kreisbeschleunigungsvorrichtung mit einem Elektronengenerator (1), um Elektronen stoßweise im Ansprechen auf eine gepulste Spannung zu erzeugen, die an den Elektronengenerator (1) von einer Hochspannungsstromversorgung (4) angelegt wird, und einem Kreisbeschleuniger (2) mit einer Elektronenbeschleunigungseinheit (13), um Elektronen zu beschleunigen, die vom Elektronengenerator (1) erzeugt und in diese injiziert wurden, und einer Ablenkungsmagnetfelderzeugungseinheit (14), um die injizierten Elektronen abzulenken, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsstromversorgung (4) mit Schaltungselementen versehen ist, um die Anstiegsflanke und/oder Abfallsflanke der gepulsten Spannung, die an den Elektronengenerator (1) angelegt wird, derart zu mäßigen, dass Elektronenenergieschwankungen beim Injizieren erhöht und somit Radien der Elektronenumlaufbahnen im Kreisbeschleuniger (2) ausgeweitet werden, wobei die Schaltungselemente durch einen Transformator (35) gebildet werden und die Hochspannungsstromversorgung (4) die gepulste Hochspannung ausgibt, die durch Hochtransformieren einer gepulsten Niederspannung erzeugt wird, die von einer Schaltvorrichtung (34) erzeugt wird, mit einer Periode, die derjenigen eines Impulses von Elektronen des Elektronengenerators (1) entspricht, wobei das Hochtransformieren mittels des Transformators (35) erfolgt.
Kreisbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schaltvorrichtung (34) dazu ausgebildet ist, die gepulste Niederspannung derart zu erzeugen, dass die von der Hochspannungsstromversorgung (4) an den Elektronengenerator (1) angelegte gepulste Spannung einen Verlauf hat, dass Elektronen, die ab einem vorbestimmten Zeitpunkt während eines Zeitraums, in dem die gepulste Spannung auf ihren Scheitelwert ansteigt, bis zu einem vorbestimmten Zeitpunkt während der Scheitelwertdauer erzeugt werden, in den Kreisbeschleuniger (2) injiziert werden.
Kreisbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schaltvorrichtung (34) dazu ausgebildet ist, die gepulste Niederspannung derart zu erzeugen, dass die von der Hochspannungsstromversorgung (4) an den Elektronengenerator (1) angelegte gepulste Spannung einen Verlauf hat, dass Elektronen, die ab einem bestimmten Zeitpunkt während deren Scheitelwertdauer bis zu einem vorbestimmten Zeitpunkt während eines Zeitraums, in dem die gepulste Spannung nach Erreichen des Scheitelwerts abfällt, erzeugt werden, in den Kreisbeschleuniger (2) injiziert werden.
Kreisbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schaltvorrichtung (34) dazu ausgebildet ist, die gepulste Niederspannung derart zu erzeugen, dass die von der Hochspannungsstromversorgung (4) an den Elektronengenerator (1) angelegte gepulste Spannung einen Verlauf hat, dass Elektronen, die ab einem vorbestimmten Zeitpunkt während eines Zeitraums, in dem die gepulste Spannung auf ihren Scheitelwert ansteigt, bis zu einem vorbestimmten Zeitpunkt während eines Zeitraums, in dem die gepulste Spannung nach Erreichen des Scheitelwerts abfällt, erzeugt werden, in den Kreisbeschleuniger (2) injiziert werden.
Kreisbeschleunigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elektronenbeschleunigungseinheit (13) Elektronen durch Induktionsbeschleunigung beschleunigt.
Kreisbeschleunigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kreisbeschleuniger (2) ein hybrider Beschleuniger ist.
Generator für elektromagnetische Wellen, der Folgendes umfasst: die Kreisbeschleunigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6; und ein elektromagnetische Wellen erzeugendes Ziel/Target (3), das im Weg einer Umlaufbahn angeordnet ist, in der sich Elektronen in dem die Kreisbeschleunigungsvorrichtung bildenden Kreisbeschleuniger (2) stabil bewegen, um durch Kollision mit den Elektronen elektromagnetische Wellen zu erzeugen.
Elektromagnetische Wellen verwendendes Abbildungssystem, das Folgendes umfasst: den Generator für elektromagnetische Wellen nach Anspruch 7; eine Messeinheit (73), um die elektromagnetischen Wellen zu messen, die vom Generator für elektromagnetische Wellen erzeugt werden; und eine Datenverarbeitungseinheit (74), um Daten zu verarbeiten, die von der Messeinheit ermittelt wurden.