DE102011076262A1 - Teilchenbeschleuniger - Google Patents

Teilchenbeschleuniger

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DE102011076262A1 DE102011076262A DE102011076262A DE102011076262A1 DE 102011076262 A1 DE102011076262 A1 DE 102011076262A1 DE 102011076262 A DE102011076262 A DE 102011076262A DE 102011076262 A DE102011076262 A DE 102011076262A DE 102011076262 A1 DE102011076262 A1 DE 102011076262A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Teilchenbeschleuniger (2), insbesondere einen Elektronenbeschleuniger (2) für Anwendungen in der Medizintechnik, zur Generierung eines Teilchenstrahls (16) aus geladenen Teilchen, wobei dieser zweistufig ausgebildet ist mit einer ersten Beschleunigungsstrecke (10), mit einer zweiten Beschleunigungsstrecke (14) und mit einem Filter (12) zwischen den beiden Beschleunigungsstrecken (10, 14) zur Reduzierung der Breite der Energieverteilung der Teilchen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Teilchenbeschleuniger, insbesondere einen Elektronenbeschleuniger für Anwendungen in der Medizintechnik, zur Generierung eines Teilchenstrahls aus geladenen Teilchen.
  • Ein Teilchenbeschleuniger dient zur Beschleunigung geladener Teilchen mit Hilfe elektromagnetischer Felder. Hierdurch erhält man Teilchen mit hoher kinetischer Energie, die sich für verschiedene Anwendungszwecke nutzen lassen.
  • Von besonderer Bedeutung ist der Einsatz von hochenergetischen geladenen Teilchen in der Medizintechnik, wo diese unter anderem zur Strahlentherapie genutzt werden. In vielen Fällen werden die beschleunigten Teilchen nicht direkt eingesetzt, sondern zur Generierung von hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung herangezogen, welche unter anderem für bildgebende Untersuchungsverfahren oder zur Therapie eingesetzt wird.
  • Bei einer zur erzielenden kinetischen Energie von etwa 1 MeV und mehr werden zur Beschleunigung der aus einer Quelle stammenden geladenen Teilchen typischerweise aus Hohlraumresonatoren aufgebaute Stehwellenbeschleuniger oder Wanderwellenbeschleuniger eingesetzt, in die elektromagnetische Strahlung mit der Resonanzfrequenz der Hohlraumresonatoren eingekoppelt wird. Durch die Ausnutzung entsprechender Resonanzen lassen sich mit verhältnismäßig geringem technischem Aufwand sehr hohe elektrische Feldstärken von einigen 10 Millionen V/m erzeugen. Mit Hilfe dieser elektrischen Felder erfolgt dann im Hohlraumresonator die Beschleunigung der geladenen Teilchen.
  • Bestandteil eines Teilchenbeschleunigers ist zudem in der Regel ein Energiefilterelement. Die geladenen Teilchen unterscheiden sich unerwünschterweise hinsichtlich ihrer kinetischen Energie und in Folge dessen auch hinsichtlich ihrer Wirkung bei einer Interaktion mit Materie. Durch den Einsatz des Energiefilterelements erfolgt eine Separation aller Teilchen, deren kinetischen Energie außerhalb eines vorgegebenen Energiebereichs liegt. Auf diese Weise wird eine in erster Näherung monochromatische und damit besonders vorteilhafte Strahlung erzeugt. Die separierten Teilchen gehen dabei jedoch, quasi als Abfallprodukt, verloren, was sich nachteilig auf den Wirkungsgrad und damit auf die Effizienz eines Teilchenbeschleunigers auswirkt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Teilchenbeschleuniger anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung.
  • Der Teilchenbeschleuniger dient zur Generierung eines Teilchenstrahls aus geladenen Teilchen mit hoher kinetischer Energie. Er ist dabei zweistufig ausgestaltet und umfasst eine erste Beschleunigungsstrecke, eine zweite Beschleunigungsstrecke sowie einen Filter zwischen den beiden Beschleunigungsstrecken zur Reduzierung der Breite der Energieverteilung der Teilchen. Dem Grundgedanken der Erfindung entsprechend wird der Teilchenbeschleuniger also in zwei Stufen mit einer Stufe zur Vorbeschleunigung und einer Stufe zur Nachbeschleunigung aufgeteilt, wobei die Separation der Teilchen zur Begrenzung der Breite der Energieverteilung der Teilchen zwischen den beiden Stufen erfolgt und somit in einem besonders günstigen Energiebereich vorgenommen wird. Dieser Energiebereich ist dabei frei wählbar und wird an die konstruktiven Gegebenheiten des Teilchenbeschleunigers zu Gunsten einer möglichst hohen Effektivität optimal angepasst. Der Wirkungsgrad ist demzufolge nicht mehr in Abhängigkeit der Energieverteilung der Teilchen nach erfolgter Gesamtbeschleunigung vorgegeben. Darüber hinaus erfolgt die Separation der Teilchen in einem, gemessen am Wert nach erfolgter Gesamtbeschleunigung, verhältnismäßig niedrigen Energiebereich. Infolgedessen sind auch geringere Kräfte aufzubringen, um diese Separation durchzuführen, so dass der dafür notwendige technische Aufwand reduziert ist. Da die geladenen Teilchen bei einer Separation typischerweise durch eine Blende gefiltert werden, entsteht hierbei sogenannte Leckstrahlung, also nicht nutzbare Strahlung, für die aus Gründen der Sicherheit eine Abschirmung zum Beispiel aus Blei vorgesehen ist. Wird die energieselektive Filterung der Teilchen bei geringerer Energie der Teilchen vorgenommen, so reduziert sich außerdem eben diese Leckstrahlung, so dass für eine identische Schutzwirkung eine reduzierte Abschirmung genügt.
  • Unter Teilchenstrahl ist dabei nicht zwingend ein zeitlich konstanter und homogener Strom von Teilchen zu verstehen, hiermit soll lediglich zum Ausdruck gebracht werden, dass eine Anzahl von geladenen Teilchen, also auch ein pulsartiges Teilchenpaket, mit vorgegebener kinetischer Energie gezielt in eine vorgesehene Richtung gelenkt wird.
  • Der Teilchenbeschleuniger wird für eine der eingangs genannten Zwecke, bevorzugt jedoch im Bereich der Medizintechnik eingesetzt. Einer besonders zweckdienlichen Ausgestaltung entsprechend ist der Teilchenbeschleuniger als Elektronenbeschleuniger konzipiert. In diesem Fall ist der ersten Beschleunigungsstrecke als Teilchenquelle eine Elektronenquelle, zum Beispiel ein thermischer Emitter, vorgelagert.
  • Bevorzugt wird eine Variante des Teilchenbeschleunigers, bei der zur Beschleunigung der geladenen Teilchen auf einer der Beschleunigungsstrecken ein Hohlraumresonator genutzt wird. Diese Variante eignet sich insbesondere, wenn für die geladenen Teilchen eine maximale kinetische Energie größer etwa 1 MeV vorgesehen ist.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Weiterentwicklung erfolgt die Beschleunigung der geladenen Teilchen auf einer der Beschleunigungsstrecken mit Hilfe eines Stehwellenresonators und insbesondere mit Hilfe eines Stehwellenresonators, der aus einer Anzahl gekoppelter Hohlraumresonatoren, auch Kavitäten genannt, gebildet ist. Über die Anzahl der Hohlraumresonatoren lässt sich bei gegebener Amplitude der eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung die Länge der Beschleunigungsstrecke und somit auch die maximale kinetische Energie der Teilchen festlegen.
  • Besonders zweckmäßig ist es, die erste Beschleunigungsstrecke derart zu gestalten, dass im Betrieb der Maximalwert der Energieverteilung der Teilchen am Ende der ersten Beschleunigungsstrecke in einem Bereich zwischen 0,5 und 6 MeV und vorzugsweise zwischen 0,8 und 1,2 MeV liegt. Eben dieser Bereich hat sich als besonders günstig erwiesen, um den Teilchenbeschleuniger mit einer hohen Effizienz und somit mit einem hohen Wirkungsgrad zu betreiben. Bevorzugt ist die erste Beschleunigungsstrecke allgemein für den Betrieb mit einem definierten festen Maximalwert ausgebildet.
  • Einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung entsprechend ist die zweite Beschleunigungsstrecke derart ausgebildet, dass im Betrieb der Maximalwert der Energieverteilung der Teilchen am Ende der zweiten Beschleunigungsstrecke in einem Bereich zwischen 3 und 50 MeV sowie vorzugsweise zwischen 3 und 25 MeV liegt. Die hiermit generierte Teilchenstrahlung ist dabei insbesondere für Anwendungen in der Medizintechnik oder zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung geeignet.
  • Zweckmäßig ist es zudem, wenn als Filter eine Anordnung von Magneten zum Einsatz kommt. Die energieselektive Filterung wird hierbei mit Hilfe zumindest eines Dipolmoments vorgenommen, durch das lokal ein näherungsweise homogenes Magnetfeld als Ablenkfeld erzeugt wird, welches senkrecht zur Richtung des Teilchenstrahls orientiert ist. Dementsprechend führen die geladenen Teilchen in diesem lokalen Bereich eine kreisförmige Bewegung aus, wobei der Radius einer jeden Teilchenbahn proportional zum Impuls des Teilchens ist. Hierdurch erfolgt eine energieabhängige Aufweitung des Teilchenstrahls, so dass zur Selektion der Teilchen eine einfache Blende am Ende des lokalen Bereiches genügt. Darüber hinaus sind vorzugsweise weitere höhere magnetische Momente zur Manipulation der Teilchen vorgesehen. Zur Fokussierung des Teilchenstrahls beispielsweise werden typischerweise Quadrupolmomente genutzt, mit deren Hilfe eine Aufweitung des Teilchenstrahls nach der Blende reduziert wird. Da die Separation der geladenen Teilchen beim zweistufigen Teilchenbeschleuniger in einem verhältnismäßig niedrigen Energiebereich erfolgt, ist für die vorgesehene Aufweitung des Teilchenstrahls ein daran angepasstes schwächeres Ablenkfeld ausreichend, weswegen die das Ablenkfeld erzeugenden Magnete einfacher und kompakter ausgeführt werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist es vorgesehen, als Magnete Permanentmagnete einzusetzen. Hierdurch lassen sich unter anderem die ökonomischen und energetischen Betriebskosten im Vergleich zur Verwendung von Elektromagneten reduzieren. Außerdem ist bei Permanentmagneten keine zusätzliche Kühlung notwendig. Durch die Einstellung eines definierten Energiewertes am Ende der ersten Beschleunigungsstecke ist der Einsatz von auf diesen definierten Energiewert abgestimmten Permanentmagneten ermöglicht.
  • Des Weiteren ist es zweckmäßig, zur Einkoppelung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz zwischen 0,4 bis 12 GHz, in die Hohlraumresonatoren eine gemeinsame Strahlungsquelle vorzusehen. Durch den Verzicht auf zusätzliche Strahlungsquellen für den mehrstufigen Teilchenbeschleuniger wird der Mehraufwand zur Realisierung dieses Aufbaus gegenüber einer einstufigen Variante signifikant begrenzt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung entsprechend ist zumindest eine Beschleunigungsstrecke derart mit der Strahlungsquelle gekoppelt, dass die Amplitude der in diese Beschleunigungsstrecke einzukoppelnden elektromagnetischen Strahlung über ein Bedienelement einstellbar ist. Über die Amplitude lässt sich bei einer vorgegebenen Gestaltung und Anzahl von Hohlraumresonatoren der Maximalwert der Energieverteilung der Teilchen variieren. Auf diese Weise ist ein variabler Teilchenbeschleuniger realisiert, bei dem der Maximalwert der Energieverteilung der Teilchen vom Bediener des Teilchenbeschleunigers in Anpassung an den jeweiligen Verwendungszweck vorgegeben wird.
  • Einer zweckdienlichen Weiterentwicklung entsprechend wird die von der Strahlungsquelle generierte elektromagnetische Strahlung mit Hilfe eines Teilers oder einer Weiche in zwei Anteile für die zwei Beschleunigungsstrecken aufgeteilt, wobei die Amplitude des für die zweite Beschleunigungsstrecke vorgesehenen Anteils über das Bedienelement einstellbar ist. Diese Einstellbarkeit ist einer Ausführungsvariante entsprechend durch einen variablen Widerstand gegeben, mit dessen Hilfe die Amplitude des für die zweite Beschleunigungsstrecke vorgesehenen Anteils gedämpft wird. Dabei bleibt der Anteil für die erste Beschleunigungsstrecke vorzugsweise unabhängig vom Maximalwert der Energieverteilung der Teilchen konstant. Dementsprechend erfolgt die energieabhängige Filterung stets im selben Energiebereich, für den somit ein besonders günstiger Wert vorgebbar ist. Darüber hinaus ist in diesem Fall keine Anpassung des Filters an den Maximalwert der Teilchen notwendig, weswegen der Filter mit Hilfe von Permanentmagneten realisierbar ist.
  • Des Weiteren wird ein Teilchenbeschleuniger bevorzugt, bei dem zur Vorgabe zumindest einer der beiden Amplituden der in die Beschleunigungsstrecken einzukoppelnden elektromagnetischen Strahlung eine vorzugsweise als Interferenz-Anordnung wirkende Weiche vorgesehen ist, in der jene elektromagnetische Strahlung durch konstruktive oder destruktive Interferenz gedämpft wird. Ziel ist es dabei, den Teilchenbeschleuniger mit Hilfe von Baugruppen aufzubauen, die als Einzelkomponenten bereits verfügbar sind und dementsprechend nicht eigens für diesen Verwendungszweck gefertigt werden müssen. Bevorzugt wird hierbei eine variable Vorgabe der Phasenbeziehungen und der Amplituden oder des Amplitudenverhältnisses mittels aktiver Hochfrequenz-Elemente und insbesondere mittels Ferrit-basierter Mikrowellenkomponenten, deren Eigenschaften durch manipulierbare magnetische Felder von einem Bediener einstellbar sind.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, zur Vorgabe der beiden Amplituden der in die Beschleunigungsstrecken einzukoppelnden elektromagnetischen Strahlung einen variablen Hochfrequenz-Teiler vorzusehen mit einer Hohlleiter-E-H-Verzweigung, auch als „Magisches T“ bekannt, und einem Tuner. Der Tuner ist dabei vorzugsweise mit einer elektronischen Ansteuerung versehen, so dass ein Bediener durch die Verstellung des Tuners die Amplitude für jede Beschleunigungsstrecke unabhängig voneinander vorgeben kann.
  • Besonders zweckmäßig ist es zudem, die Strahlungsquelle, den Teiler und die erste Beschleunigungsstrecke über einen Zirkulator strahlungsleitend miteinander zu verbinden. Mit Hilfe des Zirkulators werden verschiedene Anteile der elektromagnetischen Strahlung entkoppelt und nach Art eines Systems aus Weichen in die vorgesehenen Hohlleiter, über die die einzelnen Komponenten des Teilchenbeschleunigers strahlungsleitend miteinander verbunden sind, eingekoppelt.
  • Zur Vermeidung unerwünschter Rückkopplungen werden die nicht in eine Beschleunigungsstrecke eingekoppelten und somit reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung in eine Hilfslast geleitet. Dabei ist insbesondere für den zweistufigen Teilchenbeschleuniger eine Hilfslast für jeden Hohlraumresonator vorgesehen.
  • Von Vorteil ist es schließlich, einen zusätzlichen Phasenschieber einzusetzen, mit dessen Hilfe insbesondere eine Abstimmung zwischen den beiden Beschleunigungsstrecken durch einen Bediener vornehmbar ist. Da die Amplituden der in die Beschleunigungsstrecken einzukoppelnden elektromagnetischen Strahlung vorzugsweise variabel vorgebbar ist, ist infolgedessen auch die Laufzeit der Teilchen zwischen den Beschleunigungsstrecken variabel. Das zeitabhängige elektromagnetische Feld innerhalb eines Hohlraumresonators muss jedoch auf die Bewegung der geladenen Teilchen abgestimmt sein, was infolge dessen eine Anpassung der Phasenlage notwendig macht. Der dafür geeignete Phasenschieber ist dabei vorzugsweise zwischen dem Teiler und der zweiten Beschleunigungsstrecke positioniert.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
  • 1 nach Art eines Blockschaltbildes einen zweistufigen Teilchenbeschleuniger.
  • Der hier exemplarisch beschriebene und schematisch in 1 dargestellte Teilchenbeschleuniger 2 umfasst eine Beschleunigereinheit 4 und eine Versorgungseinheit 6 zur Steuerung und Versorgung der Beschleunigereinheit 2.
  • Aufgebaut ist die Beschleunigereinheit 2 aus einer Elektronenquelle 8, einer ersten Beschleunigungsstrecke 10, einem Energiefilter und einer zweiten Beschleunigungsstrecke 14. Die beiden Beschleunigungsstrecken 10, 14 sind dabei nebeneinander und parallel zueinander angeordnet, wodurch ein verhältnismäßig geringer Raumbedarf für den Aufbau der vorzugsweise etwa U-förmigen Beschleunigereinheit 4 gegeben ist.
  • Der Energiefilter, der zwischen den beiden Beschleunigungsstrecken 10, 14 positioniert ist, umfasst im Ausführungsbeispiel einen 180°-Umlenkmagneten. Dieser besteht seinerseits aus mehreren Permanentmagneten, die derart angeordnet sind, dass in erster Näherung als magnetische Momente zwei Dipolmomente 12a, 12c und ein Quadrupolmoment 12b räumlich getrennt voneinander wirksam sind. Mit Hilfe der Dipolmomente 12a, 12b werden die von der Elektronenquelle 8 als Elektronenstrahl in die ersten Beschleunigungsstrecke 10 injizierten Elektronen, die endseitig aus selbiger austreten, auf eine Kreisbahn gezwungen und so in Richtung der zweiten Beschleunigungsstrecke 14 gelenkt. Der Radius einer jeden Elektronenbahn ist dabei abhängig vom Impuls und somit von der kinetischen Energie des jeweiligen Elektrons, wodurch sich der Elektronenstrahl vorwiegend im Bereich des ersten Dipolmoments 12a quer zur Strahlrichtung auffächert. Ergänzend ist zwischen dem ersten Dipolmoment 12a oder dem ersten Dipolelement und dem Quadrupolmoment 12b oder dem Quadrupolelement in nicht näher dargestellter Weise eine Blende aus massivem Kupfer positioniert, so dass infolgedessen lediglich die Elektronen eines begrenzten und über die konstruktiven Eigenschaften des Energiefilters festgelegten Energiebereichs in die zweite Beschleunigungsstrecke 14 eintreten.
  • Als Beschleunigungsstrecken 10, 14 fungieren vorzugsweise Stehwellenbeschleuniger mit 2 bis 30 zellartigen und miteinander gekoppelten Hohlraumresonatoren Z. Im Ausführungsbeispiel sind für die erste Beschleunigungsstrecke 10 exemplarisch zwei und für die zweite Beschleunigungsstrecke 14 vier Hohlraumresonatoren Z vorgesehen. In jeden als Stehwellenbeschleuniger ausgeführten Teilbeschleuniger wird im Betrieb über einen Hohlleiter H Mikrowellenstrahlung mit einer gemeinsamen Resonanzfrequenz der Hohlraumresonatoren Z eingekoppelt, wobei die Übertragung oder Weiterleitung der Mikrowellenstrahlung zwischen zwei benachbarten Hohlraumresonatoren Z mittels sogenannter Koppelzellen, hier nicht mit abgebildet, sichergestellt ist. Mit Hilfe der sich in den Hohlraumresonatoren Z ausbildenden elektrischen Felder werden die Elektronen des Elektronenstrahls beschleunigt. Der so manipulierte Elektronenstrahl tritt schließlich als Teilchenstrahlung 16 mit vorgegebener kinetischer Energie am Ende der zweiten Beschleunigungsstrecke 14 aus der Beschleunigungseinheit 4 aus und ist in der Folge dem vorgesehenen Verwendungszweck zuführbar. Vorliegend ist der Einsatz im medizinischen Bereich beispielsweise in einer Therapie- oder Diagnoseanlage vorgesehen.
  • Zur Versorgung oder Speisung der Hohlraumresonatoren mit Mikrowellenstrahlung weist die Versorgungseinheit 6 eine Mikrowellenquelle 18 auf, an die sich strahlungsleitend ein 4-Tor-Zirkulator 20 anschließt. Die von der Mikrowellenquelle 18 generierte Mikrowellenstrahlung wird über das Tor 1 T1 des 4-Tor-Zirkulators 20 an dessen Tor 2 T2 weitergeleitet, an welches sich ein variabler Hochfrequenz-Teiler 22 anschließt.
  • Der variable Hochfrequenz-Teiler 22 ist seinerseits aufgebaut aus einer Hohlleiter-E-H-Verzweigung 24 mit 4 Armen A1 bis A4, wobei zwei Arme A3, A4, nachfolgend Querarme A3, A4 genannt, zugunsten möglichst guter Reflektionseigenschaften endseitig mit einer ebenen Metallplatte kurzgeschlossen sind. In einem der Querarme A4 ist ein sogenannter „FAST FERRITE TUNER“ 26 positioniert. Ein entsprechender „FAST FERRITE TUNER“ 26 (FFT) dient als elektronisch gesteuerter, also auch über ein Bedienelement steuerbarer, Reflektionsphasenschieber und weist induktive Stichleitungen aus FERRIT-gefüllten Wellenleiterstrukturen auf.
  • Hiermit lässt sich zum einen eine gezielte Impedanzfehlanpassung vornehmen, wodurch die über Tor 2 T2 zum variablen Hochfrequenz-Teiler 22 geführte Mikrowellenstrahlung am Eingang A1 der Hohlleiter-E-H-Verzweigung 24 in einen reflektierten und in einen transmittierten Anteil aufgespalten wird, und zum anderen wird mit Hilfe des „FAST FERRITE TUNERS“ 26 eine Phasenverschiebung realisiert, wodurch die Amplitude des transmittierten Anteils manipulierbar ist. Der am Eingang A1 transmittierte Anteil spaltet sich dabei in zwei gleiche Anteile auf, die sich einander entgegensetzt in die Querarme A3, A4 ausbreiten und an deren Ende reflektiert werden. Infolgedessen überlagern sich diese beiden Anteil in der durch die beiden Querarme A3, A4 gebildeten Hohlleitung H, wobei die Phasenbeziehung zwischen den beiden Anteilen über die Phasenschiebefunktion des „FAST FERRITE TUNERs“ 26 vorgegeben wird. Auf diese Weise lässt sich die Amplitude der Summe der beiden Anteile variieren und über den Arm 2 A2 aus dem variablen Hochfrequenz-Teiler 22 auskoppeln. Eben dieser Anteil, nachfolgend zweiter Speiseanteil genannt, ist zur Versorgung der zweiten Beschleunigungsstrecke 14 vorgesehen. Der am Eingang A1 reflektierte Anteil dient hingegen zur Versorgung der ersten Beschleunigungsstrecke 10 und wird dementsprechend als erster Speiseanteil bezeichnet.
  • Der erste Speiseanteil wird mit Hilfe des 4-Tor-Zirkulators 20 über Tor 2 T2 an Tor 3 T3 und somit zur ersten Beschleunigungsstrecke 10 weitergeleitet. An der Beschleunigungsstrecke 10 spaltet sich der erste Speiseanteil in zwei Anteile auf. Ein Anteil wird in die erste Beschleunigungsstrecke 10 eingekoppelt und ein Anteil wird an der Schnittstelle zwischen dem Hohlleiter H, der den 4-Tor-Zirkulators 20 mit der ersten Beschleunigungsstrecke 10 strahlungsleitend verbindet, und der ersten Beschleunigungsstrecke 10 reflektiert. Der an dieser Stelle reflektierte Anteil des ersten Speiseanteils wird zur Vermeidung unerwünschter Rückkopplungen am 4-Tor-Zirkulator 20 von Tor 3 T3 an Tor 4 T4 weitergegeben und dort in eine Hilfslast 28 eingekoppelt. Als Hilfslast 28 fungiert dabei vorzugsweise ein Pin aus einem mit ohmischen Verlusten behafteten Material, welcher in einen Hohlleiter H hineinragt und dort die Mikrowellenstrahlung absorbiert. In jenem Graphitstift wird die Mikrowellenstrahlung in Wärme umgewandelt und schließlich mittels Wasserkühlung abgeführt.
  • Der zweite Speiseanteil wird über einen 3-Tor-Zirkulator 30 von dessen Tor 5 T5 an dessen Tor 6 T6 weitergegeben und ebenfalls an der Schnittstelle zwischen der Beschleunigungsstrecke 14 und dem als Zuleitung wirkenden Hohlleiter H aufgespalten in einen eingekoppelten und reflektierten Anteil. Für den reflektierten Anteil des zweiten Speiseanteils ist analog eine Hilfslast 28 vorgesehen, in die der reflektierte Anteil mit Hilfe des 3-Tor-Zirkulators 30 und dessen Tore 6 T6 und 7 T7 eingekoppelt wird.
  • Zur Anpassung der in die Hohlraumresonatoren erzeugten elektrischen Felder an den Bewegungszustand des Elektronenstrahls und insbesondere zur Abstimmung auf die Laufzeit der Elektronen zwischen den beiden Beschleunigungsstrecken 10, 14 ist darüber hinaus ein Phasenschieber 32 vorgesehen. Dieser ist im Ausführungsbeispiel zwischen dem variablen Hochfrequenz-Teiler 22 und dem 3-Tor-Zirkulators 30 positioniert.
  • Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims (15)

  1. Teilchenbeschleuniger (2), insbesondere Elektronenbeschleuniger (2) für Anwendungen in der Medizintechnik, zur Generierung eines Teilchenstrahls (16) aus geladenen Teilchen dadurch gekennzeichnet, dass dieser zweistufig ausgebildet ist mit einer ersten Beschleunigungsstrecke (10), mit einer zweiten Beschleunigungsstrecke (14) und mit einem Filter (12a, 12b, 12c) zwischen den beiden Beschleunigungsstrecken (10, 14) zur Reduzierung der Breite der Energieverteilung der Teilchen.
  2. Teilchenbeschleuniger (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschleunigung der geladenen Teilchen auf einer der Beschleunigungsstrecken (10, 14) ein Hohlraumresonator (Z) vorgesehen ist.
  3. Teilchenbeschleuniger (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschleunigung der geladenen Teilchen auf einer der Beschleunigungsstrecken (10, 14) ein Stehwellenresonator (10, 14) und insbesondere ein Stehwellenresonator (10, 14) aus einer Anzahl gekoppelter Hohlraumresonatoren (Z) vorgesehen ist.
  4. Teilchenbeschleuniger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschleunigungsstrecke (10) derart gestaltet ist, dass der Maximalwert der Energieverteilung der Teilchen am Ende der ersten Beschleunigungsstrecke (10) in einem Bereich zwischen 0,5 und 6 MeV und vorzugsweise zwischen 0,8 und 1,2 MeV liegt.
  5. Teilchenbeschleuniger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beschleunigungsstrecke (14) derart gestaltet ist, dass der Maximalwert der Energieverteilung der Teilchen am Ende der zweiten Beschleunigungsstrecke (14) in einem Bereich zwischen 3 und 50 MeV liegt.
  6. Teilchenbeschleuniger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (12a, 12b, 12c) eine Anordnung von Magneten (12a, 12b, 12c) umfasst.
  7. Teilchenbeschleuniger (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Magnete (12a, 12b, 12c) Permanentmagnete (12a, 12b, 12c) zum Einsatz kommen.
  8. Teilchenbeschleuniger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einkoppelung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Mikrowellenstrahlung, in die Hohlraumresonatoren (Z) eine gemeinsame Strahlungsquelle (18) vorgesehen ist.
  9. Teilchenbeschleuniger (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Beschleunigungsstrecken (10, 14) derart mit der Strahlungsquelle (18) gekoppelt ist, dass die Amplitude der in diese Beschleunigungsstrecke (10, 14) einzukoppelnden elektromagnetischen Strahlung über ein Bedienelement (26) einstellbar ist.
  10. Teilchenbeschleuniger (2) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Strahlungsquelle (18) generierte elektromagnetische Strahlung mit Hilfe eines Teilers (22) in zwei Anteile für die zwei Beschleunigungsstrecken (10, 14) aufgeteilt wird und dass die Amplitude des für die zweite Beschleunigungsstrecke (14) vorgesehenen Anteils über das Bedienelement (26) einstellbar ist.
  11. Teilchenbeschleuniger (2) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorgabe zumindest einer der beiden Amplituden der in die Beschleunigungsstrecken (10, 14) einzukoppelnden elektromagnetischen Strahlung eine Interferenz-Anordnung (22) vorgesehen ist, in der jene elektromagnetischen Strahlung durch konstruktive oder destruktive Interferenz gedämpft wird.
  12. Teilchenbeschleuniger (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorgabe der beiden Amplituden der in die Beschleunigungsstrecken (10, 14) einzukoppelnden elektromagnetischen Strahlung ein Variabler Hochfrequenz-Teiler (22) vorgesehen ist vorzugsweise mit einer Hohlleiter-E-H-Verzweigung (24) und zumindest einem Tuner (26) als Bedienelement (26).
  13. Teilchenbeschleuniger (2) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (18), der Teiler (22) und die erste Beschleunigungsstrecke (10) über einen Zirkulator (20) miteinander verbunden sind.
  14. Teilchenbeschleuniger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung einer unerwünschten Rückkopplung der nicht in eine Beschleunigungsstrecke (10, 14) eingekoppelte und somit reflektierte Anteil der elektromagnetischen Strahlung in eine Hilfslast (28) geleitet wird.
  15. Teilchenbeschleuniger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zu dessen Abstimmung ein zusätzlicher Phasenschieber (32) vorgesehen ist.
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