DE102011076262A1

DE102011076262A1 - Accelerator e.g. electron accelerator for medical application e.g. radiotherapy application, has filter provided between two stages having acceleration zones, for reducing width of energy distribution of particles

Info

Publication number: DE102011076262A1
Application number: DE102011076262A
Authority: DE
Inventors: Sven Müller; Stefan Setzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2012-11-29
Also published as: CN102802338A; CN102802338B

Abstract

The electron accelerator (2) is formed in two stages with a first acceleration zone (10) and second acceleration section (14). A filter (12a-12c) is provided between the two stages having acceleration zones, for reducing width of energy distribution of particles.

Description

Die Erfindung betrifft einen Teilchenbeschleuniger, insbesondere einen Elektronenbeschleuniger für Anwendungen in der Medizintechnik, zur Generierung eines Teilchenstrahls aus geladenen Teilchen. The invention relates to a particle accelerator, in particular an electron accelerator for applications in medical technology, for generating a particle beam of charged particles.

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. A particle accelerator is used to accelerate charged particles using electromagnetic fields. This gives particles with high kinetic energy, which can be used for various applications.

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. Of particular importance is the use of high-energy charged particles in medical technology, where they are used among other things for radiotherapy. In many cases, the accelerated particles are not used directly, but used to generate high-energy electromagnetic radiation, which is used, inter alia, for imaging examination procedures or for therapy.

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. At a kinetic energy of about 1 MeV and above, to accelerate the charged particle originating from a source, standing wave accelerators or traveling wave accelerators typically constructed of cavity resonators are employed, into which electromagnetic radiation is coupled to the resonant frequency of the cavity resonators. By utilizing corresponding resonances, it is possible to generate very high electric field strengths of a few 10 million V / m with relatively little technical effort. With the help of these electric fields then takes place in the cavity resonator, the acceleration of the charged particles.

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. Part of a particle accelerator is also usually an energy filter element. The charged particles undesirably differ in their kinetic energy and, consequently, their effect on interaction with matter. The use of the energy filter element results in a separation of all particles whose kinetic energy is outside a given energy range. In this way, a monochromatic and thus particularly advantageous radiation is generated in a first approximation. However, the separated particles are lost, as a sort of waste product, which has a detrimental effect on the efficiency and thus on the efficiency of a particle accelerator.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Teilchenbeschleuniger anzugeben. The invention has for its object to provide an improved particle accelerator.

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. This object is achieved by the features of claim 1. The dependent claims include in part advantageous and in part self-inventive developments of this invention.

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. The particle accelerator serves to generate a particle beam of charged particles with high kinetic energy. It is designed in two stages and includes a first acceleration section, a second acceleration section and a filter between the two acceleration sections to reduce the width of the energy distribution of the particles. According to the basic idea of the invention, the particle accelerator is thus divided into two stages with a pre-acceleration stage and a post-acceleration stage, whereby the particles are separated to limit the width of the energy distribution of the particles between the two stages and are thus made in a particularly favorable energy range becomes. This energy range is freely selectable and is optimally adapted to the structural conditions of the particle accelerator in favor of the highest possible effectiveness. The efficiency is therefore no longer specified as a function of the energy distribution of the particles after complete acceleration. In addition, the separation of the particles takes place in a relatively low energy range, measured on the value after complete acceleration. As a result, lower forces are applied to perform this separation, so that the necessary technical effort is reduced. Since the charged particles are typically filtered in a separation through a diaphragm, this results in so-called leakage radiation, ie non-usable radiation, for which, for reasons of safety, a shield is provided for example of lead. If the energy-selective filtering of the particles is carried out with lower energy of the particles, then just this leakage radiation is reduced, so that a reduced shielding suffices for an identical protective effect.

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. Particle beam is not necessarily to be understood as meaning a temporally constant and homogeneous stream of particles, this merely expresses that a number of charged particles, that is to say also a pulse-like particle packet, is specifically directed in a provided direction with predetermined kinetic energy.

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. The particle accelerator is used for one of the purposes mentioned above, but preferably in the field of medical technology. According to a particularly expedient embodiment of the particle accelerator is designed as an electron accelerator. In this case, the first acceleration path as a particle source is a Electron source, for example, a thermal emitter, upstream.

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. A variant of the particle accelerator is preferred in which a cavity resonator is used to accelerate the charged particles on one of the acceleration sections. This variant is particularly suitable if the charged particles have a maximum kinetic energy greater than about 1 MeV.

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. According to an expedient further development, the acceleration of the charged particles takes place on one of the acceleration sections with the aid of a standing wave resonator and in particular with the aid of a standing wave resonator, which is formed from a number of coupled cavity resonators, also called cavities. For a given amplitude of the coupled-in electromagnetic radiation, the length of the acceleration path and thus also the maximum kinetic energy of the particles can be determined by the number of cavity resonators.

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. It is particularly expedient to configure the first acceleration section in such a way that, during operation, the maximum value of the energy distribution of the particles at the end of the first acceleration section is in a range between 0.5 and 6 MeV and preferably between 0.8 and 1.2 MeV. It is precisely this area has proven to be particularly favorable to operate the particle accelerator with a high efficiency and thus with a high efficiency. Preferably, the first acceleration section is generally designed for operation with a defined, fixed maximum value.

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. According to a further preferred embodiment, the second acceleration section is designed such that in operation the maximum value of the energy distribution of the particles at the end of the second acceleration section is in a range between 3 and 50 MeV and preferably between 3 and 25 MeV. The particle radiation generated hereby is particularly suitable for applications in medical technology or for non-destructive material testing.

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. It is also useful when an array of magnets is used as a filter. The energy-selective filtering is carried out here by means of at least one dipole moment, by which locally an approximately homogeneous magnetic field is generated as the deflection field, which is oriented perpendicular to the direction of the particle beam. Accordingly, the charged particles in this local region make a circular motion, the radius of each particle trajectory being proportional to the momentum of the particle. This results in an energy-dependent widening of the particle beam, so that a simple diaphragm at the end of the local area is sufficient for the selection of the particles. In addition, further higher magnetic moments are preferably provided for manipulating the particles. For focusing of the particle beam, for example, quadrupole moments are typically used, with the help of which an expansion of the particle beam is reduced to the aperture. Since the separation of the charged particles in the two-stage particle accelerator takes place in a relatively low energy range, a weaker deflection field adapted thereto is sufficient for the intended expansion of the particle beam, and therefore the deflection field generating magnets are made simpler and more compact.

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. In an advantageous development, it is provided to use permanent magnets as magnets. As a result, among other things, the economic and energy operating costs compared to the use of electromagnets can be reduced. In addition, with permanent magnets no additional cooling is necessary. By setting a defined energy value at the end of the first acceleration patches, the use of permanent magnets tuned to this defined energy value is made possible.

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. Furthermore, it is expedient for the coupling of electromagnetic radiation, in particular microwave radiation with a frequency between 0.4 to 12 GHz, to provide a common radiation source in the cavity resonators. By dispensing with additional radiation sources for the multi-stage particle accelerator, the additional effort required to realize this structure is significantly limited compared to a single-stage variant.

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. According to a further preferred embodiment, at least one acceleration section is coupled to the radiation source such that the amplitude of the electromagnetic radiation to be coupled into this acceleration section can be set via an operating element. The maximum value of the energy distribution of the particles can be varied by way of the amplitude for a given design and number of cavity resonators. In this way, a variable particle accelerator is realized, in which the maximum value of the energy distribution of the particles is predetermined by the operator of the particle accelerator in adaptation to the respective intended use.

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. According to an expedient further development, the electromagnetic radiation generated by the radiation source is divided by means of a divider or a diverter into two parts for the two acceleration sections, wherein the Amplitude of the provided for the second acceleration section portion via the control element is adjustable. This adjustability is given according to a variant embodiment by a variable resistor with the aid of which the amplitude of the portion provided for the second acceleration section is damped. In this case, the proportion for the first acceleration section preferably remains constant independently of the maximum value of the energy distribution of the particles. Accordingly, the energy-dependent filtering is always in the same energy range, for which thus a particularly favorable value can be specified. Moreover, in this case, no adaptation of the filter to the maximum value of the particles is necessary, which is why the filter with the aid of permanent magnets is feasible.

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. Furthermore, a particle accelerator is preferred in which for specifying at least one of the two amplitudes of the electromagnetic radiation to be coupled into the acceleration sections, a switch preferably acting as an interference arrangement is provided in which those electromagnetic radiation is attenuated by constructive or destructive interference. The aim is to build the particle accelerator with the help of assemblies that are already available as individual components and therefore need not be made specifically for this purpose. In this case, preference is given to a variable predefinition of the phase relationships and the amplitudes or the amplitude ratio by means of active high-frequency elements and, in particular, by means of ferrite-based microwave components whose properties can be set by manipulable magnetic fields by an operator.

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. Moreover, it is advantageous to provide for the specification of the two amplitudes of the electromagnetic radiation to be coupled into the acceleration sections a variable high-frequency divider with a waveguide E-H junction, also known as "magic T", and a tuner. The tuner is preferably provided with an electronic control, so that an operator by adjusting the tuner can specify the amplitude for each acceleration section independently.

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. It is also particularly expedient to connect the radiation source, the divider and the first acceleration section via a circulator radiation-conducting together. With the help of the circulator different parts of the electromagnetic radiation are decoupled and coupled in the manner of a system of switches in the provided waveguide, via which the individual components of the particle accelerator are connected to each other radiation-conducting.

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. To avoid undesired feedback, the portions of the electromagnetic radiation which are not coupled into an acceleration section and thus reflected are conducted into an auxiliary load. In this case, an auxiliary load is provided for each cavity resonator, in particular for the two-stage particle accelerator.

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. It is advantageous, finally, to use an additional phase shifter, with the help of a particular vote between the two acceleration sections is vornehmbar by an operator. As a result, since the amplitudes of the electromagnetic radiation to be coupled into the acceleration sections can preferably be predetermined variably, the transit time of the particles between the acceleration sections is also variable. However, the time-dependent electromagnetic field within a cavity must be tuned to the motion of the charged particles, thus necessitating adjustment of the phase. The suitable phase shifter is preferably positioned between the divider and the second acceleration section.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt: The invention will be explained in more detail with reference to a schematic drawing. It shows:

1 nach Art eines Blockschaltbildes einen zweistufigen Teilchenbeschleuniger. 1 in the manner of a block diagram, a two-stage particle accelerator.

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. The example described here and schematically in 1 illustrated particle accelerator 2 includes an accelerator unit 4 and a supply unit 6 for controlling and supplying the accelerator unit 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. Built up is the accelerator unit 2 from an electron source 8th , a first acceleration section 10 , an energy filter and a second acceleration section 14 , The two acceleration sections 10 . 14 are arranged side by side and parallel to each other, whereby a relatively small space requirement for the construction of the preferably approximately U-shaped accelerator unit 4 given is.

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. The energy filter between the two acceleration sections 10 . 14 is positioned, in the embodiment comprises a 180 ° Ummeenkmagneten. This in turn consists of several permanent magnets, which are arranged such that in a first approximation as magnetic moments two dipole moments 12a . 12c and a quadrupole moment 12b spatially separated from each other are effective. With the help of the dipole moments 12a . 12b become the of the electron source 8th as an electron beam in the first acceleration section 10 injected Electrons, which emerge from the end of the same, forced on a circular path and so in the direction of the second acceleration section 14 directed. The radius of each electron orbit is dependent on the momentum and thus on the kinetic energy of the respective electron, whereby the electron beam predominantly in the range of the first dipole moment 12a fanning transversely to the beam direction. In addition, between the first dipole moment 12a or the first dipole element and the quadrupole moment 12b or the quadrupole element in a manner not shown positioned a shutter made of solid copper, so that consequently only the electrons of a limited and fixed on the design properties of the energy filter energy range in the second acceleration section 14 enter.

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. As acceleration routes 10 . 14 Preferably standing wave accelerator with 2 to 30 cell-like and coupled to each other cavity resonators Z. In the exemplary embodiment are for the first acceleration section 10 exemplarily two and for the second acceleration section 14 four cavity resonators Z provided. In each running as Stehwellenbeschleuniger partial accelerator microwave radiation is coupled with a common resonant frequency of the cavity resonators Z during operation via a waveguide H, wherein the transmission or forwarding of the microwave radiation between two adjacent cavity Z by means of so-called coupling cells, not shown here, is ensured. With the help of forming in the cavity resonators Z electric fields, the electrons of the electron beam are accelerated. The thus manipulated electron beam finally occurs as particle radiation 16 with predetermined kinetic energy at the end of the second acceleration section 14 from the acceleration unit 4 and can be supplied subsequently to the intended use. In the present case, the use in the medical field is provided for example in a therapy or diagnostic system.

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. For supplying or feeding the cavity resonators with microwave radiation, the supply unit 6 a microwave source 18 on, to the radiating a 4-port circulator 20 followed. The from the microwave source 18 generated microwave radiation is transmitted through the port 1 T1 of the 4-port circulator 20 2 T2 forwarded to the gate, to which a variable high-frequency divider 22 followed.

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. The variable high frequency divider 22 in turn is composed of a waveguide EH junction 24 with 4 arms A1 to A4, with two arms A3, A4, hereafter referred to transverse arms A3, A4, shorted in favor of the best possible reflection properties end with a flat metal plate. In one of the transverse arms A4 is a so-called "FAST FERRITE TUNER" 26 positioned. A corresponding "FAST FERRITE TUNER" 26 (FFT) serves as electronically controlled, so also controllable via a control element, reflection phase shifter and has inductive stub lines of FERRIT-filled waveguide structures.

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. This can be done on the one hand, a targeted impedance mismatch, making the Tor 2 T2 to the variable high-frequency divider 22 guided microwave radiation at the input A1 of the waveguide EH junction 24 on the other hand, with the help of the "FAST FERRITE TUNER" 26 implemented a phase shift, whereby the amplitude of the transmitted portion is manipulated. The portion transmitted at the entrance A1 splits into two equal portions, which oppose each other in the transverse arms A3, A4 propagate and reflected at the end. As a result, these two portions are superimposed in the hollow line H formed by the two transverse arms A3, A4, wherein the phase relationship between the two shares on the phase shift function of the "FAST FERRITE TUNER" 26 is given. In this way, the amplitude of the sum of the two parts can vary and over the arm 2 A2 from the variable high frequency divider 22 couple out. It is precisely this proportion, referred to below as the second feed proportion, that is used to supply the second acceleration section 14 intended. By contrast, the portion reflected at the input A1 serves to supply the first acceleration section 10 and is therefore referred to as the first food portion.

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. The first portion of the food is served by the 4-port circulator 20 via gate 2 T2 to gate 3 T3 and thus to the first acceleration section 10 forwarded. At the acceleration section 10 splits the first portion of food in two parts. A share is in the first acceleration section 10 coupled and a portion is at the interface between the waveguide H, which is the 4-port circulator 20 with the first acceleration section 10 radiative conduction connects, and the first acceleration section 10 reflected. The portion of the first feed fraction reflected at this point will be avoided to avoid unwanted feedback at the 4-port circulator 20 from Tor 3 T3 passed to Tor 4 T4 and there in an auxiliary load 28 coupled. As auxiliary load 28 In this case, a pin preferably acts from a material subject to ohmic losses, which protrudes into a waveguide H and absorbs the microwave radiation there. In that graphite pencil, the microwave radiation is converted into heat and finally dissipated by means of water cooling.

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. The second portion of the food is via a 3-port circulator 30 from the gate 5 T5 passed to the gate 6 T6 and also at the interface between the acceleration section 14 and acting as a feed waveguide H split into a coupled and reflected portion. For the reflected portion of the second feed portion is analogous to an auxiliary load 28 provided in which the reflected portion using the 3-port circulator 30 and its gates 6 T6 and 7 T7 is coupled.

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. For adapting the electric fields generated in the cavity resonators to the state of motion of the electron beam and in particular for matching the transit time of the electrons between the two acceleration sections 10 . 14 is also a phase shifter 32 intended. This is in the embodiment between the variable high-frequency divider 22 and the 3-port circulator 30 positioned.

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. The invention is not limited to the embodiment described above. Rather, other variants of the invention can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, all the individual features described in connection with the exemplary embodiment can also be combined with each other in other ways, without departing from the subject matter of the invention.

Claims

Particle accelerator ( 2 ), in particular electron accelerator ( 2 ) for applications in medical technology, for the generation of a particle beam ( 16 ) of charged particles characterized in that it is formed in two stages with a first acceleration section ( 10 ), with a second acceleration section ( 14 ) and with a filter ( 12a . 12b . 12c ) between the two acceleration sections ( 10 . 14 ) for reducing the width of the energy distribution of the particles.

Particle accelerator ( 2 ) according to claim 1, characterized in that in order to accelerate the charged particles on one of the acceleration sections ( 10 . 14 ) A cavity resonator (Z) is provided.

Particle accelerator ( 2 ) according to claim 1 or 2, characterized in that in order to accelerate the charged particles on one of the acceleration sections ( 10 . 14 ) a standing wave resonator ( 10 . 14 ) and in particular a standing wave resonator ( 10 . 14 ) is provided from a number of coupled cavity resonators (Z).

Particle accelerator ( 2 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first acceleration section ( 10 ) is designed such that the maximum value of the energy distribution of the particles at the end of the first acceleration section ( 10 ) is in a range between 0.5 and 6 MeV and preferably between 0.8 and 1.2 MeV.

Particle accelerator ( 2 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the second acceleration section ( 14 ) is designed such that the maximum value of the energy distribution of the particles at the end of the second acceleration section ( 14 ) is in a range between 3 and 50 MeV.

Particle accelerator ( 2 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the filter ( 12a . 12b . 12c ) an arrangement of magnets ( 12a . 12b . 12c ).

Particle accelerator ( 2 ) according to claim 6, characterized in that as magnets ( 12a . 12b . 12c ) Permanent magnets ( 12a . 12b . 12c ) are used.

Particle accelerator ( 2 ) according to any one of claims 1 to 7 and claim 2, characterized in that for the coupling of electromagnetic radiation, in particular microwave radiation, in the cavity resonators (Z) a common radiation source ( 18 ) is provided.

Particle accelerator ( 2 ) according to claim 8, characterized in that at least one of the acceleration sections ( 10 . 14 ) in such a way with the radiation source ( 18 ), that the amplitude of the in this acceleration section ( 10 . 14 ) to be coupled electromagnetic radiation via a control element ( 26 ) is adjustable.

Particle accelerator ( 2 ) according to claim 8 or 9, characterized in that the radiation source ( 18 ) generated electromagnetic radiation by means of a divider ( 22 ) into two parts for the two acceleration sections ( 10 . 14 ) and that the amplitude of the for the second acceleration section ( 14 ) via the operating element ( 26 ) is adjustable.

Particle accelerator ( 2 ) according to claim 9 or 10, characterized in that for specifying at least one of the two amplitudes of the in the Acceleration sections ( 10 . 14 ) to be coupled electromagnetic radiation an interference arrangement ( 22 ) is provided, in which that electromagnetic radiation is attenuated by constructive or destructive interference.

Particle accelerator ( 2 ) according to any one of claims 8 to 11, characterized in that for the specification of the two amplitudes of the in the acceleration sections ( 10 . 14 ) to be coupled electromagnetic radiation a variable high-frequency divider ( 22 ) is preferably provided with a waveguide EH branch ( 24 ) and at least one tuner ( 26 ) as a control element ( 26 ).

Particle accelerator ( 2 ) according to one of claims 9 to 12, characterized in that the radiation source ( 18 ), the divider ( 22 ) and the first acceleration section ( 10 ) via a circulator ( 20 ) are interconnected.

Particle accelerator ( 2 ) according to one of claims 1 to 13 and claim 2, characterized in that in order to avoid unwanted feedback of not in an acceleration section ( 10 . 14 ) coupled and thus reflected portion of the electromagnetic radiation in an auxiliary load ( 28 ).

Particle accelerator ( 2 ) according to one of claims 1 to 14, characterized in that an additional phase shifter ( 32 ) is provided.