DE102012212720A1 - MeV electron source e.g. electron gun, for use in e.g. computer tomography-like machine, has linear accelerator supplying high frequency power that is selected in milli-second region and/or electron flow selected in region by drive unit - Google Patents

MeV electron source e.g. electron gun, for use in e.g. computer tomography-like machine, has linear accelerator supplying high frequency power that is selected in milli-second region and/or electron flow selected in region by drive unit Download PDF

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Abstract

The source (1) has a linear accelerator (3) including resonators, in which electrons emerge at a front-sided section (5) as an electron beam (4). A variable power divider (9) is arranged between one of radio frequency sources (8) and the accelerator and provided with a radio frequency element (10) with reflectance factor adjustable by a control unit. High frequency power (Pin) supplied by the accelerator is freely selected in a milli-second region by the reflectance factor and/or electron flow is freely selected in the millisecond region by a reversible drive unit (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine MeV-Elektronenquelle. The invention relates to a MeV electron source.

Eine derartige MeV-Elektronenquelle umfasst eine Elektronenquelle mit einer umschaltbaren Ansteuereinheit. Außerdem umfasst die MeV-Elektronenquelle einen Linearbeschleuniger mit gekoppelten Resonatoren, in denen die von der Elektronenquelle erzeugten Elektronen auf eine vorgebbare Energie beschleunigt werden und als Elektronenstrahl an einer stirnseitigen Austrittsöffnung austreten. Weiterhin weist die bekannte MeV-Elektronenquelle eine Hochfrequenzquelle auf. Such a MeV electron source comprises an electron source with a switchable drive unit. In addition, the MeV electron source comprises a linear accelerator with coupled resonators, in which the electrons generated by the electron source are accelerated to a predeterminable energy and exit as an electron beam at an end-side outlet opening. Furthermore, the known MeV electron source has a high-frequency source.

Die im Linearbeschleuniger mittels elektromagnetischer Felder beschleunigten Elektronen werden entweder direkt in der Bestrahlungstherapie oder bei technischen Anwendungen eingesetzt oder zur Erzeugung von Photonen im MeV-Bereich (Röntgen- oder Gammastrahlung) verwendet. Für die Erzeugung einer derartigen Strahlung ist an der stirnseitigen Austrittsöffnung des Linearbeschleunigers ein Target angeordnet, in dem beim Abbremsen des Elektronenstrahls Photonen (Bremsstrahlung) erzeugt werden. Hochenergetische Photonen werden z.B. in der Bestrahlungstherapie und bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung sowie im Sicherheitsbereich (Container- und Gepäckprüfung) eingesetzt. The electrons accelerated in the linear accelerator by means of electromagnetic fields are either used directly in radiation therapy or in technical applications or used to generate photons in the MeV range (X-ray or gamma radiation). For the generation of such radiation, a target is arranged at the front-side outlet opening of the linear accelerator, in which photons (Bremsstrahlung) are generated during the deceleration of the electron beam. High energy photons are e.g. used in radiation therapy and in non-destructive materials testing as well as in the security sector (container and baggage inspection).

Bei einer kinetischen Energie im MeV-Bereich werden zur Beschleunigung der aus der Elektronenquelle stammenden Elektronen typischerweise aus Hohlraumresonatoren aufgebaute Stehwellenbeschleuniger oder Wanderwellenbeschleuniger eingesetzt, in die elektromagnetische Energie mit der Resonanzfrequenz der Hohlraumresonatoren eingekoppelt wird. Durch die Ausnutzung entsprechender Resonanzen lassen sich mit einem verhältnismäßig geringen technischen Aufwand sehr hohe elektrische Feldstärken von einigen zehn Millionen V/m erzeugen. At kinetic energy in the MeV range, to accelerate the electrons originating from the electron source, standing wave accelerators or traveling wave accelerators constructed of cavity resonators are typically used, into which electromagnetic energy is coupled with the resonant frequency of the cavity resonators. The use of corresponding resonances makes it possible to generate very high electric field strengths of a few tens of millions of V / m with relatively little technical effort.

Mithilfe dieser elektrischen Felder erfolgt dann im Hohlraumresonator die Beschleunigung der Elektronen. With the aid of these electric fields, the acceleration of the electrons then takes place in the cavity resonator.

Eine Variation der Elektronenenergie U und/oder der Dosis pro Puls D hängt bei den bekannten MeV-Elektronenquellen von den Eingangsparametern Hochfrequenzleistung Pin und Elektronenstrom I des Linearbeschleunigers wie folgt ab: D ∝ U3·I·τPuls, (1) wobei mit τPuls die Pulsdauer des Elektronenstroms I bezeichnet ist.

Figure DE102012212720A1_0002
wobei mit RV der Shuntwiderstand des Linearbeschleunigers bezeichnet ist. A variation of the electron energy U and / or the dose per pulse D in the case of the known MeV electron sources depends on the input parameters high-frequency power P in and electron current I of the linear accelerator as follows: D α U 3 · I · τ pulse , (1) wherein the pulse duration of the electron current I is denoted by τ pulse .
Figure DE102012212720A1_0002
wherein R V denotes the shunt resistance of the linear accelerator.

Sowohl bei medizinischen als auch bei technischen Anwendungen ist eine möglichst schnelle Variation der Dosis pro Puls D und/oder der Elektronenenrgie U wünschenswert. Both in medical and in technical applications, the fastest possible variation of the dose per pulse D and / or the electron energy U is desirable.

Bei den bekannten MeV-Elektronenquellen wird entweder die in der Hochfrequenzquelle (z.B. Magnetron) erzeugte Hochfrequenzleistung variiert oder der in der Elektronenquelle erzeugte Elektronenstrom (10 mA bis 1 A) wird kontinuierlich verändert. In the known MeV electron sources, either the high frequency power generated in the high frequency source (e.g., magnetron) is varied or the electron current (10mA to 1 A) generated in the electron source is continuously changed.

Die Variation der in einem Magnetron erzeugten Hochfrequenzleistung ist mit einer Frequenzverschiebung verbunden, so dass der Linearbeschleuniger nicht in Resonanz betrieben werden kann. Zusätzlich müssen bei einem Magnetron die Magnetfelder der Dipolmagnete der jeweiligen Leistung angepasst werden, was aufgrund der hohen Induktivitäten nur schwer realisierbar ist. Die Hochfrequenzleistung kann daher auf diese Weise im ms-Bereich nicht kontinuierlich verändert werden, so dass eine signifikante Energie- und/oder Dosisumschaltung nicht möglich ist. The variation of the high frequency power generated in a magnetron is associated with a frequency shift, so that the linear accelerator can not be operated in resonance. In addition, in the case of a magnetron, the magnetic fields of the dipole magnets must be adapted to the respective power, which is difficult to realize due to the high inductivities. The high-frequency power can therefore not be changed continuously in this way in the ms range, so that a significant energy and / or dose switching is not possible.

Die kontinuierliche Veränderung der Elektronenenergie im ms-Bereich ist durch eine kontinuierliche Veränderung des Elektronenstroms der Elektronenquelle möglich. Dies kann z.B. durch Variation der Anodenspannung bzw. der Gitterspannung der Elektronenquelle erfolgen. Ohne eine gleichzeitige Anpassung der Hochfrequenzleistung ist der erzielbare Variationsbereich in Dosis und Energie stark eingeschränkt bzw. kann nicht unabhängig voneinander eingestellt werden. The continuous change of the electron energy in the ms range is possible by a continuous change of the electron current of the electron source. This can e.g. by varying the anode voltage or the grid voltage of the electron source. Without a simultaneous adaptation of the high-frequency power, the achievable range of variation in dose and energy is severely limited or can not be adjusted independently of one another.

Bei den bekannten MeV-Elektronenquellen ist aufgrund der beschriebenen Nachteile eine kontinuierliche Verstellung der Elektronenenergie und/oder der Dosis im Millisekunden-Bereich (ms-Bereich) nicht bzw. nur sehr eingeschränkt möglich. In the case of the known MeV electron sources, due to the described disadvantages, continuous adjustment of the electron energy and / or the dose in the millisecond range (ms range) is not possible or only possible to a very limited extent.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte MeV-Elektronenquelle anzugeben. The invention is therefore based on the object of specifying an improved MeV electron source.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine MeV-Elektronenquelle gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen. The object is achieved by a MeV electron source according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject of further claims.

Die MeV-Elektronenquelle nach Anspruch 1 umfasst

  • – eine Elektronenquelle mit einer umschaltbaren Ansteuereinheit,
  • – einen Linearbeschleuniger mit gekoppelten Resonatoren, in denen die von der Elektronenquelle erzeugten Elektronen auf eine vorgebbare Energie beschleunigt werden und an einer stirnseitigen Austrittsöffnung als Elektronenstrahl austreten, und
  • – eine Hochfrequenzquelle, wobei
  • – zwischen der Hochfrequenzquelle und dem Linearbeschleuniger ein variabler Leistungsteiler angeordnet ist, der wenigstens ein Hochfrequenzelement mit einem über eine Kontrolleinheit einstellbaren Reflexionsfaktor aufweist, und wobei
  • – durch den einstellbaren Reflexionsfaktor die dem Linearbeschleuniger zugeführte Hochfrequenzleistung im ms-Bereich frei wählbar ist, und/oder durch die umschaltbare Ansteuereinheit der Elektronenquelle der Elektronenstrom im ms-Bereich frei wählbar ist.
The MeV electron source of claim 1 comprises
  • An electron source with a switchable drive unit,
  • A linear accelerator with coupled resonators, in which the electrons generated by the electron source are accelerated to a predeterminable energy and exit at an end-side outlet opening as an electron beam, and
  • - a high frequency source, wherein
  • - Between the high-frequency source and the linear accelerator, a variable power divider is arranged, which has at least one high-frequency element with a controllable via a control unit reflection factor, and wherein
  • - By the adjustable reflection factor, the linear accelerator supplied high frequency power in the ms range is freely selectable, and / or by the switchable drive unit of the electron source, the electron current in the ms range is freely selectable.

Durch die erfindungsgemäße Lösung nach Anspruch 1 sind unabhängig voneinander im ms-Bereich sowohl die zugeführte Hochfrequenzleistung Pin als auch der Elektronenstrom I frei wählbar. The inventive solution according to claim 1, both the supplied high-frequency power P in and the electron current I are independently selectable in the ms range independently.

Frei wählbar sind bei der erfindungsgemäßen MeV-Elektronenquelle also entweder nur der Elektronenstrom I oder nur die zugeführte Hochfrequenzleistung Pin oder der Elektronenstrom I und die zugeführte Hochfrequenzleistung Pin gemeinsam. Da die die Hochfrequenzleistung Pin und der Elektronenstrom I gleichzeitig oder jeweils für sich im ms-Bereich verändert werden können, erhält man mit der erfindungsgemäßen Lösung eine verbesserte MeV-Elektronenquelle. In the case of the MeV electron source according to the invention, therefore, either only the electron current I or only the supplied high-frequency power P in or the electron current I and the supplied high-frequency power P in are jointly selectable. Since the high-frequency power P in and the electron current I can be changed simultaneously or individually in the ms range, the solution according to the invention provides an improved MeV electron source.

Damit ist – wie aus den in den Gleichungen (1) und (2) dargestellten physikalischen Zusammenhängen ersichtlich – mit der erfindungsgemäßen Lösung eine schnelle und stufenlose Variation (Variation im ms-Bereich) der Elektronenenergie U und/oder der Dosis pro Puls D problemlos möglich. Thus, as can be seen from the physical relationships shown in equations (1) and (2), rapid and continuous variation (variation in the ms range) of the electron energy U and / or the dose per pulse D is easily possible with the solution according to the invention ,

Die MeV-Elektronenquelle nach Anspruch 1 kann gleichermaßen direkt zur Elektronenbestrahlung oder zur Generierung von hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung (Röntgen- und Gammastrahlung) eingesetzt werden. The MeV electron source according to claim 1 can equally be used directly for electron irradiation or for generating high-energy electromagnetic radiation (X-ray and gamma radiation).

Die direkte Elektronenbestrahlung wird in der medizinischen Therapie, beispielsweise in der Krebstherapie, eingesetzt. Direct electron irradiation is used in medical therapy, for example in cancer therapy.

Weiterhin wird die Elektronenbestrahlung zur physikalischen Sterilisation von Verpackungsmaterialien und Behältnissen (Flaschen) verwendet. Furthermore, electron irradiation is used for the physical sterilization of packaging materials and containers (bottles).

Außerdem ist die Elektronenbestrahlung eine Methode, um Langkettenverzweigungen (LCB, long-chain branches) in Polypropylene (PP) einzubringen. Durch die Elektronenbestrahlung wird eine Spaltung von linearen Ketten, gefolgt von Rekombinationsreaktionen, verursacht. In addition, electron beam irradiation is a method to introduce long-chain branches (LCB) into polypropylenes (PP). Electron irradiation causes cleavage of linear chains followed by recombination reactions.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 ist an der stirnseitigen der Austrittsöffnung des Linearbeschleunigers ein Target angeordnet. Die im Linearbeschleuniger beschleunigten Elektronen treten als Elektronenstrahl aus der stirnseitigen der Austrittsöffnung des Linearbeschleunigers aus und erzeugen beim Auftreffen auf das Target im Material des Targets (hochenergetische) Photonen-Bremsstrahlung. In a particularly preferred embodiment according to claim 2, a target is arranged on the front side of the outlet opening of the linear accelerator. The accelerated in the linear accelerator electrons emerge as an electron beam from the front side of the outlet opening of the linear accelerator and generate when hitting the target in the material of the target (high-energy) photon Bremsstrahlung.

Bei der Ausführungsform nach Anspruch 2 werden die beschleunigten Elektronen nicht direkt eingesetzt, sondern zur Generierung einer (hochenergetischen) elektromagnetischen Strahlung (Röntgen- bzw. Gammastrahlung) herangezogen, die beispielsweise zur medizinischen Therapie verwendet wird. Weitere Anwendungsgebiete sind die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und die sicherheitsrelevante Untersuchung von Fracht und Gepäck. In the embodiment according to claim 2, the accelerated electrons are not used directly, but used to generate a (high-energy) electromagnetic radiation (X-ray or gamma radiation), which is used for example for medical therapy. Further fields of application are the non-destructive material testing and the safety-relevant investigation of freight and luggage.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 3 umfasst der variable Leistungsteiler einen Zirkulator. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 4 ist der Zirkulator hierbei als 4-Tor-Zirkulator ausgebildet. According to an advantageous embodiment according to claim 3, the variable power divider comprises a circulator. According to a particularly preferred embodiment according to claim 4, the circulator is in this case designed as a 4-port circulator.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 5 ist die Hochfrequenzquelle als Magnetron ausgebildet. In a preferred embodiment according to claim 5, the high-frequency source is designed as a magnetron.

Die umschaltbare Ansteuereinheit der Elektronenquelle, die eine freie Wählbarkeit des Elektronenstroms I im ms-Bereich ermöglicht, ist entweder gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 6 durch eine Variation der Gitterspannung realisierbar, oder nach einer alternativen Ausführungsform gemäß Anspruch 7 durch eine Variation der Hochspannung. Gemäß weiteren alternativen Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 8 und 9 kann durch die Ansteuereinheit die Pulsdauer der Gittespannung oder die Pulsdauer der Hochspannung variiert werden. The switchable drive unit of the electron source, which allows free selectability of the electron current I in the ms range, can be realized either by a variation of the grid voltage according to an embodiment of claim 6, or by an alternative embodiment according to claim 7 by a variation of the high voltage. According to further alternative embodiments according to claims 8 and 9, the pulse duration of the grid voltage or the pulse duration of the high voltage can be varied by the drive unit.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 10 sind die umschaltbare Ansteuereinheit, mit der die die Elektronenquelle angesteuert wird, und die Kontrolleinheit, die das Hochfrequenzelement ansteuert, von einer übergeordneten Einheit ansteuerbar. According to a particularly preferred embodiment according to claim 10, the switchable drive unit, with which the electron source is driven, and the control unit, which drives the high frequency element, can be driven by a higher-order unit.

Nachfolgend wird ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen: Hereinafter, a schematically illustrated embodiment of the invention will be explained with reference to the drawing, but without being limited thereto. Show it:

1 nach Art eines Blockschaltbildes eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen MeV-Elektronenquelle mit einem variablen Leistungsteiler und 1 in the manner of a block diagram, an embodiment of a MeV electron source according to the invention with a variable power divider and

2 die MeV-Elektronenquelle gemäß 1 mit einer Detailansicht des Leistungsteilers. 2 the MeV electron source according to 1 with a detailed view of the power divider.

Die in 1 und 2 dargestellte MeV-Elektronenquelle umfasst eine Elektronenquelle 1 (electron gun) mit einer umschaltbaren Ansteuereinheit 2 sowie einen Linearbeschleuniger 3 mit gekoppelten Resonatoren. In den gekoppelten Resonatoren, die in 1 und 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind, werden die von der Elektronenquelle 1 erzeugten Elektronen auf eine vorgebbare Energie beschleunigt. In the 1 and 2 The illustrated MeV electron source comprises an electron source 1 (electron gun) with a switchable drive unit 2 as well as a linear accelerator 3 with coupled resonators. In coupled resonators used in 1 and 2 for clarity, are not shown by the electron source 1 accelerated electrons to a predeterminable energy.

Die im Linearbeschleuniger 3 beschleunigten Elektronen treten als Elektronenstrahl 4 aus einer stirnseitigen Austrittsöffnung 5 aus und treffen auf ein Target 6 auf, das an der stirnseitigen Austrittsöffnung 5 angeordnet ist. Beim Auftreffen auf das Target 6 werden im Material des Targets 6 hochenergetische Photonen 7 (MeV-Strahlung) erzeugt. The in the linear accelerator 3 accelerated electrons occur as electron beam 4 from a frontal outlet opening 5 out and hit a target 6 on, at the frontal outlet opening 5 is arranged. When hitting the target 6 be in the material of the target 6 high energy photons 7 (MeV radiation) generated.

Die in 1 und 2 dargestellte MeV-Elektronenquelle umfasst weiterhin eine Hochfrequenzquelle 8, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Magnetron ausgebildet ist. In the 1 and 2 illustrated MeV electron source further comprises a high frequency source 8th , which is formed in the illustrated embodiment as a magnetron.

Zwischen der Hochfrequenzquelle 8 (Magnetron) und dem Linearbeschleuniger 3 ist ein variabler Leistungsteiler 9 angeordnet. Between the high frequency source 8th (Magnetron) and the linear accelerator 3 is a variable power divider 9 arranged.

Der variable Leistungsteiler 9 weist ein Hochfrequenzelement 10 mit einem einstellbaren Reflexionsfaktor auf und umfasst weiterhin einen 4-Tor-Zirkulator 11. The variable power divider 9 has a high frequency element 10 with an adjustable reflection factor and further includes a 4-port circulator 11 ,

Für die Einstellung des Reflexionsfaktors wird das Hochfrequenzelement 10 von einer Kontrolleinheit 20 angesteuert. For the adjustment of the reflection factor, the high frequency element becomes 10 from a control unit 20 driven.

Der 4-Tor-Zirkulator 11 umfasst ein erstes Tor T1, ein zweites Tor T2, ein drittes Tor T3 sowie ein viertes Tor T4. The 4-port circulator 11 comprises a first port T1, a second port T2, a third port T3 and a fourth port T4.

Der 4-Tor-Zirkulator 11 ist über das Tor T1 an das Magnetron 8 und über das Tor T2 an das Hochfrequenzelement 10 geschaltet. Der 4-Tor-Zirkulator 11 ist weiterhin über das Tor T3 mit dem Linearbeschleuniger 3 verbunden. Das Tor 4 des 4-Tor-Zirkulators 11 ist mit einer ersten Hochfrequenzlast 12 verbunden, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Wasserlast ausgebildet ist. The 4-port circulator 11 is over the gate T1 to the magnetron 8th and via the gate T2 to the high frequency element 10 connected. The 4-port circulator 11 is still on the gate T3 with the linear accelerator 3 connected. The gate 4 of the 4-port circulator 11 is with a first high frequency load 12 connected, which is formed in the illustrated embodiment as a water load.

Erfindungsgemäß ist durch den einstellbaren Reflexionsfaktor die dem Linearbeschleuniger 3 zugeführte Hochfrequenzleistung Pin im ms-Bereich frei wählbar. Alternativ oder zusätzlich ist durch die umschaltbare Ansteuereinheit 2 der Elektronenquelle 1 der Elektronenstrom I im ms-Bereich frei wählbar. According to the invention by the adjustable reflection factor of the linear accelerator 3 supplied high frequency power P in the ms range freely selectable. Alternatively or additionally, by the switchable drive unit 2 the electron source 1 the electron current I in the ms range freely selectable.

Dadurch, dass die Hochfrequenzleistung Pin und der Elektronenstrom I jeweils frei wählbar sind, kann eine schnelle und stufenlose Variation (Variation im ms-Bereich) der Elektronenenergie U und/oder der Dosis pro Puls D problemlos ausgeführt werden. By virtue of the fact that the high-frequency power P in and the electron current I can each be freely selected, rapid and stepless variation (variation in the ms range) of the electron energy U and / or the dose per pulse D can be carried out without difficulty.

Bei dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird dies durch zwei Maßnahmen erreicht. At the in 1 and 2 illustrated embodiment, this is achieved by two measures.

Bei der ersten Maßnahme handelt es sich um die kontinuierlicher Variation der dem Linearbeschleuniger 3 zugeführten Hochfrequenzleistung Pin im ms-Bereich durch das im variablen Leistungsteiler 9 angeordnete Hochfrequenzelement 10 mit einstellbarem Reflexionsfaktor und durch den mit dem ebenfalls im variablen Leistungsteiler 9 angeordneten 4-Tor-Zirkulator 11. The first measure is the continuous variation of the linear accelerator 3 supplied high-frequency power P in the ms range by that in the variable power divider 9 arranged high-frequency element 10 with adjustable reflection factor and with the also in the variable power divider 9 arranged 4-port circulator 11 ,

Die Hochfrequenzquelle 8 (Magnetron) wird hierzu in einem festen Arbeitspunkt, d.h. bei fester Ausgangsleistung, betrieben. Die vom Magnetron 8 erzeugte Hochfrequenzleistung PMag wird hierzu über Tor T1 und Tor T2 an das Hochfrequenzelement 10 geführt. Die dort aufgrund des einstellbaren Reflexionsfaktors reflektierte Hochfrequenzleistung Pin wird nun über Tor 3 an den Linearbeschleuniger 3 weitergeleitet. Durch Variation des Reflexionsfaktors des Hochfrequenzelements 10 kann somit die dem Linearbeschleuniger 3 zugeführte Hochfrequenzleistung Pin stufenlos, z.B. in 2 ms-Intervallen, variiert werden, beispielsweise zwischen 50 % und 100 %. Die vom Linearbeschleuniger 3 reflektierte Leistung Pref wird über das Tor T3 zurückgeführt und über das Tor T4 an die erste Hochfrequenzlast 12 weitergeleitet und in dieser absorbiert. The high frequency source 8th (Magnetron) is this purpose in a fixed operating point, ie operated at a fixed output. The magnetron 8th generated high-frequency power P Mag is this over Tor T1 and Tor T2 to the high-frequency element 10 guided. The reflected there due to the adjustable reflection factor high frequency power P in is now over Tor 3 to the linear accelerator 3 forwarded. By varying the reflection factor of the high-frequency element 10 can thus the the linear accelerator 3 supplied high-frequency power P in continuously variable, for example, in 2 ms intervals, for example, between 50% and 100%. The from the linear accelerator 3 reflected power P ref is fed back via gate T3 and via gate T4 to the first high frequency load 12 forwarded and absorbed in this.

Durch geeigneten Aufbau des Hochfrequenzelements 10, beispielsweise als sogenanntes "Magisches T" mit schnell durchstimmbaren Phasenschiebern an den seitlichen Armen des "Magischen T" ist eine stufenlose und schnelle Variation des Reflexionsfaktors möglich. Ein derartiger Aufbau des Hochfrequenzelements 10 ist in 2 dargestellt. By suitable design of the high-frequency element 10 For example, as so-called "magic T" with fast tunable phase shifters on the lateral arms of the "magic T" is a stepless and rapid variation of the reflection factor possible. Such a construction of the high frequency element 10 is in 2 shown.

Bei der zweiten Maßnahme handelt es sich um die schnelle Variation des von der Elektronenquelle 1 erzeugten Elektronenstroms I. The second measure is the rapid variation of the electron source 1 generated electron current I.

Die Elektronenquelle 1 umfasst hierzu in bekannter Weise eine Kathode, ein Steuergitter und eine Lochanode. Lochanode, Kathode und Steuergitter sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 und 2 nicht dargestellt. The electron source 1 includes in a known manner a cathode, a control grid and a hole anode. Hole anode, cathode and control grid are in for clarity 1 and 2 not shown.

Die Ansteuerung des Steuergitters kann z.B. durch Einsatz einer schnellen Verstärkerstufe oder einer anderen geeigneten Schaltungstopologie als Gitterspannungstreiber erfolgen. Ebenso ist eine Variation der gepulsten Gitterspannung durch geeignete induktive Übertrager möglich. Bei Elektronenquellen ohne Steuergitter kann der Elektronenstrom I durch eine schnelle Variation der Amplitude des Kathoden-Anoden-Spannungspulses gesteuert werden. The control of the control grid can e.g. by using a fast amplifier stage or other suitable circuit topology as a grid voltage driver. Likewise, a variation of the pulsed grid voltage by suitable inductive transformer is possible. For electron sources without a control grid, the electron current I can be controlled by a rapid variation of the amplitude of the cathode-anode voltage pulse.

Bei einer Elektronenquelle mit Gittersteuerung kann statt einer Steuerung der Gitterspannung auch eine schnelle Steuerung der Anodenspannung erfolgen. In the case of an electron source with grid control, instead of controlling the grid voltage, rapid control of the anode voltage can also take place.

In 2 ist der Aufbau des Hochfrequenzelements 10 als Magisches T dargestellt. Der Begriff "Magisches T" bezeichnet eine Hohlleiterverzweigung mit vier Toren. In 2 is the structure of the high frequency element 10 presented as Magic T The term "magic T" denotes a waveguide branch with four gates.

Das Hochfrequenzelement 10 umfasst ein erstes Tor P1, ein zweites Tor P2, ein drittes Tor P3 sowie ein viertes Tor P4. The high frequency element 10 includes a first port P1, a second port P2, a third port P3 and a fourth port P4.

Das Hochfrequenzelement 10 ist über das Tor P3 an das Tor T2 des 4-Tor-Zirkulators 11 geschaltet. Weiterhin ist das Tor P4 an eine zweite Hochfrequenzlast 13 (Wasserlast) geschaltet. The high frequency element 10 is via the gate P3 to the gate T2 of the 4-port circulator 11 connected. Furthermore, the port P4 is at a second high frequency load 13 (Water load) switched.

Um eine Totalreflexion der vom Magnetron 8 erzeugten Hochfrequenzleistung PMag zu erreichen, die im "Magischen T" identisch auf Tor P1 und Tor P2 aufgeteilt wird, sind das Tor P1 das Tor P2 so beschaltet, dass die Leistung jeweils vollständig reflektiert wird. Dies kann z.B. durch einen Kurzschluss realisiert werden. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Tor P1 direkt an einen Kurzschluss 14 geführt, wohingegen das Tor P2 über einen Phasenschieber 15 kurzgeschlossen ist. For a total reflection of the magnetron 8th To achieve the generated high-frequency power P Mag , which is divided equally in the "magic T" on gate P1 and gate P2, the gate P1, the gate P2 are connected so that the power is completely reflected. This can be realized, for example, by a short circuit. At the in 2 illustrated embodiment, the gate P1 is directly connected to a short circuit 14 whereas gate P2 has a phase shifter 15 shorted.

Der Linearbeschleuniger 3 wird mit einer kontinuierlich verstimmbaren Hochfrequenzleistung Pin und Gitterspannung versorgt. The linear accelerator 3 is supplied with a continuously tunable high frequency power P in and grid voltage.

Das Magnetron 8 koppelt die Hochfrequenzleistung PMag in das erste Tor T1 des 4-Tor-Zirkulators 11 ein. Die Hochfrequenzleistung PMag wird anschließend am zweiten Tor T2 des 4-Tor-Zirkulators 11 ausgekoppelt und in das dritte Tor P 3 des Magischen T (Hochfrequenzelement 10) eingekoppelt. The magnetron 8th The high-frequency power P Mag is coupled to the first port T1 of the 4-port circulator 11 one. The high-frequency power P Mag is then at the second port T2 of the 4-port circulator 11 decoupled and into the third port P 3 of the Magic T (high-frequency element 10 ) coupled.

Die Hochfrequenzleistung PMag wird im Hochfrequenzelement 10 gleichmäßig auf das erste Tor P1 und das zweite Tor P2 aufgeteilt und am Kurzschluss 14 bzw. am Phasenschieber 15 mit anschließendem Kurzschluss 16 reflektiert. The high frequency power P Mag is in the high frequency element 10 evenly divided on the first port P1 and the second port P2 and at the short circuit 14 or on the phase shifter 15 followed by a short circuit 16 reflected.

Der Phasenschieber 15 ist im ms-Bereich kontinuierlich verstimmbar und so eingestellt, dass die reflektierte Hochfrequenzleistung PMag im Hochfrequenzelement 10 (Magisches T) gezielt interferieren. The phase shifter 15 is continuously tunable in the ms range and adjusted so that the reflected high frequency power P Mag in the high frequency element 10 (Magic T) intentionally interfere.

Bei 0° Phasenverstimmung wird die gesamte Hochfrequenzleistung Pin über das dritte Tor P3 ausgekoppelt und in das zweite Tor T2 des 4-Tor-Zirkulators 11 eingekoppelt. At 0 ° phase detuning, the entire high frequency power P in is coupled out via the third port P3 and into the second port T2 of the 4-port circulator 11 coupled.

Bei 180° Phasenverstimmung wird keine Hochfrequenzleistung Pin aus dem dritten Tor P3 ausgekoppelt und damit auch keine Hochfrequenzleistung Pin in das zweite Tor T2 des 4-Tor-Zirkulators 11 eingekoppelt. At 180 ° phase detuning no high-frequency power P in is coupled out of the third port P3 and thus no high-frequency power P in in the second port T2 of the 4-port circulator 11 coupled.

Durch eine gezielte Phasenverschiebung zwischen 0° und 180° lässt sich die Hochfrequenzleistung zwischen 0 % und 100 % kontinuierlich verstellen. Through a specific phase shift between 0 ° and 180 °, the high frequency power can be continuously adjusted between 0% and 100%.

Falls eine Hochfrequenzleistung Pin großer Null über das dritte Tor P3 des Hochfrequenzelements 10 (Magisches T) ausgekoppelt und in das zweite Tor T2 des 4-Tor-Zirkulators 11 eingekoppelt wird, koppelt die Hochfrequenzleistung Pin anschließend aus dem dritten Tor T3 aus und speist dadurch den Linearbeschleuniger 3 mit der entsprechenden Hochfrequenzleistung Pin. If a high frequency power P in large zero across the third port P3 of the high frequency element 10 (Magic T) decoupled and into the second port T2 of the 4-port circulator 11 is coupled, the high frequency power P in then coupled out of the third port T3 and thereby feeds the linear accelerator 3 with the corresponding high frequency power P in .

Die Hochfrequenzleistung Pref, die vom Linearbeschleuniger 3 reflektiert wird, koppelt wieder in das dritte Tor T3 des 4-Tor-Zirkulators 11 ein und wird über das vierte Tor T4 in die erste Hochfrequenzlast 12 eingekoppelt und absorbiert. The high-frequency power P ref , that of the linear accelerator 3 is reflected, couples again into the third port T3 of the 4-port circulator 11 and enters the first high frequency load via the fourth port T4 12 coupled and absorbed.

Die umschaltbare Ansteuereinheit 2 stellt einen Gitterpuls zur Verfügung, dessen Amplitude im Bereich von wenigen Millisekunden (1 ms bis 2 ms) in Spannungsamplitude und/oder Pulsdauer kontinuierlich verändert werden kann. Durch Änderung der Pulslänge τPuls ist eine Variation der Dosis pro Puls D The switchable control unit 2 provides a grating pulse whose amplitude in the range of a few milliseconds (1 ms to 2 ms) in voltage amplitude and / or pulse duration can be changed continuously. By changing the pulse length τ pulse is a variation of the dose per pulse D

zusätzlich möglich. Die Dosis pro Puls D durch die Pulslänge τPuls zu variieren, bietet den Vorteil einer linearen Verstellung. additionally possible. The dose per pulse D to vary by the pulse length τ pulse offers the advantage of a linear adjustment.

Die umschaltbare Ansteuereinheit 2 und die Kontrolleinheit 20 werden über eine in der Zeichnung nicht dargestellte übergeordnete Einheit angesteuert. The switchable control unit 2 and the control unit 20 are driven via a parent unit, not shown in the drawing.

Obwohl die Erfindung im Detail durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist, ist die Erfindung nicht durch das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Vielmehr können vom Fachmann hieraus auch andere Varianten der erfindungsgemäßen Lösung abgeleitet werden, ohne hierbei den zugrunde liegenden Erfindungsgedanken zu verlassen. Although the invention is described in detail by a preferred embodiment, the invention is not limited by the embodiment described above. On the contrary, other variants of the solution according to the invention can be derived by the person skilled in the art without departing from the underlying concept of the invention.

Wie aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels ersichtlich ist, wird durch die die erfindungsgemäße Lösung, nämlich den Linearbeschleuniger 3 mit einer im ms-Bereich kontinuierlich durchstimmbaren Hochfrequenzleistung Pin und mit einem im ms-Bereich kontinuierlich einstellbaren Emissionsstrom I zu betreiben, eine verbesserte MeV-Elektronenquelle geschaffen. As can be seen from the description of the embodiment, by the solution according to the invention, namely the linear accelerator 3 with an in the ms range continuously tunable high frequency power P in and with a continuously adjustable in the ms range emission current I, created an improved MeV electron source.

Mithilfe der erfindungsgemäßen Umsetzung von Hochfrequenzleistung Pin und Emissionsstrom I in Dosis D und Elektronenenergie U ist eine Strahlungsquelle realisierbar, bei der die Elektronenenergie U und/oder die Dosis D im ms-Bereich beliebig umschaltbar sind. By means of the inventive implementation of high-frequency power P in and emission current I in dose D and electron energy U, a radiation source can be realized in which the electron energy U and / or dose D in the ms range can be switched as desired.

Man erhält dadurch die Möglichkeit, den Linearbeschleuniger 3 mit konstanter Dosis D bei unterschiedlichen Elektronenenergien U zu betreiben, z.B. zur zusätzlichen Nutzung der spektral abhängigen Absorption von ausgedehnten Objekten in der Materialprüfung (NDT, non destructive testing) bzw. in der Sicherheitstechnik (z.B. bei Containerdurchleuchtung). This gives the possibility of the linear accelerator 3 operate with a constant dose D at different electron energies U, eg for the additional use of the spectrally dependent absorption of extended objects in material testing (NDT, non-destructive testing) or in safety engineering (eg in container transillumination).

Durch die voneinander unabhängige und im ms-Bereich ausführbare Variation von Elektronenenergie U und Dosis pro Puls D (Produkt aus Pulsleistung und Pulslänge), ergibt sich beispielsweise in der Strahlentherapie die Möglichkeit, bei schnell drehenden Therapiemaschinen die Dosisleistung und Energie des Therapiestrahles während einer Drehung anzupassen. Zu den schnell drehenden Therapiemaschinen zählen z.B. CT-artige Maschinen oder Maschinen für schnelle iMRT Anwendungen (iMRT, intensitätsmodulierte Strahlentherapie). Due to the mutually independent and in the ms-range executable variation of electron energy U and dose per pulse D (product of pulse power and pulse length), resulting in radiotherapy, for example, the ability to adjust the dose rate and energy of the therapy beam during rotation in fast-rotating therapy machines , The fast rotating therapy machines include e.g. CT-type machines or machines for fast iMRT applications (iMRT, intensity-modulated radiotherapy).

Claims (10)

MeV-Elektronenquelle, umfassend – eine Elektronenquelle (1) mit einer umschaltbaren Ansteuereinheit (2), – einen Linearbeschleuniger (3) mit gekoppelten Resonatoren, in denen die von der Elektronenquelle (1) erzeugten Elektronen auf eine vorgebbare Energie beschleunigt werden und an einer stirnseitigen Austrittsöffnung (5) als Elektronenstrahl (4) austreten, und – eine Hochfrequenzquelle (8), wobei – zwischen der Hochfrequenzquelle (8) und dem Linearbeschleuniger (3) ein variabler Leistungsteiler (9) angeordnet ist, der wenigstens ein Hochfrequenzelement (10) mit einem über eine Kontrolleinheit (20) einstellbaren Reflexionsfaktor aufweist, und wobei – durch den einstellbaren Reflexionsfaktor die dem Linearbeschleuniger (3) zugeführte Hochfrequenzleistung (Pin) im Millisekunden-Bereich frei wählbar ist, und/oder durch die umschaltbare Ansteuereinheit (2) der Elektronenquelle (1) der Elektronenstrom (I) im Millisekunden-Bereich frei wählbar ist. MeV electron source, comprising - an electron source ( 1 ) with a switchable drive unit ( 2 ), - a linear accelerator ( 3 ) with coupled resonators, in which the from the electron source ( 1 ) are accelerated to a predeterminable energy and at an end-side outlet opening ( 5 ) as electron beam ( 4 ), and - a high-frequency source ( 8th ), whereby - between the high-frequency source ( 8th ) and the linear accelerator ( 3 ) a variable power divider ( 9 ) is arranged, the at least one high frequency element ( 10 ) with one via a control unit ( 20 ) adjustable reflection factor, and wherein - by the adjustable reflection factor that the linear accelerator ( 3 ) supplied in the millisecond range, and / or by the switchable drive unit ( 2 ) of the electron source ( 1 ) the electron current (I) in the millisecond range is freely selectable. MeV-Elektronenquelle nach Anspruch 1, wobei an der stirnseitigen Austrittsöffnung (5) des Linearbeschleunigers (3) ein Target angeordnet ist, in dem beim Abbremsen der austretenden Elektronen (4) im Material des Targets (6) Photonen (7) erzeugt werden. MeV electron source according to claim 1, wherein at the front-side outlet opening ( 5 ) of the linear accelerator ( 3 ) a target is arranged, in which the braking of the escaping electrons ( 4 ) in the material of the target ( 6 ) Photons ( 7 ) be generated. MeV-Elektronenquelle nach Anspruch 1, wobei der variable Leistungsteiler (9) einen Zirkulator (11) umfasst. MeV electron source according to claim 1, wherein the variable power divider ( 9 ) a circulator ( 11 ). MeV-Elektronenquelle nach Anspruch 2, wobei der Zirkulator als 4-Tor-Zirkulator (11) ausgebildet ist. MeV electron source according to claim 2, wherein the circulator as a 4-port circulator ( 11 ) is trained. MeV-Elektronenquelle nach Anspruch 1, wobei die Hochfrequenzquelle als Magnetron (8) ausgebildet ist. MeV electron source according to claim 1, wherein the high frequency source is a magnetron ( 8th ) is trained. MeV-Elektronenquelle nach Anspruch 1, wobei die Ansteuereinheit (2) die Gitterspannung variiert. MeV electron source according to claim 1, wherein the drive unit ( 2 ) the grid voltage varies. MeV-Elektronenquelle nach Anspruch 1, wobei die Ansteuereinheit (2) die Hochspannung variiert. MeV electron source according to claim 1, wherein the drive unit ( 2 ) the high voltage varies. MeV-Elektronenquelle nach Anspruch 1, wobei die Ansteuereinheit (2) die Pulsdauer der Gitterspannung variiert. MeV electron source according to claim 1, wherein the drive unit ( 2 ) varies the pulse duration of the grid voltage. MeV-Elektronenquelle nach Anspruch 1, wobei die Ansteuereinheit (2) die Pulsdauer der Hochspannung variiert. MeV electron source according to claim 1, wherein the drive unit ( 2 ) varies the pulse duration of the high voltage. MeV-Elektronenquelle nach Anspruch 1, wobei die umschaltbare Ansteuereinheit (2) und die Kontrolleinheit (20) über eine übergeordnete Einheit ansteuerbar sind. MeV electron source according to claim 1, wherein the switchable drive unit ( 2 ) and the control unit ( 20 ) can be controlled via a higher-level unit.
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