DE102013213412A1

DE102013213412A1 - Verfahren zur Erzeugung einer Ablenkspannung für einen Strahl beschleunigter geladener Teilchen

Info

Publication number: DE102013213412A1
Application number: DE201310213412
Authority: DE
Inventors: Janos Gila; Ulrich Hagen; Andreas Hofmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2015-01-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Ablenkspannung für einen Strahl beschleunigter geladener Teilchen, wobei die geladenen Teilchen im Strahl in Teilchen-Paketen vorliegen und die Teilchen-Pakete im Strahl eine Wiederholungsrate f0 aufweisen. Um eine möglichst geringe Bandbreite der Ablenkspannung sicherzustellen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: – Verzerrung eines im Wesentlichen sinusförmigen Eingangsspannungssignals (U0(t)) durch nichtlineare Verstärkung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Ablenkspannung für einen Strahl beschleunigter geladener Teilchen, wobei die geladenen Teilchen im Strahl in Teilchen-Paketen vorliegen und die Teilchen-Pakete im Strahl eine Wiederholungsrate f0 aufweisen.
Beschleunigte Teilchen, insbesondere beschleunigte Protonen werden sowohl in Forschung als auch in der Technik eingesetzt. Eine Anwendung in der Medizin besteht in der Behandlung von schwer zugänglichen Tumoren durch Bestrahlung mit Protonen. Vorteilhaft wirkt sich hierbei die Charakteristik der Energieabgabe der Protonen im Gewebe aus, die nicht gleichmäßig über das durchstrahlte Gewebe, sondern hauptsächlich in der gewünschten Gewebetiefe erfolgt.
Die Protonen liegen im Strahl in Paketen vor, d.h. im Strahl existieren räumliche Bereiche mit einer hohen Protonen-Dichte, und dazwischen sind Lücken ohne Protonen. Diese Abfolge ist regelmäßig bzw. wiederholt sich, sodass die Protonen-Pakete im Strahl eine gewisse Wiederholungsrate aufweisen. Die Dauer der Behandlung hängt von dieser Wiederholungsrate ab, d.h. wie schnell hintereinander die Protonen-Pakete gebildet und im zu bestrahlenden kranken Gewebe deponiert werden können. Für eine höhere Durchsatzrate muss die Wiederholungsrate entsprechend erhöht werden. Andererseits müssen die Protonen-Pakete natürlich ganz präzise abgelenkt werden, um kollaterale Schäden im gesunden Gewebe zu vermeiden. Die Möglichkeit zur präzisen Ablenkung muss grundsätzlich vorhanden sein, da der zu bestrahlende Tumor üblicherweise eine gewisse laterale Dimension hat und der Protonen-Strahl daher über diesen lateralen Bereich gesteuert werden muss, um den gesamten Tumor zu bestrahlen.
Diese beiden Randbedingungen fordern, dass die Steuerung des Protonen-Strahls bzw. die Ablenkung der Protonen-Pakete des Strahls extrem schnell und mit sehr hoher Präzision erfolgen muss. Zur Ablenkung wird üblicherweise ein sogenannter Intensitätsmodulator verwendet, wobei heute Wiederholungsraten von maximal 75 MHz gehandhabt werden können. Diese maximale Frequenz ist durch die derzeit verfügbare Ablenkungselektronik bedingt und begrenzt die erreichbare Durchsatzrate bei den Behandlungen.
Zur Lösung dieses Problems wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem zunächst Protonen-Pakete aus dem zu steuernden Strahl herausgekickt werden, um den räumlichen bzw. zeitlichen Abstand zwischen Protonen-Paketen oder Zügen von Protonen-Paketen im Strahl zu vergrößern. Die Präzision der für das Herauskicken benötigten Ablenkspannung bzw. des Spannungssignals, welches üblicherweise an Ablenkplatten angelegt wird, ist dabei von untergeordneter Bedeutung. Entscheidend ist grundsätzlich die Stärke bzw. Maximalspannung des Spannungssignals. Die im Strahl verbleibenden Protonen-Pakete können hierauf unter Zuhilfenahme heute verfügbarer Ablenkelektronik präzise abgelenkt werden.
Obwohl, wie gesagt, die Präzision des für das Herauskicken verwendeten Spannungssignals von untergeordneter Rolle ist, müssen natürlich trotzdem gewisse Anforderungen an die Genauigkeit des Signals erfüllt sein. Insbesondere ist sicherzustellen, dass nur die vorgesehenen Protonen-Pakete herausgekickt werden und dass keine anderen Protonen-Pakete durch das Herauskicke beeinflusst werden. Theoretisch kann dies mit einem rechteckförmigen Spannungssignal gewährleistet werden, das zum einen eine ausreichende Höhe bzw. Amplitude aufweisen muss, um hinreichend große Ablenkwinkel für das Herauskicken zu erzeugen. Zum anderen muss das Rechtecksignal hinreichend lange sein, um das gesamte vorgesehene Protonen-Paket herauszukicken. Dies wiederum bedingt, dass die Flanken des Rechtecksignals sehr steil sein müssen, um sicherzustellen, dass nicht auch Teile von benachbarten Protonen-Paketen, die im Strahl verbleiben sollen, abgelenkt bzw. herausgekickt werden.
In der Praxis bereitet die gleichzeitige Erfüllung dieser Anforderungen große Probleme. Die für das Herauskicken erforderliche Höhe des Spannungssignals würde mitunter eine Verstärkung eines im Wesentlichen rechteckförmigen Eingangsspannungssignals notwendig machen. Diese Verstärkung wird jedoch aufgrund der großen Bandbreite des Rechtecksignals, die durch die steilen Flanken verursacht wird, erheblich erschwert oder gar verunmöglicht.
Grundsätzlich kann diese Problematik natürlich nicht nur beim Herauskicken auftreten, sondern auch bei anderen Ablenkvorgängen geladener Teilchen, bei denen hohe Spannungen einerseits und relativ abrupte Spannungsänderungen andererseits eingesetzt werden müssen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung einer Ablenkspannung zur Verfügung zu stellen, das die geschilderten Probleme vermeidet. Insbesondere soll die erfindungsgemäß erzeugte Ablenkspannung eine möglichst geringe Bandbreite aufweisen, um eine problemlose Verstärkung zu ermöglichen.
Üblicherweise werden geladene Teilchen bzw. Teilchen-Pakete aus einer geradlinigen Bahn um einen Ablenkungswinkel abgelenkt, indem man die Teilchen bzw. Teilchen-Pakete sich in einem elektrischen Feld zwischen zwei Ablenkplatten bewegen lässt. Das elektrische Feld wird durch Anlegen eines Spannungssignals bzw. einer Ablenkspannung an die Ablenkplatten erzeugt, wobei das Spannungssignal bzw. die Ablenkspannung eine Funktion der Zeit ist. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass der Ablenkungswinkel, den ein einzelnes geladenes Teilchen erfährt, nicht vom exakten zeitlichen Verlauf der Ablenkspannung abhängt, sondern vom zeitlichen Integral der Ablenkspannung. D.h. für die Ablenkung eines einzelnen geladenen Teilchens muss die Ablenkspannung keine Rechteckform aufweisen.
Für ein Paket von geladenen Teilchen ergibt sich hingegen ein gewisser Einfluss des konkreten zeitlichen Verlaufs der Ablenkspannung auf den Ablenkwinkel. Da jedoch insbesondere für das Herauskicken von Teilchen-Paketen aus einem Strahl die Genauigkeit des konkreten Ablenkwinkels von untergeordneter Bedeutung ist und lediglich sichergestellt werden muss, dass der Ablenkwinkel groß genug ist, muss auch in diesem Fall keine exakt rechteckförmige Ablenkspannung eingesetzt werden. Es hat sich vielmehr gezeigt, dass durch die Verzerrung eines sinusförmigen Spannungssignals eine für das Herauskicken geeignete Ausgangsspannung erzeugt werden kann, die garantiert, dass die gewünschten Teilchen-Pakete vollständig aus dem Strahl entfernt werden bzw. im Strahl verbleiben. Auf diese Weise wird eine Ablenkspannung mit einer – insbesondere im Vergleich zu einer Rechteckspannung – geringen Bandbreite zur Verfügung gestellt.
Zur Verzerrung kann die inhärente Nichtlinearität verschiedener handelsüblicher Halbleiterbauelemente in vorteilhafter Weise genutzt werden. Dies gestattet einen einfachen und kostengünstigen Aufbau. Beispielsweise kann die exponentielle Kennlinie eines Bipolartransistors, insbesondere dessen Basis-Emitter-Kennlinie, zur Verzerrung benutzt werden oder die quadratische Kennlinie eines Feldeffekttransistors.
Neben der Verzerrung wird mithilfe dieser Halbleiterbauelemente das sinusförmige Eingangsspannungssignal typischerweise um eine Größenordnung bzw. einen Faktor 10 verstärkt. Beispielsweise kann ein sinusförmiges Eingangsspannungssignal mit einer Maximalspannung von 20 V so verstärkt und verzerrt werden, dass das verzerrte Eingangsspannungssignal eine Maximalspannung von 200 V aufweist.
Daher ist es bei einem Verfahren zur Erzeugung einer Ablenkspannung für einen Strahl beschleunigter geladener Teilchen, wobei die geladenen Teilchen im Strahl in Teilchen-Paketen vorliegen und die Teilchen-Pakete im Strahl eine Wiederholungsrate f0 aufweisen, erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:

– Verzerrung eines im Wesentlichen sinusförmigen Eingangsspannungssignals durch nichtlineare Verstärkung.

Für den Fall, dass aus dem Strahl genau jedes zweite Teilchen-Paket herausgekickt werden muss, kann das sinusförmige Eingangsspannungssignal so verzerrt werden, dass jeweils eine Halbwelle (im Folgenden auch erste Halbwellen genannt) zum Herauskicken eines Teilchen-Pakets verwendet wird und die jeweils darauffolgende Halbwelle (im Folgenden auch zweite Halbwellen genannt) so verzerrt wird, dass das Teilchen-Paket, welches mit dieser Halbwelle zusammenfällt, nicht abgelenkt bzw. herausgekickt wird. D.h. es muss die zweite Halbwelle in einem zeitlichen Bereich, der mit dem räumlichen Bereich des durchzulassenden Teilchen-Pakets zusammenfällt, im Wesentlichen auf Null verzerrt werden. Um in diesem Fall die korrekte Synchronisation zwischen den Teilchen-Paketen und dem Eingangsspannungssignal bzw. dessen Halbwellen zu garantieren, muss die Frequenz bzw. Wiederholungsrate des Eingangsspannungssignals zu f0/2 gewählt werden. Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das im Wesentlichen sinusförmige Eingangsspannungssignal eine Wiederholungsrate f0/2 aufweist.
Ein großer Vorteil der geringen Bandbreite des verzerrten Eingangsspannungssignals besteht in der einfachen Möglichkeit zur weiteren Verstärkung, insbesondere mittels eines Transformators. Diese Art der Verstärkung wäre bei einem rechteckförmigen Spannungssignal kaum oder gar nicht möglich.
Erfindungsgemäß kann hingegen zunächst ein sinusförmiges Eingangsspannungssignal mit einer relativ geringen Maximalspannung mittels handelsüblicher Halbleiterbauelemente, welche nichtlineare Kennlinien aufweisen, verstärkt und verzerrt werden. Das verzerrte Eingangsspannungssignal kann dann mit relativ geringem Aufwand so stark vergrößert werden, dass hinreichend große Ablenkwinkel für das Herauskicken von insbesondere schweren Teilchen-Paketen realisiert werden können. Zum Herauskicken wird das vergrößerte Spannungssignal an Ablenkplatten angelegt. Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das verzerrte Eingangsspannungssignal an die Primärseite eines Transformators angelegt wird und ein hochtransformiertes Spannungssignal von der Sekundärseite des Transformators an Ablenkplatten angelegt wird. Typischerweise beträgt die Verstärkung durch den Transformator einen Faktor 2 bis 4. Höhere Verstärkungsfaktoren werden durch immer größer werdende parasitäre Kapazitäten immer schwieriger bzw. verhindert.
Das derart vergrößerte Spannungssignal kann eine Maximalspannung von einigen hundert Volt aufweisen, was insbesondere für die Ablenkung von schweren geladenen Teilchen, wie z.B. Protonen oder Ionen wichtig ist. Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das hochtransformierte Spannungssignal eine Maximalspannung zwischen 100 V und 500 V, vorzugsweise zwischen 175 V und 225 V aufweist.
Wie bereits erwähnt, kann zur Verzerrung des sinusförmigen Eingangsspannungssignals die nichtlineare Basis-Emitter-Kennlinie eines Bipolartransistors verwendet werden. In diesem Fall wird der Bipolartransistor mit dem sinusförmigen Eingangsspannungssignal angesteuert, indem das Spannungssignal zwischen Basis und Emitter angelegt wird. Am Ausgang des Transistors wird das verzerrte Spannungssignal abgegriffen. Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass zur nichtlinearen Verstärkung ein Bipolartransistor verwendet wird.
Analog ist es bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass zur nichtlinearen Verstärkung ein Feldeffekttransistor, vorzugsweise ein MOSFET verwendet wird. Hierbei wird die quadratisch Kennlinie eines Feldeffekttransistors, insbesondere eines MOSFET genutzt, indem dessen Eingang mit dem sinusförmigen Eingangsspannungssignal angesteuert und am Ausgang das verzerrte Spannungssignal abgegriffen wird.
Weiters kann an den Eingang des MOSFET eine konstante Offset-Spannung angelegt werden. Diese liegt typischerweise im Bereich von –10 V bis +20 V. Hierdurch werden Anteile des sinusförmigen Eingangsspannungssignals, insbesondere die zweiten Halbwellen unter die Einschaltschwelle des MOSFET verschoben. Dies bewirkt, dass die zweiten Halbwellen besonders stark verzerrt werden, nämlich über einen relativ breiten bzw. langen Bereich auf Null. Entsprechend werden Teilchen-Pakete die mit den zweiten Halbwellen zusammenfallen ungestört im Strahl belassen und nicht herausgekickt. Daher ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass zusätzlich eine Offset-Spannung an den Eingang des Feldeffekttransistors angelegt wird.
Wie bereits erwähnt, können erfindungsgemäß so hohe Ablenkspannungen erzeugt werden, dass auch Strahlen mit sehr schweren geladenen Teilchen gesteuert werden können. D.h. die Ablenkspannungen ermöglichen es, Teilchen-Pakete auch aus solchen Strahlen herauszukicken. Insbesondere können auf diese Weise Protonen bzw. Protonen-Pakete abgelenkt werden, wobei die Masse eines Protons im Vergleich zu einem Elektron rund zweitausendmal größer ist. Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass es sich bei den Teilchen um Protonen handelt. Es versteht sich, dass es grundsätzlich möglich ist, erfindungsgemäß erzeugte Ablenkspannungen zur Ablenkung bzw. Steuerung von Elektronen-Strahlen, in welchen Elektronen in Elektronen-Paketen vorliegen und die Elektronen-Pakete eine gewisse Wiederholungsrate f0 aufweisen, zu verwenden.
Insbesondere im Falle von Protonen-Strahlen können durch das Herauskicken von Protonen-Paketen Strahlen steuerbar gemacht werden, in denen die Protonen-Pakete mit wesentlich höheren Wiederholungsraten f0 vorliegen als dies bislang möglich war. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass 50 MHz ≤ f0 ≤ 500 MHz, vorzugsweise 100 MHz ≤ f0 ≤ 200 MHz, besonders bevorzugt 148 MHz ≤ f0 ≤ 152 MHz gilt. Die für die Verzerrung des sinusförmigen Eingangsspannungssignals verwendeten handelsüblichen Halbleiterbauelemente können bei diesen Wiederholungsraten problemlos verwendet werden.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind beispielhaft und sollen den Erfindungsgedanken zwar darlegen, ihn aber keinesfalls einengen oder gar abschließend wiedergeben.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Herauskicken und Ablenken von Protonen-Paketen in einem ersten Strahl, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann
2 eine schematische Darstellung der Möglichkeiten zur Ablenkung der im ersten Strahl verbleibenden Protonen-Pakete
3 ein rechteckförmiges Eingangsspannungssignal zum Herauskicken von Protonen-Paketen
4 ein Diagramm eines Modells einer Dichteverteilung von Protonen in einem Strahl gemeinsam mit einem Ablenkungswinkel, der sich aus dem Eingangsspannungssignal der 3 ergibt
5 ein sinusförmiges Eingangsspannungssignal zum Herauskicken von Protonen-Paketen
6 ein Diagramm eines Modells einer Dichteverteilung von Protonen in einem Strahl gemeinsam mit dem Ablenkungswinkel, der sich aus dem Eingangsspannungssignal der 5 ergibt
7 ein mit einem Bipolar-Transistor verzerrtes Eingangsspannungssignal zum Herauskicken von Protonen-Paketen
8 ein Diagramm eines Modells einer Dichteverteilung von Protonen in einem Strahl gemeinsam mit dem Ablenkungswinkel, der sich aus dem Eingangsspannungssignal der 7 ergibt
9 ein mit einem MOSFET verzerrtes Eingangsspannungssignal zum Herauskicken von Protonen-Paketen, wobei zusätzlich am Eingang des MOSFET eine Offset-Spannung angelegt ist
10 ein Diagramm eines Modells einer Dichteverteilung von Protonen in einem Strahl gemeinsam mit dem Ablenkungswinkel, der sich aus dem Eingangsspannungssignal der 9 ergibt
11 ein Schaltbild einer Anordnung zur Erzeugung des Eingangsspannungssignals analog zu 7, welches außerdem mittels eines Transformators verstärkt wird
12 ein Schaltbild einer Anordnung zur Erzeugung des Eingangsspannungssignals analog zu 9, welches außerdem mittels eines Transformators verstärkt wird
1 illustriert ein Beispiel für eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei Protonen-Pakete 2 aus einem ersten Strahl 1 herausgekickt werden. Die Protonen-Pakete 2 liegen im ersten Strahl 1 zunächst mit einer Frequenz bzw. Wiederholungsrate f0, beispielsweise mit f0 = 150 MHz vor. Eine typische Geschwindigkeit der Protonen-Pakete 2 beträgt 1.384·10⁶ m/s. Eine Länge 3 eines einzelnen Protonen-Pakets 2 bzw. seine räumliche Ausdehnung entlang seiner Bewegungsrichtung 9 ist so definiert, dass sich 99% aller Protonen des Protonen-Pakets 2 innerhalb dieser Länge 3 befinden. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Protonen-Paketen 2 ist eine Lücke, sodass sich eine „Wellenlänge“ bzw. ein Abstand 4 (vgl. 4) ergibt. Bei der genannten Geschwindigkeit und Wiederholungsrate ergibt sich der Abstands 4 zu 9,2 mm (entsprechend einer Zeit von ca. 6,6 ns) und die Länge 3 zu 4 mm (entsprechend einer Zeit von ca. 2,9 ns).
Um die Lücke zwischen zwei aufeinanderfolgenden Protonen-Paketen 2 bzw. den Abstand 4 zu vergrößern und so eine besonders präzise Ablenkung der einzelnen Protonen-Pakete 2 zu ermöglichen, wird im Beispiel der 1 jedes zweite Protonen-Paket 2 aus dem ersten Strahl 1 herausgekickt. Die Wiederholungsrate der im ersten Strahl 1 verbleibenden Protonen-Pakete 2 beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel f0/2 = 75 MHz.
Das Herauskicken geschieht durch Anlegen einer Ablenkspannung bzw. eines Spannungssignals an erste Ablenkplatten 6, wobei die maximale Höhe des Spannungssignals zwischen 100 V und 500 V, typischerweise bei 270 V liegt. Die Präzision des Spannungssignals ist für das Herauskicken von untergeordneter Bedeutung. Entscheidend ist, dass eine hinreichend große Ablenkung stattfindet, die typischerweise ca. 0,5° beträgt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel können die ersten Ablenkplatten 6 beispielsweise 3 mm bis 4 mm lang sein.
Zur präzisen Ablenkung der im ersten Strahl 1 verbleibenden Protonen-Pakete 2 werden zweite Ablenkplatten 7 verwendet, um die Protonen-Pakete 2 auf ein erstes Ziel 11 bzw. in einen ersten Zielbereich zu lenken. Der größere Abstand 4 ermöglicht es, eine größere Länge der zweiten Ablenkplatten 7 (im Vergleich zur Länge der ersten Ablenkplatten 6) vorzusehen. Beispielsweise können die zweiten Ablenkplatten eine Länge von 8 mm aufweisen. Entscheidend ist, dass die Ablenkspannung bzw. das Spannungssignal, welches an die zweiten Ablenkplatten 7 angelegt wird, sehr präzise ist, wobei die Auflösung des Spannungssignals typischerweise kleiner gleich einem Tausendstel seiner Maximalspannung ist. Entsprechend kann eine sehr präzise Ablenkung mit einer Winkelauflösung von kleiner gleich 0,001° realisiert werden, wobei Ablenkwinkel von typischerweise kleiner als 0,5° mit den zweiten Ablenkplatten 7 eingestellt werden.
2 illustriert, dass tatsächlich jedes einzelne Protonen-Paket 2 individuell mit der gewünschten Präzision abgelenkt werden kann.
Die aus dem ersten Strahl 1 herausgekickten Protonen-Pakete 2 bilden grundsätzlich einen zweiten Strahl 5, der auf ein zweites Ziel 12 bzw. einen zweiten Zielbereich gerichtet werden kann, um auch diese Protonen-Pakete 2 zu nutzen. Hierbei kann das zweite Ziel 12 auch in der Nähe des ersten Ziels 11 liegen oder mit diesem übereinstimmen. In diesen Fällen müssen die aus dem ersten Strahl 1 herausgekickten Protonen-Pakete 2 zunächst in eine Richtung retour gekickt werden, die im Wesentlichen parallel zur Richtung des ersten Strahls 1 verläuft. Wie in 1 illustriert ist, kommen für das Retourkicken weitere erste Ablenkplatten 10 zum Einsatz. Wie das Herauskicken erfolgt auch das Retourkicken mit einer entsprechend hohen Ablenkspannung, die nicht besonders präzise sein muss. Erst dann werden die Protonen-Pakete 2 des zweiten Strahls 5 mittels weiterer zweiter Ablenkplatten 8 präzise auf das zweite Ziel 12 abgelenkt.
Im Prinzip könnte zum Herauskicken (oder zum Retourkicken) ein rechteckförmiges Eingangsspannungssignal U_RE(t) verwendet werden, wie es in 3 illustriert ist. Auf der Abszisse ist die Zeit t aufgetragen, auf der Ordinate die Spannung. Das rechteckförmige Eingangsspannungssignal U_RE(t) weist möglichst steile Flanken auf, um die zeitlichen Bereiche mit einer hohen Spannung von im gezeigten Beispiel ca. 200 V und null Spannung möglichst scharf zu definieren. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nicht versehentlich auch Teile von benachbarten Protonen-Paketen 2, die im Strahl verbleiben sollen, abgelenkt bzw. herausgekickt werden.
4 zeigt ein Diagramm eines Modells einer Dichteverteilung ρ von Protonen im ersten Strahl 1 (vgl. 1), wobei die Protonen in Protonen-Paketen 2 mit einer Wiederholungsrate f0 vorliegen. Entsprechend stellt die Abszisse die räumliche Ausdehnung x dar und die (rechte) Ordinate die Dichteverteilung ρ. Die Dichteverteilung ρ wird in 4 durch die durchgezogene Linie symbolisiert. Die Dichteverteilung ρ in einem Protonen-Paket 2 wird mittels einer Gaußschen Glockenkurve modelliert. Der Abstand 4 kann bequem vom Maximum der Dichteverteilung eines Protonen-Pakets 2 bis zum Maximum der Dichteverteilung des darauffolgenden Protonen-Pakets 2 gemessen werden. Insgesamt sind in 4 drei Protonen-Pakete 2 erkennbar.
Weiters ist in 4 auf der (linken) Ordinate der Ablenkwinkel α aufgetragen, der sich aus der Ablenkspannung der 3 ergibt, wobei der Ablenkwinkel α von der strichlierten Linie symbolisiert wird. Wie zu erkennen ist, wird das sich in der Mitte befindende Protonen-Paket 2 nicht abgelenkt, wohingegen die beiden anderen Protonen-Pakete 2 vollständig mit einem maximalen Ablenkwinkel von ca. 0,4° abgelenkt bzw. herausgekickt werden.
Das rechteckförmige Eingangsspannungssignal U_RE(t) der 3 würde sich also grundsätzlich für das Herauskicken von Protonen-Paketen 2 aus dem ersten Strahl 1 eignen. Allerdings ist die Bandbreite des rechteckförmigen Eingangsspannungssignals U_RE(t) sehr hoch, was insbesondere eine Verstärkung erheblich erschwert. In der Praxis kann daher das rechteckförmige Eingangsspannungssignal U_RE(t) der 3 kaum realisiert werden.
Das Signal mit kleinstmöglicher Bandbreite ist ein Sinussignal. Wie im Folgenden gezeigt wird, eignet sich ein solches jedoch nicht als Ablenkspannung für das Herauskicken von Protonen-Paketen 2. Analog zu 3 illustriert 5 ein sinusförmiges Eingangsspannungssignal U₀(t) mit einer Wiederholungsrate f0/2, wobei drei Halbwellen – eine erste Halbwelle 20, eine zweite Halbwelle 21 und wieder eine erste Halbwelle 20 – zu sehen sind. Die maximale Spannung beträgt im gezeigten Beispiel ca. 200 V, die minimale Spannung 0 V.
6 zeigt die Dichteverteilung ρ (durchgezogene Linie) der Protonen und den aus dem sinusförmigen Eingangsspannungssignal U₀(t) resultierenden Ablenkwinkel α (strichlierte Linie). Die zweite Halbwelle 21 bewirkt, dass fälschlicherweise Teile 18 des mittleren Protonen-Pakets 2 abgelenkt werden – obwohl dieses Protonen-Paket 2 nicht abgelenkt, sondern im ersten Strahl 1 verbleiben soll. Die fälschlicherweise abgelenkten Teile 18 sind in 6 durch Balken markiert.
Die anderen beiden Protonen-Pakete 2 werden durch die beiden ersten Halbwellen 20 abgelenkt. Hierbei werden Teile 19 dieser Protonen-Pakete 2 nicht mit dem maximalen Ablenkwinkel von ca. 0,4° abgelenkt, sondern mit etwas geringeren Ablenkwinkeln α. Diese Teile 19 sind in 6 ebenfalls durch Balken gekennzeichnet.
Auch wenn die Teile 19 nicht mit dem maximalen Ablenkwinkel von ca. 0,4° abgelenkt werden, liegt doch eine hinreichend große Ablenkung vor, sodass die Protonen-Pakete 2 sicher aus dem ersten Strahl 1 entfernt werden können. Jedoch ist aufgrund der falschen Ablenkung des mittleren Protonen-Pakets 2 das sinusförmige Eingangsspannungssignal U₀(t) als Ablenkspannung für das Herauskicken von Protonen-Paketen 2 nicht geeignet.
Um zu garantieren, dass jene Protonen-Pakete 2, die im ersten Strahl 1 verbleiben sollen, tatsächlich nicht abgelenkt werden, wird das sinusförmige Eingangsspannungssignal U₀(t) verzerrt. Erfindungsgemäß wird hierfür die inhärente Nichtlinearität verschiedener Halbleiterbauelemente genutzt, indem das sinusförmige Eingangsspannungssignal U₀(t) nichtlinear verstärkt wird. Auf diese Weise soll insbesondere die zweite Halbwelle 21 so verzerrt werden, dass sich über einen gewissen zeitlichen – und damit auch räumlichen – Bereich die Spannung null einstellt. Das in diesem Bereich befindliche Protonen-Paket 2 kann dann ungehindert im ersten Strahl 1 verbleiben und wird nicht abgelenkt.
Zur nichtlinearen Verstärkung kann beispielsweise ein Bipolartransistor 13 (vgl. 11) verwendet werden, wobei insbesondere dessen nichtlineare Basis-Emitter-Kennlinie genutzt wird. Hierzu wird ein sinusförmiges Eingangsspannungssignal U₀(t) zwischen Basis und Emitter des Bipolartransistors 13 angelegt, wobei der Emitter auf Masse liegt und der Kollektor des Bipolartransistors 13 an einer positiven Versorgungsspannung. Die Maximalspannung dieses sinusförmigen Eingangsspannungssignals U₀(t) beträgt typischerweise 20 V.
Am Ausgang des Bipolartransistors 13 wird ein verstärktes und verzerrtes Eingangsspannungssignal U₁(t) abgegriffen, welches typischerweise eine Maximalspannung von 200 V aufweist. Ein solches verzerrtes Eingangsspannungssignal U₁(t) ist in 7 illustriert. Im Vergleich zu 5 sind die ersten Halbwellen 20 ein wenig und die zweite Halbwelle 21 sehr stark verzerrt. Letzteres äußert sich in einem Bereich mit Spannung null, der sich über ca. 5,4 ns erstreckt.
In diesen Bereich fällt genau ein Protonen-Paket 2, das nicht abgelenkt bzw. herausgekickt werden soll, was im Diagramm der 8 erkennbar ist (die durchgezogene Linie symbolisiert die Protonen-Dichteverteilung ρ, die strichlierte Linie den resultierenden Ablenkwinkel α). Im Bereich des gesamten mittleren Protonen-Pakets 2 ist der Ablenkwinkel α null. Anders als in 6 existieren daher keine fälschlicherweise abgelenkten Teile 18 des Protonen-Pakets 2.
Die anderen beiden Protonen-Pakete 2 werden in 8 durch die beiden verzerrten ersten Halbwellen 20 (vgl. 7) abgelenkt. Ähnlich zum in 6 gezeigten Fall werden Teile 19 dieser Protonen-Pakete 2 nicht mit dem maximalen Ablenkwinkel von ca. 0,4° abgelenkt, sondern mit etwas geringeren Ablenkwinkeln α. Diese Teile 19 sind in 8 durch Balken gekennzeichnet. Im Vergleich zum in 6 gezeigten Fall sind diese Teile 19 größer, d.h. sie weisen eine größere räumliche Ausdehnung x auf. Dennoch liegt eine hinreichend große Ablenkung vor, sodass die Protonen-Pakete 2 sicher aus dem ersten Strahl 1 entfernt werden können.
Mit dem Bipolartransistor 13 kann also ein verzerrtes Eingangsspannungssignal U₁(t) erzeugt werden, das einerseits zum Herauskicken von Protonen-Paketen 2 geeignet ist und andererseits eine geringe Bandbreite aufweist.
Die geringe Bandbreite kann insbesondere dafür benutzt werden, ein mittels des Bipolartransistors 13 verzerrtes Eingangsspannungssignal U₁(t) weiter zu verstärken. 11 zeigt eine Möglichkeit zur Verstärkung mittels eines Transformators 15. Hierbei wird das verzerrte Eingangsspannungssignal U₁(t) an die Primärseite 16 des Transformators 15 gelegt. An der Sekundärseite 17 des Transformators 15 kann das hochtransformierte Spannungssignal U₂(t) abgegriffen werden, wobei typischerweise der Verstärkungsfaktor auf zwei bis vier begrenzt ist, um parasitäre Kapazität nicht zu groß werden zu lassen. Vorzugsweise wird das hochtransformierte Spannungssignal U₂(t) an die ersten Ablenkplatten 6 angelegt, um Protonen-Pakete 2 aus dem ersten Strahl 1 herauszukicken.
Das Hochtransformieren von U₁(t) auf U₂(t) hat den Vorteil, dass die Maximalspannungen des sinusförmigen Eingangsspannungssignals U₀(t) und des verzerrten Eingangsspannungssignals U₁(t) deutlich niedriger als in 5, 7 und 9 gezeigt ausfallen können. Dies verringert die Anforderungen an die zur Verzerrung verwendeten Bauteile, insbesondere hinsichtlich deren Spannungsfestigkeit, da somit lediglich Maximalspannungen für U₁(t) auftreten von typischerweise bis zu 100 V, vorzugsweise bis zu 50 V. Die für die Ablenkung von schweren geladenen Teilchen, insbesondere Protonen, benötigten hohen Maximalspannungen im Bereich von typischerweise 100 V bis 500 V können anschließend durch weitere Verstärkung des verzerrten Eingangsspannungssignals U₁(t), insbesondere durch Hochtransformieren erzeugt werden. Dies wird durch die geringe Bandbreite des mittels des Bipolartransistors 13 verzerrten Eingangsspannungssignals U₁(t) ermöglicht.
Analog zum Ausführungsbeispiel mit dem Bipolartransistor 13 kann zur nichtlinearen Verstärkung auch ein MOSFET 14 (vgl. 12) verwendet werden, wobei dessen quadratische Kennlinie genutzt wird. Hierzu wird das sinusförmige Eingangsspannungssignal U₀(t) an den Eingang des MOSFET 14 gelegt und das verstärkte und verzerrte Eingangsspannungssignal U₁(t) am Ausgang abgegriffen. Die Maximalspannung des sinusförmigen Eingangsspannungssignals U₀(t) beträgt typischerweise 20 V, die Maximalspannung des verzerrten Eingangsspannungssignals U₁(t) typischerweise 200 V.
Zusätzlich kann an den Eingang des MOSFET 14 eine konstante Offset-Spannung U_Off angelegt werden. Diese liegt typischerweise im Bereich von –10 V bis +20 V. Hierdurch werden Anteile des sinusförmigen Eingangsspannungssignals U₀(t), insbesondere die zweiten Halbwellen 21 unter die Einschaltschwelle des MOSFET 14 verschoben. Dies bewirkt, dass die zweiten Halbwellen 21 wesentlich stärker verzerrt werden als die ersten Halbwellen 20. 9 zeigt ein derart verzerrtes Eingangsspannungssignal U₁(t). Vergleicht man das verzerrte Eingangsspannungssignal U₁(t) der 9 mit jenem der 7, so fällt auf, dass die ersten Halbwellen 20 durch den MOSFET 14 mit Offset-Spannung U_Off etwas weniger verzerrt werden als durch den Bipolartransistor 13. D.h. die ersten Halbwellen 20 des verzerrten Eingangsspannungssignal U₁(t) der 9 ähneln jenen des sinusförmigen Eingangsspannungssignals U₀(t) der 5 vergleichsweise stärker, was sich günstig im Hinblick auf eine besonders geringe Bandbreite des Signals auswirkt. Trotzdem findet sich im verzerrten Eingangsspannungssignal U₁(t) der 9 im Bereich der zweiten Halbwelle 21 ein relativ großer bzw. langer Bereich mit Spannung 0, der sich über ca. 5 ns erstreckt. D.h. dieser Bereich ist nur geringfügig kürzer als der korrespondierende Bereich im verzerrten Eingangsspannungssignal U₁(t) der 7.
Entsprechend findet auch im Bereich der zweiten Halbwelle 21 des verzerrten Eingangsspannungssignal U₁(t) der 9 ein Protonen-Paket 2, das nicht abgelenkt bzw. herausgekickt werden soll, vollständig Platz. Dies wird im Diagramm der 10 deutlich (die durchgezogene Linie symbolisiert die Protonen-Dichteverteilung ρ, die strichlierte Linie den resultierenden Ablenkwinkel α). Im Bereich des gesamten mittleren Protonen-Pakets 2 ist der Ablenkwinkel α null, und es existieren daher keine fälschlicherweise abgelenkten Teile 18 des Protonen-Pakets 2.
Die beiden anderen Protonen-Pakete 2 werden in 10 durch die beiden verzerrten ersten Halbwellen 20 (vgl. 9) abgelenkt. Ähnlich zu den in 6 und 8 gezeigten Fällen werden Teile 19 dieser Protonen-Pakete 2 nicht mit dem maximalen Ablenkwinkel von ca. 0,4° abgelenkt, sondern mit etwas geringeren Ablenkwinkeln α. Diese Teile 19 sind in 10 durch Balken gekennzeichnet. Im Vergleich zum in 6 gezeigten Fall sind diese Teile 19 etwas größer, d.h. sie weisen eine etwas größere räumliche Ausdehnung x auf. Dafür sind die Teile 19 in 10 im Vergleich zum in 8 gezeigten Fall etwas kleiner. Hieraus folgt, dass wie im Ausführungsbeispiel mit dem Bipolartransistor 13 auch im Ausführungsbeispiel mit dem MOSFET 14 plus Offset-Spannung U_Off eine hinreichend große Ablenkung jener Protonen-Pakete 2 gegeben ist, die aus dem ersten Strahl 1 herausgekickt werden sollen. Im Ausführungsbeispiel mit dem MOSFET 14 plus Offset-Spannung U_Off wird zudem ein etwas größerer Anteil 19 dieser Protonen-Pakete 2 mit dem maximalen Ablenkwinkel α abgelenkt, was als Vorteil angesehen werden kann.
Mit dem MOSFET 14 plus Offset-Spannung U_Off kann also ein verzerrtes Eingangsspannungssignal U₁(t) erzeugt werden, das einerseits zum Herauskicken von Protonen-Paketen 2 geeignet ist und andererseits eine sehr geringe Bandbreite aufweist.
Die sehr geringe Bandbreite kann insbesondere dafür benutzt werden, ein mittels des MOSFET 14 plus Offset-Spannung U_Off verzerrtes Eingangsspannungssignal U₁(t) weiter zu verstärken. 12 zeigt eine Möglichkeit zur Verstärkung mittels eines Transformators 15. Hierbei wird das verzerrte Eingangsspannungssignal U₁(t) an die Primärseite 16 des Transformators 15 gelegt. An der Sekundärseite 17 des Transformators 15 kann das hochtransformierte Spannungssignal U₂(t) abgegriffen werden, wobei typischerweise der Verstärkungsfaktor auf zwei bis vier begrenzt ist, um parasitäre Kapazität nicht zu groß werden zu lassen. Vorzugsweise wird das hochtransformierte Spannungssignal U₂(t) an die ersten Ablenkplatten 6 angelegt, um Protonen-Pakete 2 aus dem ersten Strahl 1 herauszukicken.
Das Hochtransformieren von U₁(t) auf U₂(t) hat den Vorteil, dass die Maximalspannungen des sinusförmigen Eingangsspannungssignals U₀(t) und des verzerrten Eingangsspannungssignals U₁(t) deutlich niedriger als in 5, 7 und 9 gezeigt ausfallen können. Dies verringert die Anforderungen an die zur Verzerrung verwendeten Bauteile, insbesondere hinsichtlich deren Spannungsfestigkeit, da somit lediglich Maximalspannungen für U₁(t) auftreten von typischerweise bis zu 100 V, vorzugsweise bis zu 50 V. Die für die Ablenkung von schweren geladenen Teilchen, insbesondere Protonen, benötigten hohen Maximalspannungen im Bereich von typischerweise 100 V bis 500 V können anschließend durch Verstärkung des verzerrten Eingangsspannungssignals U₁(t), insbesondere durch Hochtransformieren erzeugt werden. Dies wird durch die sehr geringe Bandbreite des mittels des MOSFET 14 plus Offset-Spannung U_Off verzerrten Eingangsspannungssignals U₁(t) ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: Erster Protonen-Strahl
2: Protonen-Paket
3: Länge eines Protonen-Pakets
4: Abstand zweier aufeinanderfolgender Protonen-Pakete
5: Zweiter Protonen-Strahl
6: Erste Ablenkplatten
7: Zweite Ablenkplatten
8: Weitere zweite Ablenkplatten
9: Bewegungsrichtung eines Protonen-Pakets
10: Weitere erste Ablenkplatten
11: Erstes Ziel
12: Zweites Ziel
13: Bipolartransistor
14: MOSFET
15: Transformator
16: Primärseite des Transformators
17: Sekundärseite des Transformators
18: Fälschlicherweise abgelenkter Teil eines Protonen-Pakets
19: Teil eines Protonen-Pakets, der weniger als ein vorgegebener maximaler Winkel abgelenkt wird
20: Erste Halbwelle
21: Zweite Halbwelle
t: Zeit
x: räumliche Ausdehnung
α: Ablenkwinkel
ρ: Dichteverteilung
U_RE(t): rechteckförmiges Eingangsspannungssignal
U₀(t): sinusförmiges Eingangsspannungssignal
U₁(t): verzerrtes Eingangsspannungssignal
U₂(t): hochtransformiertes Spannungssignal
U_Off: Offset-Spannung

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer Ablenkspannung für einen Strahl (1) beschleunigter geladener Teilchen, wobei die geladenen Teilchen im Strahl (1) in Teilchen-Paketen (2) vorliegen und die Teilchen-Pakete (2) im Strahl (1) eine Wiederholungsrate f0 aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: – Verzerrung eines im Wesentlichen sinusförmigen Eingangsspannungssignals (U₀(t)) durch nichtlineare Verstärkung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Wesentlichen sinusförmige Eingangsspannungssignal (U₀(t)) eine Wiederholungsrate f0/2 aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das verzerrte Eingangsspannungssignal (U₁(t)) an die Primärseite (16) eines Transformators (15) angelegt wird und ein hochtransformiertes Spannungssignal (U₂(t)) von der Sekundärseite (17) des Transformators (15) an Ablenkplatten (6) angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das hochtransformierte Spannungssignal (U₂(t)) eine Maximalspannung zwischen 100 V und 500 V, vorzugsweise zwischen 175 V und 225 V aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur nichtlinearen Verstärkung ein Bipolartransistor (13) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur nichtlinearen Verstärkung ein Feldeffekttransistor, vorzugsweise ein MOSFET (14) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Offset-Spannung (U_Off) an den Eingang des Feldeffekttransistors (14) angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Teilchen um Protonen handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass 50 MHz ≤ f0 ≤ 500 MHz, vorzugsweise 100 MHz ≤ f0 ≤ 200 MHz, besonders bevorzugt 148 MHz ≤ f0 ≤ 152 MHz gilt.