DE202013105829U1

DE202013105829U1 - Stehwellen-Elektronenlinearbeschleuniger mit kontinuierlich regelbarer Energie

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Publication number: DE202013105829U1
Application number: DE202013105829.7U
Authority: DE
Original assignee: Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-04-28
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: RU2583041C2; RU2013156267A; CN103906340B; KR101578980B1; PL2750486T3; WO2014101620A1; JP2014130816A; EP2750486B1; JP5775141B2; US20140185775A1; CN103906340A; US9426877B2; KR20140086859A; EP2750486A1

Abstract

Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung, aufweisend:
eine Elektronenkanone, konfiguriert für Erzeugen von Elektronenstrahlen;
eine Impulsstromquelle, konfiguriert für Bereitstellen eines primären Impulsstromsignals;
einen Stromteiler, in der Impulsstromquelle nachgeschalteter Anordnung und konfiguriert für Teilen des von der Impulsstromquelle ausgegebenen primären Impulsstromsignals in ein erstes Impulsstromsignal und ein zweites Impulsstromsignal;
eine erste Beschleunigungsröhre, in der Elektronenkanone nachgeschalteter Anordnung, gekoppelt an den Stromteiler und konfiguriert für Beschleunigen der Elektronenstrahlen mit dem ersten Impulsstromsignal;
eine zweite Beschleunigungsröhre, in der ersten Beschleunigungsröhre nachgeschalteter Anordnung und konfiguriert für Empfangen des zweiten Impulsstromsignals vom Stromteiler und Beschleunigen der Elektronenstrahlen mit dem zweiten Impulsstromsignal;
einen Phasenschieber, gekoppelt an den Ausgang vom Stromteiler und konfiguriert für kontinuierliches Einstellen einer Phasendifferenz zwischen dem ersten Impulsstromsignal und dem zweiten Impulsstromsignal, um beschleunigte Elektronenstrahlen mit kontinuierlich regelbarer Energie am Ausgang der zweiten Beschleunigungsröhre zu erzeugen.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich allgemein auf die Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigertechnik und insbesondere auf medizinische Bildergebungs- und Röntgentechniken durch Anwenden eines Beschleunigers als Strahlenquelle.
STAND DER TECHNIK
Die moderne Medizin nutzt in zunehmenden Ausmaß Röntgenverfahren für Diagnose- und Behandlungszwecke. In einem modernen medizinischen Bildgebungssystem wird eine Röntgenröhre typisch zur Erzeugung von Röntgenstrahlen mit einer Energie von unter 500 keV eingesetzt (hierin bezeichnet Energie die Energie des Elektronenstrahls vor dem Auftreffen auf ein Ziel), und ein Elektronenlinearbeschleuniger mit niedriger Energie wird zur Erzeugung von Röntgenstrahlen mit einer Energie von mehr als 2 MeV benutzt. Allerdings gibt es keine Röntgenstrahlquelle mit einer Energie im Bereich von 0,5 MeV bis 2 MeV (es gibt eine Art von Röntgenröhre für Röntgenstrahlen mit 600 KeV Energie, die sehr teuer ist). Dies beruht darauf, dass die Röntgenröhre in diesem Bereich bis zu ihrer Grenze ausgenutzt wird, und die Erzeugungskosten für die Röntgenstrahlenergie stiegen schnell an. Ein Elektronlinearbeschleuniger ist relativ teuer (im Vergleich zu einer Röntgenröhre, denn ein Beschleuniger kann in der Regel nur Röntgenstrahlen einer einzelnen Energie bereitstellen) und ist nicht geeignet. Andererseits spielen Röntgenstrahlen mit einer Energie im Bereich von 0,5 MeV bis 2 MeV eine wichtige Rolle in der medizinischen Bildgebung.
Der Z-Wert (mittlere Ordnungszahl) eines Gegenstands der medizinischen Bildgebung beträgt in der Regel 10 (Organismus). Um in einem solchen Fall eine gute Qualität der Bildgebung sicherzustellen, muss die Compton-Streuung, die auftritt, wenn Photonen mit dem Gegenstand interagieren, begrenzt werden. Der Compton-Streueffekt tritt auf, wenn die einfallenden Photonen hohe Energie haben, was zu einer Herabsetzung der Bildgebungsqualität führt. Aus diesem Grund wird angesehen, dass Röntgenstrahlen mit einer Energie von etwa 0,6 MeV die beste Bildgebungsqualität erreichen können, und dies liegt genau in dem vorgenannten Bereich. Außerdem schwankt die beste Bildgebungsqualität wegen unterschiedlicher Z-Werte bei den Objekten. Bei der medizinischen Bildgebung besteht ein Bedarf an Röntgenstrahlen, deren Energie im Bereich von 0,5 MeV bis 2 MeV liegt.
Ein Beschleuniger mit kontinuierlich regelbarer Energie kann benutzt werden, da eine Röntgenröhr nicht in diesem Bereich arbeitet. Bei der kontinuierlichen Regelung der Energie des Beschleunigers gibt es zurzeit verschiedene Herangehensweisen. Der einfachste Weg ist ein Ändern der von einer Leistungsquelle gelieferten Leistung, um den Beschleunigungsgradienten des Beschleunigers zu verändern, um dadurch die Energieverstärkung zu ändern. Bei dieser Herangehensweise besteht ein Nachteil darin, dass die Änderung während der Niedrigenergiephase des Gradienten der Beschleunigerröhre die Energiedispersion erhöht und dadurch die Strahlenqualität beeinträchtigt. Um das Problem einer großen Energiedispersion anzugehen offenbaren die US-Patentschrift 2,920,228 und die US-Patentschrift 3,070,726 einen Beschleuniger, der zwei Wanderwellen-Röhren für die Beschleunigung der Elektronen benutzt. Der erste beschleunigt Elektronen auf annähernd Lichtgeschwindigkeit, und der zweite regelt die Energie durch Ändern der Hochfrequenzphase. Die Herangehensweise ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass die Beschleunigungseffizienz aufgrund einer Wanderwellen-Beschleunigungskonstruktion niedrig ist. Zum Lösen des Problems der niedrigen Effizienz wird in der US-Patentschrift 4,118,653 eine Beschleunigungskonstruktion durch eine Kombination von Wander- und Stehwellen vorgeschlagen. Bei dieser Herangehensweise besteht jedoch der Nachteil, dass zwei Arten von Beschleunigungskonstruktionen angewendet werden, was zu einer dezentralisierten Konstruktion und komplexen peripheren Schaltkreisen führt. In der Absicht, eine kompakte Beschleunigungskonstruktion zu erhalten, wird in der US-Patentschrift 4,024,426 ein Stehwellen-Beschleuniger vorgeschlagen, der zwei verschachtelte seitengekoppelte Subkonstruktionen aufweist und durch Verändern der Mikrowellenphasendifferenz zwischen den Beschleunigerröhren die Energie regelt. Dieser Denkansatz ist mit dem Nachteil behaftet, dass die Beschleunigungsröhre eine komplexe Konstruktion aufweist, die zu schwierig in der Herstellung ist, und somit lässt sich diese Herangehensweise schlecht implementieren. Mit dem Ziel, eine einfache Beschleunigungskonstruktion und eine hohe Beschleunigungseffizienz zu erhalten, wird in der US-Patentschrift 4,286,192 und US-Patentschrift 4,382,208 ein Beschleuniger vorgeschlagen, der mehrere (einen oder zwei) Pertubationssticks an einer Kopplungskavität eines seitengekoppelten Linearbeschleunigers aufweist, wobei der Perturbationsstick die Phase durch Einstellen seiner Eintauchtiefe einstellt. Bei dieser Denkweise besteht der Nachteil in einem geringen Regelbereich für die Energie und in der Abhängigkeit von einem Experten für die Regelung des Perturbationssticks. Vor dem Hintergrund der vorgenannten Nachteile wird in der chinesischen Patenschrift CN202019491U ein seitengekoppelter Stehwellenbeschleuniger offenbart, der die Energie durch Einstellen des Beschleunigungsgradienten von zwei Segmenten von jeweils Beschleunigungsröhren regelt. Dieser Denkansatz weist den Nachteil auf, dass der Beschleuniger eine große Breite hat, das Mikrowellenzuführsystem komplex ist und keine niedrigenergetischen (~1 MeV) Elektronenstrahlen bereitstellen kann.
In Anbetracht des vorstehend Gesagten können die gegenwärtige Röntgenröhre und der gegenwärtige Linearbeschleuniger nicht den Energiebereich von 0,5 MeV bis 2 MeV abdecken oder sie weisen eine komplizierte Konstruktion auf und sind somit schwierig zu implementieren. Es besteht demzufolge ein Bedarf an einer Beschleunigungsvorrichtung, die Strahlen ausgibt, die den Energiebereich abdecken, die eine einfache Konstruktion aufweisen und die sich bei annehmbaren Kosten einfach implementieren lässt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung besteht in der Bereitstellung einer Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung, die Elektronen abgibt, deren Energie kontinuierlich regelbar ist und die einen im Voraus festgelegten Energiebereit umspannt.
Gemäß einiger Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung wird eine Stehwellen-ElektronenlinearBeschleunigungsvorrichtung bereitgestellt, die Folgendes aufweist; eine Elektronenkanone, die für die Erzeugung von Elektronenstrahlen konfiguriert ist; eine Impulsstromquelle, die für die Bereitstellung eines primären Impulsstromsignals konfiguriert ist; einen Stromteiler, der der Impulsstromquelle nachgeschaltet und für ein Teilen des von der Impulsstromquelle ausgegebenen primären Impulsstromsignals in ein erste Impulsstromsignal und ein zweites Impulsstromsignal konfiguriert ist; eine erste Beschleunigungsröhre, die der Elektronenkanone nachgeschaltet und an den Stromteiler gekoppelt und für ein Beschleunigen der Elektronenstrahlen mit dem ersten Impulsstromsignal konfiguriert ist; eine zweite Beschleunigungsröhre, die der ersten Beschleunigungsröhre nachgeschaltet und für einen Empfang des zweiten Impulsstromsignals vom Stromteiler und für ein Beschleunigen der Elektronenstrahlen mit dem zweiten Impulsstromsignal konfiguriert ist; einen an den Ausgang des Stromteilers gekoppelten und für kontinuierliches Regeln einer Phasendifferenz zwischen dem ersten Impulsstromsignal und dem zweiten Impulsstromsignal mit dem Zweck der Erzeugung eines beschleunigten Elektronenstrahls mit kontinuierlich regelbarer Energie am Ausgang der zweiten Beschleunigungsröhre konfigurierter Phasenschieber.
Gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung wird eine Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung bereitgestellt, die Folgendes aufweist; eine Elektronenkanone, die für die Erzeugung von Elektronenstrahlen konfiguriert ist; eine erste Impulsstromquelle, die für die Bereitstellung eines ersten Impulsstromsignals konfiguriert ist; eine zweite Impulsstromquelle, die für die Bereitstellung eines zweiten Impulsstromsignals konfiguriert ist; eine erste Beschleunigungsröhre, die der Elektronenkanone nachgeschaltet und an den Stromteiler gekoppelt und für ein Beschleunigen der Elektronenstrahlen mit dem ersten Impulsstromsignal konfiguriert ist; eine zweite Beschleunigungsröhre, die der ersten Beschleunigungsröhre nachgeschaltet und für einen Empfang des zweiten Impulsstromsignals vom Stromteiler und/oder für ein Beschleunigen der Elektronenstrahlen mit dem zweiten Impulsstromsignal konfiguriert ist; einen an den Ausgang des Stromteilers gekoppelten und für kontinuierliches Regeln einer Phasendifferenz zwischen dem ersten Impulsstromsignal und dem zweiten Impulsstromsignal mit dem Zweck der Erzeugung eines beschleunigten Elektronenstrahls mit kontinuierlich regelbarer Energie am Ausgang der zweiten Beschleunigungsröhre konfigurierter Phasenschieber.
Gemäß noch anderen Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung wird ein Verfahren für Anwendung in einer Stehwellen-Elektronenbeschleunigungsvorrichtung bereitgestellt, das folgende Schritte zur Erzeugung von Elektronenstrahlen aufweist; Beschleunigen der Elektronenstrahlen in einem ersten Impulsstromsignal in einer ersten Beschleunigungsröhre; Beschleunigen der Elektronenstrahlen in einer zweiten Beschleunigungsröhre, die der ersten Beschleunigungsröhre nachgeschaltet angeordnet ist; kontinuierliches Regeln einer Phasendifferenz zwischen dem ersten Impulsstromsignal und dem zweiten Impulsstromsignal, um beschleunigte Elektronenstrahlen mit kontinuierlich regelbarer Energie am Ausgang der zweiten Beschleunigungsröhre zu erzeugen.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung weist die Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung ferner ein der zweiten Beschleunigungsröhre nachgeschaltet angeordnetes Ziel auf, das für ein Auftreffen der beschleunigten Elektronenstrahlen zur Erzeugung von Röntgenstrahlen konfiguriert ist.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung weist die Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung ferner einen an den Phasenschieber gekoppelten Dämpfer aus, der für ein Dämpfen des ersten Impulsstromsignals und/oder des zweiten Impulsstromsignals konfiguriert ist.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung ist der Phasenschieber konfiguriert, um die Phasendifferenz so zu regeln, dass die Beschleunigungskavitäten der ersten Beschleunigungsröhre und der zweiten Beschleunigungsröhre jeweils in einer Akzelerations-Phasenmode arbeiten.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung ist der Phasenschieber konfiguriert, um die Phasendifferenz so zu regeln, dass eine Beschleunigungskavität der ersten Beschleunigungsröhre in einer Akzelerations-Phasenmode arbeitet, während eine Beschleunigungskavität der zweiten Beschleunigungsröhre in einer Dezelerations-Phasenmode arbeitet.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung entsteht in jeder der ersten Beschleunigungsröhre und der zweiten Beschleunigungsröhre eine magnetische Kopplung zwischen Beschleunigungskavitäten, und es gibt ein Kopplungsloch an einer Stelle in den Beschleunigungskavitäten, wo das Magnetfeld der Wand der Kavitäten relativ groß ist.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung weist die Stehwellen-Elektronenbeschleunigungsvorrichtung ferner einen zwischen der ersten Beschleunigungsröhre und der zweiten Beschleunigungsröhr angeordneten Stromkoppler, der für eine Stromversorgung der ersten Beschleunigungsröhre und der zweiten Beschleunigungsröhre konfiguriert ist.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung injiziert die Elektronenkanone Elektronen in die erste Beschleunigungsröhre in einem negativen Winkel.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung ist das Ziel auf einer drehbaren Basis auf solche Weise montiert, dass ein Winkel der Einfallsrichtung der beschleunigten Elektronenstrahlen in Bezug auf die Oberfläche des Ziels mit der Energie der Elektronenstrahlen variiert.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung ist das Ziel in einer Vakuumbox eingebaut, die auf einer drehbaren Basis befestigt ist. An der Seite der Vakuumbox befindet sich ein Röntgenstrahl-Fenster, und die zweite Beschleunigungsröhre ist über ein gewelltes Rohr mit der Vakuumbox verbunden.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung weisen die beschleunigten Elektronenstrahlen eine Energie in einem Bereich von 0,5 MeV bis 2,00 MeV auf.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung wird die Stehwellen-Elektronenbeschleunigungsvorrichtung kontinuierlich innerhalb eines im Voraus bestimmten Energiebereichs durch Regeln des Phasenunterschieds zwischen dem ersten Beschleunigungssegment und dem zweiten Beschleunigungssegment geregelt.
Ferner entsteht bei einigen Ausführungsformen eine axiale Kopplung zwischen Kavitäten der zwei Beschleunigungsröhren anstelle der seitlichen Kopplung, die in der Regel bei einem Stehwellen-Linearbeschleuniger benutzt wird, und dadurch verringert sich die Breite der Beschleunigungsröhre.
Ferner ist gemäß einigen Ausführungsformen die Beschleunigungsröhre von einer einfach-periodischen Struktur ist, so dass die Kopplungskavität nicht benötigt wird. Die Wand der Kavität ist verdickt, und somit lassen sich die Kavitäten einfach herstellen.
Ferner arbeiten die zwei Segmente der Beschleunigungsröhren beide in einer π-Mode, und demzufolge hat die Beschleunigungseffizienz ihren höchsten Wert. Gleichzeitig ist die Anzahl der Kavitäten gering aufgrund der Beaufschlagung mit niedrig-energetischen Strahlen, und der Modenabstand ist groß genug, um einen stabilen Betrieb des Beschleunigungssystems sicherzustellen, während das Beschleunigungssystem in senkrechter Richtung kompakter ist.
Ferner wird bei der Beschleunigungsröhre eine HF-Wechselphasen-Fokussiertechnik benutzt, die automatisch und lateral die Elektronenstrahlenbündel durch die Anwendung des Mikrowellenfelds in den Beschleunigungsröhren fokussiert, und demzufolge ist der Punkt am Ausgang des Beschleunigungssystems ausreichend klein (z. B. einen quadratisch gemittelten Radius (RMS-Radius) von 0,5 mm aufweisend), um eine hohe Bildgebungsqualität sicherzustellen. Gleichzeitig wird die Fokussierwicklung nicht benötigt, wodurch sich die Breite der Beschleunigungsröhre weiter reduziert.
Ferner ist die Konstruktion des Ziels mit der Einführung eines Rotationsmechanismus für das Ziel durch Anwenden eines Wellrohres und einer drehbaren Basis neu gestaltet worden, um die Leistung und Qualität der von der Vorrichtung abgegebenen Röntgenstrahlen zusätzlich zu verstärken, und somit können Röntgenstrahlen von maximaler Leistung für Elektronenstrahlen von jeder Energie ausgegeben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Implementierungen der Offenbarung sind in den Zeichnungen dargestellt. Die Zeichnungen und Implementierungen stellen nicht-ausschließlich und ohne Einschränkung einige Ausführungsformen der Offenbarung bereit; darin zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
2 eine schematische Darstellung einer Beschleunigungsröhre und eines Kopplers in einer Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
3 in Diagrammform das Verhältnis zwischen Phasen einer ersten Beschleunigungsröhre und einer zweiten Beschleunigungsröhre in einer Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
4A In Diagrammform das Verhältnis zwischen Variationen der Energie und Intensität von Strahlen in einer Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
4B in Diagrammform Variationen von Energie und Radius als eine Phasendifferenz in einer Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
5 in Diagrammform die Einschussart einer Gleichstrom-Hochspannungs-Elektronenkanone in einer Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung; und
6 in Diagrammform die Konstruktion und das Funktionsprinzip eines Ziels in einer Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die einzelnen Ausführungsformen der Offenbarung werden nachstehend in Details beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausführungsformen hierin nur zur Darstellung benutzt werden, die Offenbarung aber nicht begrenzen. In der nachstehenden Beschreibung wird eine Anzahl einzelner Details erläutert, um ein besseres Verständnis der Offenbarung bereitzustellen. Der Fachmann versteht jedoch, dass die Offenbarung ohne diese einzelnen Details implementiert werden kann. In anderen Beispielen werden bekannte Schaltkreise, Materialien oder Verfahren nicht beschrieben, um die Offenbarung nicht undurchschaubar zu machen.
Durchgehend in der Beschreibung ist unter der Bezugnahme auf „eine der Ausführungsformen”, „eine Ausführungsform”, „eines von Beispielen” oder „ein Beispiel” zu verstehen, dass die spezifischen Merkmale, Konstruktionen oder Eigenschaften, die in Verbindung mit der Ausführungsform oder dem Beispiel beschrieben werden, in wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten sind. Deshalb beziehen sich die Ausdrücke „in einer der Ausführungsformen”, „in einer Ausführungsform”. „in einem von Beispielen” oder „in einem Beispiel”, die an verschiedenen Stellen in der Beschreibung vorkommen, nicht auf eine und die gleiche Ausführungsform oder ein und das gleiche Beispiel. Außerdem können die spezifischen Merkmale, Konstruktionen oder Eigenschaften in einer oder mehreren Ausführungsformen oder in einem oder mehreren Beispiele auf jede geeignete Weise kombiniert werden. Zudem versteht der Fachmann, dass sich der hierin benutzte Ausdruck „und/oder” jede und alle Kombinationen von einem oder mehreren aufgeführten Positionen bezieht.
In Anbetracht des Nachteils des Stands der Technik, bei dem sich ein Elektronenlinearbeschleuniger nicht innerhalb eines im Voraus bestimmten Energiebereichs (zum Beispiel im Energiebereich von 0,5 MeV bis 2,0 MeV) kontinuierlich regeln lässt, stellen Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung eine Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung bereit. In der Vorrichtung werden Elektronenstrahlen, die von einer Elektronenkanone erzeugt werden, durch eine kaskadierte erste Beschleunigungsröhre und zweite Beschleunigungsröhre beschleunigt. Ein erstes Impulsstromsignal und ein zweites Impulsstromsignal werden für die erste Beschleunigungsröhre beziehungsweise die zweite Beschleunigungsröhre für die Beschleunigungsvorgänge bereitgestellt. Drüber hinaus weist die Vorrichtung einen Phasenschieber auf, der die Phasendifferenz zwischen dem ersten Impulsstromsignal und dem zweiten Impulsstromsignal kontinuierlich regelt, um beschleunigte Elektronenstrahlen mit kontinuierlich regelbarer Energie am Ausgang der zweiten Beschleunigungsröhre zu erzeugen.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein und die gleiche Impulsstromquelle zum Einsatz kommen. In einem solchen Fall wird die von der Stromquelle ausgegebene Mikrowellenleistung in einem Leistungsteiler in zwei Abzweigungen geteilt, die erste Abzweigung speist Strom an ein erstes Segment der Beschleunigungsröhre, gleicht die von der Gleichstrom-Hochspannungskanone emittierten Elektronenstrahlen an und beschleunigt sie zu einer ersten hohen Energie (zum Beispiel 1,25 MeV). Das erste Segment der Beschleunigungsröhre bildet eine kombinierte Beschleunigungsröhre zusammen mit einem zweiten Segmente der Beschleunigungsröhre und einem Driftsegment, das die ersten und zweiten Segmente miteinander verbindet. Die zweite Abzweigung wird durch einen Dämpfer gedämpft, wird durch einen um bis zu 360° einstellbaren Phasenschieber geleitet und speist Strom an das zweite Segment der Beschleunigungsröhre der kombinierten Beschleunigungsröhre. Wenn der Phasenschieber für eine entsprechende Phasenverschiebung φ eingestellt ist, ist das zweite Segment der Beschleunigungsröhre in Phase mit dem ersten Segment der Beschleunigungsröhre, und die vom ersten Segment der Beschleunigungsröhre ausgegebenen Elektronenstrahlen können auf maximale Energie beschleunigt werden, d. h. auf eine zweite hohe Energie (z. B. 2,00 MeV), wenn die Phasenverschiebung des Phasenschiebers für ungefähr 180° + φ eingestellt und das zweite Segment gegenphasig zum ersten Segment der Beschleunigungsröhre ist, und die vom ersten Segment der Beschleunigungsröhre ausgegebenen Elektronenstrahlen können auf die minimale Energie (z. B. 0,50 MeV) dezeleriert werden. Wenn sich die Phasenverschiebung des Phasenschiebers kontinuierlich von φ in 180° + φ ändert, haben die Elektronenstrahlen am Ausgang des zweiten Segments der Beschleunigungsröhre eine Energie, die kontinuierlich zwischen der zweiten hohen Energie (zum Beispiel 2,00 MeV) und der minimalen Energie (zum Beispiel 0,50 MeV) variiert.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein drehbares Ziel bereitgestellt sein. Durch entsprechendes horizontales Rotieren des Ziels und des Fensters, können die Elektronenstrahlen von beliebiger Energie nach dem Auftreffen auf das Ziel Röntgenstrahlen von maximaler Ausgangsleistung erzeugen.
In 1 ist eine Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung schematisch dargestellt. wie aus 1 hervorgeht weist die Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung mit kontinuierlich regelbarer Energie, die bei der vorliegenden Patentanmeldung einbezogen ist, ein Mikrowellen-Leistungssystem (einschließlich Impulsstromquelle 1, Stromteiler 2, Phasenschieber 3, Dämpfer 16 und die Wellenführung und den Koppler 12 gemäß Darstellung in 2), ein Elektronenkanonen-Leistungssystem (einschließlich Hochspannungs-Stromversorgung 4 und Übertragungsleitungen), eine Gleichstrom-Hochspannungs-Elektronenkanone 5, eine kombinierte Beschleunigungsröhre (einschließlich Beschleunigungsröhre 6, Beschleunigungsröhre 7 und Driftsegment 15, das die beiden Beschleunigungsröhren miteinander verbindet, wie in 2 dargestellt), und eine drehbare Zielkonstruktion (einschließlich Ziel 8, Wellrohr 17 gemäß Darstellung in 6, Vakuumbox 18, Röntgenfenster 19 und drehbarer Basis 20) auf.
Wenn die Vorrichtung in Betrieb ist, gibt die Impulsstromquelle 1 (in der Regel ein Magnetron) Mikrowellenleistung 9 aus, die im Stromteiler 2 in zwei Abzweigungen geteilt wird, wobei eine Abzweigung durch den Gleichstromkoppler 12 (links) in 2 geleitet wird und in die Beschleunigungsröhre 6 eingespeist wird, die andere Abzweigung wird im Dämpfer 16 gedämpft, dessen Phase wird im Phasenschieber 3 verschoben, und danach erzeugt er ein Beschleunigungsfeld in der TM010-Mode. Gleichzeitig wird die Hochspannungs-Stromversorgung 4 getriggert, um Strom an die Gleichstrom-Hochspannungskanone 5 zu speisen, die Elektronenstrahlen 10 emittiert. Die Elektronenstrahlen 10 bilden eine Folge von Elektronenstrahlenbündeln, bei denen die Elektronenstrahlen vertikal durch eine Mikrowellenlänge beabstandet sind, nachdem sie in der Beschleunigungsröhre 6 angeglichen und beschleunigt worden sind (bei X-Band beträgt der Abstand 3,22 cm). Der Operator 11 ändert die Phasenverschiebung des Phasenschiebers 3 (d. h. ändert die Phasendifferenz zwischen der Beschleunigungsröhre 6 und der Beschleunigungsröhre 7) in Echtzeit. Die Elektronenstrahlenbündel werden nach Durchgang durch die Beschleunigungsröhre 7 unterschiedliche Endenergien aufweisen und erhalten somit Röntgenstrahlen von verschiedenen Energien nach dem Auftreffen auf das Ziel 8. Da die Phasenverschiebung durch den Phasenschieber 3 kontinuierlich verstellt werden kann, kann sich auch die Energie der Röntgenstrahlen kontinuierlich ändern. Röntgenstrahlen, die von Elektronen mit unterschiedlichen Energien erzeugt werden, weisen beim Auftreffen auf das Ziel eine unterschiedliche Leistungswinkelverteilung auf. Der Winkel, bei dem Röntgenstrahlen von maximaler Leistung ausgegeben werden, kann durch die drehbare Basis 20, auf der das Ziel 8 befestigt ist (siehe 6) angepasst werden.
Nach einiger notwendiger Beschreibung wird das Prinzip des Änderns der Energie des Elektronenstrahlenbündels durch Ändern der Phasendifferenz zwischen zwei Segmenten von Beschleunigungsröhren beschrieben. Die Verteilung des Beschleunigungsfeldes an der Achse der Beschleunigungsröhren 6 und 7 in der Längsachse ist in 3 durch die schwarze durchgezogene Linie gezeigt, wo ein Teil zwischen zwei benachbarten Nullpunkten eine Kavität darstellt. In 2 ist erkennbar, dass die Beschleunigungsröhre 6 6 Kavitäten und die Beschleunigungsröhre 7 2 Kavitäten aufweisen, und die jeweiligen Feldverteilungen der Kavitäten sind in 3 zu erkennbar. Um die Beschleunigungseffizienz zu maximieren, arbeiten die zwei Segmente der Beschleunigungsröhren jedes in einer π-Mode, wo die Mikrowellen-Phasendifferenz zwischen zwei benachbarten Kavitäten 180° beträgt. Dementsprechend wird das Beschleunigungsfeld mit abwechselnd positiven und negativen Werten verteilt, wie aus 3 hervorgeht. Wie in 2 und 3 erkennbar, nehmen die Längen der Kavitäten schrittweise zu. Dies hat seinen Grund darin, dass die relative Geschwindigkeit ß während der Beschleunigung von Elektronen ansteigt. Die Länge der Beschleunigungskavitäten vergrößert sich wie die relative Geschwindigkeit β der Elektronen, um sicherzustellen, dass die Elektronen während ihrer Bewegung in den Beschleunigungsröhren immer einer Akzelerationsphase ausgesetzt sind. Die maximale Beschleunigungsenergie der Beschleunigungsröhre 6 beträgt 1,25 MeV, während die maximale Beschleunigungsenergie der Beschleunigungsröhre 7 0,75 MeV beträgt.
Das Prinzip des Änderns der Energie von Elektronenstrahlenbündeln durch Ändern der Phasendifferenz zwischen zwei Segmenten von Beschleunigungsröhren wird nachstehend unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben. Wenn Elektronenstrahlen 10 in die Beschleunigungsröhre 6 eintreten, beträgt die Energie 15 keV (die Initialenergie der von der Gleichstrom-Hochdruck-Kavität 5 gelieferten Elektronenstrahlen). Nach Einfangen und Beschleunigen durch die Beschleunigungsröhre 6 wird eine Folge von Elektronenstrahlenbündeln mit einer Energie von 1,25 MeV am Ausgang der Beschleunigungsröhre 6 geformt. Zu diesem Zeitpunkt und wenn die Phasenverschiebung des Phasenschiebers gerade ein Angleichen des Mikrowellenfeldes in der Beschleunigungsröhre 7 an den Zustand, in dem die gesamte kombinierte Kavität in der π-Mode, wie in 3(a) dargestellt, bewirkt, (wobei darauf hingewiesen sei, dass die gestrichelte Linie in der Figur kein reales Feld darstellt und als ein Hilfsfeld zum einfacheren Verständnis gezeigt wird), werden die Elektronenstrahlenbündel einer Akzelerationsphase durch die gesamte Beschleunigungsröhre 7 ausgesetzt, nachdem sie über das Driftsegment 15 gedriftet sind, und ihre Energie wird um 0,75 MeV auf die maximale Energie von 2,00 MeV gesteigert. Andererseits würden, falls die Phasenverschiebung des Phasenschiebers bei der Beschleunigungsröhre 7 eine Phase bewirkt, wie in 3(b) dargestellt, die der in 3(a) gezeigten Phase entgegen gerichtet ist, die Elektronenstrahlenbündel einer Dezelerationsphase durch die gesamte Beschleunigungsröhre 7 ausgesetzt werden, nachdem sie über das Driftsegment 15 gedriftet sind, und ihre Energie würde um 0,75 MeV auf die minimale Energie von 0,50 MeV verringert. Wenn die Menge der Phasenverschiebung des Phasenschiebers 3 eingestellt wird, werden die Elektronenstrahlenbündel während ihrer Bewegung in der Beschleunigungsröhre 7 einer Akzelerationsphase während einer Periode und einer Dezelerationsphase während einer anderen Periode ausgesetzt, und die in der Beschleunigungsröhre 7 aufgenommene Energie wird im Bereich von 0,75 MeV bis –0,75 MeV liegen, und demzufolge werden Elektronenstrahlenbündel, deren Energie den Bereich von 0,50 MeV bis 2,00 MeV abdecken, am Ausgang der Vorrichtung erhalten.
Die finale Energie der Elektronenstrahlenbündel kann wie folgt ausgedrückt werden: E = E1 + E2cos (Δϕ) (1) worin E = die finale Energie der Elektronenstrahlenbündel (MeV);
E1 = die maximale Beschleunigungsenergie im ersten Segment der Beschleunigungsröhre (MeV);
E2 = die maximale Beschleunigungsenergie im zweiten Segment der Beschleunigungsröhre (MeV);
Δϕ = eine (zur Phasenverschiebung für maximale Energie) relative Phasenverschiebung des Phasenschiebers (Grad).
Für die vorliegende Patentanmeldung gilt:
E1 = 1,25 MeV, E2 = 0,75 MeV, und somit wird die finale Energie im Bereich 0,50 MeV bis 2,00 MeV variieren.
Um eine kompakte Konstruktion der Beschleunigungsröhre zu erhalten, kommt eine Magnetkopplung zwischen den Beschleunigungskavitäten zum Einsatz (siehe 2), und ein Kopplungsloch 13 ist an einer Stelle in der Beschleunigungskavität offen, wo das Magnetfeld der Wand der Kavitäten relativ groß ist. In 2 ist ein Querschnitt der kombinierten Beschleunigungsröhre dargestellt, wobei nur die Kopplungslöcher zwischen den ungeradzahlig nummerierten Kavitäten und deren benachbarten Kavitäten rechts gezeigt werden. Die Kopplungslöcher zwischen den geradzahlig nummerierten Kavitäten und deren benachbarte Kavitäten rechts sind an einer Stelle offen, wo sie lateral 90° relativ der Stelle des Kopplungslochs 13 ist, um hierdurch die mögliche Entstehung einer Dipolmode (die andernfalls die Elektronenstrahlen ablenken würden) zu vermeiden. Das Driftsegment 15 entfernt die Kopplung zwischen den Beschleunigungsröhren 6 und 7, so dass die Phasendifferenz zwischen den zwei Röhren frei eingestellt werden kann. Der Stromkoppler 12 stellt individuell Strom für die jeweiligen beiden Segmente der Beschleunigungsröhren bereit. Die Beschleunigungsröhren heben die Nasenkonstruktion 14 an, um den Übergangszeitfaktor zu erhöhen und dadurch die effektive Shuntimpedanz zu steigern.
In 4A und 4B sind die Parameter von Bedeutung für die Elektronenstrahlenbündel am Ausgang der Vorrichtung dargestellt, mit unter anderem Kurven der durchschnittlichen Energie E, maximalen Intensität I der Strahlen und dem quadratisch gemittelten Radius rrms (RMS-Radius) gegenüber der relativen Phasenverschiebung Δϕ. Aus den Zeichnungen ist ersichtlich, dass die Variationen der durchschnittlichen Energie dem in Formel 1 ausgedrückten Cosinus-Verhältnis entsprechen. Die anderen Parameter variieren stabil, was bedeutet, dass die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Patentanmeldung die Fähigkeit besitzt, Elektronenstrahlenbündel mit kontinuierlich regelbarer Energie bereitzustellen, die stabile Parameter aufweisen und die Anforderungen für eine Bildgebung im medizinischen Bereich erfüllen.
Um sicherzustellen, dass der Punkt am Ausgang der Vorrichtung klein genug ist, ist eine Gleichstrom-Hochspannungs-Kanone 5 erforderlich, um die Elektronenstrahlen 10 in einer speziellen Emissionsweise zu emittieren, d. h. in einer Emission mit negativem Winkel. In 5 ist eine visuelle Interpretation der Emission mit negativem Winkel dargestellt. ES handelt sich darum, dass die Hülle der Elektronenstrahlen bei der Emission einen negativen Hüllenwinkel hat, so dass die Elektronenstrahlen eine bessere transversale Fokussierung in der Beschleunigungsröhre 6 erhalten, um die Größe des Punkts am Ausgang der Vorrichtung zu reduzieren. Gleichzeitig kann die Anwendung einer Emission mit negativem Winkel ein Einfangverhältnis der Vorrichtung erhöhen, und dadurch kann ein Strom von höherer Energie am Ausgang der Vorrichtung erhalten werden.
Da Röntgenstrahlen, die von Elektronenstrahlen von unterschiedlichen Energien beim Auftreffen auf das Ziel erzeugt werden, haben eine unterschiedliche Leistungswinkel-Verteilung (in dem Fall, dass Elektronenstrahlen von hoher Energie auf ein Reflektionsziel auftreffen, ist die Leistung im Wesentlichen auf die Bewegungsrichtung der Elektronenstrahlen fokussiert, in dem Fall, dass Elektronenstrahlen von niedrigerer Leistung auf ein Reflektionsziel auftreffen, ist die Leistung im Wesentlichen auf eine zur Bewegungsrichtung rechtwinklig verlaufende Richtung der Elektronenstrahlen fokussiert), die Ausgaberichtung von Röntgenstrahlen, die durch Auftreffen auf das Ziel erzeugt worden sind, müssen in Bezug auf die Synchronisierung der Einstellung der Energie der Elektronenstrahlen eingestellt werden, damit ständig Röntgenstrahlen von maximaler Energie ausgegeben werden können. Die vorliegende Offenbarung sieht eine Neukonstruktion der Struktur des Ziels vor, um die Anforderung zu erfüllen. Die Struktur des Ziels und das Prinzip der Ausgabe von Röntgenstrahlen von maximaler Leistung werden nachstehend detailliert beschrieben. Wie aus 6 hervorgeht, ist die Beschleunigungsröhre 7 über das Wellrohr 17 mit der Vakuumbox 18 verbunden (wobei das Wellrohr die Aufgabe hat, ein horizontales Verdrehen der Vakuumbox in einem im Voraus festgelegten Winkelbereich zu gestatten, während die Vorrichtung in einem Vakuum dicht eingeschlossen ist), und das Ziel 8 ist in der Vakuumbox 18 angeordnet, die an einer drehbaren Basis 20 befestigt ist. Das Röntgenfenster 19 ist in der Wand der Vakuumbox installiert. Zur Sicherstellung der Lebensdauer des Ziels und der Qualität der Elektronenstrahlen ist das gesamte System (einschließlich der Beschleunigungsröhren, des Wellrohrs und der Vakuumbox) in Vakuum eingeschlossen. Wenn das System in Betrieb ist, werden die Elektronenstrahlen 10 von der Beschleunigungsröhre 7 beschleunigt und treten in das Wellrohr 17 ein, worin sie driften. Danach gelangen die Elektronenstrahlen in die Vakuumbox 18 und treffen auf das Ziel 8 auf, um Röntgenstrahlen 21 zu generieren. Die Röntgenstrahlen 21 werden am Röntgenfenster 19 in der Wand der Vakuumbox ausgegeben und können von nachgeschalteten Bildgebungssystemen eingefangen und benutzt werden. Wenn die Energie der Elektronenstrahlen nicht hoch (~450 keV) ist, wird die Basis 20 in einem kleinen Winkel positioniert, siehe 6(a). In einem solchen Fall werden Röntgenstrahlen mit ungefähr einem Winkel von der maximalen Leistung am Röntgenfenster 19 ausgegeben. Wenn die Energie der Elektronenstrahlen erhöht ist (~1 MeV), nimmt der Winkel zwischen der Richtung der maximalen Leistung und der Bewegungsrichtung der Elektronenstrahlen ab, und dann können keine Röntgenstrahlen von maximaler Leistung am Röntgenfenster ausgegeben werden. In einem solchen Fall wird die Basis 20 gedreht, um die Winkel von Ziel 8 und Röntgenfenster 19 zu drehen. Durch entsprechende Einstellung kann das Röntgenfenster 19 wieder Röntgenstrahlen von maximaler Leistung ausgeben, wie in 6(b) dargestellt. Obwohl der Energiebereich der Elektronenstrahlen in den Ausführungsformen mit von 0,5 MeV bis 2,00 MeV dargestellt ist, kann die gemäß der vorliegenden Offenbarung konstruierte Zielstruktur auf funktionieren, wenn die Elektronenstrahlen eine höhere Energie aufweisen (~10 MeV), wie aus 6(c) ersichtlich. In einem solchen Fall wird das Reflektionsziel durch ein Übertragungsziel ersetzt, und das Röntgenfenster 19 wird in der hinteren Wand der Vakuumbox angeordnet.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird eine Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung mit kontinuierlich regelbarer Energie bereitgestellt. In der Vorrichtung wird Energie der Elektronenstrahlen durch Einstellen einer Phasendifferenz zwischen Beschleunigungsröhren kontinuierlich geregelt, und dadurch ist der Punkt der Strahlen stabil. Außerdem weist die Beschleunigungsröhre eine Einfach-Zyklus-Struktur auf und arbeitet in einer π-Mode, und demzufolge ist die Beschleunigungseffizienz hoch. Darüber hinaus kommt eine drehbare Zielkonstruktion zum Einsatz, und demzufolge können bei Ändern der Energie der Elektronenstrahlen, die auf das Ziel auftreffen, immer Röntgenstrahlen von maximaler Leistung ausgegeben werden.
Gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird auch ein Verfahren für Anwendung in einer Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung mit kontinuierlich regelbarer Energie bereitgestellt, die Erzeugen von Elektronenstahlen und anschließendes Beschleunigen der Elektronenstrahlen mit einem ersten Impulsstromsignal in einer ersten Beschleunigungsröhre umfasst. Danach werden in einer der ersten Beschleunigungsröhre nachgeschalteten zweiten Beschleunigungsröhre die Elektronenstrahlen mit einem zweiten Impulsstromsignal beschleunigt. Schließlich wird eine Phasendifferenz zwischen dem ersten Impulsstromsignal und dem zweiten Impulsstromsignal kontinuierlich eingestellt, um beschleunigte Elektronenstrahlen mit kontinuierlich regelbarer Energie am Ausgang der zweiten Beschleunigungsröhre erzeugt werden.
Im Einzelnen weist die Vorrichtung eine kombinierte Beschleunigungsröhre auf, aufweisend: zwei Segmente von Stehwellen-Beschleunigungsröhren 6, 7 und Driftsegment 15, welches die zwei Röhren miteinander verbindet und die Kopplung dazwischen entfernt; Stromteiler 2, der den Strom in zwei Abzweigungen aufteilt und die zwei Segmente der Beschleunigungsröhren jeweils speist; ein Leistungsregelsystem, aufweisend den auf einer gleichen Abzweigung wie Beschleunigungsröhre 7 und Phasenschieber 3 angeordneten Dämpfer 16; eine drehbare Zielkonstruktion, aufweisend eine auf einer drehbaren Basis 20 befestigte Vakuumbox 18, Ziel 8 und in der Vakuumbox 18 installiertes Röntgenfenster 19 und ein Beschleunigungsröhre 7 und Vakuumbox 18 verbindendes Wellrohr. Die zwei Segmente der Beschleunigungsröhren benutzen eine gewöhnliche Stromimpulsquelle 1, werden jedoch jeweils über den Stromteiler 2 gespeist. Die kaskadierenden Kavitäten sind von einfach-periodischer Konstruktion. Die Beschleunigungskavitäten sind über eine Magnetkopplung miteinander verbunden und arbeiten in einer π-Mode. Die Gleichstrom-Hochspannungskanone 5 emittiert Elektronenstrahlenbündel in die kombinierte Beschleunigungsröhre in einer Weise mit negativer Winkelemission. Die Energie der Elektronenstrahlenbündel wird durch kontinuierliches Einstellen der Mikrowellen-Phasendifferenz zwischen zwei Segmenten von Beschleunigungsröhren durch den Phasenschieber 3 kontinuierlich geregelt. Die von der Vorrichtung ausgegebenen Elektronenstrahlen haben einen Punkt von einem kleinen quadratisch gemittelten Radius (RMS-Radius), der die Anforderung der medizinischen Bildgebung erfüllen kann. Die Elektronenstrahlenbündel können in einem Energiebereich von 0,5 MeV bis 2 MeV eingestellt werden, der für medizinische Bildgebung anwendbar ist. Der Energiebereich kann durch Einstellen der Dämpfungsmenge des Dämpfers 16 der Mikrowellenleistung 9 eingestellt werden. Der Energiebereich kann auch durch Begrenzen der Phasenverschiebung des Phasenschiebers 3 begrenzt werden. Gleichzeitig kann die obere Grenze des Energiebereichs durch Erhöhen der Leistung der Impulsstromquelle 1 angehoben werden. Dementsprechend ist die Vorrichtung nicht auf die Erzeugung von Elektronenstrahlen innerhalb eines Energiebereichs von 0,5 MeV bis 2 MeV beschränkt, und sie kann Elektronenstrahlen mit einem höheren Energiepegel erzeugen. Eine drehbare Zielkonstruktion ist vorgesehen, damit immer Röntgenstrahlen von maximaler Leistung ausgegeben werden können, auch wenn Elektronenstrahlenbündel von unterschiedlicher Energie auf das Ziel auftreffen. Die drehbare Zielkonstruktion ist nicht auf den Fall beschränkt, wenn Elektronenstrahlen im Bereich von 0,5 MeV bis 2 MeV auf das Ziel auftreffen. Sie ist anwendbar bei einem Fall, wenn Elektronenstrahlen von höherer Energie auf das Ziel auftreffen, nachdem das Ziel ersetzt worden ist.
Gemäß den vorstehend genannten Ausführungsformen wird eine Magnetkopplung zwischen Kavitäten der zwei Beschleunigungsröhren anstelle der in einem Stehwellen-Linearbeschleuniger gewöhnlich benutzten Seitenkopplung, wodurch sich die Breite der Beschleunigungsröhre verringert. Außerdem ist die Beschleunigungsröhre von einer Einfach-Zyklus-Struktur, so dass das Koppeln der Kavitäten nicht benötigt wird. Die Wand der Kavität ist verdickt, und somit lassen sich die Kavitäten einfach herstellen. Ferner arbeiten die zwei Segmente der Beschleunigungsröhren beide in einer π-Mode, und demzufolge hat die Beschleunigungseffizienz ihren höchsten Wert. Gleichzeitig ist die Anzahl der Kavitäten gering aufgrund der Beaufschlagung mit niedrig-energetischen Strahlen, und der Modenabstand ist groß genug, um einen stabilen Betrieb des Beschleunigungssystems sicherzustellen, während das Beschleunigungssystem in senkrechter Richtung kompakter ist. Ferner wird bei der Beschleunigungsröhre eine HF-Wechselphasen-Fokussiertechnik benutzt, die automatisch und lateral die Elektronenstrahlenbündel durch die Anwendung des Mikrowellenfelds in den Beschleunigungsröhren fokussiert, und demzufolge ist der Punkt am Ausgang des Beschleunigungssystems ausreichend klein (z. B. einen quadratisch gemittelten Radius (RMS-Radius) von 0,5 mm aufweisend), um eine hohe Bildgebungsqualität sicherzustellen. Gleichzeitig wird die Fokussierwicklung nicht benötigt, wodurch sich die Breite der Beschleunigungsröhre weiter reduziert.
Ferner ist die Konstruktion des Ziels mit der Einführung eines Rotationsmechanismus für das Ziel durch Anwenden eines Wellrohres und einer drehbaren Basis neu gestaltet worden, um die Leistung und Qualität der von der Vorrichtung abgegebenen Röntgenstrahlen zusätzlich zu verstärken, und somit können Röntgenstrahlen von maximaler Leistung für Elektronenstrahlen von jeder Energie ausgegeben werden.
Obwohl die vorgenannten Ausführungsformen eine einzelne Impulsstromquelle 1 für die Speisung der Impulsstromsignale vorsehen, die durch den Stromteiler 2 in ein erstes Impulsstromsignal und ein zweites Impulsstromsignal geteilt werden, um den Beschleunigungsröhren 6 und 7 zugeführt zu werden, können bei anderen Ausführungsformen zwei Impulsstromquellen für die Bereitstellung der Impulsstromsignale für die Beschleunigungsröhren 6 beziehungsweise 7 zum Einsatz kommen.
Ferner können der Dämpfer und der Phasenschieber, obwohl sie auf der gleichen Abzweigung angeordnet sind wie das zweite Impulsstromsignal in der vorstehenden Ausführungsform, können sie bei anderen Ausführungsformen auf der gleichen Abzweigung angeordnet werden wie das erste Impulsstromsignal. Fakultativ können der Dämpfer und der Phasenschieber jeweils auf den Abzweigungen des ersten Impulsstromsignals und zweiten Impulsstromsignals angeordnet werden.
Ferner treffen bei den vorgenannten Ausführungsformen die beschleunigten Elektronenstrahlen auf das Ziel auf, um Röntgenstrahlen zu erzeugen. Bei anderen Ausführungsformen wird der Vorgang des Auftreffens nicht benötigt, und die so erzeugten Elektronenstrahlen können zur Implementierung anderer Anwendungen genutzt werden.
Außerdem kommt bei den vorgenannten Ausführungsformen eine Gleichstrom-Hochspannungs-Elektronenkanone zum Einsatz, um die Elektronenstrahlen vor der Beschleunigung zu erzeugen. Für den Fachmann ist einsichtig, dass für die Erzeugung der Elektronenstrahlen, abhängig vom tatsächlichen Szenario und den Umfeldbedingungen auch andere Elektronenkanonen zum Einsatz kommen können.
In der vorstehenden ausführlichen Beschreibung sind verschiedene Ausführungsformen der Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung mithilfe von Blockschaltbildern, Ablaufschemas und/oder Beispielen dargestellt worden. Sofern solche Blockschaltbilder, Ablaufschemas und/oder Beispiele eine oder mehrere Funktionen und/oder Vorgänge enthalten, versteht der Fachmann, dass jede Funktion und/oder jeder Vorgang in solchen Beispielen durch eine große Auswahl an Hardware, Software, Firmware oder durch jegliche Kombination davon individuell und/oder kollektiv implementiert werden kann. Bei einer Ausführungsform können verschiedene Teile des hierin beschriebenen Gegenstands durch Anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), digitale Signalprozessoren (DSPs) oder andere integrierte Formate implementiert werden. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass einige Aspekte der hierin offenbarten Ausführungsformen vollständig oder teilweise in integrierten Schaltungen, in einem oder mehreren, auf einem oder mehreren Computern laufenden Computerprogrammen (z. B. als ein oder mehrere Programme, die auf einem oder mehreren Computersystemen laufen), als ein oder mehrere auf einem oder mehreren Prozessoren laufende Programme (z. B. als ein oder mehrere auf einem oder mehreren Mikroprozessoren laufende Programme), als Firmware oder als praktisch jede Kombination hiervon implementiert sein können, und dass die Gestaltung der Schaltungen und/oder das Schreiben des Codes für die Software und/oder Firmware in Anbetracht dieser Offenbarung sehr wohl im Bereich der Fähigkeiten des Fachmanns liegen. Darüber hinaus wird der Fachmann erkennen, dass die Mechanismen des hierin beschriebenen Gegenstands als ein Programmprodukt in einer Vielfalt von Formen verteilt werden kann, und dass eine erläuternde Ausführungsform des hierin beschriebenen Gegenstands unabhängig von der als Signalträger benutzten Medienform für die tatsächliche Ausführung der Verteilung Gültigkeit hat. Beispiele für Signal tragende Medien sind, beschränken sich aber nicht auf: Disketten, eine Festplatte, eine Compact Disk (CD), eine „Digital Versatile Disk” (DVD), ein Digitalband, ein Computerspeicher usw.; und ein Übertragungsmedium wie ein digitales und/oder ein analoges Kommunikationsmedium (z. B. faseroptisches Kabel, Lichtwellenleiter, verdrahtete Kommunikationsverbindung, drahtlose Kommunikationsverbindung usw.).
Obwohl die vorliegende Offenbarung mit Bezugnahme auf verschiedene typische Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, dass die Begriffe nur zur Darstellung und Erläuterung und nicht zur Einschränkung angewandt worden sind. Die vorliegende Offenbarung kann in verschiedenen Formen ausgeübt werden, ohne dass dies vom Gedanken oder Wesen der Offenbarung abweicht. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht auf irgendwelche der vorgenannte Details begrenzt ist, und sie sind innerhalb des Erfindungsgedanken und Schutzumfangs nach den nachstehen Ansprüchen auszulegen. Aus diesem Grund sind Modifikationen und Alternativen, die im Rahmen der Ansprüche liegen und Gegenstücke hiervon in dem Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschließen, die durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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CN 202019491 U [0004]

Claims

Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung, aufweisend: eine Elektronenkanone, konfiguriert für Erzeugen von Elektronenstrahlen; eine Impulsstromquelle, konfiguriert für Bereitstellen eines primären Impulsstromsignals; einen Stromteiler, in der Impulsstromquelle nachgeschalteter Anordnung und konfiguriert für Teilen des von der Impulsstromquelle ausgegebenen primären Impulsstromsignals in ein erstes Impulsstromsignal und ein zweites Impulsstromsignal; eine erste Beschleunigungsröhre, in der Elektronenkanone nachgeschalteter Anordnung, gekoppelt an den Stromteiler und konfiguriert für Beschleunigen der Elektronenstrahlen mit dem ersten Impulsstromsignal; eine zweite Beschleunigungsröhre, in der ersten Beschleunigungsröhre nachgeschalteter Anordnung und konfiguriert für Empfangen des zweiten Impulsstromsignals vom Stromteiler und Beschleunigen der Elektronenstrahlen mit dem zweiten Impulsstromsignal; einen Phasenschieber, gekoppelt an den Ausgang vom Stromteiler und konfiguriert für kontinuierliches Einstellen einer Phasendifferenz zwischen dem ersten Impulsstromsignal und dem zweiten Impulsstromsignal, um beschleunigte Elektronenstrahlen mit kontinuierlich regelbarer Energie am Ausgang der zweiten Beschleunigungsröhre zu erzeugen.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein Ziel, in der zweiten Beschleunigungsröhre nachgeschalteter Anordnung und konfiguriert, um von den beschleunigten Elektronenstrahlen getroffen zu werden, um Röntgenstrahlen zu erzeugen.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 2, ferner aufweisend: einen Dämpfer, an den Phasenschieber gekoppelt und konfiguriert für Dämpfen des ersten Impulsstromsignals und/oder des zweiten Impulsstromsignals.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Phasenschieber für Einstellen der Phasendifferenz derart konfiguriert ist, dass Beschleunigungskavitäten der ersten Beschleunigungsröhre und der zweiten Beschleunigungsröhre jeweils in einer Akzelerationsphasenmode arbeiten.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Phasenschieber für Einstellen der Phasendifferenz derart konfiguriert ist, dass eine Beschleunigungskavität der ersten Beschleunigungsröhre in einer Akzelerationsphasenmode arbeitet, während eine Beschleunigungskavität der zweiten Beschleunigungsröhre in einer Dezelerationsmode arbeitet.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei sowohl in der ersten Beschleunigungsröhre als auch in der zweiten Beschleunigungsröhre eine magnetische Kopplung zwischen Beschleunigungskavitäten auftritt, und wobei sich ein Kopplungsloch an einer Stelle in den Beschleunigungskavitäten befindet, wo das Magnetfeld der Wand der Kavitäten relativ groß ist.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Stromkoppler, angeordnet zwischen der ersten Beschleunigungsröhre und der zweiten Beschleunigungsröhre und konfiguriert für Stromversorgung der ersten Beschleunigungsröhre und der zweiten Beschleunigungsröhre.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elektronenkanone Elektronen in die erste Beschleunigungsröhre mit einem negativen Winkel injiziert.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Ziel auf einer drehbaren Basis derart angeordnet ist, dass ein Winkel der Auftreffrichtung der beschleunigten Elektronenstrahlen in Bezug auf die Oberfläche des Ziels variiert, wenn die Energie der Elektronenstahlen variiert.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Ziel in einer Vakuumbox angeordnet ist, welche auf einer drehbaren Basis befestigt ist, ein Röntgenfenster auf einer Seite der Vakuumbox vorhanden und die zweite Beschleunigungsröhre über ein Wellrohr mit der Vakuumbox verbunden ist.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die beschleunigten Elektronenstrahlen eine Energie in einem Bereich von 0,5 MeV bis 2,00 MeV haben.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung aufweisend: eine Elektronenkanone, konfiguriert für Erzeugen von Elektronenstrahlen; eine erste Impulsstromquelle, konfiguriert für Bereitstellen eines ersten Impulsstromsignals; eine zweite Impulsstromquelle, konfiguriert für Bereitstellen eines zweiten Impulsstromsignals; eine erste Beschleunigungsröhre, in der Elektronenkanone nachgeschalteter Anordnung, gekoppelt an die erste Impulsstromquelle und konfiguriert für Beschleunigen der Elektronenstrahlen mit dem ersten Impulsstromsignal; eine zweite Beschleunigungsröhre, in der ersten Beschleunigungsröhre nachgeschalteter Anordnung und konfiguriert für Empfangen des zweiten Impulsstromsignals von der zweiten Impulsstromquelle und konfiguriert für Empfangen des zweiten Impulsstromsignals von der zweiten Impulsstromquelle und Beschleunigen der Elektronenstrahlen mit dem zweiten Impulsstromsignal; einen Phasenschieber, gekoppelt an den Ausgang der ersten Impulsstromquelle und/oder den Ausgang der zweiten Impulsstromquelle und konfiguriert für kontinuierliches Einstellen einer Phasendifferenz zwischen dem ersten Impulsstromsignal und dem zweiten Impulsstromsignal, um beschleunigte Elektronenstrahlen mit kontinuierlich regelbarer Energie am Ausgang der zweiten Beschleunigungsröhre zu erzeugen.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 12, ferner aufweisend: ein Ziel in der zweiten Beschleunigungsröhre nachgeschalteter Anordnung und konfiguriert, um von den beschleunigten Elektronenstrahlen getroffen zu werden und Röntgenstrahlen zu erzeugen.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 13, ferner aufweisend: einen Dämpfer, gekoppelt an den Phasenschieber und konfiguriert für Dämpfen des ersten Impulsstromsignal und/oder des zweiten Impulsstromsignals.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Phasenschieber für Einstellen der Phasendifferenz derart konfiguriert ist, dass Beschleunigungskavitäten der ersten Beschleunigungsröhre und der zweiten Beschleunigungsröhre in einer Akzelerationsphasenmode arbeiten.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Phasenschieber für Einstellen der Phasendifferenz derart konfiguriert ist, dass eine Beschleunigungskavität der ersten Beschleunigungsröhre in einer Akzelerationsphasenmode arbeitet, während eine Beschleunigungskavität der zweiten Beschleunigungsröhre in einer Dezelerationsmode arbeitet.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei sowohl in der ersten Beschleunigungsröhre als auch in der zweiten Beschleunigungsröhre eine magnetische Kopplung zwischen Beschleunigungskavitäten auftritt, und wobei sich ein Kopplungsloch an einer Stelle in den Beschleunigungskavitäten befindet, wo das Magnetfeld der Wand der Kavitäten relativ groß ist.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 12, ferner aufweisend: einen Stromkoppler, angeordnet zwischen der ersten Beschleunigungsröhre und der zweiten Beschleunigungsröhre und konfiguriert für Stromversorgung der ersten Beschleunigungsröhre und der zweiten Beschleunigungsröhre.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Elektronenkanone Elektronen in die erste Beschleunigungsröhre mit einem negativen Winkel injiziert.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Ziel auf einer drehbaren Basis derart angeordnet ist, dass ein Winkel der Auftreffrichtung der beschleunigten Elektronenstrahlen in Bezug auf die Oberfläche des Ziels variiert, wenn die Energie der Elektronenstahlen variiert.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 20, wobei das Ziel in einer Vakuumbox angeordnet ist, welche auf einer drehbaren Basis befestigt ist, ein Röntgenfenster auf einer Seite der Vakuumbox vorhanden und die zweite Beschleunigungsröhre über ein Wellrohr mit der Vakuumbox verbunden ist.
Stehwellen-Elektronenlinearbeschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die beschleunigten Elektronenstrahlen eine Energie in einem Bereich von 0,5 MeV bis 2,00 MeV haben.