DE2533346A1

DE2533346A1 - Linearbeschleuniger

Info

Publication number: DE2533346A1
Application number: DE19752533346
Authority: DE
Inventors: Stanley O Schriber
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1974-08-01
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1976-02-19
Also published as: SE7508676L; SE405784B; GB1474656A; US4006422A; CA990404A; DE2533346B2; DE2533346C3; JPS5135896A; FR2281031B1; FR2281031A1; JPS5338000B2

Description

MÜLLER-BORK · GROENING ■ OILUFKL SCHÖN · KSRTBL

PAT E N T AN W A ί.Ύ E

9533346

MÜNCIIEX · BRAtTNSCIIWEIG -KÖLN «- ^ "* ^W

2 5. JUU «75

PR. W, MOLLER-BORIi: · BRAUNSCHWEIQ H-W.anOENIN°.OIPI--^|NO·· MÜNCHEN PR. p. OEUFCL, OI*H~-CHCM.· MÜNCHEN DR.A.SCHÖN, OIPL.-CHEM_t· MONCHIN WERNER HCRTEl, DIPLrPHYS. ' KÖLN

Hl/We-th - A 2430

ATOMIC EtTERGY OF CANADA LIMITED Ottawa, Ontario,
Kanada

Linearbeschleuniger

Die Erfindung betrifft Linearbeschleuniger und bezieht sich insbesondere auf solche Linearbeschleuniger, bei welchem das Bündel von Partikeln durch einen Beschleunigungsabschnitt in einer Richtung hindurchgeführt wird, umgekehrt wird und durch den Beschleunigungsabschnitt in der anderen Richtung hindurchgeführt wird.

In den letzten Jahren haben Elektronenbeschleuniger herkömmliche Co-Einheiten für die Krebstherapie ersetzt, und zwar mit zunehmender Frequenz, weil die Photonen-Bremsstrahlung ein stärkeres Durchdringungsvermögen hat. Eine Elektronenstrahlbündelbehandlung ist ebenfalls möglich. Die Strahlungsintensität und das Feld können höher sein, besser definiert, und es erfolgt kein Feldzerfall, und es ist weiterhin bei abgeschalteter Maschine relativ weniger oder keine Streustrahlung vorhanden.

Linearbeschleuniger werden meistens dazu verwendet, Partikeln wie Elektronen zu beschleunigen, bei medizinischen Anwendungen ist es jedoch vorzuziehen, ein kompaktes System zu haben, welches

609808/031 5

8 MÜNCHEN · SIEBEHTSTR. 4 · POB 860780 · KABEL! MUEBOPAT · TEL. (OSO) 471079 · TELEX 5-22659

in einen Therapierahmen bzw. in eine Therapieanordnung hineinpaßt, welche ähnlich ist wie bei einem herkömmlichen Co-Rotationssystem. Um eine hohe EnergieverStärkung in einem verhältnismäßig kleinen Beschleunigungsabschnitt zu erreichen, sind Beschleuniger entwickelt worden, in welchen das Bündel wiederholt durch den Beschleunigungsabschnitt in einer Richtung hindurchgeführt wird.

Ein solches System ist in der US-Patentschrift 3 3^-9 335 beschrieben, welche den Titel hat "Elektronenbeschleunigereinrichtung mit der Möglichkeit eines wiederholten Durchlaufes eines Ausgangselektrons durch den Beschleuniger" und welche für M. C. Crowley-Milling am 24. 10. 1967 erschienen ist. Dieser Beschleuniger verleiht den Partikeln eine Mehrfachenergieverstärkung, jedoch wird das Bündel einem V/eg entlanggeführt, welcher im Verhältnis zu der Größe der Beschleunigungsabschnitte verhältnismäßig breit ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Beschleuniger zu schaffen, welcher besonders kompakt aufgebaut ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Gemäß der Erfindung ist der Vorteil erreichbar, daß der Beschleuniger gemäß der Erfindung eine hohe Ausgangsenergie und zugleich eine hohe Shunt-Impedanz aufweist.

Weiterhin besteht gemäß der Erfindung der Vorteil, daß Energieveränderungen möglich sind, ohne daß HF-Treibersystem zu ändern.

Außerdem ist der erfindungsgemäße Beschleuniger in seinem Aufbau einfach und in seiner Herstellung wirtschaftlich.

603808/0315

Nach dem Grundgedanken des Erfinders wird somit ein Beschleuniger geschaffen, welcher mit einer stehenden Welle arbeitet und welcher eine Reihe von Resonanzzellen aufweist, welche zu einer einzigen Beschleunigungsanordnung zusammengefaßt sind. Diese Anordnung wird durch eine HF-Quelle angetrieben. Ein außerhalb der Achse angeordnetes Injektionssystem bzw. Injektorsystem, welches eine magnetische oder eine elektrische Ablenkung verwendet, kann dazu dienen, ein Bündel an einem Ende der Beschleunigungsanordnung zu injizieren bzw. einzuspeisen. Es kann auch eine Quelle auf der Beschleunigungsachse angeordnet werden, indem diese als ringförmige Scheibe ausgebildet wird. Ein achromatisches, isochrones und nicht-verstärkendes reflektierendes Magnetsystem ist an dem anderen Ende der Beschleunigungsanordnung derart angebracht, daß der Abstand zwischen dem Reflektor und der Beschleunigungsanordnung verändert werden kann. Das Fartikelbündel wird während eines ersten Durchlaufes durch die Beschleunigungsonordnung beschleunigt, umgedreht und während des zweiten Durchlaufes auf ein bestimmtes Maß weiterbeschleunigt, was von der relativen Phase des Partikelbündels in bezug auf die HF-Felder beim zweiten Durchlauf abhängt. Die Energie in dem austretenden Bündel kann dadurch verändert werden, daß der Reflektor in bezug auf die Beschleunigungsanordnung bewegt wird, daß die Magnetfelder in dem Reflektor verändert werden oder durch beide Maßnahmen zugleich.

609808/0315

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:'

Fig. 1 einen typischen seitlich gekoppelten bekannten Linearbeschleuniger, welcher im ΤΤ/2-Modus arbeitet,

Fig. 2 in schematischer Darstellung die Felder in einer Beschleunigungsanordnung, welche (a) eine biperiodische Resonanzhohlraumkette hat, welche weiterhin (b) eine Achsenkopplung aufweist und welche (c) eine Seitenkopplung hat,

Fig. 3 in schematischer Darstellung den Linearbeschleuniger gemäß der Erfindung, und

Fig. ¹V eine grafische Darstellung, welche die Kennlinien für ein erfindungsgemäßes Doppelweg-Beschleunigungssystem bzw. Doppeldurchlauf-Beschleunigungssystem veranschaulicht.

Die Fig. 1 veranschaulicht einen typischen Linearbeschleuniger 1, der einen Beschleunigungsabschnitt 2 aufweist, welcher aus einer Anzahl von Beschleunigungshohlräumen 3 gebildet ist. Der Beschleunigungsabschnitt 2 wird durch eine Mikrowellenquelle 4 wie einen Klystron-Verstärker oder ein Magnetron erregt, und er ist mit dem Abschnitt 2 durch einen Wellenleiter 5 mit .einem Mikrpwellenfenster 6 verbunden. Durch den Beschleunigungsabschnitt 2 wird durch die Kopplungshohlräume 7 eine stehende Welle erzeugt. Durch eine Quelle von geladenen Partikeln 8 wird ein Strahl bzw. ein Bündel 9 aus Partikeln wie

609808/0315

Elektronen auf der einen Seite in den Beschleunigungsabschnitt 2 entlang seiner Achse eingeführt. Diese. Partikeln werden durch Felder stehender Wellen gebündelt und beschleunigt, während sie sich durch den Beschleunigungsabschnitt 2 hindurchbewegen, und sie verlassen den Beschleuniger durch das Fenster 10. Das Bündel kann dann auf ein Target gerichtet v/erden, um beispielsweise eine Bremsstrahlung zu erzeugen, oder kann an dem Target vollständig vorbeigeführt werden, um eine Elektronenstrahlbündeltherapie anzuwenden. Eine in der Fig. 1 dargestellte Vakuumpumpe 11 dient dazu, die Partikelquelle 8 und den Beschleunigungsabschnitt 2 zu evakuieren.

Obwohl eine seitliche Kopplung dargestellt ist, können auch andere Formen der Energiekopplung verwendet werden, beispielsweise Kopplungshohlräume, welche zwischen Eesonanzhohlräumen eingeschlossen sind.

In der Veröffentlichung "Standing Wave High Energy Linear Structures" von E. A. Knapp et al., in The Revievf of Scientific Instruments, Band 39» Nr. 7₅ Juli 1968 werden verschiedene Anordnungen stehender Wellen und die einmaligen Eigenschaften der Betriebsart im ^/2-MOdUs in Resonanzbeschleunigeranwendungen diskutiert. Da die Eigenfunktionen im Tl/2-Modus sich folgendermaßen darstellen lassen,

^Xn ^{= cos} (^/2)^0* (1)

wobei X eine Amplitude ist, haben die geraden Hohlräume eine Amplitude von - 1, während die ungeraden Hohlräume eine Amplitude von O aufweisen, und es gibt eine Ή'-PhasenverSchiebung zwischen benachbarten geraden Hohlräumen. Dies ist im Beschleunigungsabschnitt 20 in der Fig. 2(a) dargestellt, wobei die

609808/031 5

Richtung des Feldes in den Hohlräumen 21 jeweils durch Pfeile 22 veranschaulicht ist. Der obige Beschleunigungsabschnitt 20 wäre nicht sehr wirksam als Beschleuniger, da in der Hälfte des Beschleunigungsabschnittes keine Energie auf die Bündelpartikeln übertragen wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß, solange alle Hohlräume auf dieselbe nicht-gekoppelte Resonanzfrequenz abgestimmt sind, die Hohlraumgeometrie verändert v/erden kann. Dies ist in der Fig. 2(b) dargestellt, wo der Beschleunigungsabschnitt 23 gerade (Beschleunigungs-) Hohlräume 24 und ungerade (Kopplungs-) Hohlräume 25 aufweist, wobei die Pfeile 22 die Richtung des Feldes darstellen.

Eine v/eitere Konfiguration, welche in der Fig. 2(c) dargestellt ist, ist der seitlich gekoppelte Beschleunigungsabschnitt, welcher anhand der Fig. 1 beschrieben wurde. In dieser Konfiguration des Beschleunigungsabschnittes 26 sind die Beschleunigung shοhlräume 27 benachbart zueinander angeordnet, wobei die Kopplungshohlräume 28 vollständig außerhalb des Bündelweges liegen, jedoch in die Beschleunigungshohlräume eingekoppelt sind. Die Pfeile 22 zeigen wiederum die Feldrichtung an. Durch diese Konfiguration wird der Wirkungsgrad des Linearbeschleunigers optimal, was durch die effektive Shunt-Impedanz angezeigt wird, welche definiert ist als:

(SpitzenpartikelenergieverStärkung/

_7φ2 Längeneinheit)² .

⁼ (an die Struktur abgeführte Leistung/Längeneinheit;

Anhand der Fig. 3 wird der Linearbeschleuniger gemäß der Erfindung beschrieben, in welchem bis zu der doppelten Ausgangsenergie bei demselben HF-Leistungsverbrauch durch den Einwegoder Einfachdurchlauf-Beschleuniger erreicht werden kann, wie er oben beschrieben wurde. Wie aus der Shunt-Impedanz-Gleichung (2) ersichtlich ist, entspricht dies einem Anheben der effektiven

609808/0315

Shunt-Impedanz um den Faktor Vier. Obwohl die bevorzugte Ausführungsform als eine Erregung im Tl^-Modus beschrieben wurde, kann auch ein anderer Modus stehender Wellen verwendet werden, beispielsweise 2 IT/3, Ή/3 usw..

Der Beschleuniger 30 gemäß Fig. 3 besteht aus einem Beschleunigungsabschnitt 31 > der eine Reihe von Beschleunigungshohlräumen 32 aufweist, welche durch Kopplungshohlräume 33 seitlich gekoppelt sind. Ein Feld stehender Wellen im T?y2-Modus wird im Beschleunigungsabschnitt 31 durch eine Mikrowellenquelle mittels eines Wellenleiters y\ erzeugt, und zwar in der Weise, daß Hohlräume 32 mit geraden Nummern eine Amplitude - 1 haben und Hohlräume 33 niit einer ungeraden Kummer eine Amplitude 0 aufweisen. Ein Bündel aus Partikeln 36 wird Elektronen wird durch die Quelle 37 erzeugt und in das eine Ende des Beschleunigungsabschnittes 31 mittels einer magnetischen oder einer elektrischen Ablenkeinrichtung 38 eingeführt. Schließlich wird eine Umkehreinrichtung oder Reflektoreinrichtung 39i welche an dem anderen Ende des Beschleunigungsabschnittes 31 angeordnet ist, dazu verwendet, das Bündel 36 in sich selbst derart zu reflektieren, daß es durch den Beschleunigungsabschnitt zurückkehrt und aus dem Austrittsfenster 40 austritt.

Der Beschleunigungsabschnitt 31 kann seitlich gekoppelt sein, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist, es hat sich jedoch gezeigt, daß eine Beschleunigeranordnung, welche Scheibenkoppler oder Flachkoppler verwendet, wie es in der Konfiguration gemäß Fig. 2(b) vorgesehen ist, obwohl sie eine effektive Shunt-Impedanz aufweist, die etwas geringer ist als bei einem entsprechenden System mit Seitenkopplung, leichter abzustimmen, herzustellen und in einem kleinen Raum unterzubringen ist. Obwohl in der Fig. 3 Beschleunigungshohlräume gleicher Länge

6Q9808/0315

dargestellt sind, hat sich weiterhin gezeigt, daß es vorzuziehen ist, individuelle Zellenlängen zu haben, wobei die Zellenlänge von dem Ende aus, in welches die Partikeln zunächst eingeführt werden, ansteigt. Die Breite der ersten Zellen wird recht rasch nach oben eingestellt, während die übrigen Zellen in ihrer Breite verhältnismäßig konstant sind. Die Tabelle I unten veranschaulicht ein Beispiel eines solchen Beschleunigungsabschnittes bei einer S-Band-Frequenz, und zwar mit Beschleunigungszellen bei einer Eingangsenergie von 41,5 keV. Die Ausgangsenergien sind diejenigen, welche für die phasenstabilen Partikeln berechnet wurden.

Tabelle I

Eingangsenergie 41,5 keV

Frequenz 3000 IiHz

Individuelle Zellenparameter

Zelle 1 2

Ausgangsenergie (MeV)	Länge (m)
0,282	0,0286
0,612	0,0413
0,969	0,0457
1,336	0,0475
1,708	0,0483
2,084	0,0488
2,461	0,0491
2,839	0,0493
3,218	0,0494
3,597	0,0495

609808/0315

Tabelle I (Fortsetzung)

Zelle	Ausgangsenergie (MeV)	Länge (m)
11	3,977	0,0496
12	4,357	0,0497
13	4,738	0,0497
14	5,119	0,0497
15	5,499	0,0498
16	5,880	0,0498
17	6,262	0,0498
18	6,643	0,0498
19	7,024	0,0498
20	7,405	0,0499
21	7,787	0,0499
22	8,168	0,0499
23	8,550	0,0499
24	8,931	0,0499
25	9,313	0,0499
26	9,695	0,0499
27	10,076	0,0499
28	10,458	0,0499
29	10,840	0,0499
30	11,221	0,0499
31	11,603	0,0499

Die Erregungsquelle kann ein Magnetron oder ein Klystron sein, welches "beispielsweise im S-Band arbeitet. Es kann vorzugsweise pulsierend betrieben werden, und zwar wegen Anwendungen mit geringem mittlerem Strom, wenn der Beschleuniger in der Bestrahlungstherapie angewandt wird.

Die Partikelquelle 37 kann beliebiger bekannter Art sein, und sie ist in der Weise dargestellt, daß sie unter der Beschleunigerachse liegt, und zwar aus mechanischen Gründen und aus Gründen

6 0 9808/0315

der Bündelführung. Das magnetische oder elektrische Ablenksystem 40 kann das Bündel um 90 ablenken, wie es dargestellt ist, oder um einen beliebigen anderen erforderlichen Winkel, was von dem Winkel abhängt, unter welchem die Quelle 37 angebracht ist. Die Ablenkeinrichtung 40 kann jedoch auch aus der Beschleunigungseinrichtung entfallen, wenn eine Quelle verwendet wird, welche die Geometrie einer ringförmigen Scheibe aufweist und auf der Achse der Beschleunigungseinrichtung angeordnet ist.

Schließlich muß die Umkehreinrichtung oder Reflektoreinrichtung 39 achromatisch sein, sie muß weiterhin isochron und nicht-verstärkend sein derart, daß alle Partikeln im Bündel entlang ihrem ursprünglichen Weg in dem Beschleunigungsabschnitt reflektiert werden, unabhängig davon, ob Unterschiede in ihrer Energie, ihrer Bahn oder ihrem Eintrittswinkel in die Reflektoreinrichtung bestehen. Eine solche Reflektoreinrichtung ist in einer Parallelanmeldung beschrieben, welche unter dem Titel " Magnetisches Bündelablenksystem" am selben Tage wie die vorliegende Anmeldung von der Anmelderin unter dem Aktenzeichen A 2431 hinterlegt wurde. Weiterhin ist der Reflektor 39 derart angeordnet,- daß der Abstand zwischen dem Reflektor 39 und dem Beschleunigungsabschnitt 31 entlang der Beschleunigerachse eingestellt werden kann. Dieser Umstand gestattet es, die Bündelenergie dadurch zu verändern, daß die Eintrittsphase des Bündels in den Beschleunigungsabschnitt für seinen zweiten Durchgang verändert wird. Die Bündelenergie kann auch dadurch verändert werden, daß das magnetische Feld im Reflektor 39 geändert wird.

Dieser oben beschriebene Beschleuniger findet insbesondere Anwendung als Strahlungsquelle in der Medizin. Das beschleunigte Bündel 36 kann direkt für eine Elektronenstrahlungstherapie verwendet werden oder es kann auf ein (nicht dargestelltes) Target zur Erzeugung einer Photonen-Bremsstrahlung gerichtet

60 9808/03 15

werden. Die Pig. 4 zeigt die Kennlinien eines Beschleunigersystems mit doppeltem Durchlauf, in welchem ein Magnetron die Erregung einer pulsierenden Energie von 1,9 MW und einer Impulsbreite von 4 MikroSekunden (3 300 pps, "bei einer Frequenz von 3 GHz liefert, und zwar für eine 1000-EMM-Optimaltargetdicke für ein Spektrum über einen Kreis mit 40 cm Durchmesser bei 100 cm. Die Ausgangsenergie in MeV und der Bündelstrom in mA sind als eine Funktion der Länge des Beschleunigers in Metern angegeben. Der linke Bereich in der grafischen Darstellung ist dasjenige Gebiet, welches für den Betrieb nicht zu empfehlen ist, weil in dem Elektronenmodus Beschleunigungsgradienten oberhalb von 18 MeV/m auftreten können. Ein Beschleuniger mit einer Länge von über 140 cm ist erforderlich, um eine Energie von mehr als 22 MeV aufzubringen.

Typische Magnetstellungen für verschiedene Ausgangsenergien in dem Photonenmodus und in dem Elektronenmodus für das obige Zellensystem 31 gemäß der Erfindung sind in der Tabelle II angegeben. Die verschiedenen Photonenausgangsenergien werden dadurch erreicht, daß bei verschiedenen Magnet-Beschleuniger-Abständen gearbeitet wird und weiterhin bei verschiedenen Gradienten, welche den Bündellastunterschieden zugeordnet sind.

Tabelle II

Modus Ausgangsenergie (MeV) Magnetstellung zu einer Bezug s st ellung (cm)

Photon 21 0,63

Photon 16 1,03

Photon 8 1,75

Elektron 25 0,63

Elektron 20 1,25

Elektron 16 1,55

Elektron" 12 1,78

Elektron 8 2,00

Elektron 5 2,22

609808/0315

Claims

Patentansprüche

(1. j Linearbeschleunigeranordnung, dadurch gekennzeich net, daß ein Beschleunigungsabschnitt vorgesehen ist, welcher eine Reihe von Beschleunigungshohlräumen aufweist, welche durch Kopplungshohlräume gekoppelt sindj wobei jeder der Hohlräume auf eine vorgegebene Frequenz abgestimmt ist, daß weiterhin eine Mikrowellen-Quelleneinrichtung vorhanden ist, welche mit dem Beschleunigungsabschnitt gekoppelt ist und derart ausgebildet ist, daß in dem Beschleunigungsabschnitt eine stehende Welle erregt wird, daß weiterhin eine Quelleneinrichtung für geladene Partikeln vorgesehen ist, welche derart ausgebildet ist, daß ein Strahlenbündel von geladenen Partikeln in das eine Ende des Beschleunigungsabschnittes eingespeist wird, und daß eine Reflektoreinrichtung an dem anderen Ende des Beschleunigungsabschnittes angeordnet ist, welche derart ausgebildet ist, daß sie die geladenen Partikeln von dem Beschleunigungsabschnitt aufnimmt, die Bundelrichtung um 180 ° umkehrzurückführt.

180 umkehrt und das Bündel in den Beschleunigungsabschnitt
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinrichtung eine Einrichtung aufweist, welche dazu dient, die Reflektoreinrichtung in bezug auf den Beschleunigungsabschnitt entlang der Beschleunigerachse zu verlagern.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinrichtung ein Magnetfeldsystem ist, welches achromatisch und isochron ausgebildet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 2^ dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungshohlräume benachbart zueinander angeordnet sind und daß die Kopplungshohlräume seitlich in bezug auf die Resonanzhohlräume angebracht sind.

SQ9808/G315
5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Beschleunigungshohlräume und jeder der Kopplungshohlräume alternierend um eine lineare Achse herum angeordnet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelquelle auf einer Seite des Beschleunigungsabschnittes angeordnet ist und eine Einrichtung aufweist, welche dazu dient, das Partikelstrahlenbündel entlang der Beschleunigungsachse in den Beschleunigungsabschnitt einzuführen.
7- Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelquelle eine ringförmige Scheibenquelle aufweist, welche um die Beschleunigerachse herum angeordnet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stehende Wellenfeld sich im TF^-Modus befindet.

609808/0315

4h

Leerseite