DE2533346C3

DE2533346C3 - Linearbeschleunigeranordnung

Info

Publication number: DE2533346C3
Application number: DE2533346A
Authority: DE
Inventors: Stanley O. Deep River Ontario 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: 1981-06-19
Also published as: DE2533346B2; CA990404A; DE2533346A1; SE405784B; SE7508676L; JPS5135896A; FR2281031A1; FR2281031B1; US4006422A; GB1474656A; JPS5338000B2

Description

Die Erfindung geht aus von einer Linearbeschleunigentnordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs

Bestrahlungseinheiten mit dem Isotop ⁶⁰Co für die Krebstherapie werden in zunehmendem Maße durch Elektronenbeschleuniger ersetzt, da die damit erzeugbare Photonen-Bremsstrahiung ein stärkeres Durchdringungsvermögen hat und überdies eine Elektronenstrahlbehandlung möglich ist. Auch die Strahlungsintensität und das Feld können stärker sein und besser definiert und es tritt kein Feldzerfall auf. Überdies ergibt sich bei abgeschaltetem Beschleuniger nur eine geringe oder gar keine .Strahlungsgefährdung.

Linearbeschleuniger werden dazu verwendet, geladene Teilchen, wie Elektronen, zu beschleunigen. Bei medizinischen Anwendungen ist es dabei erforderlich, daß das System kompakt ist und in eine Therapievorrichtung eingenetzt werden kann, die einem herkömmli chen Rotationssystem mit ⁶⁰CO ähnlich ist. Um auf einer kurzen BeschJeunigungsstrecke eine hohe Energieverstärkung zu erreichen, sind bereits Beschleuniger entwickelt worden, in denen das Bündel der Tauchen

in wiederholt durch die Beschleunigungsstrecke in einer Richtung hindurch geleitet wird.

Ein derartiges System ist in der US-PS 33 49 335 beschrieben. Der Beschleuniger verleiht dabei den Teilchen eine Mehrfach-Energieverstärkung, jedoch wird das Teilchenbündel über einen Pfad geführt, der im Verhältnis zur Größe der Beschleunigungsstrecke ziemlich breit ist.

Eine Linearbeschleunigeranordnung der eingangs genannten Gattung ist aus der US-PS 3&11166 bekannt. Diese Anordnung weist mehrere, jeweils auf eine bestimmte Frequenz abgestimmte Beschleunigungshohlräurne auf, sowie eine Mikroweüenquelle und eine Quelle für geladene Teilchen. An beiden Enden der Beschleunigungsstrecke ist je ein die Teilchen um 180° umlenkender magnetischer Reflektor angeordnet Für nichtrelativistische Teilchen, also für Teilchen mit geringer Energie, arbeiten diese Reflektoren isochron. Die Teilchen werden in diesen Reflektoren auf Bahnen reflektiert, die zu den Ursprungsbahnen parallel

to versetzt und nicht geneigt sind, so daß man die Reflektoren auch als achromatisch bezeichnen kann.

Bei dieser Anordnung ergeben sich jedoch Probleme bei der Änderung der Energie der beschleunigten Teilchen und insbesondere wenn die Teilchen auf

is relativistische Energien gebracht werden sollen.

Aus der DEOS 18 07 720 ist ein Stehwellenlinearbeschleuniger bekannt, der eine Reihe von Beschleunigungshohlräumen und auf eine bestimmte Frequenz abgestimmte Kopplungshohlräume aufweist, sowie eine Mikrowellenquelle und eine QueT-e für geladene Teilchen. Der erste Beschleunigungshohlraum ist dabei derart ausgebildet, daß das injizierte Bündel von Teilchen an einer Stelle nahezu maximalen elektrischen Feldes in das beschleunigende Mikrowellenfeld eintritt

αϊ Auf diese Weise sind brauchbare Ausgangsspektren für

Energieveränderungen des Teilchenbündels um einen Faktor 3 erzielbar. Eine stärkere Veränderung der Bündelenergie ist jedoch nicht möglich. Aus der Veröffentlichung »Nuclear Instruments and

in Methods«, Bd. 45 (I9b6), Nr. 2, Seite 347 bis 348, ist auch bereits ein Tsendem-Beschleuniger bekannt, bei dem Schwerionen in elektrostatischen Feldern beschleunigt werden. Es wird dabei der Ladungsunterschied der Ionen zur Erzielung hoher Energien mit hoher

Stromstärke ausgenutzt.

In »Physikalische Blätter«, Bd. 23 (1967), Nr. 9, Seite 124, ist ein verkürzter Linearbeschleuniger beschrieben, der als »Linotran« bezeichnet ist. Die zu beschleunigenden geladenen Teilchen durchlaufen dabei mehrfach das

μ gleiche Beschlcunigungssystem und werden bei jedem Durchlauf beschleunigt. Zur Umkehr des Teilchenbündeis am Ende der Beschleunigungsstrecke sind jeweils Umkehr-Fokus.'iierungsmagnete vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, daß der Partikelstrahl sehr einfach injiziert

*■> und extrahiert werden kann, doch ist es nicht möglich, die Energie des Teilchenbündels durch Beeinflussung der Mikrowellen-Beschleunigungsfelder nennenswert zu verändern.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Anordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung dahingehend weiterzubilden, daß die Energie der Teilchen ohne Änderung des H F-Treibersystems geändert werden kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemä- ι ο Ben Anordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 einen typischen seitlich gekoppelten bekannten Linearbeschleuniger, der im jr/2-Modus arbeitet;

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Felder in einer Beschleunigungsstrecke, die (a) eine biperiodische Resonanzhohlraumkette aufweist bzw. (b) eine Achsenkopplung, bz. (c) eine seitliche Kopplung;

F i g, 3 eine schematische Darstellung der Linearbeschleunigeranordnung gemäß der Erfindung; und

Fig.4 eine graphische Darstellung der Kennlinien eines Doppeldurchlauf-Beschleunigers gemäß F i g.3.

In der Fig. 1 ist ein typischer Linearbeschleuniger 1 dargestellt der eine Beschleunigungsstrecke 2 aufweist, weiche aus einer Anzahl von Beschleunigungshohlräumen 3 gebildet ist Die Beschleunigungsstrecke 2 wird durch eine Mikrowellenquelle 4, wie einen Klystron-Verstärker oder ein Magnetron erregt die mit der Beschleunigungsstrecke 2 über einen Wellenleiter 5 und ein Mikrowellenfenster 6 verbunden ist Entlang der Beschleunigungsstrecke 2 wird durch die Kopplungshohlräume 7 eine stehende Welle erzeugt. Eine Quelle 8 für geladene Teilchen erzeugt ein Bündel 9 aus den Teilchen, beispielsweise Elektronen, das auf der einen Seite in die Beschleunigungsstrecke 2 entlang der Achse eingeführt wird. Diese Teilchen werden durch die Stehwellenfelder gebündelt und beschleunigt während sie sich durch die Beschleunigungsstrecke 2 hindurchbewegen. Sie ν-Hassen den Beschleuniger durch das Fenster 10. Das Bündel geladener Teilchen kann dann auf ein Target gerichtet werden, um beispielsweise eine Bremsstrahlung zu erzeugen, oder es kann an dem Target zur Elektronenstrahltherapie vollständig vorbeigeführt werden. Eine in der Fig. 1 dargestellte Vakuumpumpe 11 dient zur Evakuierung der Quelle 8 und der ßeschleunigungsstrecke 2.

In der Fig. 1 ist zwar eine seitliche Kopplung dargestellt, doch können auch andere Formen der Energiekopplung zwischen den Beschleunigungshohlräumen verwendet werden, beispielsweise mit Kopplungshohlräur/ien, die zwischen Beschleunigungshohlräumen angeordnet sind.

In der Veröffentlichung »Standing Wave High Energy Linear Structures« von ΕΛ. Knapp et al., in The Review of Scientific Instruments, Band 39, Nr. 7, Juli 1968, Seiten 979 bis 991, werden verschiedene Anordnungen stehender Wellen und die besonderen Eigenschaften der Betriebsart im Λ/2-Modus in Resonanzbeschleunigeranordnungen diskutiert Da die Eigenfunktionen im ;r/2-Modus sich folgendermaßen darstellen lassen.

während die ungeraden Beschleunigungshohlräume eine Amplitude von 0 aufweisen, so daß sich eine ^-Phasenverschiebung zwischen benachbarten geradzahligen Beschleunigungshohlräumen ergibt. Dies ist in der Beschleunigungsstrecke 20 in der Fig.2 (a) dargestellt, wobei die Richtung des Feldes in den Beschleunigungshohlräumen 21 jeweils durch Pfeile 22 veranschaulicht ist Die Beschleunigungsstrecke 20, wie oben erläutert, wäre nicht sehr wirksam als Beschleuniger, da in der Hälfte der Beschleunigungsstrecke keine Energie auf die Teilchen des Bündels übertragen wird. Es hat sich jedoch gezeigt daß solange alle Beschleunigungshohlräume auf dieselbe nicht-gekoppelte Resonanzfrequenz abgestimmt sind, die Hohlraumgeometrie verändert werden kann. Dies ist in der F i g. 2 (b) dargestellt wobei die Beschleunigungsstrecke 23 geradzahlige Beschleunigungshohlräume 24 und ungeradzahlige Kopplungshohlräume 25 aufweist. Die Pfeile 22 stellen wiederum die Richtung des Feldes dar.

Eine weitere Konfiguration, die in der Fig.2 (c) dargestellt ist besteht aus einer seitlxu gekoppelten Beschleunigungsstrecke 2. Dabei sind die Beschieunigungshohlräume 3 aneinandergrenzend angeordnet und die Kopplungshohlräume 7 sind vollständig außerhalb des Bündelpfades gelegen, jedoch in die Beschleunigungshohlräume 3 eingekoppelt Die Pfeile 22 zeigen wiederum die Richtung des Feldes an. Bei dieser Ausgestaltung wird der Wirkungsgrad des Linearbeschleunigers optimal, wie durch die effektive Shunt-Impedanz angezeigt die wie folgt definiert ist;

ZT¹ =

(Teilchenenergie-Spitzenverstärkung

pro Längeneinheit)²

(an die Struktur abgeführte Leistung
pro Längeneinheit)

(2)

²' = cos (nn/2)e^w

(I)

wobei X_n eine Amplitude ist, haben die geradzahligen Beschleunigungshohlräunir eine Amplitude von ±1.

Anhand der Fig.3 wird nun ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Linearbeschleunigeranordnung beschrieben, bei der bis zur doppelten Ausgangsenergie mit gleichem H F-Leistungsverbrauch als bei dem Einfacbdurchlauf-Beschleuniger, wie oben beschrieben, erreicht werden kann. Wie sich aus der Shunt-Impedanz-GIeichung (2) ergibt, entspricht dies einem Anheben der effektiven Shunt-Impedanz um den Faktor 4. Obwohl die bevorzugte Ausführungsform als eine Erregung im π/2-Modus beschrieben wurde, kann auch ein anderer Modus stehender Wellen verwendet werden, beispielsweise 2π/3, π/3 usw...

Der Beschleuniger 1 gemäß der Fig.3 besteht aus einer Beschleunigungsstrecke 2, die eine Reihe von Beschleunigungshohlräumen 3 aufweist welche durch Kopplungshohlräume 7 seitlich gekoppelt sind. Ein Feld stehender Wellen im π/2-Modus wird in der Beschleunigungsstrecfce 2 durch eine Mikroweilenquelle 4 mittels eines Wellenleiters S erzeugt, und zwar in der Weist·, daß die Besehleunigungshohlräume 3 mit geraden Nummern eine Amplitude ± 1 haben, und die Kopplungshohlräume 7 mit ungeraden Nummern eine Amplitude 0, Ein Bürde! 9 aus Teilchen, beispielsweise Elektronen, wird durch die Quelle 8 erzeugt und in das eine Ende der Beschieunigungsstrecke 2 mittels einer magnetischen oder elektrischen Ablenkeinrichtung 38 eingeführt. Ein am anderen Ende der Beschleunigungsstrecke 2 angeordneter magnetischer Reflektor 39 reflektiert das Bündel } der geladenen Teilchen in sich selbst zurück, so daß es durch die Beschleunigungsstrekke zurückläuft und aus dem Austrittsfenster 10 austritt.

Die Beschleunigungssirecke 7 kann seillich 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 Beschleuni- in gungshohlräume 3 gleicher Länge dargestellt sind, hat sich überdies gezeigt, daß es vorzuziehen ist, individuelle Zellenlängen zu haben, wobei die Zellenlänge von dem Ende aus, in welches die Teilchen zunächst eingeführt werden, ansteigt. Die Breite der ersten Zellen wächst r> recht rasch an, während die übrigen Zellen in ihrer Breite verhältnismäßig konstant sind. Bei einem Beispiel einer solchen Beschleunigerstrecke wurde eine S-Band-Frpntipn? vprwpndpt. snwip 31 Beschleunigungs/pHen und eine Eingangsenergie von 41,5 keV, wobei eine -'" Ausgangsenergie des Teilchenbündels von 11.603 MeV erzielt wurde.

Bei dieser Ausführungsform mit abgestuft anwachsender Länge der Beschlcunigungshohlräume wird erreicht, daß die Teilchen anfänglich sehr rasch r> beschleunigt werden. Der vom Reflektor zurückkehrende Strahl wird zwar nicht so gut beschleunigt, wie es bei Hohlräumen gleicher Länge der Fall wäre, doch wird wegen der sehr hohen Anfangsbeschleunigung eine verbesserte Gesamtleistung erzielt. v>

Die Mikrowellenquelle 4 kann ein Magnetron oder ein Klystron sein, die beispielsweise in S-Band arbeiten. Die Mikrowellenquelle 4 kann vorzugsweise im Impulsbetrieb arbeiten, und zwar bei Anwendungen mit geringem mittleren Strom, wenn der Beschleuniger für ιί die Bestrahlungstherapie verwendet wird. Die Quelle 8 für geladene Teilchen kann von beliebiger bekannter Art sein; sie ist in der Zeichnung als unter der Beschleunigerachsc liegend angeordnet gezeigt, und zwar aus mechanischen Gründen und aus Gründen der ·" Bündelführung. Das magnetische oder elektrische Ablenksystem 38 kann das Bündel um 90° ablenken, wie es dargesieih isi, oder um einen beliebigen alitieren Winkel, und zwar in Abhängigkeit von dem Winkel, unter dem die Quelle 8 angebracht ist. Die Ablenkeinrichtung 38 kann jedoch auch aus der Beschleunigungseinrichtung entfallen, wenn eine Quelle verwendet wird, welche die Geometrie einer ringförmigen Scheibe aufweist und auf der Achse der Beschleunigeranordnung angeordnet ist. >"

Der Reflektor 39 ist achromatisch und isochron sowie nicht verstärkend, so daß alle Teilchen im Bündel entlang ihres ursprünglichen Pfades in die Beschleunigungsstrecke unabhängig davon zurückreflektiert werden, ob Unterschiede in ihrer Energie, ihrer Bahn oder ί> ihrem Eintrittswinkel in den Reflektor bestehen. Ein derartiger Reflektor ist in der DE-OS 25 33 347 beschrieben.

Der Reflektor 39 ist derart angeordnet, daß der Abstand zwischen dem Reflektor 39 und der Beschleuni- w> gungsstrecke 2 entlang der Beschleunigerachse eingestellt werden kann. Dieser Umstand gestattet es. die Bündelenergie dadurch zu verändern, daß die Eintrittsphase des Bündels in die Beschleunigungsstrecke 2 für den zweiien Durchlauf verändert wird. Die Bündelenergie kann auch dadurch verändert werden, daß das magnetische Feld im Reflektor 39 geändert wird.

Der beschriebene Beschleuniger findet insbesondere Anwendung als Strahlungsquelle in der Medizin. Das beschleunigte Bündel 9 kann direkt für die Elektronenstrahltherapie genutzt werden oder es kann auf ein (nicht dargestelltes) Target zur Erzeugung einer Photonen-Bremsstrahlung gerichtet werden.

Die F i g. 4 zeigt die Kennlinien einer Linearbeschleunigeranordnung mit doppeltem Durchlauf, bei welcher ein Magnetron die Erregung mit einer Impiilsleisiiing von 1,9 MW bei einer Frequenz von 3 Ghz und einer Impulsbreite von 4 Mikrosekunden mit einer Folgefrequenz von 300 Impulsen pro Sekunde liefert, und zwar für eine 1000-RMM-Optimaltargetdicke für ein Spektrum über einen Kreis mit 40 cm Durchmesser in 100 cm Abstand. Die Arsgangsenergie in MeV (die in der F i g. 4 an der linken Ordinatcnskaia aufgetragen ist) und der Bündelstrom in mA (der in Fig.4 auf der rechten Ordinatenskala aufgetragen ist) sind als Funktion der Länge des Beschleunigers in Metern (in der Fig.4 die Abszissenskala) angegeben. Für eine gegebene Länge ergibt der für Elektronen mit einer in MeV gemessenen Energie (die mit Kreuzchen dargestellte Kurve) erforderliche Strom in mA (die mit Querstrichen angezeigte Kurve) ein Strahlungsfeld von 1000 RMM. und 7.\Kf"T 1 Meter entfernt von einem Bremsstrahlungs-Targe' mit optimaler Dicke. Bei den in der F i g. 4 vorausgesetzten Werten beträgt wegen der HF-Feld-Anstiegszeit in dem Beschleuniger die Bündclimpuls-Länge 2.4 Mikrosekunden und nicht 4 Mikrosekunden.

Der linke Bereich des Diagramms der F i g. 4 ist dasjenige Gebiet, welches für den Betrieb nicht zu empfehlen ist, weil in de m Elektronenmodus Beschlcunigungsgradienten von über 18 MeV/m auftreten können. Es ist ein Beschleuniger mit einer Lange von über 140 cm erforderlich, um eine Energie von mehr als 22 MeV aufzubringen.

Typische Reflektorstellungen für verschiedene Ausgangsenergien in dem Photonenmodus und in dem Elektronenmodus für die vorstch^d erläuterte Be-

Tabelle angegeben. Die verschiedenen Photonenausgangsenergien werden dadurch erzielt, daß bei verschiedenen Abständen des Reflektors zur Beschleiinigerstrecke gearbeitet wird und mit verschiedenen Gradienten, entsprechend den Bündellastunterschieden.

Modus	Ausgangsenergic	,03
	(MeV) ' <	.75
	Kcrieklorslei;.,~ig /u	).63
Photon	•incr Be/uesstellung	.25
Photon	(cm)	.55
Photon	21 (	.78
Elektron	16	8 2.00
Elektron	8	5 ;
Elektron	25 (	»22
Elektron	20
Elektron	16
Elektron	12

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Linearbeschleunigeranordnung

a) mit mehreren, jeweils auf eine bestimmte Frequenz abgestimmten Beschleunigungshohlräumen (3)

b) miteinerMikroweilenquelle(4)

c) und einer Quelle (8) für geladene Teilchen

d) bei der auf der der Quelle (8) für geladene Teilchen gegenüberliegenden Seite der Beschleunigungsstrecke (2) ein die Teilchen um 180° umlenkender, magnetischer Reflektor (39) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,

e) daß der magnetische Reflektor (39) auch für relativistische Teilchen isochron und achromatisch ist, das heißt, daß Teilchen unterschiedlicher Energie ihre Bahnen im magnetischen Reflektor (39) in gleichen Zeiten zurücklegen und enUang ihrem ursprünglichen Weg in die Beschleunigunpsiecke (2) reflektiert werden, und

f) daß der Reflektor (39) eine Einrichtung aufweist, die dazu dient, den Reflektor (39) in bezug auf die Beschleunigungsstrecke (2) entlang der Beschleunigerachse zu verschieben.

2. Anordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungshohlräume (3) aneinandergrenzend -angeordnet sind und daß die Kopplungshohlräume (7) seitlich an den Beschleunigungshohlräumen (3) angebracht sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungshohlräume (24) und die Kopplungshohiräunve (25J abwechselnd um eine lineare Achse herum angeordnet sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (8) für geladene Teilchen auf einer Seite der Beschleunigungsstrecke (2) angeordnet ist und eine Einrichtung (9, 38) aufweist, weiche dazu dient, die Teilchen entlang der Beschleunigerachse in die Beschleunigungsstrecke (2) einzuführen.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für geladene Teilchen als ringförmige Scheibenquelle ausgebildet ist, welche um die Beschleunigerachse herum angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stehwellenfeld im /r/2-Modus erregt ist.