DE2757079A1

DE2757079A1 - Linearbeschleuniger

Info

Publication number: DE2757079A1
Application number: DE19772757079
Authority: DE
Inventors: Victor Aleksey Vaguine
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1977-12-21
Publication date: 1978-06-29
Also published as: FR2375795A1; JPS61720B2; GB1562162A; US4118653A; JPS5385297A

Description

daß lie £yr.chronität des Strahls mit dem strahlaufwärt igen Beschleunigungsabschnitt gestört wird. Als Resultat werden ein hoher Beschieunigur.gswirkunp-sgrad und eine enge Er.ergiespreizur.g des endgültigen beschleunigten Strahls über einen gr^23n Bereich von Partikelenergien erreicht.

Hintergrund der Erfindung

Tie Irfindun? betrifft Linearbeschleuniger für geladene Partikel, wie sie bei der medizinischen Strahlenbehandlung, bei der Hochenergieradiografie, in der Strahlenbearbeitung von Werkstoffen und in der physikalischen Forschung verwer.iet werden. In vielen Anwendungsfällen von solchen Beschleunigern ist es außerordentlich erwünscht, in der Lage zu sein, die Endenergie der beschleunigten Partikel einzustellen, während eine geringe Energiespreizung der Partikel und ein hoher Beschleunigungswirkungsgrad aufrechterhalten werden.

Der übliche, bekannte Weg zur Variation der Energie des von einei Linearbeschleuniger austretenden Strahls, der von einer Quelle für hochfrequente elektromagnetische Schwingungsenergie getrieben wird, war einfach, die Energie von der «,uelle zu variieren, beispielsweise durch einen Dämpfer is Anschluß-Hohlleiter. Dieses System hat einen inhärenten N.rinrel. Xz. 5er".nn der Beschleunigungs-Kikrowellenleitung wiri der ütraril aus geladenen Partikeln, beispielsweise Elektronen, rhasenaäSig mit Bezug auf die elektromagnetische Schwingung foku.~-i.ert und auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähert ν wenigstens bei Zlektronen;. Dieser Anfangsbereich dee Beschleunigers kann so ausgewählt werden, daß eine optimale ihasenlage und Geschwindigkeit des Strahls geliefert wird, so da3 durch spätere Beschleunigung die Energiespreizung des resultierenden Ctrahls sehr eng ist und der Wirkungsgrad des Beschleunigers hoch ist. Wenn die Amplitude des

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HF-Feldes jedoch geändert wird, etwa durch Änderung der Einganrsleisturg, werden die Cynchron- und Fhasenfokussier-Bedin^ur.een gestört, so daß sich eine Verbreiterung des Ausgsr.gsenergiespektrums und eine Verringerung des Wirkungsgrades ergeben.

Fig. 1 zeigt das Energiespektrum eines konventioneller. Beschleunigers sit einen einzigen Stehwellen-Beschleunigungsabschnitt. Die Spreizur.g der Fartikelausgangsenergie ist sehr eng, wenn der Beschleuniger mit der mittlerer. Energie (c) betrieben wird, für die der Entwurf optimiert wurde, wird jedoch bei niedrigeren (a), (b) oder höheren (d), (e) Energien in unerwünschter Weise verbreitert.

Ein früherer Versuch zur Losung des Froblems der Energiesteuerung war die Aufteilung des Beschleunigers in zwei in Kaskade geschaltete Wanderfeldabschnitte (US-PS 2 920 und 3 070 726). Die Eingangs-HF-Leistung ging zunächst durch den strahlaufwärtigen Eingangsabschnitt. Die HF-Schwingung wurde dann gedämpft, um die HF-Energie im zweiten, strahlabwärtigen Wanderfeldabschnitt zu regulieren, und damit die Ausgangs-Elektronenenergie. Dieses Schema war jedoch nicht in der Lage, einen hohen Wirkungsgrad zu ergeben, weil der Wanderfeldbeschleuniger einen geringeren Wirkungsgrad hat als der üblicherweise verwendete Stehwellenbeschleuniger aiit seitlicher Ilohiraunikopplung. Die nach einem einzigen Durchgang durch die wellenführende Struktur übrigbleibende Cchwingungsenergie wird in einer Absorptionslast weggeworfen.

Zusagenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Linearbeschleuniger verfügbar zu xachen, bei dem die Gleichförmigkeit der Energie der beschleunigten Partikel optimiert bleibt,

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während die mittlere Energie variiert wird.

Veiter soll durch die Erfindung ein Beschleuniger mit variabler Energie und hohem Wirkungsgrad verfügbar gemacht werden.

Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, da3 der Strahl aus geladenen Partikeln zunächst durch eine kurze Beschleunigersektion geschickt wird, der eine wandernde HF-Schwingung führt, und dann durch einen zweiten Abschnitt, der durch eine Stehwelle erregt wird. Die Eingangs-HF-Energie wird durch der. Var.derf eidabschnitt und dann über einen einstellbaren läapfer in den Stehwellenabschnitt geschickt. Am Etrahleingangsende, wo die Fhasenfokussierung des Elektronenstrahls erfolgt, sind also die HF-Felder immer auf ihrem Xaxinalpegel, für den die Leitung ausgelegt ist, so daß ein optimales Spektrum produziert wird. Eine Herabsetzung der HF-Leistung im Ausgangs-Stehwellenabschnitt beeinträchtigt die Energiegleichförmigkeit oder den Strahlstrom nicht, da, wenn die Partikel in den Ausgangsabschnitt kommen, sie zu einer sehr kurzen Fhasenspreizung gebündelt sind und im wesentlichen mit Lichtgeschwindigkeit laufen, so da3 eine Änderung der Energie ihre Geschwindigkeit nicht merklich ändert. Durch Verwendung eines Rückwärtswellen-Eingangsabschnittes wird dem Stehwellen-Ausgangsabschnitt Leistung von: strahlaufwärtigen Ende des Eingangsabschnittes zugeführt, wo die !hase des gebündelten Strahls im wesentlichen festgelegt wird, und so kann die Phasensynchronisierung des Ausgangsabschnittes hinsichtlich der Bündel unabhängig von Phasenverschiebungen im Eingangsabschnitt optimiert bleiben.

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lie Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1 grafisch das Energiespektrum eines bekannten Beschleunigers;

Fig. 2 scheiratisch einen Beschleuniger nach der

Erfindung;

?ig. 3 einen Schnitt durch den Wanderfeldabschnitt des Beschleunigers nach Fig. 2; und

Fig. 4 einen Schnitt durch den otehwellenabschnitt des Beschleunigers nach Fig. 2.

Im Folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit der Beschleunigung von Elektronen beschrieben, ersichtlich kann sie jedoch mit entsprechenden Konstruktionswahlen für andere Arten von geladenen Partikeln verwendet werden.

Fig. 2 zeigt die Auslegung des Hochfrequenzteils eines Linearbeschleunigers nach der Erfindung.

Ein Elektronenstrahl-Erzeugungssystem 12 üblicher Konstruktion projiziert einen nicht dargestellten Elektronenstrahl in die erste Beschleunigungsleitung 14. Typischerweise wird der Strahl gepulst, mit Impulsen von einigen Mikrosekunden Dauer, es kann jedoch auch stattdessen ein kontinuierlicher Strahl sein. In der Loitung 14 werden die Elektronen gebündelt, mit einem Bündel pro Hochfrequenzzyklus, und auf eine Geschwindigkeit in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit durch periodische Wechselwirkung mit der Kr-Spanrung beschleunigt.

Ter vorbeschleunigte Strahl verläßt die Leitung 14 über eine Strahlübergangsröhre 16 und tritt in den Hauptbeschleunigerabschnitt 18 em. Hier erhalten die Elektronen erheblich itehr Energie vom HF-Feld. Da sie fast bei der

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Lichtgeschwindigkeit laufen, werden sie nicht viel beschleunig- - die zusätzliche Energie trägt zur Erhöhung der y.asse bei. Die Elektronen werden durch beide Leitungen 14 und 13 vorzugsweise nit einem axialen Magnetfeld, das durch Magnetspulen 20 erzeugt wird, in einem linearen Strahl mit zylindrischer Außenform fokussiert gehalten.

l^ikrowellenenergie, typischerweise 2.856 MHz in Amerika, wird von einem Generator 22 erzeugt, der schematisch dargestellt ist. Der Generator 22 kann ein Klystronverstärker sein, der mit einer frequenzstabilen Quelle oder durch ein synchronisiertes Signal angetrieben wird, das von der Leitung 18 zurückgeführt wird, die typischerweise einen sehr hohen Gütefaktor hat. Der Ausgang des Generators 22 wird durch einen Hohlleiter 24 und ein keramisches Hohlleiterfenster 26 in ein Ende der Leitung 14 eingespeist, die eine periodisch belastete Leitung ist, die so ausgelegt ist, da3 sie eine wandernde Welle bei der Betriebsfrequenz nit einer Phasengeschwindigkeit führt, die etwa gleich der Geschwindigkeit der beschleunigten Elektronen ist. Die AusführungsforjE nach Fig. 2 deutet die bevorzugte Form der Leitung 14, eine Rückwärtswellenleitung an. Das heißt, ca^it die Phase der fundamentalen raumharmonischen Komponente der Schwingung in Richtung der Elektronenbewegung wandert (links nach rechts), ist der Energiefluß in der entgegengesetzten Richtung. Der Schwingungsenergieeingang 2^ befindet sich deshalb am strahlabwärtigen Ende der Leitung 14. Obwohl durch eine Rückwärtswellenleitung später beschriebene Vorteile erreicht werden, kann stattdessen auch eine Vorwärtswellenleitung verwendet werden, und in diesem Falle befindet sich der HF-Schwingungseingang am st rahlauf wärt igen Ende. Die l'hasengeschwindigkeit der Leitung 14 kann sich von einem kleineren Wert am strahlaufwärt igen Ende zu einem größeren Wert am strahlabwärtigen

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Ende verändern, ue eine Synchronität mit den beschleunigten Partikeln aufrechtzuerhalten.

Ein kleinerer Teil der HF-Gchwir.gungsenergie wird bein Durchfließen der Wanderfei die itur.g 14 zur Beschleunigung der Elektroner, und in Widerstandsverlusten in der Leitung verbraucht. Ler restliche größere Teil der Schwingungsenergie wird durch ein zweites Fenster 27 in einen Hohlleiter 26 ausgekoppelt, von wo aus er in den zweiten Beschleunigungsabschnitt 18 durch ein drittes Fenster 29 gekoppelt wird. In den Hohlleiter 28 sind in P.eihe ein Isolator 30, ein variabler Lnmpfer 3? und ein variabler Phasenschieber 3 ^- eingesetzt. Diese sind nur schematisch dargestellt, da sie irgendeine von einer Vielzahl von Formen haben können und es sich um standardisierte, handelsübliche Schaltungselemente handelt. Bekannte Schaltungselemente können auch zwei oder mehrere der Funktionen kombinieren; beispielsweise ist in der US-PS 3 568 602 ein kombinierter Isolator und variabler Dämpfer beschrieben. Es sind auch kombinierte variable Dämpfer und Phasenschieber und Isolator-Phasenschieber bekannt.

Der Isolator 30 ist erwünscht, um andere Komponenten gegen reflektierte Schwingungen durch Impedanzfehlanpassungen zwischen den Hohlleitern und den Beschleunigungsleitungen zu schützen. Insbesondere hat die Stehwellenleitung 18 einen sehr hohen Gütefaktor und bietet deshalb eine starke zurückkehrende Welle während der Übergangszeiten, wenn die HF-Felder von kurzen Impulsen in ihr aufgebaut werden oder abklingen. Ein variabler Dämpfer 32 erlaubt einen weiten EinsteilunEsbereich für die HF-Energie in der Leitur~5 18 und daxit für die Ausgangsenergie der beschleunigten Partikel. Ler Phasenschieber 3^· wird dazu verwendet, die Phasenlage der Stehwelle in der Leitung IB

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Bezug auf die Phase der ankommenden Elektronenbündel zu optimieren, so daß diese gebündelt bleiben und die gewünschte Beschleunigung erhalten. Für die maximale Fartikelenergie kann das Spitzenbeschleunigungsfeld so eingestellt werden, daß es dem Bündel folgt. Für reduzierte Energie kennen die Partikel so eingephast werden, da3 sie auf dem steigenden Teil der Schwingung reiten, so daß eine stärkere Bündelung und Gleichförmigkeit der Energie erreicht wird.

Fig. 3 illustriert strukturelle Merkmale einer geeigneten Vanderfeldleitung 14 und eines i»trahlerzeugungssysten:s Das Strahlerzeugungssystem 12 besteht aus einer Glühkathode AO, typischerweise mit einer konkaven, sphärischen emittierenden Fläche, die mit einem Strahlungsheizer 42 beheizt wird und über eine isolierende Kochspannungsdichtung 44 an das Eingangsende der Leitung 14 montiert ist. Die Kathode 40 wird periodisch negativ gegen Leitung 14 gepulst, die typischerweise geerdet ist, und zwar mit einem Impulsgenerator 46. Elektronen werden dann von einer hohlen, einspringenden Anode 48, die mit der Leitung 14 verbunden ist, von der Kathode 20 gezogen. Diese werden dann durch das konvergierende elektrische Feld zu einem kleinen Strahl 47 konvergiert und in die Leitung 14 projiziert.

Die Leitung 14 ist ein zylindrischer, metallischer Hohlleiter 50, der mit metallnen Querscheiben 54 in eine Reihe von Pillenschachtel-Hohlräumen 52 unterteilt ist. Die Scheiben 54 weisen zentrale öffnungen 56 auf, die ausgefluchtet sind, um den Elektronenstrahl 47 hindurchtreten zu lassen. Jede Scheibe 54 weist wenigstens eine weitere öffnung 53 nahe ihrem Außenradius auf, um ßchwingungserergie von einem Hohlraum 52 zum nächsten zu koppeln. Blendenöffnungen 58 bieten eine gegenseitige induktive

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Kopplung der Kohlräume 52, so daß die sich fortpflanzende Schwingung eine Rückwärts-Grund-Raumharmonische hat. Die Schwingungsenergie wird vom Eingangshohlleiter 24 eingespeist, der mit einer Anpassungsblende 60 an die Leitung 14 gekoppelt ist. Die Schwingungsenergie fließt den Elektronenstrahl strahlaufwärts und wird nach einem Durchlauf durch die Leitung 14 in den Hohlleiter 28 ausgekoppelt. Die Hohlraumkopplungsblenden 53 sind so dimensioniert, daß das Grund-Durchlassband der Leitung breit genug ist, um jede Frequenzvariation des Generators 22 zu übertragen, die erforderlich ist, um die Ausgangsleitung 18 mit hohem Gütefaktor zur Resonanz zu bringen. Es ist anzuerkennen, daß die Vechselwirkungsimpedanz der Leitung 14 steigt, wenn die Bandbreite verringert wird, die Bandbreite wird also so gewählt, daß die verschiedenen Forderungen erfüllt werden. Die dargestellte Struktur mit Blendenkopplung hat den Vorteil, daß eine Zwischenhohlraumkopplung durch die Strahlöffnungen nicht erforderlich oder erwünscht ist. Diese können deshalb so klein wie möglich konstruiert werden, um dem Strahl Raum zu geben, so daß die Kopplung zwischen dem Strahl und den Hohlraumfeldern maximiert wird,und damit der Wirkungsgrad des Wanderfeldabschnittes.

Fig. 4 zeigt strukturelle Merkmale einer geeigneten Stehwellenleitung 18. Die Leitung besteht aus einer Reihe von axial ausgefluchteten pfannkuchenförmigen Hohlräumen Der Einfachheit halber sind nur sechs Hohlräume dargestellt. In der Praxis wird eine größere, vorzugsweise ungerade Anzahl verwendet. Durch die die Hohlräume 70 trennenden Vande 71 verläuft ein offener Tunnel 72, der einen Kanal für den Elektronenstrahl 47 bildet. In der Nachbarschaft des Tunnels 72 weisen die Wände 71 Lippen 74- auf, die in die Hohlräume 70 vorspringen, um das elektrische Feld,

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das mit dem Strahl 4-7 in Wechselwirkung tritt, in einen Vechselwirkungsspalt 75 zu konzentrieren, und das Streufeld zwischen Hohlräumen zu reduzieren.

Eenachbarte Paare von Hohlräumen 70 sind durch "Seiten"-Hohlräume 76 verkoppelt, die effektiv Koaxialhohlräume mit einspringenden Zentralpfosten 77 sind. Die Seiten-Hohlräume 76 kommen bei der gleichen Frequenz wie die Strahlwechselwirkungshohlräume 70 in Resonanz. Jeder Seiten-Hohlraum 76 ist mit induktiven Blenden 78 mit zwei benachbarten Wechselwirkungshohlräumen 70 gekoppelt. Lie Schwingungsenergie wird vom Eingangshohlleiter 28 in einen Hohlraum 80 durch eine Impedanzanpassungsblende 82 eingekoppelt. Der Hohlraum 80 befindet sich vorzugsweise in der Mitte einer Reihe aus einer ungeradzahligen Anzahl von Hohlräumen 70. Diese Anordnung minimiert eine Ungleichförmigkeit der Felder längs der Reihe durch Leistung, die vom Strahl und von Leitungsverlusten von der Leitung abgezogen wird.

Im 3etrieb wird die Leitung 18 bei ihrer ϊτ/2-Modus-Resonanz betrieben. Das heißt, Jeder Seiten-Hohlraum 76 ist phasenmä3ig um ~/2 rad gegen den Wechselwirkungshohlraum 70, von dem er Leistung erhält, und ebenso gegen den benachbarten Wechselwirkungshohlraum 70, dem er Leistung zuführt, versetzt. In diesem ΤΓ/2-Modus enthalten die Seitenhohlräume 76 nur schwache elektromagnetische Felder und somit sind die Verluste in ihnen vernachlässigbar. Gleichzeitig haben die Hohlräume 70, die den Strahl beschleunigen, jeder die maximale Feldstärke und eine Phasenverschiebung von Tf zwischen benachbarten Hohlräumen 70. Der ~/2-Modus ist auch erwünscht, weil bei ihm die Trennung der Resonanzfrequenz von anderen Modi am größten ist. Ferner, wenn eine Reihe aus einer ungeraden Anzahl von Beschleunigerhohlräumen 70 am

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zentralen Kohlraum angetrieben wird, wird die Erregung der nächsten Resonanzmodi oberhalb und unterhalb des ~/2-Modus unterdrückt, weil diese kein Feld im zentralen Hohlraum haben.

Der Strahl 4? von der Wanderfeldleitung 14 tritt durch ein Übergangsrohr 16 in die Leitung 18 ein. Die Phase des Feldes wird mit dem Phasenschieber 34 so eingestellt, daß die Elektronenbündel die Wechselwirkungsspalte 75 zu den Zeitpunkten durchkreuzen, an denen das Beschleunigungsfeld den gewünschten Wert hat. Die Phase des Bündels mit Bezug auf die Eingangsschwingungsenergie wird hauptsächlich durch den ersten Hohlraum 53 festgelegt, der vom Strahl im Wanderfeldabschnitt 14 gesehen wird. Bei der Rückwärtswellenleitung 14 gemäß Fig. 3 haben also Phasenfehler im Sest der Leitung 14 keinen Einfluß auf die Phasenoptimierung der Stehwellenleitung 18 mit Bezug auf das Elektronenbündel.

Nach der vollen Beschleunigung durch die Leitung 18 tritt der Elektronenstrahl durch die öffnung 84 zu dem nicht dargestellten Verbraucher aus. Es kann sich hierbei um ein Target zur Erzeugung von Röntgenstrahlen oder ein Material handeln, das direkt mit Elektronen bestrahlt werden soll, die durch ein dünnes Fenster austreten.

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Leerse ite

Claims

Vl P4-62 D Patent ansprüche

1.j Linearbeschleuniger für geladene Partikel, gekennzeichnet durch eine erste längliche Beschleunigungsleitung, bestehend aus einem Kanal zur Weiterleitung eines Strahls aus geladenen Partikeln durch die Leitung in Energieaustauschbeziehung mit einer elektromagnetischen Schwingung auf der Leitung, die im allgemeinen parallel zu dem Strahl wandert, eine zweite Beschleunigungsleitung, die einen Kanal zum Durchlaß des Strahls nach dessen Austritt aus der ersten Leitung in Energieaustauschbeziehung mit einer stehenden elektromagnetischen Schwingung auf der zweiten Leitung aufweist, und Kopplungseinrichtungen, mit denen elektromagnetische Schwingungsenergie in ein Ende der ersten Leitung eingekoppelt wird, und zweite Kopplungseinrichtungen, mit denen elektromagnetische Energie vom anderen Ende der ersten Leitung ausgekoppelt und in die zweite Leitung eingekoppelt wird.

2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl im wesentlichen linear ist.

3. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kopplungseinrichtung Schwingungsenergie-Dämpfurgseinrichtungen aufweist.

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4. Beschleuniger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, da3 die Cämpfungseinrichtung einstellbar ist.

5. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kopplungseinrichtung einstellbare Phasenverschiebungseinrichtungen aufweist.

6. Beschleuniger nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kopplungseinrichtung zusätzlich einstellbare Dämpfungseinrichtungen aufweist.

7. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung periodisch belastet ist.

8. Beschleuniger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die raumharmonische Grundschwingungskomponente des wandernden Feldes eine RückwärtswelIe ist.

9. Beschleuniger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung eine reihengekoppelte Vielzahl von Hohlräumen mit leitenden Wänden ist, wobei benachbarte Hohlräume eine gemeinsame Wand haben, und der Kanal aus einer für den Strahl durchlässigen öffnung in der gemeinsamen Wand besteht.

10. Beschleuniger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die P.eihenkopplung durch wenigstens eine öffnung in der gemeinsamen Wand zusätzlich zu der strahldurchlässigen öffnung gebildet ist.

11. Beschleuniger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Belastung geeignet ist, eine Phasenverschiebung der elektromagnetischen Schwingung pro Periode um etwa'h/2 rad zu erzeugen.

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12. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leitung aus einer reihengekoppelten Anzahl von Wechselwirkungshohlräumen mit leitenden Wänden besteht, wobei benachbarte Hohlräume eine gemeinsame Wand haben, und der Kanal aus einer strahldurchlässigen Öffnung in der gemeinsamen Wand besteht.

13· Beschleuniger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, da3 die Reihenkopplung aus einem Hilfshohlraun besteht, der jeweils an zwei benachbarte Wechselwirkungshohlräume gekoppelt ist.

14. Beschleuniger nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung der Stehwelle zwischen benachbarten Wechselwirkungshohlräumen 'TTrad beträgt.

15. Beschleuniger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leitung aus einer ungeraden Anzahl Wechselwirkungshohlräume besteht und die zweite Kopplungseinrichtung so angeschlossen ist, daß elektromagnetische Energie in den zentralen der Wechselwirkungshohlräume eingekoppelt wird.