DE3242853A1

DE3242853A1 - Transportanordnung fuer einen strahl geladener teilchen

Info

Publication number: DE3242853A1
Application number: DE19823242853
Authority: DE
Inventors: Karl Leslie Menlo Park Calif. Brown
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1981-11-19
Filing date: 1982-11-19
Publication date: 1983-05-26
Also published as: FR2516695A1; CA1192677A; FR2516695B1; GB2109988A; GB2109988B; JPS5892367A; US4455489A

Description

-3-

Die Erfindung betrifft ganz allgemein das Gebiet der Optik und des Transportes von Strahlen geladener Teilchen und betrifft insbesondere die achromatische Strahlablenkung ₉ die besonders verwendbar ist in Strahlenbehandlungsgeräten=

Achromatische optische Elemente sind wesentlich in kommerziell len und medizinisch-therapeutischen Bestrahlungssystem©n₉ da das Hauptattribut bei derartigen Anwendungsfällen in der relativ großen Strahlenintensität und Steuerung derselben liegt„ Mit einem typischen starken Strahlstrombeschleunigero 'beispielsweise dem .Mikrowellen-Linearbeschleuniger werden die nötigen Strahlenintensitäten erreicht, aber die Energievsrteilung ist ziemlich breit. Um den zur Verfügung stehenden Strahl zu nutzen, müssen deshalb optisch© Elemente eingeführt werden» die gegenüber der Energieverteilung des Strahls verhältnismäßig unempfindlich sind. Insbesondere ist es bei Röntgengeräten wünschenswert, einen intensiven Strahl auf einen kleinen Strahlfleck auf dem Röntgentarget zu konzentrieren!, um eine Röntgenquelle zu erhalten,, die im Verhältnis zum bestrahlten Zielbereich klein genug ist.

Strahlablenkungsanordnungen in kommerziellen Bestrahlungsfällen und für medizinische Therapieanwendungen unterliegen meistens mechanischen und geometrischen Einschränkungen hinsichtlich der Manövrierbarkeit der Vorrichtung„ der Abschirmung und Kollimation des Bestrahlungsflusses und anderer wirtschaftlicher Gesichtspunkte hinsichtlich der Konstruktion derartiger Vorrichtungen. .

Ein achromatisches Strahlablenkungssystem geht aus US-PS 3 86? 635 hervor. Bei dieser Vorrichtung durchläuft der Strahl drei gleichförmige Feldsektormagnete und zwei zwischengeschaltete Triftstrecken und erfährt dabei eine 27 (^-Ablenkung zum Auftreffen auf das Röntgentarget„ Die Sektormagnetpole sind in Bezug auf die Sektorwinkel ejcakt definiert. Der

BAD ORIGINAL

:7-'■·"■"■

Einfallswinkel und Ausfallswinkel des Strahls in Bezug auf jeden Sektor und ein Nebenschluß von komplexer Gestalt nimmt die zwischengeschalteten Strecken ebenso wie den Eingangsund Ausgangsbereich des Deflektors ein, um die nötigen feldfreien Triftstrecken zu gewährleisten. Die gegenseitige innere Ausrichtung aller Komponenten des Deflektors ist unbedingt wichtig, um die Leistung dieser bekannten Vorrichtung zu erzielen, wie auch die Ausrichtung des zusammengesetzten Deflektors mit dem Beschleunigerstrahl.

Ein weiteres bekanntes System geht aus US-PS 3 379 9-1 hervor, bei dem eine Ablenkung um 270° in einem gleichmäßigen Feld erzielt wird, in welches in der Nachbarschaft des Ablenkungsmittelpunkts (135 ) ein Gradientenbereich eingeführt wird, so daß das Magnetfeld in diesem Gradientenbereich radial in der Ablenkungsebene zum Außenbereich akzeptierter Bahnen zunimmt. Damit werden die Bahnen, die durch einen großen Krümmungsradius (in Abwesenheit eines Gradienten) gekennzeichnet sind, einem etwas stärkeren Feld ausgesetzt als es die Bahnen bei kleineren Krümmungsradien wären. Die richtige Einstellung der Qradi-enten-Ausgleichsscheibe ergibt eine achromatische Ablenkung erster Ordnung um den gewünschten Winkel.

Bei allen vorstehend beschriebenen Systemen ist es erwünscht, daß der Deflektor keine wesentliche Momentstreuung des Strahls einführt und in der Ausgangsebene eine wahrheitsgetreue Wiedergabe der in der Eingangsebene des Systems herrschenden Bedingungen erzeugt.

Die Aufgabe der Erfindung liegt hauptsächlich in der Schaffung eines außerordentlich einfachen achromatischen Ablenkungssystems erster Ordnung in einem geladene Teilchen abgebenden Bestrahlungsgerät.

Gemäß der Erfindung weist ein Ablenkungsmagnet einen ersten gleichförmigen Feldbereich auf, der von einem zweiten gleich

ORIGINAL

-.3-- ■ ■

-S-

förmigen Feldbereich längs einer Grenze getrennt ist,, wodurch die den ersten Bereich durchlaufenden Teilchenbahnen durch einen großen Krümmungsradius in diesem ersten Bereich,, einen kleineren Krümmungsradius in dem zweiten Bereich gekenn&eichnet sind und dann wieder den ersten Bereich mit dem großen Krümmungsradius durchlaufen«

Gemäß der Erfindung ist ferner das Verhältnis der Felder im ersten und zweiten Bereich eine Konstante und durch einen ersten (breiten) und einen zweiten (schmalen) Spalt zwischen abgestuften Polflächen verwirklicht»

Ferner ist gemäß der Erfindung die Grenze zwischen dem ersten und zweiten Bereich eine Gerade„

Gemäß der Erfindung sind außerdem Energieauswahlschlitze in dem verhältnismäßig schmalen Spalt des zweiten Feldbereichs vorgesehen, wodurch die Strahlung aus den Schlitzen durch eine größere Bilasse der magnetischen Polstücke in dem zweiten Feldbereich mit dem schmaleren Spalt wirksamer abgeschirmt ist»

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine exakte Ausrichtung der Breehungs» bzw» Beugeebene des Ablenkungsmagneten mit der Achse eines Teilchenbeschleunigers durch Drehen des Magneten um eine Achse durch die Beugeebene erreicht,, ohne daß eine innere Ausrichtung von Komponenten des" Magneten nötig ist.

Ferner entspricht gemäß einem \»eiteren Merkmal der Erfindung •die Größe der Verlagerung oder Verschiebung von Bahnen aus der ZentralUmlaufbahn in der Abbildungsebene des Magneten der Verschiebung der Bahn aus der ZentralUmlaufbahn an der Eingangsebene des Magneten, wodurch parallele Strahlen an der Eingangsebene auch an der Ausgangsebene parallel zur Verfugung stehen.

Es wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung nur ein einziges Quadrupölelement dazu verwendet, eine radiale und eine transversale Einschnürung in einem achromatischen Ablenkungssystem für einen Strahl geladener Teilchen in einer gemeinsamen Targetebene zu bewirken.

Im Folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt ι

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Röntgentherapiegerätes mit Merkmalen der Erfindung;

Fig.2 eine Darstellung von Bahnen in der Beugeebene gemäß der Erfindung»

Fig. Jk einen Schnitt (rechtwinklig zur Beugeebene) durch den Magneten mit der Polkappe gemäß Fig. 2}

Fig. 3B-eine Darstellung der Feldklemme des bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels J

Fig. 4 eine Darstellung der längs der ganzen Zentralumlaufbahn aufgefalteten transversalen projizierten Bahnen;

Fig. 5 eine Darstellung des Verhältnisses radialer und transversaler Einschnürungen·

Fig. 1 zeigt ein Rontgentherapiegerat 10 mit einem magnetischen Ablenkungssystem 12. Das Rontgentherapiegerat 10 weist ein insgesamt C-förraiges, drehbares Gestell 14 auf, welches um eine Drehachse l6 in horizontaler Richtung drehbar ist. Das Gestell I^ ist auf einem Fußboden 18 über einen Sockel 20 abgestützt, der einen Lagerzapfen 22 zum drehbaren Abstützen des Gestells Ik aufweist. Das Gestell Ik hat zwei insgesamt horizontal ausgerichtete parallele Arme 24 und 26. In dem Arm 26 ist ein linearer Elektronenbeschleuniger 27 angeordnet, der mit einem Quadrupol 28 in Verbindung steht, und das magnetische Ablenkungssystem 12 sowie ein Target 29 sind am äußeren Ende des horizontalen Arms 26 so angeordnet, daß ein Röntgenstrahl zwischen dem äußeren Ende des Arms 26 und einem am

ο · e a »

β « C _Ψ - , ■ _

β * β ο ·*_ο>>

äußeren Ende des horizontalen Arms 2k abgestütsten₈ Röntgenstrahlen absorbierenden Element 30 projiziert wird- Ein Patient 32 wird zur therapeutischen Behandlung auf ein© Liegestatt 3k in der Keule der vom Target 29 ausgehenden Röntgenstrahlen gelegt»

In den Fig. 2 und 3 ist eine Polkappe 50 des PölStücks der Erfindung gezeigt. Die Polkappe 50 ist durch eine Stuf© 52 in Bereiche $k und 56 unterteilt» wobei die Dick© der Polkappe 50 im Bereich 56 um die Höh© h der Stufe 52 größer ist als im Bereich 5^· Folglich zeichnet sich der die Pol&apps 50 und 50' aufweisende Magnet durch einen verhältnismäßig schmalen Spalt der Breite d im Bereich 56 und einen verhältnismäßig breiten Spalt (d+2h Breite) im Bereich 5k aus. Dementsprechend weist der Magnet einen konstanten gleichförmigen Bereich Sk eines verhältnismäßig geringen Magnetfeldes und einen weiteren konstanten gleichförmigen Bereich 56 eines verhältnismäßig starken Magnetfeldes auf» Die Erregung des Magneten erfolgt durch Stromzufuhr zu axial voneinander getrennten Spu-.lenkonstruktionshälften 58 und 58% die jeweils um entsprechende äußere Pole 60 und 60' herum angeordnet sind, an denen die Polkappen 50 und 50' befestigt sind» Den magnetischen Rückflußweg liefert ein Joch 62» Abgleichspulen 6k und 6k' liefern eine Feineinstellung des Feldverhältnisses in den Bereichen 5^ und 56.

Zwischen den Polen des Magneten ist eine Yakuumhülle 56 angeordnet, die mit einem linearen Mikrowellenbeschleuniger- . hohlraum 68 durch einen Quadropol Q in Verbindung steht»

Wie weiter unten noch näher erläutert wird_s besteht ein weiterer wichtiger Konstruktionsparameter im Einfallswinkel der Bahn im Bezug auf das Feld am Eingang des Deflektors. Die Steuerung des Randfeldes zum Aufrechterhalten der gewünschten Position und Orientierung der äußeren virtuellen Feldgrenze 69 in Bezug auf den Eingangsbereich erfolgt mittels einer

BAD ORIGINAL

Feldklenune 66, die durch ein Aluminiumabstandselement 66' gegenüber den Polkappen versetzt ist. In ähnlicher Weise ist der Ort der Ausgangsfeldgrenze und Orientierung durch entsprechende Gestalt und Anordnung der Feldklemme 66 in diesem Bereich gesteuert.

Eine innere virtuelle Feldgrenze 55 kann gegenüber der Stufe

52 durch entsprechende Krümmung der abgestuften Oberflächen

53 und 53' bestimmt sein. Diese Krümmung gleicht das Verhalten des Magnetfeldes bei Annäherung an die Sättigung aus und steuert das Streufeld in diesem Bereich. Eine derartige Formgebung ist in der Technik bekannt.

Da weder die Feldgrenze 69 noch die Feldgrenze 55 gut festgelegte Orte bildet, wird jede in gleicher Weise als "virtuell" bezeichnet. Jeder virtuellen Feldgrenze ist ein Parameter zugeordnet, der das Streufeldverhalten im Übergangsbereich von einem Magnetfeldbereich in den anderen kennzeichnet. So ist ein Parameter K, eine Einfachparameterbeschreibung des glatten Überganges des Feldes von der Eingangs triftstrecke JC-. zum Bereich f>4 längs einer gewählten Bahn, z.B. einer Zentralumlaufbahn P₀ (und zwischen dem Bereich 5^ und der Ausgangstriftstrecke Z-y in ähnlicher Weise). Der Streufeidparameter K₂ beschreibt ein ähnliches Verhalten zwischen den Magnetfeldbereichen 5^ und 56*

Es ist bekannt, in der Erläuterung optischer Dipolmagnetelemente die Z-Achse des Koordinatensystems als Tangente an einer Bezugsbahn mit dem Ausgang ζ = 0 an der Eingangsebene und ζ = 1 an der Ausgangsebene zu wählen. (Die Eingangs- und Ausgangsebenen haben im allgemeinen um sogenannte Triftstrecken, wie gezeigt, einen Abstand von den Magnetfeldgrenzen und sollten nicht mit einer der Feldgrenzen identifiziert werden,) Die X-Achse ist als die Verschiebungsachse der Beugeebene in der Ablenkungsebene gewählt. Die Y-Achse liegt dann in Querrichtung zur Beugeebene. Die Richtung der Y-Achse wird üblicher-

BAD ORIGINAL

weise als "vertikal" und die der X-Achse als "horizontal™ bezeichnet.

In der Ablenkungsebene ist eine als Po bezeichnete Zentralumlaufbahnachse von einem Teilchen eines Bezugsmomentpfeils P_n beschrieben. Es ist erwünscht, daß verschobene Bahnen C und C , deren Anfangsbahnen parallel zu P_Q (in der Beugeebene bzw. quer dazu) verlaufen, eine gleiche Verschiebung am Ausgang des Deflektors erhalten«, Eine Bahn, die in dieses System unter einem Winkel ß. zur Feldgrense eintri-tt, tritt unter einem Winkel ß- aus ihm aus ο Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist erwünscht,, daß Si_-= ß_f = S₀ Die Bahn zeichnet sich durch einen Krümmungsradius /, im Bereich 5^ des Magneten aufgrund eines Magnetfeldes B, aus» Im Bereich 56 ist der entsprechende Krümmungsradius J₂ aufgrund eines Magnetfeldes B₂. Die Bezeichnung f₀,. (siehe Figo 2) bezieht sich auf den Krümmungsradius der Bezugsbahn P_ im Schwachfeld-Bereich. Die von den entsprechenden Mitten der Krümmungs radienf nt-ι und f Qi 2 bestimmte Linie schneidet die virtuelle Feldgrenze 55 und bestimmt den Einfallswinkel S₂ in den Bereich 56 (eingehend) und aus Symmetrie den Einfallswinkel durch die Feldgrenze 55* wenn die Bahn erneut in den Bereich 5& eintritt. Aus Gründen der Einfachheit wird das Suffix (o) weggelassen. Der Ablenkungswinkel in der Beugeebene im Bereich 5^ (eingehend) is tot·, und wieder ein Winkel cc, im ausgehenden Bahnbereich des gleichen Feldbereichs 5^° Ins Starkfeld-Bereich 56 wird das Teilchen um einen Gesamtwinkel 2et₂ für einen Gesamtablenkungswinkel f = 2 (et-, +OC₂) durch das Ablenkungssystem abgelenkt. Es ist eine notwendige und ausreichende Bedingung für ein achromatisches Ablenkelement, daß die Momentstreubahn d (anfängliche Zentralbahnrichtung einer Größe von

JC

P₀ + Λ P) gestreut und mit der Zentralbahn P_Q am Mittelpunktsablenkungswinkel ος +Ot₂S d.h. an der Symmetrieebene zur Parallelität gebracht wird. Ferner wird die Bahn von Teilchen,, die anfangs gegenüber der Bahn P_Q (in der Beugeebene) verschoben und parallel zu derselben sind₀ zu einer Kreuzung mit der

BAD ORIGINAL

- /If

Bahn P_Q in der Symmetrieebene fokussiert. Diese Bahnen sind in der Technik als "kosinusartig" bekannt und mit C bezeichnet, wobei das Suffix sich auf die Beugeebene bezieht. Bahnen von Teilchen, die anfangs von der Bahn P_Q (in der Beugeebene) an der Eingangsebene des Magneten divergieren, sind in Fig. gezeigt. Diese Bahnen sind in der Technik als "sinusartig" be kannt und mit S in der Beugeebene bezeichnet. Der Zustand maximaler Streuung und Parallel-Zu-Punkt-Fokussierung tritt an der Symmetrieebene auf, und deshalb sind Bestimmungsschlitze 72 in dieser Ebene angeordnet, um den Bereich des Moments, die von dem System akzeptierte Winkeldivergenz zu begrenzen. In Übereinstimmung mit ähnlichen Systemen liegen diese Schlitze 72, die sekundäre Strahlungsquellen sind, im Abstand vom Target und sind von den Polstücken des Magneten abgeschirmt. Gemäß der Erfindung ist der Spalt in genau diesem Bereich schmaler, so daß die größere Masse der Polstücke 50 und 50' die Umgebung wirksamer gegenüber Spaltstrahlung abschirmt.

Bahnen C und S beziehen sich auf kosinusartige und sinusartige Bahnen in der vertikalen (Y-Z) Ebene.

Es ist deshalb nötig, das Verhältnis der Krümmungsradien J₁ und P₂ zu erhalten und deshalb die Magnetfelder B-, und Bp für die Parameter von OC₁ und Ot₂, P_Q und die Felderstreckungsparameter K, und K₂ der virtuellen Feldgrenzen für die Bedingung einer Winkeldivergenz von Null in der Beugeebene der nl Momentstreubahn an der Symmetrieebene, d.h. ; -zr,—

für den Ablenkungswinkel U//2. Anhand dieser an d.er Symmetrieebene auferlegten Bedingung kann gezeigt werden, daß d und dessen Divergenz d am Ausgang des Magneten verschwinden.

In einer einfachen analytischen Behandlung des Problems werden Übertragungsmatrixen durch das System für die eingehende Bahn durch den Bereich 5^» fortschreitend zum eingehenden Anteil des Bereichs 56 zur Symmetrieebene und dann ausgehend

aus dem Bereich 56 zur Grenze mit dem Bereich 5^ und erneut ausgehend durch den Bereich 5^ geschriebene-Dies© Matrixen
für die Beugeebene werden als Matrixprodukt der Transferiaatrixen entsprechend der Fortpflanzung des Strahls durch die

^, 5^ wie in Fig» H- geasigt ge

vier Bereiche 5k_Q,

56₀, 56

schrieben.

-P.

Π ι

darin ist ο_Ί

Gleichung 1

eine Kurzangabe für kosinus

bzw. sinus cc in den entsprechenden Schwach» (1) und Stark- (2)
feld-Bereichen und ß steht hier für tan ß„ Die Variablen f., und ρ £ beziehen sich auf Krümmungsradien in den jeweiligen Bereichen 1 und 2 entsprechend den Bereichen 5^ und 56. Die C.- und S^-Parameter sind in herkömmlicher Weise als Verschiebungen oder Verlagerungen gegenüber der Bezugsbahn

<- AL·

ausgedrückt. Die Gleichung 1 kann so reduziert werden, daß sie.in der Beugeebene folgende Gleichung ergibtt

Gleichung 2

Das Matrixelement R·,-, drückt einen Koeffizienten aus, der die relative räumliche Verschiebung der C -Bahn beschreibt. Das R₁₂-Element beschreibt die relative Verschiebung von S . In ähnlicher Weise beschreibt das Element R₂, die relative Winkeldivergenz von C und das Element R₂₂ die relative Winkeldivergenz der S-Bahn. Die Matrixelemente R₁- und R₉., die-

X Xj c. j

nen der Beschreibung der Momentstreubahn d in der Beugeebene (die anfangs mit der Zentralbahn an der öbjektebehe kongruent war), und R₂-, beschreibt dessen Divergenz. Verschiedene Bedingungen vereinfachen die Optik ι a) Die Vorrichtung bildet eingehende parallele Bahnen in ausgehenden parallelen Bahnen an der Eingangs- bzw. Ausgangsebene ab, was aus dem Matrixelement R₂₁ » 0 folgt; b) Der Ablenkungsmagnet hat keine Abhängigkeit vom Richtungssinn der Bahn, woraus folgt, daß R₂₂ = R,,j'(wie auch aus einer Betrachtung der Symmetrie des Systems hervorgeht; c) Die Determinante der Matrix ist identisch

1 nach Liouville's Theorem. Es folgt aus den Bedingungen b) und c) daß JL, = - 1.

Die untere Reihe der Matrix beschreibt das Moment in der einen oder anderen Ebene. Diese Elemente sind identisch O₅O und 1, da es keinen Nettogewinn oder Verlust an Strahlenergie (Moraentgröße) beim Traversieren irgendeines statischen Magnetsystems gibt.

Für ein achromatisches System,, Streuverschiebungsausdruck R₁-, und dessen Divergenz, R_? muß 0 sein» Wie oben ausgedrückt, ist die Bedingung bei R₂^ an der Symmetrieebene analytisch entwickelt, um ein Verhältnis unter gewissen Konstruktionsparametern des Systems zu schaffen. Als Ergebnis dessen wird folgender Ausdruck erhaltena

χ Ο

Gleichung 3

die gelöst werden kann,, um folgende Bedingung zu ergeben«

Jt .^l '

Gleichung h

Gemäß herkömmlichem Verfahren können die entsprechenden Vertikal eben enma tr ixen für die gleichen Bereiche 5^ (eingehend)!, 56 (eingehend), 56 (ausgehend) und 5^ (ausgehend) geschrieben und reduziert werden, um die Matrixgleichung für die Transversalebenenfortpflanzung durch·das System zu erhalten?

worin 1 die Z-Koordinatenstelle der Ausgangsebene für die Eingangsebene ist, ζ = 0. Eine wesentliche Auslegungseinschränkung liegt in der Verwirklichung einer Parallel-Zu-Parallel-Fokussierung in dieser Ebene im Gegensatz zur Ablenkungsebene, wo sich die entsprechende Bedingung aus der Geometrie des Magneten ergibt.

Bisher beschreiben die Transfermatrixen β_χ und R. die Transferfunktionen, die am nach innen gerichteten Momentvektor P(Z₁) an der Feldgrenze 69 wirksam sind, um einen ausgehenden Momentvektor P(z₂) an der Feldgrenze 69 nach Durchlauf durch den Magneten zu erzeugen. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind als Eingangs- und Ausgangstriftstrecken Triftstrecken I₁ bzw. I₀ vorgesehen. Triftmatrixen in Form von

\ O

wirken auf die R , -Matrixen, die beide die Form der Glei-

x y

chung 2 zeigen, z.B.

und es ist zu beachten, daß die Magnettransfermatrix die Form einer äquivalenten Triftstrecke hat. Die Transformation durch das Gesamtsystem mit den Triftstrecken I₁ und ergibt also Gesamttransfermatrixen für die Beuge- und Transversalebenen wie folgti

- V5 -

worin das Minuszeichen sich auf die Matrix R und das Plus-

xp

zeichen auf R bezieht. Die Längen L und L sind die Aby^ji χ y

stände von der Ausgangsebene zu den profilierten Kreuzungen

der S - und S-Bahnen,
χ y

Fig. 5 zeigt den allgemeinen Sachverhalt, bei dem die Einschnürung in der Beuge- oder Radialebene und die Einschnürung in der Transversalebene an verschiedenen Stellen auf der Z-Achse erreicht wird. In einer Ebene konvergiert also die Strahlhülle, während sie in einer anderen Ebene divergiert„ Früher wäre eine Vielzahl von QuadrOpolelementen angeordnet worden, um diese Einschnürungen an einer gemeinsamen Stelle ζ zur Koinzidenz zu bringen» Erfindungsgemäß ist die Bedingung

d' = 0 und C = 0 an der Symmetrieebene erfüllt mit dem Ergebx y

nis, daß d = 0 an der Feldausgangsgrenze„ Ferner ergibt sich hieraus, daß C Parallel-Zu-Parallel-Transformation durch den Magneten in der Beugeebene charakterisierte In der Transversalebene ist die Parallel-Zu-Parallel-Transformation der Auslegung auferlegt» Folglich hat die Matrix,, die entweder die Transversal- oder die Beugeebene beschreibt,. die oben angegebene Form. Die Wirkung des Quadr-qpol-Einfachelements am Eingang des Systems hat folgende Formt

— \

BAD ORIGINAL

- 4-

worin s mit der (Variablen) Quadrxapolbrennweite identifiziert werden kann. Die Einschnürung des Strahls wird erhalten aus Ausdrücken der Form

= \c

Es sei erwähnt, daß S und S vom Quadrupol unbeeinflußt

χ y

bleiben, da diese Bahnen per Definition bei ζ = O eine Nullamplitude haben. Die Verschiebungen der Bahnen C und C sind

y χ

zu entgegengesetzten Seiten. Bei entsprechender Wahl des Bereichs 1, + I₂ kann die Brennweite des Quadrupole so eingestellt werden, daß die radiale Einschnürung koinzident ist mit der transversalen Einschnürung. Die Matrixgleichungen

die das Gesamtsystem einschließlich der Triftstrecken in der vertikalen und Beugeebene beschreiben, werden am zweckmäßigsten durch geeignete magnetische Optikprogramme gelöst, z.B. den Code TRANSPORT, dessen Benutzung im SLAC-Bericht 91 beschrieben ist, der erhältlich ist beim Reports Distribution Office, Stanford Linear Accelerator Center, P.O. Box 4349, Stanford CA 94305. Der TRANSPORT-Code wird benutzt, um einen konsistenten Satz von Parametern zu suchenι vorbehaltlich gewählter Eingangsparameter P₁, der Krümmungsradius von P_Q im Bereich 54

~, der relative Krümmungsradius von P₀ im Bereich 54 gegenüber dem Krümmungsradius im Bereich 56 /J_n, der Winkeleinfall der Bahn P_n auf die virtuelle Feldgrenze

-,15-

Winkeldrehung der Zentralbahn Ρ_β im hohen Feldbereich,, der auch ß₂ den Einfallswinkel von P_Q auf die innere virtuelle Feldgrenze bestimmt, ·

OL₁ die Drehung der Bezugsbahn im niedrigen Feldbereich, vorbehaltlich der gewählten Eingangsparameter wie folgte K₁ der Parameter der virtuellen Feldgrenze zwischen dem Schwachfeld-Bereich ^[m^ ^den äußeren feldfreien Bereichen,, Kg/K-, der relative Parameter, der die virtuelle innere Feldgrenze zwischen dem Starkfeld-Bereich und dem Schwachfeld-Bereich beschreibt.

Für das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist Symmetrie aufer-· legt worden, z.B. ψ= 2 (cc, ^⁰*-?)⁰ ^^e^ ^ei^nem repräsentativen Satz von Konstruktionsparametern für eine Elektronenablenkung um 270° variiert die erwünschte mittlere Elektronenenergie zwischen 6 MeV und 40,5 MeV. Achromatische Bedingungen erster Ordnung sind in diesem Bereich nötig. Der Einfallswinkel ß für die Eingangs- und Ausgangsteile der Bahn beträgt ^5°₉ und die äußere virtuelle Feldgrenze 69 liegt bei ζ = 10 cm relativ zur Eingangskollimatoröffnung (z = O)₀ Die Zentralbahn rotiert um einen Winkel OC₁ von 41„5° unter dem Einfluß eines Magnetfeldes B₁ von ^,17 Kilogauss und schneidet die innere virtuelle Feldgrenze S5 bei ζ = 33,5 cm unter einem Winkel ß₂ = 90° - OQ₂ von 3-l/2°i» um die Symmetrieebene bei ζ = 37,^ cm zu erreichen und fortgesetzter Drehung um den Winkel Ot₂ (93.5°) unter dem Einfluß des Magnetfeldes B₂ von 15»9O Kilogauss. Die Bahn ist innerhalb der Magnetfeldgrenzen symmetrisch, und das Target ist jenseits der äußeren virtuellen Feldgrenze angeordnet. Am Eingangskollimator hat die Strahlhülle einen Durchmesser von 2„5 nun und zeigt Divergenzeigenschaften (Halbkegelwinkel) in beiden Ebenen von 2,4 mr.

Die Geometrie des Magneten gewährleistet eine Parallel-Zu-Parallel-Transformation mit der Beugeebene. Die Bedingung, daß d' = O an der Symmetrieebene bietet Moraentunabhängigkeit. Die Parallel-Zu-Parallel-Bedingung in der Transversalebene

BAD ORIGINAL

ist deshalb eine Einschränkung. Die Beugewinkel «., und oc ₂ und das Verhältnis der Feldstärken wird variiert, um den gewünschten Konstruktionsparametersatz zu erhalten. Es hat sich gezeigt, daß ein achromatisches Ablenkungssystem der ersten Ordnung für einen Ablenkungswinkel von 270° mit einer Vielfalt von FeldVerhältnissen B₁ erreicht werden kann, wie

die Gleichung 3 zeigt.

Ferner können absolute Werte entsprechender Matrixelemente für die horizontale und vertikale Ebene erhalten werden, die nahezu gleich sind und einen Abbildungsstrahlfleck ergeben, der symmetrisch ist.

Für den Durchschnittsfachmann ist erkennbar, daß andere Ablenkungswinkel von ähnlich konstruierten Ablenkungssystemen verwirklicht werden können. Ferner kann die innere Feldgrenze gegebenenfalls die Form einer gewünschten Kurve haben.

L eerseite

Claims

Varian Associates., Inc.
Palo AUo₅ CaK₅ USA

Transportanordnung für einen Strahl geladener Teilchen

Priorität: 19. November 1981 -USA- Serial No. 323 009

Patentansprüche

Transportanordnung für einen Strahl geladener Teilchen zum Bestimmen einer Bezugsbahn eines geladenen Teilchens des Vektormoments P_QI1 die auf einen Strahl geladener Teilchen wirkt,
gekennzeichnet durch

a) eine Eingangstriftstrecke„ die eine Eingangsebene bestimmt,,

b) ein magnetisches Transportelesaent_p welches mindestens erster Ordnung achromatisch ist und Eingangsbahnabschnitte,. die an der Eingangsebene anfangs parallel zu P_Q sind,, in Bahnabschnitte parallel zu P_Q an einer Ausgangsebene in einer ersten und einer zweiten Ebene« die das Bezugsmoment enthalten» umwandelt, wobei die erste und zweite Ebene zueinander orthogonal verlaufen und das Magnetelement dem durch das Element fortgepflanzten Strahl magnetischer Teilchen eine Einschnürung in der ersten Ebene und eine andere Einschnürung in der zweiten Ebene aufdrückt, wobei die Einschnürungen an im Abstand voneinander liegenden Stellen auftreten,

c) eine Ausgangstriftstrecke„ die von der Magnetausgangsebene gemessen ist, und

ORIGINAL

d) ein Quadropol-Einfachelement von verstellbarer Brennweite, welches im wesentlichen an der Eingangsebene so angeordnet ist, daß es die Koinzidenz der Einschnürungen hervorruft.