EP0037051A1 - Linear accelerator for charged particles - Google Patents

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EP0037051A1
EP0037051A1 EP81102176A EP81102176A EP0037051A1 EP 0037051 A1 EP0037051 A1 EP 0037051A1 EP 81102176 A EP81102176 A EP 81102176A EP 81102176 A EP81102176 A EP 81102176A EP 0037051 A1 EP0037051 A1 EP 0037051A1
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EP
European Patent Office
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accelerator
exit window
charged particles
accelerator tube
tube
Prior art date
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EP81102176A
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EP0037051B1 (en
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Volker Adolf Stieber
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H9/00—Linear accelerators

Definitions

  • the invention relates to an accelerator for charged particles with an evacuated accelerator tube and an exit window for the accelerated particles that seals the accelerator tube in a vacuum-tight manner.
  • Accelerators for charged particles are used less frequently, mainly in medical radiation therapy, for the purposes of radiation screening and sterilization of samples of all kinds. They create a tightly focused beam of accelerated charged particles.
  • electron accelerators mostly linear accelerators, and more rarely circular accelerators (betatrons), are also used to generate X-rays with a target exposed to the electron beam. This mostly very hard X-ray radiation is mostly used for medical radiation therapy, but occasionally also for the sterilization of samples of all kinds.
  • the charged particles are accelerated inside an evacuated accelerator tube.
  • the charged particles or else the X-rays of the target exposed to the particle beam, must reach the outside through an exit window that seals the accelerator tube in a vacuum-tight manner.
  • the exit window generally consists of a thin metal foil.
  • the beam of charged particles has the usual electron beam accelerate energies of around 4 MeV.
  • the exit window is heated at the point of impact of the particle beam. Some of the secondary electrons also exit backwards into the interior of the accelerator tube, from the material of the radiation exit window.
  • the object of the invention is to make the accelerator for the charged particles smaller, lighter and safer, and at the same time to improve radiation protection and operational safety.
  • a device for repeated deflection of the beam of charged particles is therefore arranged in the vicinity of the exit window.
  • This has the advantage that the thermal secondary electrons emitted at the exit window are also deflected. However, they become un as a result of their lower energy distracted more than the accelerated primary electrons. The result of this is that the secondary electrons emitted by the exit window are deflected onto the wall of the accelerator tube surrounding the exit window, while the accelerated primary electrons experience only a very slight deflection at the same time.
  • the secondary electrons striking the wall of the accelerator tube can no longer be accelerated backwards and can no longer trigger X-ray quanta at the end of the accelerator tube opposite the exit window.
  • the radiation protection measures in this area can therefore be largely reduced.
  • the impact area of the accelerated electrons on the exit window increases on average over time, so that the local thermal load is reduced.
  • the yield of secondary electrons is reduced and, as a side effect, the maximum thermally permissible beam power is increased.
  • a particularly expedient construction results if the device in the embodiment of the invention is arranged on the end of the accelerator tube facing the exit window.
  • This has the advantage that it is located in the immediate vicinity of the point of origin of the secondary electrons and that the secondary electrons are passed through the first cavity resonator of the accelerator tube, i. Distract against the wall of the accelerator tube with the least possible energy.
  • the deflecting forces can be kept particularly small and the deflection of the beam of accelerated particles - the primary radiation - is minimized.
  • the device can circle the beam of charged particles distracted. This has the consequence that. the deflecting field is always not equal to zero and secondary electrons generated at the exit window cannot be accelerated backwards at any time interval. In addition, the impact area of the particle beam on the window is maximized with the least possible deflection force.
  • a particularly simple solution is obtained if the device in the embodiment of the invention deflects the beam of charged particles back and forth in a linear direction. In this case, the secondary electrons on opposite sides of the accelerator tube are deflected. In this case, however, care must be taken to ensure that no beam pulse is generated during the field zero crossing of the deflection device.
  • a particularly expedient construction results if the device generates an alternating magnetic field in a development of the invention.
  • Such a magnetic field can be generated differently than a deflecting electric field outside the accelerator tube and can be brought into effect inside the accelerator tube without bushings or other internals.
  • FIG. 1 and 2 show a highly schematic representation of a linear accelerator 1 as used for medical purposes.
  • Its accelerator tube 2 carries a particle source 4 at one end and a beam exit window 8 at its other end.
  • electrons are emitted from the particle source 4 into the interior of the acceleration tube 2. These electrons are accelerated by the electric fields generated inside the accelerator tube.
  • the accelerator tube consists of a series of mutually coupled cavity resonators 5, to which an electromagnetic wave, whether as a standing wave or as a traveling wave, is coupled in a manner not shown here.
  • the accelerator tube 2 of a linear accelerator is essentially rotationally symmetrical and has a straight axis of symmetry 6. It is evacuated.
  • Such an accelerator tube is known, for example, under the type designation "Los Alamos".
  • a pulsed electron beam therefore strikes the exit window 8.
  • the exit window consists of a thin metal foil that seals the accelerator tube in a vacuum-tight manner.
  • the metal foil in particle accelerators should be as thin as possible in order to weaken the particle beam as little as possible.
  • the electron beam striking the radiation exit window has a diameter of approximately 0.5 mm. 3 and 4, the point of incidence of the undeflected electron beam on the exit window is designated by 10.
  • the accelerated electrons leave the exit window 8 as an electron beam 12.
  • the electrons have an energy of 4 MeV.
  • This emerging electron beam 12 can also strike a target (13) that is brought into its path if necessary, in order to generate X-ray pulses.
  • the radiation Thera p ie either the emergent electron beam 12 or the light emitted from the target X-rays are used.
  • a magnetic deflection device 14, 16, 18 for repeated deflection of the beam on the accelerator tube is arranged in a plane immediately in front of the beam exit window 8.
  • the wall of the accelerator tube consists of non-ferromagnetic material, preferably of copper. The effect of such a deflection device is that it extends from the exit window into the interior of the accelerator tube 2 deflecting secondary electrons against the wall of the accelerator tube. In addition, averaged over time, it increases the impact area 10 of the accelerated electrons on the exit window and thus reduces its local thermal load.
  • FIGS. 3 and 4 show, in an enlarged representation, the impact surface 10a of the particle beam on the exit window 8 which is enlarged by periodic deflection on average.
  • the magnetic deflection device has three magnetic coils 14, 16, 18. In order for these to bring their variable magnetic field as close as possible to the impact surface of the electrons on the exit window, these are.
  • Magnetic coils are arranged on the outside of the accelerator tube in the radiation direction somewhat in front of the radiation exit window 3.
  • the three magnetic coils are arranged offset by 120 ° relative to one another about the axis of symmetry 6 of the accelerator tube 2 and thus at the same time also about the electron beam accelerated along the axis of symmetry.
  • the three axes of symmetry 24, 26, 28 of the magnetic coils 14, 16, 18 are aligned perpendicular to the direction of the electron beam. They meet at a common point on the axis of symmetry of the accelerator tube.
  • the solenoids 14, 16, 18 are connected to AC voltage. Three-phase current is best suited as an AC voltage source. As shown in Fig. 5, the solenoids can be connected to the poles U, V and W of the three-phase source. When the current is switched on, each of the three coils generates a magnetic field that has a force component directed at right angles to the axis of symmetry of the accelerator tube.
  • the magnetic field of the magnetic coil 14 is in 2 drawn out and labeled 25. 2 shows that the magnetic coils 14, 16 and 18 of the exemplary embodiment are adapted to the circular circumference of the accelerator tube 2. In this way, a better transition of the magnetic field is achieved than with straight coils: magnetic coils without a core have proven themselves well.
  • the three magnetic coils can be arranged at different distances from the accelerator tube 2 if, for example, other components are attached to the accelerator tube at one point.
  • the uniform rotating field can be achieved by applying the one coil further away to a higher voltage via a matching transformer.
  • a matching transformer 30 in a delta connection is shown in FIG. 6. It is used around the solenoid current with different numbers of turns or different To compensate for the winding diameter in such a way that the magnetic field is the same size in spite of different coil dimensions and / or coil spacing inside the bobbin tube. Even if one coil has to be kept smaller than the other coil, for example for reasons of space, this can be compensated for by compensating the current through this coil.
  • the transformer 30 is connected on the one hand to the connections U, V "W of a three-phase supply and on the other hand to the magnet coil or coils. The easiest way to do this is to use the three-phase current from the public network.
  • the point of impact 15 on the circle 10a rotates about 50 or 60 times per second.
  • Five to six electron pulses will strike the radiation exit window during a single revolution.
  • the thermal energy generated when the electrons impact the beam exit window is distributed over a much larger cross section.
  • the original impact area can be increased from 0.5 mm 2 to 2 mm 2 .
  • the local heating and thus the emission of secondary electrons itself is reduced.
  • the risk of the radiation exit window blowing through is also reduced.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Beschleuniger (1) für geladene Teilchen mit einer evakuierten Beschleunigerröhre (2) und einem die Beschleunigerröhre vakuumdicht abschließenden Austrittsfenster (8) für die beschleunigten Teilchen. Bei solchen Beschleunigern werden nämlich bei der Beschleunigung von Elektronen Sekundärelektronen am Austrittsfenster erzeugt, die in der Beschleunigerröhre nach Rückwärts beschleunigt werden und am gegenüberliegenden Ende der Beschleunigerröhre harte Röntgenstrahlung erzeugt. Um diese unerwünschte Röntgenstrahlung zu verhindern, sieht die Erfindung vor daß in der Nähe des Austrittsfensters eine Vorrichtung (14, 16, 18) zur wiederholten Ablenkung des Strahles geladener Teilchen angeordnet ist. Des weiteren kann die Vorrichtung an dem dem Austrittsfenster abgewandten Ende der Beschleunigerröhre angeordnet sein und kann die Vorrichtung den Strahl geladener Teilchen kreisförmig ablenken. Ein erfindungsgemäßer Beschleuniger ist insbesondere fur den Einsatz in der Strahlentherapie geeignet.The invention relates to an accelerator (1) for charged particles with an evacuated accelerator tube (2) and an exit window (8) for the accelerated particles that seals the accelerator tube in a vacuum-tight manner. In the case of such accelerators, secondary electrons are generated at the exit window when electrons are accelerated, which are accelerated backwards in the accelerator tube and generate hard X-rays at the opposite end of the accelerator tube. In order to prevent this unwanted x-ray radiation, the invention provides that a device (14, 16, 18) for repeated deflection of the beam of charged particles is arranged in the vicinity of the exit window. Furthermore, the device can be arranged at the end of the accelerator tube facing away from the exit window and the device can deflect the beam of charged particles in a circular manner. An accelerator according to the invention is particularly suitable for use in radiation therapy.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Beschleuniger für geladene Teilchen mit einer evakuierten Beschleunigerröhre und einem die Beschleunigerröhre vakuumdicht abschließenden Austrittsfenster für die beschleunigten Teilchen.The invention relates to an accelerator for charged particles with an evacuated accelerator tube and an exit window for the accelerated particles that seals the accelerator tube in a vacuum-tight manner.

Beschleuniger für geladene Teilchen, vorwiegend Elektronen-, gelegentlich auch Protonenbeschleuniger, werden hauptsächlich in der medizinischen Strahlentherapie seltener für Zwecke der Strahlendurchleuchtung und Sterilisation von Proben aller Artbenützt. Sie erzeugen einen eng gebündelten Strahl beschleunigter geladener Teilchen. Elektronenbeschleuniger, meist Linearbeschleuniger, seltener Kreisbeschleuniger (Betatrons) werden jedoch auch dazu verwendet, um Röntgenstrahlung mit einem dem Elektronenstrahl ausgesetzten Target zu erzeugen. Diese meist sehr harte Röntgenstrahlung wird wiederum meist zur medizinischen Strahlentherapie, gelegentlich aber auch zur Sterilisation von Proben aller Art verwendet.Accelerators for charged particles, predominantly electron accelerators, occasionally also proton accelerators, are used less frequently, mainly in medical radiation therapy, for the purposes of radiation screening and sterilization of samples of all kinds. They create a tightly focused beam of accelerated charged particles. However, electron accelerators, mostly linear accelerators, and more rarely circular accelerators (betatrons), are also used to generate X-rays with a target exposed to the electron beam. This mostly very hard X-ray radiation is mostly used for medical radiation therapy, but occasionally also for the sterilization of samples of all kinds.

Die Beschleunigung der geladenen Teilchen erfolgt im Inneren einer evakuierten Beschleunigerröhre. Zur Applikation müssen die geladenen Teilchen, oder aber die Röntgenstrahlung des dem Teilchenstrahl ausgesetzten Targets, durch ein die Beschleunigerröhre vakuumdicht abschließendes Austrittsfenster nach außen gelangen. Das Austrittsfenster besteht im allgemeinen aus einer dünnen Metallfolie. Der Strahl geladener Teilchen besitzt bei gängigen Elektronenbeschleunigern Energien von etwa 4 MeV. Beim Auftreffen des Teilchenstrahls auf der Metallfolie werden Sekundärelektronen aus der Metallfolie herausgeschlagen. Außerdem wird das Austrittsfenster an der Auftreffstelle des Teilchenstrahls erwärmt. Die Sekundärelektronen treten zu einem Teil auch nach rückwärts gerichtet ins Innere der Beschleunigerröhre hinein, aus dem Material des Strahlenaustrittsfensters aus. Diese Sekundärelektronen werden im elektrischen Feld der Beschleunigerröhre nach rückwärts beschleunigt und treffen mit der vollen Beschleunigungsenergie auf das dem Austrittsfenster gegenüberliegende Ende der Beschleunigungsröhre auf. Dort erzeugen sie wiederum Sekundärelektronen und vor allem harte Röntgenstrahlung. Zur Abschirmung derselben ist eine starke und schwere Strahlenschutzumkleidung auch ' dieses Endes der Beschleunigungsröhre erforderlich. Schließlich besteht bei hoher Strahlleistung auch die Gefahr des Überhitzens des Austrittsfensters am Auftreffpunkt des Teilchenstrahls. Dies führt zu einer-Steigerung der Erzeugungsrate der Sekundärelektronen und ist in Extremfällen auch mit der Gefahr des Durchschmelzens des Austrittsfensters mit der Folge der Zerstörung der Beschleunigerröhre verbunden.The charged particles are accelerated inside an evacuated accelerator tube. For the application, the charged particles, or else the X-rays of the target exposed to the particle beam, must reach the outside through an exit window that seals the accelerator tube in a vacuum-tight manner. The exit window generally consists of a thin metal foil. The beam of charged particles has the usual electron beam accelerate energies of around 4 MeV. When the particle beam hits the metal foil, secondary electrons are knocked out of the metal foil. In addition, the exit window is heated at the point of impact of the particle beam. Some of the secondary electrons also exit backwards into the interior of the accelerator tube, from the material of the radiation exit window. These secondary electrons are accelerated backwards in the electrical field of the accelerator tube and hit the end of the accelerator tube opposite the exit window with the full acceleration energy. There they in turn generate secondary electrons and above all hard X-rays. To shield them, a strong and heavy radiation protective covering is also required at this end of the acceleration tube. Finally, with a high beam power, there is also the risk of the exit window overheating at the point of impact of the particle beam. This leads to an increase in the generation rate of the secondary electrons and, in extreme cases, is also associated with the risk of the exit window melting through, with the result that the accelerator tube is destroyed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Beschleuniger für die geladenen Teilchen kleiner, leichter und sicher zu beuen und zugleich den.Strahlenschutz sowie die Betriebssicherheit zu verbessern.The object of the invention is to make the accelerator for the charged particles smaller, lighter and safer, and at the same time to improve radiation protection and operational safety.

Bei einem Teilchenbeschleuniger der eingangs genannten Art ist daher erfindungsgemäß in der Nähe des Austrittsfensters eine Vorrichtung zur wiederholten Ablenkung des Strahls geladener Teilchen angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß auch die am Austrittsfenster emittierten thermischen Sekundärelektronen abgelenkt werden. Sie werden jedoch in Folge ihrer geringeren Engergie ungleich stärker abgelenkt als die beschleunigten Primärelektronen. Dies hat zur Folge, daß die vom Austrittsfenster emittierten Sekundärelektronen auf die das Austrittsfenster umgebende Wandung der Beschleunigerröhre abgelenkt werden, während die beschleunigten Primärelektronen gleichzeitig eine nur ganz geringe Ablenkung erfahren. Die auf die Wandung der Beschleunigerröhre auftreffenden Sekundärelektronen können nun nicht mehr nach rückwärts beschleunigt werden und keine Röntgenquanten mehr an dem dem Austrittsfenster gegenüberliegenden Ende der Beschleunigerröhre auslösen. Daher können die Strahlenschutzmaßnahmen in diesem Bereich weitgehend vermindert werden. Außerdem vergrößert sich so im zeitlichen Mittel die Auftreffläche der beschleunigten Elektronen auf dem Austrittsfenster, so daß die lokale thermische Belastung vermindert wird. Dadurch wird sowohl die Ausbeute an Sekundärelektronen vermindert und als Nebeneffekt auch die maximale thermisch zulässige Strahlleistung erhöht.In the case of a particle accelerator of the type mentioned at the outset, a device for repeated deflection of the beam of charged particles is therefore arranged in the vicinity of the exit window. This has the advantage that the thermal secondary electrons emitted at the exit window are also deflected. However, they become un as a result of their lower energy distracted more than the accelerated primary electrons. The result of this is that the secondary electrons emitted by the exit window are deflected onto the wall of the accelerator tube surrounding the exit window, while the accelerated primary electrons experience only a very slight deflection at the same time. The secondary electrons striking the wall of the accelerator tube can no longer be accelerated backwards and can no longer trigger X-ray quanta at the end of the accelerator tube opposite the exit window. The radiation protection measures in this area can therefore be largely reduced. In addition, the impact area of the accelerated electrons on the exit window increases on average over time, so that the local thermal load is reduced. As a result, the yield of secondary electrons is reduced and, as a side effect, the maximum thermally permissible beam power is increased.

Eine besonders zweckmäßige Konstruktion ergibt sich wenn die Vorrichtung in Ausgestaltung der Erfindung an dem dem Austrittsfenster zugewandten Ende der Beschleunigerröhre angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, daß sie sich in unmittelbarer Nähe des Entstehungsortes der Sekundärelektronen befindet und die Sekundärelektronen noch vor dem Durchlaufen des ersten Hohlraumresonators der Beschleunigerröhre, d.h. mit der geringstmöglichen Energie an die Wand der Beschleunigerröhre ablenken. Hierdurch können die ablenkenden Kräfte besonders klein gehalten werden und wird die Ablenkung des Strahls beschleunigter Teilchen - der Primärstrahlung also - minimiert.A particularly expedient construction results if the device in the embodiment of the invention is arranged on the end of the accelerator tube facing the exit window. This has the advantage that it is located in the immediate vicinity of the point of origin of the secondary electrons and that the secondary electrons are passed through the first cavity resonator of the accelerator tube, i. Distract against the wall of the accelerator tube with the least possible energy. As a result, the deflecting forces can be kept particularly small and the deflection of the beam of accelerated particles - the primary radiation - is minimized.

In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Vorrichtung den Strahl geladener Teilchen kreisförmig ablenken. Dies hat zur Folge, daß. das ablenkende Feld stets unglich Null ist und am Austrittsfenster erzeugte Sekundärelektronen zu keinem Zeitintervall nach rückwärts beschleunigt werden können. Außerdem wird so die Auftreffläche des Teilchenstrahls auf dem Fenster bei geringstmöglicher Ablenkkraft maximiert.In a particularly advantageous development of the invention, the device can circle the beam of charged particles distracted. This has the consequence that. the deflecting field is always not equal to zero and secondary electrons generated at the exit window cannot be accelerated backwards at any time interval. In addition, the impact area of the particle beam on the window is maximized with the least possible deflection force.

Eine besonders einfache lösung ergibt sich, wenn die Vorrichtung in Ausgestaltung der Erfindung den Strahl geladener Teilchen in linearer Richtung vor und zurück ablenkt. In diesem Fall werden die Sekundärelektronen auf einander gegenüberliegenden Seiten der Beschleunigerröhre abgelenkt. In diesem Fall muß jedoch anderweitig dafür Sorge getragen werden, daß kein Strahlimpuls während des Feldnulldurchganges der Ablenkvorrichtung erzeugt wird.A particularly simple solution is obtained if the device in the embodiment of the invention deflects the beam of charged particles back and forth in a linear direction. In this case, the secondary electrons on opposite sides of the accelerator tube are deflected. In this case, however, care must be taken to ensure that no beam pulse is generated during the field zero crossing of the deflection device.

Eine besonders zweckmäßige Konstruktion ergibt sich, wenn die Vorrichtung in Weiterbildung der Erfindung ein wechselndes Magnetfeld erzeugt. Ein solches Magnetfeld läßt sich anders als ein ablenkendes elektrisches Feld außerhalb der Beschleunigerröhre erzeugen und ohne Durchführungen oder sonstige Einbauten im Innern der Beschleunigerröhre im Inneren der Beschleunigerröhre zu Wirkung bringen.A particularly expedient construction results if the device generates an alternating magnetic field in a development of the invention. Such a magnetic field can be generated differently than a deflecting electric field outside the accelerator tube and can be brought into effect inside the accelerator tube without bushings or other internals.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

  • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Beschleunigerröhre,
  • Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1,
  • Fig. 3 eine Aufsicht auf den Auftreffpunkt des Strahls geladener Teilchen auf das Austrittsfenster bei ausgeschalteten und eingeschalteten Magnetspulen,
  • Fig. 4 eine Aufsicht auf den-Auftreffpunkt des Strahls geladener Teilchen auf das Austrittsfenster bei einer einzigen eingeschalteten Magnetspule,
  • Fig. 5 eine- Schaltanordnung für die Magnetspulen der Fig. 2 und
  • Fig. 6 eine Schaltanordnung zur Änderung der an den drei Spulen der Fig. 2 anliegenden Spannung.
Further details of the invention are explained with reference to an embodiment shown in the figures. Show it:
  • 1 is a schematic representation of an accelerator tube,
  • 2 shows a section along the line II-II of FIG. 1,
  • 3 is a plan view of the point of impact of the beam of charged particles on the exit window with the solenoids switched off and on,
  • 4 is a top view of the point of impact of the beam of charged particles on the exit window with a single magnet coil switched on,
  • Fig. 5 shows a switching arrangement for the magnetic coils of Fig. 2 and
  • Fig. 6 shows a switching arrangement for changing the voltage applied to the three coils of Fig. 2.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in stark schematisierter Darstellung einen Linearbeschleuniger 1, wie er für medizinische Zwecke verwendet wird. Seine Beschleunigerröhre 2 trägt an ihrem einen Ende eine Teibhenquelle 4 und an ihrem anderen Ende ein Strahlenaustrittsfenster 8. Von der Teilchenquelle 4 werden im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels Elektronen ins Innere der Beschleunigungsröhre 2 emittiert. Diese Elektronen werden durch die im Innern der Beschleunigerröhre erzeugten elektrischen Felder beschleunigt. Zu diesem Zweck besteht die Beschleunigerröhre aus einer Reihe von aneinandergekuppelten Hohlraumresonatoren 5, an die, in hier nicht weiter dargestellter Weise, eine elektromagnetische Welle, sei es als stehende oder als Wanderwelle, angekuppelt wird. Die Beschleunigerröhre 2 eines Linearbeschleunigers ist im wesentlichen rotationssymmetrisch und besitzt eine gerade Symmetrieachse 6. Sie ist evakuiert. Eine solche Beschleunigerröhre ist beispielsweise unter der Typenbezeichnung "Los Alamos" bekannt.1 and 2 show a highly schematic representation of a linear accelerator 1 as used for medical purposes. Its accelerator tube 2 carries a particle source 4 at one end and a beam exit window 8 at its other end. In the present exemplary embodiment, electrons are emitted from the particle source 4 into the interior of the acceleration tube 2. These electrons are accelerated by the electric fields generated inside the accelerator tube. For this purpose, the accelerator tube consists of a series of mutually coupled cavity resonators 5, to which an electromagnetic wave, whether as a standing wave or as a traveling wave, is coupled in a manner not shown here. The accelerator tube 2 of a linear accelerator is essentially rotationally symmetrical and has a straight axis of symmetry 6. It is evacuated. Such an accelerator tube is known, for example, under the type designation "Los Alamos".

Die durch die Teilchenquelle 4, einer Glühkathode mit nachgeschalteter Vorbeschleunigungsstecke (nicht dargestellt), in die Beschleunigerröhre 2 eingeschlossenen Elektronen werden längs der Symmetrieachse 6 der Beschleunigerröhre 2 im Takt der angekuppelten Hochfrequenz beschleunigt. Auf das Austrittsfenster 8 trifft daher ein gepulster Elektronenstrahl auf. Das Austrittsfenster besteht aus einer dünnen Metallfolie, die die Beschleunigerröhre vakuumdicht abschließt. Die Metallfolie soll bei Teilchenbeschleunigern möglichst dünn sein, um den Teilchenstrahl so wenig wie möglich zu schwächen. Der auf das Strahlenaustrittsfenster auftreffende Elektronenstrahl hat einen Durchmesser von ca. 0, 5 mm. In den Fig. 3 und 4 ist der Auftreffpunkt des nicht abgelenkten Elektronenstrahls auf das Austrittsfenster mit 10 bezeichnet.The electrons enclosed in the accelerator tube 2 by the particle source 4, a hot cathode with a downstream pre-acceleration path (not shown), are accelerated along the axis of symmetry 6 of the accelerator tube 2 in time with the coupled high frequency. A pulsed electron beam therefore strikes the exit window 8. The exit window consists of a thin metal foil that seals the accelerator tube in a vacuum-tight manner. The metal foil in particle accelerators should be as thin as possible in order to weaken the particle beam as little as possible. The electron beam striking the radiation exit window has a diameter of approximately 0.5 mm. 3 and 4, the point of incidence of the undeflected electron beam on the exit window is designated by 10.

Die beschleunigten Elektronen verlassen das Austrittsfenster 8 als Elektronenstrahl 12. Die Elektronen haben im Ausführungsbeispiel eine Energie von 4 MeV. Dieser austretende Elektronenstrahl 12 kann auch auf ein im Bedarfsfall in seinen Weg gebrachtes Target (13) auftreffen, um Röntgenstrahlenimpulse zu erzeugen. In der Strahlentherapie werden entweder der austretende Elektronenstrahl 12 oder die vom Target emittierten Röntgenstrahlen eingesetzt.The accelerated electrons leave the exit window 8 as an electron beam 12. In the exemplary embodiment, the electrons have an energy of 4 MeV. This emerging electron beam 12 can also strike a target (13) that is brought into its path if necessary, in order to generate X-ray pulses. In the radiation Thera p ie either the emergent electron beam 12 or the light emitted from the target X-rays are used.

Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, ist eine magnetische Ablenkvorrichtung 14, 16, 18 zur wiederholten Ablenkung des Strahls an der Beschleunigerröhre in einer Ebene unmittelbar vor dem Strahlenaustrittsfenster 8 angeordnet. Die Wandung der Beschleunigerröhre besteht im Ausführungsbeispiel aus nicht ferromagnetischem Material, vorzugsweise aus Kupfer. Die Wirkung einer solchen Ablenkvorrichtung besteht darin, daß sie die vom Austrittsfenster aus ins Innere der Beschleunigerröhre 2 austretenden Sekundärelektronen gegen die Wandung der Beschleunigerröhre ablenkt. Außerdem vergrößert sie über die Zeit gemittelt die Auftreffläche 10 der beschleunigten Elektronen auf das Austrittsfenster und vermindert so dessen örtliche thermische Belastung. In den Figuren 3 und 4 ist in vergrößerter Darstellung die durch periodische Ablenkung im Zeitmittel vergrößerte Auftreffläche 10a des Teilchenstrahls auf dem Austrittsfenster 8 eingezeichnet.As FIGS. 1 and 2 show, a magnetic deflection device 14, 16, 18 for repeated deflection of the beam on the accelerator tube is arranged in a plane immediately in front of the beam exit window 8. In the exemplary embodiment, the wall of the accelerator tube consists of non-ferromagnetic material, preferably of copper. The effect of such a deflection device is that it extends from the exit window into the interior of the accelerator tube 2 deflecting secondary electrons against the wall of the accelerator tube. In addition, averaged over time, it increases the impact area 10 of the accelerated electrons on the exit window and thus reduces its local thermal load. FIGS. 3 and 4 show, in an enlarged representation, the impact surface 10a of the particle beam on the exit window 8 which is enlarged by periodic deflection on average.

Im Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 besitzt die magnetische Ablenkvorrichtung drei Magnetspulen 14, 16, 18. Damit diese ihr veränderliches Magnetfeld so nah wie möglich an der Auftreffläche der Elektronen auf das Austrittsfenster zur Wirkung bringen, sind diese. Magnetspulen an der Außenseite der Beschleunigerröhre in Strahlenrichtung etwas vor dem Strahlenaustrittsfenster 3 angeordnet. Die drei Magnetspulen sind um 120° gegeneinander um die Symmetrieachse 6 der Beschleunigerröhre 2 und damit zugleich auch um den längs der Symmetrieachse beschleunigten Elektronenstrahl versetzt angeordnet. Die drei Symmetrieachsen 24, 26, 28 der Magnetspulen 14, 16, 18 sind senkrecht zur Richtung des Elektronenstrahls ausgerichtet. Sie treffen sich in einem gemeinsamen Punkt auf der Symmetrieachse der Beschleunigerröhre.In the exemplary embodiment of FIGS. 1 and 2, the magnetic deflection device has three magnetic coils 14, 16, 18. In order for these to bring their variable magnetic field as close as possible to the impact surface of the electrons on the exit window, these are. Magnetic coils are arranged on the outside of the accelerator tube in the radiation direction somewhat in front of the radiation exit window 3. The three magnetic coils are arranged offset by 120 ° relative to one another about the axis of symmetry 6 of the accelerator tube 2 and thus at the same time also about the electron beam accelerated along the axis of symmetry. The three axes of symmetry 24, 26, 28 of the magnetic coils 14, 16, 18 are aligned perpendicular to the direction of the electron beam. They meet at a common point on the axis of symmetry of the accelerator tube.

Die Magnetspulen 14, 16, 18 sind an Wechselspannung angeschossen. Als Wechselspannungsquelle eignet sich am besten Drehstrom. So wie das in der Fig. 5 gezeigt ist, können die Magnetspulen an den Polen U, V und W der Drehstromquelle angeschlossen werden. Bei eingeschaltetem Strom erzeugt jede der drei Spulen ein Magnetfeld, das eine rechtwinklig zur Symmetrieachse der Beschleunigerröhre gerichtete Kraftkomponente besitzt. Das magnetische Feld der Magnetspule 14 ist in der Fig. 2 herausgezeichnet und mit 25 bezeichnet. Die Fig. 2 läßt erkennen, daß die Magnetspulen 14, 16 und 18 des Ausführungsbeispiels, an den kreisförmigen Umfang der Beschleunigerröhre 2 angepaßt sind. Auf diese Weise wird ein besserer Übergang des magnetischen Feldes als mit geraden Spulen erreicht: Magnetspulen ohne Kern haben sich gut bewährt.The solenoids 14, 16, 18 are connected to AC voltage. Three-phase current is best suited as an AC voltage source. As shown in Fig. 5, the solenoids can be connected to the poles U, V and W of the three-phase source. When the current is switched on, each of the three coils generates a magnetic field that has a force component directed at right angles to the axis of symmetry of the accelerator tube. The magnetic field of the magnetic coil 14 is in 2 drawn out and labeled 25. 2 shows that the magnetic coils 14, 16 and 18 of the exemplary embodiment are adapted to the circular circumference of the accelerator tube 2. In this way, a better transition of the magnetic field is achieved than with straight coils: magnetic coils without a core have proven themselves well.

Mit Hilfe der drei Magnetspulen 14, 16 und 18 wird ein Drehfeld erzeugt. Unter der Voraussetzung, daß die drei Spulen dieselbe Dimension haben und vom selben Drehstrom durchflossen werden, wird der Elektronenstrahl kreisförmig um den Auftreffpunkt der Symmetrieachse 6 auf dem Strahlenaustrittsfenster 8 herum verschoben. Dies wird in der Fig. 3 gezeigt. Dort ist in vergrößerter Darstellung sowohl die Auftreffläche 10 des Elektronenstrahls bei abgeschalteten Magnetspulen als auch die Auftreffläche 10a des kreisförmig abgelenkten Elektronenstrahls auf dem Austrittsfenster bei eingeschalteten Magnetspulen dargestellt. Wird nur eine der drei Magnetspulen 14, 16, 18 eingeschaltet, so wird nur eine lineare Verschiebung des Auftreffpunkts des Elektronenstrahls auf dem Austrittsfenster erreicht, so wie das in Fig. 4 gezeigt wird.With the help of the three magnetic coils 14, 16 and 18, a rotating field is generated. Provided that the three coils have the same dimension and the same three-phase current flows through them, the electron beam is shifted in a circle around the point of impact of the axis of symmetry 6 on the beam exit window 8. This is shown in Figure 3. There, in an enlarged representation, both the impingement surface 10 of the electron beam when the magnet coils are switched off and the impingement surface 10a of the circularly deflected electron beam on the exit window when the magnet coils are switched on are shown. If only one of the three magnetic coils 14, 16, 18 is switched on, only a linear displacement of the point of impact of the electron beam on the exit window is achieved, as is shown in FIG. 4.

Es ist auch möglich, daß die drei Magnetspulen in unterschiedlichem Abstand von der Beschleunigerröhre 2 anzuordnen sind, wenn beispielsweise an einer Stelle andere Bauelemente an der Beschleunigerröhre befestigt sind. In solche einem Fall kann das gleichmäßige Drehfeld dadurch erreicht werden, daß die eine, weiter entfernte Spule über einen Anpassungstransformator an eine höhere Spannung gelegt wird. Ein solcher Anpassungstransformator 30 in Dreieckschaltung ist in der Fig. 6 dargestellt. Er dient dazu um den Magnetspulenstrom bei unterschiedlichen Windungszahlen oder unterschiedlichem Windungsdurchmesser so zu kompensieren, daß das magnetische Feld trotz unterschiedlicher Spulenabmessungen und/oder Spulenabstand im Innern der Beschleungerröhre gleich groß ist. Auch wenn die eine Spule zum Beispiel aus Platzgründen kleiner gehalten werden muß als die andere Spule, dann kann dies durch eine Kompensation des Stromes durch diese Spule ausgeglichen werden. Der Transformator 30 ist einerseits an die Anschlüsse U, V" W einer Drehstromversorgung und auf der anderen Seite an der oder die Magnetspulen angeschlossen. Am einfachsten ist es, hierzu den Drehstrom aus dem öffentlichen Netz zu verwenden.It is also possible for the three magnetic coils to be arranged at different distances from the accelerator tube 2 if, for example, other components are attached to the accelerator tube at one point. In such a case, the uniform rotating field can be achieved by applying the one coil further away to a higher voltage via a matching transformer. Such a matching transformer 30 in a delta connection is shown in FIG. 6. It is used around the solenoid current with different numbers of turns or different To compensate for the winding diameter in such a way that the magnetic field is the same size in spite of different coil dimensions and / or coil spacing inside the bobbin tube. Even if one coil has to be kept smaller than the other coil, for example for reasons of space, this can be compensated for by compensating the current through this coil. The transformer 30 is connected on the one hand to the connections U, V "W of a three-phase supply and on the other hand to the magnet coil or coils. The easiest way to do this is to use the three-phase current from the public network.

Wenn die Elektronen mit einer Pulsfrequenz von 300 Impulsen pro Sekunde beschleunigt werden und die Netzfrequenz des Drehstromes 50 oder 60 Hz beträgt, so dreht sich der Auftreffpunkt 15 auf dem Kreis 10a etwa 50 oder 60 mal pro Sekunde. Dabei werden während einer einzigen Umdrehung fünf bis sechs Elektronenimpulse auf das Strahlenaustrittsfenster auftreffen. Das führt dazu, daß die thermische Energie, die beim Aufprallen der Elektronen auf das Strahlenaustrittsfenster erzeugt wird, sich auf einem wesentlich größeren Querschnitt verteilt. So läßt sich beispielsweise die ursprüngliche Auftrefffläche von 0, 5 mm2 auf 2 mm2 vergrößern. Das hat zur Folge, daß auch die örtliche Aufheizung und damit die Emission von Sekundärelektronen selbst vermindert wird. Als Nebeneffekt wird außerdem die Gefahr eines Durchbrennens des Strahlenaustrittsfensters verringert.If the electrons are accelerated with a pulse frequency of 300 pulses per second and the mains frequency of the three-phase current is 50 or 60 Hz, the point of impact 15 on the circle 10a rotates about 50 or 60 times per second. Five to six electron pulses will strike the radiation exit window during a single revolution. As a result, the thermal energy generated when the electrons impact the beam exit window is distributed over a much larger cross section. For example, the original impact area can be increased from 0.5 mm 2 to 2 mm 2 . As a result, the local heating and thus the emission of secondary electrons itself is reduced. As a side effect, the risk of the radiation exit window blowing through is also reduced.

Während die Primärelektronen auf Energien von etwa 4 MeV beschleunigt werden und nur sehr geringfügig durch das kreisförmige Magnetfeld abgelenkt werden, haben die Sekundärelektronen niedrigere, sog. thermische Energie. Sie würden ohne die Spulen 14, 16, 18 längs der Symmetrieachse der Beschleunigerröhre in entgegengesetzter Richtung auf die Elektronenquelle 4 zu be-schleunigt werden und dort beim Auftreffen auf die dortige Wandung, bzw. in der Wandung eingesetzten Teilchenquelle 4, energiereiche Röntgenstrahlen erzeugen. Dies würde ihrerseits wiederum eine aufwendige, schwere und platzbeanspruchende Abschirmung erforderlich machen. Diese unerwünschte nach Rückwärts gerichtete harte Röntgenstrahlung ist in der Fig. 1 mit 44 bezeichnet. Die Magnetfelder der eingeschalteten Magnetspulen 14, 16, 18 lenken aber diese am Austrittsfenster noch langsamen thermischen Elektronen aus ihrer ursprünglichen Richtung ab und lassen sie gegen die inneren Wände der Beschleunigerröhre stoßen. Auf diese Weise kann der Aufwand für die Strahlenabschirmung deutlich vermindert werden.While the primary electrons are accelerated to energies of around 4 MeV and are deflected only very slightly by the circular magnetic field, the secondary electrons have lower, so-called thermal energy. Without the coils 14, 16, 18, they would run in the opposite direction along the axis of symmetry of the accelerator tube set direction to be accelerated to the electron source 4 and generate high-energy x-rays there when they strike the wall there or the particle source 4 used in the wall. This, in turn, would require a complex, heavy and space-consuming shield. This undesired backward directed hard X-ray radiation is designated by 44 in FIG. 1. However, the magnetic fields of the switched-on magnetic coils 14, 16, 18 deflect these slow-moving thermal electrons from their original direction at the exit window and let them hit the inner walls of the accelerator tube. In this way, the effort for radiation shielding can be significantly reduced.

Der Aufwand könnte noch weiter vermindert werden, wenn statt der drei Magnetspulen nur eine Magnetspule auf der Beschleunigerröhre befestigt würde und die Emission der Teilchenquelle 4 in Abhängigkeit des Stromes durch die Magnetspule so gesteuert wird, daß sie nur bei aufgebautem Magnetfeld erfolgen kann. Es wäre auch möglich statt der von Wechselstrom durchflossenen Magnetspulen ein konstantes Magnetfeld, beispielsweise eines Permanentmagneten zu verwenden. In diesem Fall würden die Sekundärelektronen genauso abgefangen, nur würde die thermische Belastung des Strahlenaustrittsfensters nicht vermindert.The effort could be further reduced if, instead of the three magnetic coils, only one magnetic coil were attached to the accelerator tube and the emission of the particle source 4 is controlled as a function of the current through the magnetic coil so that it can only take place when the magnetic field is built up. It would also be possible to use a constant magnetic field, for example a permanent magnet, instead of the magnetic coils through which alternating current flows. In this case, the secondary electrons would be intercepted in the same way, only the thermal load on the radiation exit window would not be reduced.

Claims (14)

1. Beschleuniger für geladene Teilchen mit einer evakuierten Beschleunigerröhre und einem die Beschleunigerröhre vakuumdicht abschließenden Austrittsfenster für die beschleunigten Teilchen, dadurch gekennzeichnet , daß in der Nähe des Austrittsfensters (8) eine Vorrichtung (14, 16, 18) zur wiederholten Ablenkung des Strahls geladener Teilchen angeordnet ist.1. Accelerator for charged particles with an evacuated accelerator tube and an exit window for the accelerated particles that seals the accelerator tube in a vacuum-tight manner, characterized in that in the vicinity of the exit window (8) a device (14, 16, 18) for repeated deflection of the beam of charged particles is arranged. 2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (14, 16, 18) an dem dem Austrittsfenster (8) zugewandten Ende der Beschleunigerröhre (2) angeordnet ist.2. Accelerator according to claim 1, characterized in that the device (14, 16, 18) at the exit window (8) facing the end of the accelerator tube (2) is arranged. 3. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (14, 16, 18) den Strahl geladener Teilchen kreisförmig ablenkt.3. Accelerator according to claim 1, characterized in that the device (14, 16, 18) deflects the beam of charged particles in a circular manner. 4. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch . gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (14, 16, 18) den Strahl geladener Teilchen in linearer Richtung vor und zurück ablenkt.4. Accelerator according to claim 1, characterized. characterized in that the device (14, 16, 18) deflects the beam of charged particles back and forth in a linear direction. 5. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (14, 16, 18) ein wechselndes Magnetfeld erzeugt.5. Accelerator according to claim 1, characterized in that the device (14, 16, 18) generates an alternating magnetic field. 6. Beschleuniger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (14, 16, 18) mindestens eine Magnetspule umfaßt.6. Accelerator according to claim 5, characterized in that the device (14, 16, 18) comprises at least one magnetic coil. 7. Beschleuniger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Magnetspule (14, 16, 18) am äußeren Umfang der aus nicht ferromagnetischem Material bestehenden Beschleunigerröhre (2) angeordnet ist.7. Accelerator according to claim 6, characterized in that the magnet coil (14, 16, 18) is arranged on the outer circumference of the accelerator tube (2) made of non-ferromagnetic material. 8. Beschleuniger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Achse (24, 26, 28) der Magnetspule (14, 16, 18) senkrecht zur Richtung des Strahls geladener Teilchen in der Beschleunigerröhre (2) ausgerichtet ist.8. Accelerator according to claim 6, characterized in that the axis (24, 26, 28) of the magnet coil (14, 16, 18) is aligned perpendicular to the direction of the beam of charged particles in the accelerator tube (2). 9. Beschleuniger nach Anapruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß drei Magnetspulen (14, 16, 18) gegeneinander um 120°versetzt um den Strahl geladener Teilchen herum angeordnet sind.9. Accelerator according to Anapruch 6, characterized in that three magnetic coils (14, 16, 18) are arranged offset from one another by 120 ° around the beam of charged particles. 10. Beschleuniger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Achsen (24, 26, 28) der drei Magnetspulen (14, 16, 18) in einem einzigen, auf der Symmetrieachse (6) der Beschleunigerröhre gelegenen Punkt schneiden.10. Accelerator according to claim 9, characterized in that the axes (24, 26, 28) of the three magnetic coils (14, 16, 18) intersect in a single point on the axis of symmetry (6) of the accelerator tube. 11. Beschleuniger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die drei Magnetspulen (14, 16, 18) an Drehstrom angeschlossen sind.11. Accelerator according to claim 9, characterized in that the three magnetic coils (14, 16, 18) are connected to three-phase current. 12. Beschleunger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Magnetfeld (25) der drei Magnet spulen (14, 16, 18) im Bereich des Austrittsfensters (8) bei, bezogen auf die Symmetrieachse (6) der Beschleunigerröhre (2) unsymmetrische Anordnung der Magnetspulen, durch Kompensation der angelegten Spannungen und/oder Spulengrößen exakt gleich gehalten ist.12. accelerator according to claim 9, characterized in that the magnetic field (25) of the three magnetic coils (14, 16, 18) in the region of the exit window (8), with respect to the axis of symmetry (6) of the accelerator tube (2) asymmetrical arrangement of the magnetic coils is kept exactly the same by compensation of the applied voltages and / or coil sizes. 13. Beschleuniger für geladene Teilchen mit einer evakuierten Beschleunigerröhre und einem die Beschleunigerröhre vakuumdicht abschließenden Austrittsfenster für die beschleunigten Teibhen im wesentlichen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vorrichtung zur konstanten Ablenkung des Strahls geladener Teilchen in der Nähe des Austrittsfensters angeordnet ist.13. Accelerator for charged particles with an evacuated accelerator tube and an exit window for the accelerated particles, which seals the accelerator tube in a vacuum-tight manner, essentially according to claim 1, characterized in that a device for constant deflection of the beam of charged particles is arranged in the vicinity of the exit window. 14. Beschleuniger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung ein konstantes Magnetfeld erzeugt.14. Accelerator according to claim 13, characterized in that the device generates a constant magnetic field.
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