RU2809178C2 - Betatron with adjustment of axis of extracted electron beam - Google Patents
Betatron with adjustment of axis of extracted electron beam Download PDFInfo
- Publication number
- RU2809178C2 RU2809178C2 RU2023109182A RU2023109182A RU2809178C2 RU 2809178 C2 RU2809178 C2 RU 2809178C2 RU 2023109182 A RU2023109182 A RU 2023109182A RU 2023109182 A RU2023109182 A RU 2023109182A RU 2809178 C2 RU2809178 C2 RU 2809178C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electron beam
- axis
- radius
- central
- magnetic field
- Prior art date
Links
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000007850 degeneration Effects 0.000 claims description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 231100000987 absorbed dose Toxicity 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке бетатронов с выведенным электронным пучком.The invention relates to accelerator technology and can be used in the development of betatrons with an extracted electron beam.
Известен бетатрон с выведенным электронным пучком, содержащий секторные обмотки, которые формируют секторное возмущение, позволяющее увеличить радиус орбиты ускоренных электронов до радиуса освобождения от фокусирующих сил магнитного поля, исказив орбиту электронов таким образом, что вылет в краевое магнитное поле происходит на заданном азимуте в заданном направлении.A betatron with an extracted electron beam is known, containing sector windings that form a sector perturbation, which makes it possible to increase the radius of the orbit of accelerated electrons to the radius of release from the focusing forces of the magnetic field, distorting the orbit of the electrons in such a way that the flight into the edge magnetic field occurs at a given azimuth in a given direction .
Основной недостаток бетатрона с выведенным электронным пучком - это смещение оси электронного пучка при изменении номинальной энергии ускоренных электронов. После освобождения от фокусирующих сил магнитного поля, электронный пучок двигается в краевом магнитном поле и под действием силы Лоренца формируется электронный пучок с определенной траекторией. Ускорение в бетатроне происходит в нарастающем магнитном поле. Чем выше энергия ускоренных электронов, тем выше индукция основного и соответственно краевого магнитного поля. Поэтому для разных энергий ускоренных электронов, под действием разного значения силы Лоренца в краевом магнитном поле, выведенный электронный пучок имеет разный радиус криволинейной траектории. Указанная особенность бетатрона вызывает смещение оси выведенного электронного пучка при изменении номинальной энергии ускоренных электронов.The main disadvantage of a betatron with an extracted electron beam is the displacement of the electron beam axis when the nominal energy of the accelerated electrons changes. After being released from the focusing forces of the magnetic field, the electron beam moves in the edge magnetic field and, under the influence of the Lorentz force, an electron beam with a certain trajectory is formed. Acceleration in a betatron occurs in an increasing magnetic field. The higher the energy of the accelerated electrons, the higher the induction of the main and, accordingly, the edge magnetic field. Therefore, for different energies of accelerated electrons, under the influence of different values of the Lorentz force in the edge magnetic field, the extracted electron beam has a different radius of the curvilinear trajectory. This feature of the betatron causes a displacement of the axis of the extracted electron beam when the nominal energy of the accelerated electrons changes.
Наиболее близким к заявленному изобретению (прототипом) является бетатрон МИБ-6Э, разработанный для интраоперационной электронной лучевой терапии (ИОЭЛТ). Бетатрон, имеет фиксированную номинальную энергию. При этом система управления бетатрона допускает возможность менять энергию ускоренных электронов, изменяя время ускорения. Однако, бетатроны, предназначенные для ИОЭЛТ, имеют систему формирования полей облучения соосную с выведенным электронным пучком. При изменении номинальной энергии ускоренных электронов, происходит смещение оси выводимого электронного пучка, что приводит к нарушению соосности пучка и коллиматорной системы формирования полей облучения. Это, в свою очередь, приводит к недопустимому искажению полей облучения, как по равномерности, так и по симметричности. Данная особенность бетатрона значительно ограничивает его применение в интраоперационной электронной лучевой терапии, так как не позволяет менять глубину проникновения, определяемую энергией электронов, и формировать максимум поглощенной дозы на заданной глубине в зависимости от локализации и анатомических особенностей патологического очага.The closest prototype to the claimed invention is the MIB-6E betatron, developed for intraoperative electron beam therapy (IOEBRT). Betatron has a fixed nominal energy. At the same time, the betatron control system allows for the possibility of changing the energy of accelerated electrons by changing the acceleration time. However, betatrons intended for IOCRT have a system for forming irradiation fields coaxial with the extracted electron beam. When the nominal energy of accelerated electrons changes, the axis of the output electron beam shifts, which leads to a violation of the alignment of the beam and the collimator system for forming irradiation fields. This, in turn, leads to unacceptable distortion of the irradiation fields, both in uniformity and symmetry. This feature of the betatron significantly limits its use in intraoperative electron beam therapy, since it does not allow changing the penetration depth, determined by the electron energy, and forming a maximum absorbed dose at a given depth, depending on the location and anatomical features of the pathological focus.
Задачей изобретения является создание бетатрона с корректировкой оси выведенного электронного пучка, способного работать в широком диапазоне энергий.The objective of the invention is to create a betatron with adjustment of the axis of the extracted electron beam, capable of operating in a wide energy range.
Техническим результатом является система вывода, позволяющая оперативно корректировать ось электронного пучка, выведенного из ускорительной камеры бетатрона, сохраняя неизменным пространственное положение оси пучка, при изменении энергии ускоренных электронов.The technical result is an output system that allows you to quickly adjust the axis of the electron beam extracted from the betatron accelerating chamber, keeping the spatial position of the beam axis unchanged when the energy of the accelerated electrons changes.
Технический результат достигается за счет того, что заявленное решение позволяет, контролируемо изменять траекторию выведенного электронного пучка в краевом поле бетатрона.The technical result is achieved due to the fact that the claimed solution allows you to controllably change the trajectory of the extracted electron beam in the edge field of the betatron.
Заявляемое устройство иллюстрируется фиг.1, где изображены: ускорительная камера 1, секторная обмотка 2, центральная обмотка 3.The inventive device is illustrated in Fig. 1, which shows: accelerating chamber 1, sector winding 2, central winding 3.
Заявляемое устройство состоит из центральной и секторной обмотки. Обе обмотки состоят из двух полуобмоток, соединенных согласно последовательно и расположенных сверху и снизу, вакуумной ускорительной камеры. Обмотки выполнены из медной фольги на стеклотекстолитовой подложке. Центральная обмотка крепится к полюсам электромагнита. Секторная обмотка должна иметь возможность вращаться для определения оптимального азимута. Витки центральной обмотки должны находиться внутри радиуса равновесной орбиты R0. Секторная обмотка может быть или петлевая или внутриорбитная. Изменение азимутальной протяженности секторной обмотки в пределах 90-270° не влияет на эффективность вывода.The inventive device consists of a central and sector winding. Both windings consist of two half-windings connected in series and located above and below the vacuum accelerating chamber. The windings are made of copper foil on a fiberglass substrate. The central winding is attached to the poles of the electromagnet. The sector winding must be able to rotate to determine the optimal azimuth. The turns of the central winding must be within the radius of the equilibrium orbit R 0 . The sector winding can be either loop or intra-orbital. Changing the azimuthal extent of the sector winding within the range of 90-270° does not affect the output efficiency.
Заявляемое устройство работает следующим образом. На фиг.2 представлено распределение магнитного поля бетатрона. Кривая 1 демонстрирует распределение индукции магнитного поля от радиуса и характеризует распределение силы Лоренца. Кривая 2 демонстрирует распределение средней индукции магнитного поля внутри орбиты от радиуса и характеризует распределение центробежной силы. Первая точка пересечения кривых, где силы равны, определяет радиус равновесной орбиты R0. На радиусах меньше радиуса равновесной орбиты, преобладает центробежная сила, а на радиусах больше радиуса равновесной орбиты, преобладает сила Лоренца. Такое распределение магнитного поля по радиусу обеспечивает необходимую фокусировку электронного пучка. Вторая точка пересечения кривых определяет радиус орбиты освобождения от радиальных фокусирующих сил магнитного поля Rосв. На радиусах больше радиуса орбиты освобождения, преобладает центробежная сила. Магнитное поле внутри орбиты освобождения, является областью радиальной устойчивости, а магнитное поле на радиусах больше радиуса орбиты освобождения является краевым магнитным полем бетатрона. Радиус орбиты освобождения связан с радиусом равновесной орбиты жесткостью магнитного поля (B0R0=BосвRосв). Очевидно, что изменение радиуса равновесной орбиты, изменит радиус орбиты освобождения. Изменить радиус равновесной орбиты, возможно приращением центрального магнитного потока, внутри равновесной орбиты. На фиг.3 иллюстрируется, как изменение радиуса равновесной орбиты изменяет радиус орбиты освобождения. Увеличение радиуса равновесной орбиты уменьшает радиус орбиты освобождения, смещая в более сильное магнитное поле. Экстремум данной функции находится на радиусе Rn=1, где показатель спада магнитного поля равен единице. При достижении радиуса Rn=1 происходит вырождение равновесной орбиты (фиг.4). В отсутствии радиальных фокусирующих сил магнитного поля, электронный пучок движется по незамкнутой орбите, в краевом магнитном поле бетатрона. Дальнейшее приращение центрального потока смещает электронный пучок в более слабое краевое магнитное поле. Таким образом, возможно, реверсивно корректировать ось выведенного электронного пучка. Изменение радиуса равновесной орбиты, приращением центрального магнитного потока, от R0 до Rn=1, смещает радиус орбиты освобождения в более сильное магнитное поле, что уменьшает радиус криволинейной траектории выведенного электронного пучка. Большее приращение центрального потока вызывает вырождение равновесной орбиты и смещение электронного пучка, в более слабое магнитное поле, увеличивая радиус криволинейной траектории пучка.The inventive device operates as follows. Figure 2 shows the distribution of the betatron magnetic field. Curve 1 demonstrates the distribution of magnetic field induction versus radius and characterizes the distribution of the Lorentz force. Curve 2 demonstrates the distribution of the average magnetic field induction within the orbit as a function of radius and characterizes the distribution of centrifugal force. The first point of intersection of the curves, where the forces are equal, determines the radius of the equilibrium orbit R 0 . At radii less than the radius of the equilibrium orbit, centrifugal force predominates, and at radii greater than the radius of the equilibrium orbit, the Lorentz force predominates. This radial distribution of the magnetic field provides the necessary focusing of the electron beam. The second point of intersection of the curves determines the radius of the orbit of release from the radial focusing forces of the magnetic field R osv . At radii greater than the radius of the liberation orbit, centrifugal force predominates. The magnetic field inside the liberation orbit is the region of radial stability, and the magnetic field at radii greater than the radius of the liberation orbit is the edge magnetic field of the betatron. The radius of the liberation orbit is related to the radius of the equilibrium orbit by the rigidity of the magnetic field (B 0 R 0 =B osv R osv ). Obviously, changing the radius of the equilibrium orbit will change the radius of the liberation orbit. It is possible to change the radius of the equilibrium orbit by increasing the central magnetic flux inside the equilibrium orbit. Figure 3 illustrates how changing the radius of the equilibrium orbit changes the radius of the release orbit. Increasing the radius of the equilibrium orbit reduces the radius of the liberation orbit, shifting it into a stronger magnetic field. The extremum of this function is located at the radius R n=1 , where the magnetic field decay rate is equal to unity. When the radius R n=1 is reached, the equilibrium orbit degenerates (Fig. 4). In the absence of radial focusing forces of the magnetic field, the electron beam moves in an open orbit in the edge magnetic field of the betatron. A further increase in the central flux shifts the electron beam into a weaker edge magnetic field. Thus, it is possible to reversely correct the axis of the extracted electron beam. Changing the radius of the equilibrium orbit, by increasing the central magnetic flux, from R 0 to R n=1 , shifts the radius of the liberation orbit into a stronger magnetic field, which reduces the radius of the curvilinear trajectory of the extracted electron beam. A larger increase in the central flux causes degeneration of the equilibrium orbit and a displacement of the electron beam into a weaker magnetic field, increasing the radius of the curvilinear trajectory of the beam.
Диапазон корректировки оси выведенного электронного пучка приращением центрального потока до вырождения равновесной орбиты ограничен радиусом, где показатель спада магнитного поля равен единице Rn=1. Чем меньше исходный радиус равновесной орбиты, тем больше диапазон корректировки. Диапазон корректировки приращением центрального потока после вырождения равновесной орбиты ограничен стенкой ускорительной камеры. Радиальный размер улитки ускорительной камеры на азимуте вывода электронного пучка должен быть максимально возможный, для достижения максимального диапазона корректировки.The range of adjustment of the axis of the extracted electron beam by the increment of the central flux until the equilibrium orbit degenerates is limited by the radius, where the magnetic field decay rate is equal to unity R n=1 . The smaller the initial radius of the equilibrium orbit, the larger the adjustment range. The range of correction by the increment of the central flow after the degeneration of the equilibrium orbit is limited by the wall of the accelerator chamber. The radial size of the accelerating chamber volute at the azimuth of the electron beam output should be as large as possible in order to achieve the maximum adjustment range.
В бетатроне с корректировкой оси выведенного электронного пучка, в качестве исходной оси пучка целесообразно использовать ось на средней номинальной энергии. Для бетатрона с номинальной энергией 4-6 МэВ, исходную ось пучка необходимо задать на энергии 5МэВ. Для энергии 4МэВ производить корректировку оси приращением центрального магнитного потока до вырождения равновесной орбиты, смещая радиус орбиты освобождения в более сильное магнитное поле, а для энергии 6МэВ производить корректировку оси приращением центрального магнитного потока после вырождения равновесной орбиты, смещая радиус орбиты освобождения в более слабое магнитное поле. Вывод электронного пучка на энергии исходной оси осуществляется только секторной обмоткой.In a betatron with correction of the axis of the extracted electron beam, it is advisable to use the axis at the average nominal energy as the initial beam axis. For a betatron with a nominal energy of 4-6 MeV, the initial beam axis must be set at an energy of 5 MeV. For an energy of 4 MeV, adjust the axis by incrementing the central magnetic flux until the equilibrium orbit degenerates, shifting the radius of the liberation orbit into a stronger magnetic field, and for an energy of 6 MeV, adjust the axis by incrementing the central magnetic flux after degeneration of the equilibrium orbit, shifting the radius of the liberation orbit into a weaker magnetic field . The electron beam is output at the energy of the original axis only by a sector winding.
Секторная обмотка обеспечивает не симметричное смещение электронов с равновесной орбиты осуществляя вылет в краевое магнитное поле на заданном азимуте в заданном направлении. Приращение центрального магнитного потока осуществляется центральной обмоткой. В обоих обмотках формируются квазитреугольные, однополярные импульсы тока. Каждая обмотка должна иметь свой независимый формирователь импульсов. Для достижения оптимальных параметров формирователь импульсов тока должен иметь возможность регулировки амплитуды импульсов и их длительности. Корректировка оси выведенного электронного пучка осуществляется регулировкой задержки между импульсами тока секторной и центральной обмоток.The sector winding provides an asymmetrical displacement of electrons from the equilibrium orbit by flying into the edge magnetic field at a given azimuth in a given direction. The increment of the central magnetic flux is carried out by the central winding. Quasi-triangular, unipolar current pulses are formed in both windings. Each winding must have its own independent pulse shaper. To achieve optimal parameters, the current pulse shaper must be able to adjust the pulse amplitude and duration. The axis of the extracted electron beam is adjusted by adjusting the delay between the current pulses of the sector and central windings.
Claims (1)
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2023109182A RU2023109182A (en) | 2023-06-02 |
| RU2809178C2 true RU2809178C2 (en) | 2023-12-07 |
| RU2809178C9 RU2809178C9 (en) | 2024-02-14 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1764192A1 (en) * | 1990-09-25 | 1992-09-23 | Научно-исследовательский институт интроскопии при Томском политехническом институте | Removal device for betatron accelerated electron beam |
| SU1386007A1 (en) * | 1986-06-18 | 1994-03-30 | Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Method and device for induction acceleration of electrons |
| WO2008064728A1 (en) * | 2006-11-28 | 2008-06-05 | Smiths Heimann Gmbh | Circular accelerator with adjustable electron final energy |
| US8073107B2 (en) * | 2006-10-28 | 2011-12-06 | Smiths Heimann Gmbh | Betatron with a contraction and expansion coil |
| RU2439865C2 (en) * | 2007-12-14 | 2012-01-10 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Betatron with simple excitation |
| US8525448B2 (en) * | 2011-02-28 | 2013-09-03 | Mitsubishi Electric Corporation | Circular accelerator and operating method therefor |
| RU2557798C1 (en) * | 2014-03-13 | 2015-07-27 | Федеральное госудерственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Acceleration of electrons |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1386007A1 (en) * | 1986-06-18 | 1994-03-30 | Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Method and device for induction acceleration of electrons |
| SU1764192A1 (en) * | 1990-09-25 | 1992-09-23 | Научно-исследовательский институт интроскопии при Томском политехническом институте | Removal device for betatron accelerated electron beam |
| US8073107B2 (en) * | 2006-10-28 | 2011-12-06 | Smiths Heimann Gmbh | Betatron with a contraction and expansion coil |
| WO2008064728A1 (en) * | 2006-11-28 | 2008-06-05 | Smiths Heimann Gmbh | Circular accelerator with adjustable electron final energy |
| RU2439865C2 (en) * | 2007-12-14 | 2012-01-10 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Betatron with simple excitation |
| US8525448B2 (en) * | 2011-02-28 | 2013-09-03 | Mitsubishi Electric Corporation | Circular accelerator and operating method therefor |
| RU2557798C1 (en) * | 2014-03-13 | 2015-07-27 | Федеральное госудерственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Acceleration of electrons |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Бетатроны: монография, В.А. Москалев, Томский политехнический университет, Томск, Изд-во Томского политехнического университета, 2009, c.83-88, 199-200. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4713799B2 (en) | Isochronous sector-focused cyclotron and method for extracting charged particles from the cyclotron | |
| EP2124511B1 (en) | Particle beam therapy system | |
| EP2026640B1 (en) | Particle beam therapy system | |
| KR20190085914A (en) | Apparatus and method for self-control of radiation electron beam | |
| JP2005332794A (en) | Charged-particle beam accelerator, particle beam radiation therapy system using it, and method of operating particle beam radiation therapy system | |
| US7994739B2 (en) | Internal injection betatron | |
| JPH10233299A (en) | Charged particle beam expander | |
| CN213159024U (en) | Beam distribution mechanism of proton accelerator | |
| US8710454B2 (en) | High gradient lens for charged particle beam | |
| RU2809178C2 (en) | Betatron with adjustment of axis of extracted electron beam | |
| RU2809178C9 (en) | Betatron with adjustment of the axis of the extracted electron beam | |
| Ekdahl | Electron-beam corkscrew motion in an advanced linear induction accelerator | |
| JP7288473B2 (en) | A synchrocyclotron for extracting beams of various energies | |
| RU2813844C2 (en) | Betatron with extracted electron beam axis correction system | |
| RU2813848C9 (en) | Betatron with adjustment of extracted electron beam | |
| RU2813848C2 (en) | Betatron with adjustment of extracted electron beam | |
| RU2608365C1 (en) | Induction synchrotron accelerator with constant magnetic field | |
| RU2072643C1 (en) | Method of production of small-sized bremsstrahlung focus in cyclic charged-particle accelerator | |
| Li et al. | Beam dynamic design and study of a linac with variable output energy for an AB-BNCT facility | |
| WO2023013458A1 (en) | Circular accelerator and particle beam treatment system | |
| JP4276160B2 (en) | Circular charged particle accelerator and method of operating the circular charged particle accelerator | |
| CN114828378B (en) | Method for exciting beam flow by integer resonance | |
| RU199475U1 (en) | PULSE ION SOURCE | |
| Delrieux et al. | JACOW: Production of slow extracted beams for CERN's East Area at the Proton Synchrotron | |
| JP6342140B2 (en) | Heavy ion radiotherapy device and synchrotron accelerator |