專利名稱：用于在直線加速器中測量成束存在的粒子輻射的位置的方法和裝置的制作方法
用于在直線加速器中測量成束存在的粒子輻射的位置的方法和裝置本發(fā)明涉及一種用于在直線加速器中測量成束存在的粒子輻射的位置的方法和裝置。本發(fā)明還涉及一種帶有這種裝置的直線加速器。在直線加速器中，帶電粒子在沿縱軸線方向延伸的空腔結(jié)構(gòu)中借助靜止的或在空腔結(jié)構(gòu)中軸向傳播的高頻電磁波加速，其電場在縱軸線的區(qū)域內(nèi)與該縱軸線平行。為了在直線加速器端部處有效地利用加速的粒子，粒子輻射相對參照點的精確位置是重要的。這種射束位置很小的變化就已經(jīng)會不利地影響預(yù)計的使用。這例如出現(xiàn)在無損的材料檢測的設(shè)備中或在醫(yī)療上癌癥治療使用的直線加速器中。在此，借助一般具有幾兆電子伏能量的電子在目標物上產(chǎn)生X射線軔制輻射。在此，產(chǎn)生的射束斷面的特性在有 些情況下可能靈敏地與電子束在目標物上的定位有關(guān)。此外，為了在粒子加速器中測量成束存在的，所謂成扎存在的(捆束的)粒子輻射的位置已知的是，在粒子輻射的附近布置多個測量敏感元件，所謂的撿拾探針，在這些探針中產(chǎn)生與粒子輻射相對測量敏感元件的位置有關(guān)的電感或電容的測量信號。在這種基于電容或電感原理工作的測量敏感元件中充分利用，粒子輻射束或扎經(jīng)過具有與電磁波的基礎(chǔ)頻率相當?shù)念l率的測量敏感元件并且在該測量敏感元件中產(chǎn)生相應(yīng)的高頻測量信號。若測量敏感元件和空腔的沒有空間分離，則該測量信號(有效信號)疊加到以相同頻率振蕩的、由在測量敏感元件中加速粒子的電磁波產(chǎn)生的基本信號上。因此，為了借助這種電容或電感式的測量敏感元件測量粒子輻射的位置，將這些測量敏感元件遠離原本的加速器區(qū)段布置，以避免不期望的耦合。然而，測量敏感元件和加速器區(qū)段的空間分離不可能在緊湊的，例如在醫(yī)療技術(shù)中使用的直線加速器中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種用于在直線加速器中測量成束存在的粒子輻射，尤其是電子射束的位置的方法和裝置，該裝置能夠以較少的技術(shù)耗費使用在緊湊的，例如在放射治療中用于產(chǎn)生高能電子的粒子加速器中。本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問題是，提供一種帶有這種裝置的直線加速器。就方法而言，所述的技術(shù)問題通過具有權(quán)利要求I所述特征的方法解決。按這些特征，為了在具有空腔結(jié)構(gòu)的直線加速器中測量成束存在的粒子輻射的位置，在該空腔結(jié)構(gòu)中為了加速粒子產(chǎn)生以基礎(chǔ)頻率振蕩的電磁波，通過至少一個布置在空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的測量敏感元件采集由粒子輻射通過與測量敏感元件電磁交互作用產(chǎn)生的、與測量敏感元件和粒子輻射之間的距離有關(guān)的電測量信號，并且在不同于基礎(chǔ)頻率和空腔結(jié)構(gòu)高頻的固有頻率的、包括基礎(chǔ)頻率整數(shù)倍的頻率范圍內(nèi)評估該測量信號?，F(xiàn)在，本發(fā)明基于這種考慮，雖然通過粒子輻射在測量敏感元件中產(chǎn)生的電信號的基礎(chǔ)頻率與造成粒子加速的電磁波的基礎(chǔ)頻率一致，但它們的頻譜不同。由粒子輻射產(chǎn)生的測量信號具有較高的、是基礎(chǔ)頻率整數(shù)倍的諧波頻率份額，而在直線加速器的空腔結(jié)構(gòu)中較高的諧波模式下一般不是這樣。換言之，存在于空腔結(jié)構(gòu)中較高的振蕩模式的固有頻率不相當于基本模式下的(基礎(chǔ))頻率的整數(shù)多倍。通過在與基礎(chǔ)頻率和空腔結(jié)構(gòu)高頻的固有頻率不同的、包括基礎(chǔ)頻率整數(shù)多倍的頻率范圍內(nèi)評估測量信號，可以將由測量敏感元件中的粒子輻射產(chǎn)生的測量信號，亦即，本來的有效信號與在測量敏感元件中由空腔結(jié)構(gòu)中振蕩的電磁波產(chǎn)生的信號分離。以這種方式，即使在測量敏感元件布置在空腔結(jié)構(gòu)的內(nèi)部并且由測量敏感元件中的粒子輻射產(chǎn)生的測量信號比由空腔結(jié)構(gòu)中的電磁波產(chǎn)生的測量信號小若干數(shù)量級時也可以精確地確定粒子輻射的位置。因為粒子輻射位置的確定僅基于電磁交互作用實現(xiàn)，并且不決定性地影響粒子輻射，所以能夠在連續(xù)運行狀態(tài)下確定與額定位置的偏差，基于此，可以借助根據(jù)該偏差控制的致偏單元實施粒子輻射精確的位置修正。由此，始終可實現(xiàn)電子射束相對參照點的正確定位。如果空腔結(jié)構(gòu)具有多個空腔以及至少一個布置在相鄰的空腔之間的中間區(qū)域，在該中間區(qū)域中，引起加速的電磁波的場強低于在空腔中的場強，并且至少一個測量敏感元件定位在中間區(qū)域中，則可以額外減小在空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電磁波對測量信號的影響。 如果分別用兩個成對地彼此對置的、相對直線加速器的中軸線對稱，亦即到中軸線距離相等地布置的測量敏感元件采集測量信號，則測量精度附加地得到提高。在這種情況下，若粒子輻射偏離中軸線(額定位置)，則可以推導(dǎo)出不為零的差動信號。就裝置而言，本發(fā)明所要的技術(shù)問題通過權(quán)利要求6的特征解決，這些特征按意義與在權(quán)利要求I給出的方法特征相對應(yīng)。為進一步闡述本發(fā)明參考附圖
所示的實施例。在附圖中示出圖I是用于借助按本發(fā)明的裝置產(chǎn)生高能量粒子，例如電子的直線加速器的示意原理圖，圖2是由按本發(fā)明裝置的測量敏感元件采集的測量信號的信號振幅與頻率之間關(guān)系的圖表，圖3是評估電路的原理電路圖，在該評估電路中進一步處理由測量敏感元件采集的測量信號，圖4是按本發(fā)明的直線加速器，在該直線加速器中設(shè)有多個電容式的測量敏感元件，圖5是本發(fā)明的一種備選的，具有電感式的測量敏感元件的實施形式。按照圖I，直線加速器包括沿中軸線2延伸的空腔結(jié)構(gòu)4，通過高頻源6將電磁波輸入到該空腔結(jié)構(gòu)中，其在中軸線2的附近周圍環(huán)境中的電場E與該中軸線2平行地定向。由粒子源8產(chǎn)生的粒子輻射10在在空腔4中產(chǎn)生的電磁波的電場E中被加速。粒子輻射例如是在離開空腔結(jié)構(gòu)4之后擊中目標物12并且在此產(chǎn)生伽馬射線14的電子束，所述伽馬射線例如為治療目的應(yīng)用在放射治療中或應(yīng)用于無損的材料檢測。因為電子在直線加速器中通過以基礎(chǔ)頻率&振蕩的電磁波進行加速，粒子輻射10中的粒子成束地，所謂成扎地存在，其束重復(fù)頻率(Paketfolgefrequenz)與基礎(chǔ)頻率f(!相當。在空腔結(jié)構(gòu)4的內(nèi)部，相對中軸線2對稱地，亦即以到中軸線2相等的距離彼此對置地成對地設(shè)有測量敏感元件16，該測量敏感元件16采集由粒子輻射10通過電磁交互作用產(chǎn)生的測量信號M，其頻譜除了基礎(chǔ)頻率&外還包含更高頻率的、是基礎(chǔ)頻率&的整數(shù)多倍的諧波頻率。測量信號M在評估和控制裝置18中被評估和處理并且產(chǎn)生控制信號S，借助該控制信號控制用于調(diào)節(jié)粒子輻射10位置的電磁致偏單元20。在圖2中，非常簡化地描繪了由測量敏感元件采集的測量信號M的典型幅譜F與頻率f/fo的關(guān)系。從該圖形中得知，測量信號除了以基礎(chǔ)頻率fo振蕩的份額外，在更高的諧波頻率￡/%=2，3，...時包含窄帶寬的頻率份額，其半值寬度明顯小于基礎(chǔ)頻率在此重要的是，該頻率份額一般與空腔結(jié)構(gòu)在更高模式下振蕩的頻率不同。因此，可以分別在一窄頻帶Λ f中檢測處于基礎(chǔ)頻率&以上頻率范圍內(nèi)的測量信號M，該窄頻帶Λ f明顯足以與空腔在以基礎(chǔ)頻率&激勵之后必要時在更高的模式f > &下起振的頻率分離。因此，例如可以借助電容式測量敏感元件以第二諧波頻率(f/fo=2)實施信號處理。在基礎(chǔ)頻率f0=3GHz時，這相當于在約6GHz的頻率范圍內(nèi)的信號處理。從圖3中得知，每兩個測量敏感元件16χ1>2，16y1；2分別成對彼此對置地相對中軸線2對稱布置，以便以這種方式測量空腔結(jié)構(gòu)4內(nèi)部的粒子輻射10的位置。在該附圖的實施例中，粒子輻射10沿垂直軸線y與沿著中軸線2的理想位置(額定位置)偏離距離Ay。各測量敏感元件16Xl,2，16yi，2的測量信號Mx1,2，Myli2被傳輸給評估電路22，在此用帶通濾波器24過濾并且借助信號處理單元26轉(zhuǎn)換成與射束位置相關(guān)的輸出信號Ax，Ay。與此相應(yīng)地，以這種方式產(chǎn)生的輸出信號Ax，Ay是在帶通濾波器24的、例如Λ f/2的頻帶中的測量信號Mxh2, My1；2振幅的一個量度。
通過評估分別彼此對置的測量敏感元件16χ1>2，16y1；2的測量信號Mx1;2，Mylj2可以直接確定粒子輻射10沿兩個分別彼此對置的測量敏感元件16Xl，2，16Yi,2的連接軸線的方向的偏差。接著，在控制單元28中，可以從輸出信號Ax和Ay中推導(dǎo)出用于控制致偏單元20(圖I)的控制信號S，以便將粒子輻射10的位置調(diào)節(jié)到額定值。評估電路22和控制單元28以這種方式形成在圖I中示意表示為一個單元的控制和評估裝置18。圖4示意示出了所謂的駐波-直線加速器的結(jié)構(gòu)，其中，空腔結(jié)構(gòu)4通過多個沿其中軸線2的方向前后相繼地布置的空腔30構(gòu)成。這些空腔30分別通過中間區(qū)域32相互分隔，在該中間區(qū)域32中，粒子輻射10沒有受到或只受到較小的加速。在該中間區(qū)域32中，引起加速的電磁波的場強低于空腔30中的場強。測量敏感元件16在此優(yōu)選分別布置在中間區(qū)域32中，其中，在直線加速器的內(nèi)部裝備有多個帶有測量敏感元件16的中間區(qū)域32。然而，原則上也可以將測量敏感元件16布置在空腔結(jié)構(gòu)4內(nèi)部的其它部位處，例如布置在主要引起粒子加速的空腔30中。在附圖所示的實施例中，示出了分別由圓盤形的板構(gòu)成的電容式測量敏感元件16。作為備選方案，也可以按圖5使用由平坦的導(dǎo)線環(huán)構(gòu)成的電感式測量敏感元件16，其環(huán)布置在包含中軸線2的平面中。
權(quán)利要求
1.一種用于在直線加速器中測量成束存在的粒子輻射(10)的位置的方法，該直線加速器具有空腔結(jié)構(gòu)(4)，在該空腔結(jié)構(gòu)(4)中為加速所述粒子產(chǎn)生以基礎(chǔ)頻率(A)振蕩的電磁波，其中，通過至少一個布置在所述空腔結(jié)構(gòu)⑷內(nèi)部的測量敏感元件(16)采集由所述粒子輻射(10)通過與所述測量敏感元件(16)電磁交互作用產(chǎn)生的電測量信號(M)，該電測量信號與測量敏感元件(16)與粒子輻射(10)之間的距離有關(guān)，并且其中，在與所述基礎(chǔ)頻率(fo)和所述空腔結(jié)構(gòu)(4)高頻的固有頻率不同的、包含所述基礎(chǔ)頻率(&)整數(shù)多倍的頻率范圍內(nèi)評估所述測量信號(M)。
2.按權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述空腔結(jié)構(gòu)(4)具有多個空腔(30)和至少一個布置在彼此相鄰的空腔(30)之間的中間區(qū)域(32)，引起加速的電磁波在該中間區(qū)域(32)內(nèi)的場強低于其在所述空腔(30)中的場強，并且其中，所述至少一個測量敏感元件布置在所述中間區(qū)域(32)內(nèi)。
3.按權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，分別兩個成對地彼此對置的、相對所述直線加速器的中軸線(2)對稱布置的測量敏感元件(16Xl,2，16yi，2)采集所述測量信號(Mx1, 2 Mylj2)。
4.按權(quán)利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，使用電容式的測量敏感元件作為測量敏感元件(16)。
5.按權(quán)利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，使用電感式的測量敏感元件作為測量敏感元件(16)。
6.一種用于在直線加速器中測量粒子輻射(10)的位置的裝置，該直線加速器具有空腔結(jié)構(gòu)(4)，在該空腔結(jié)構(gòu)(4)中為加速所述粒子產(chǎn)生以基礎(chǔ)頻率(&)振蕩的電磁波，所述裝置具有至少一個能定位在所述空腔結(jié)構(gòu)(4)內(nèi)部的測量敏感元件(16)，用于采集由所述粒子輻射(10)通過與所述測量敏感元件(16)電磁交互作用產(chǎn)生的、與測量敏感元件(16)和粒子輻射(10)之間的距離有關(guān)的電測量信號(M)，以及具有評估電路(22)，用于在不同于所述基礎(chǔ)頻率(fo)和所述空腔結(jié)構(gòu)(4)高頻的固有頻率的、包含所述基礎(chǔ)頻率(&)整數(shù)多倍的頻率范圍內(nèi)評估所述測量信號(M)。
7.按權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述測量敏感元件(16)是電容式的測量敏感元件。
8.按權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述測量敏感元件(16)是電感式的測量敏感元件。
9.一種具有按權(quán)利要求6至8之一所述的裝置的直線加速器。
10.按權(quán)利要求9所述的直線加速器，其空腔結(jié)構(gòu)(4)具有多個前后相繼地布置的空腔(30)以及至少一個布置在相鄰的空腔(30)之間的中間區(qū)域(32)，引起加速的電磁波在所述中間區(qū)域(32)中的場強低于在所述空腔(30)中的場強，并且在所述中間區(qū)域(32)中設(shè)置至少一個測量敏感元件(16)。
11.按權(quán)利要求9或10所述的直線加速器，其特征在于，設(shè)置多個測量敏感元件(16)，所述測量敏感元件(16)分別成對地彼此對置地、相對所述直線加速器的中軸線(2)對稱布置。
12.按權(quán)利要求9，10或11所述的直線加速器，其特征在于，所述直線加速器具有控制單元(28)以及用于根據(jù)由所述評估電路(22)產(chǎn)生的一個或一些輸出信號(Ax，Ay)調(diào)節(jié)所述粒子輻射(10)的位置的致偏單元(20) 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在直線加速器中測量以束存在的粒子輻射(10)的位置的方法和裝置，該直線加速器具有空腔結(jié)構(gòu)(4)，在該空腔結(jié)構(gòu)(4)中為加速粒子產(chǎn)生以基礎(chǔ)頻率(f0)振蕩的電磁波，其中，借助至少一個布置在所述空腔結(jié)構(gòu)(4)內(nèi)部的測量敏感元件(16)采集由所述粒子輻射(10)通過與所述測量敏感元件(16)電磁交互作用產(chǎn)生的電測量信號(M)，該電測量信號與測量敏感元件(16)與粒子輻射(10)之間的距離有關(guān)。按照本發(fā)明，在不同于所述基礎(chǔ)頻率(f0)和所述空腔結(jié)構(gòu)(4)高頻的固有頻率的、包含所述基礎(chǔ)頻率(f0)整數(shù)倍的頻率范圍內(nèi)評估所述測量信號(M)。
文檔編號G01T1/29GK102648423SQ201080052548
公開日2012年8月22日 申請日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者L-P.施米特, M.魯夫, S.塞特澤 申請人:西門子公司