專利名稱：用于加速帶電粒子的加速器和加速器的運行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于加速帶電粒子的加速器，且涉及一種運行此類加速器的方 法。此類加速器除了別的之外可使用在醫(yī)療技術(shù)中等，特別地使用在放射治療中，其中為產(chǎn) 生治療射線，需要將帶電粒子，例如電子、質(zhì)子或其他帶電離子加速。帶電例子例如可用于 產(chǎn)生X軔致輻射或直接用于照射目標(biāo)物體。
背景技術(shù)：
為此已知所謂的“dielectric wall accelerator”(具有介質(zhì)壁的加速器的英 語)，也簡稱為DWA。此類加速器通常是無鐵芯的感應(yīng)粒子加速器，所述加速器包括通常帶 有多個延遲線的包(Paket)，且其工作方式基于電磁波在延遲線內(nèi)的不同的時延。電磁波信 號在延遲線內(nèi)傳播的基本原理例如在A. D. Blumlein的US 2，465，840中公開。在加速器中，在多個延遲線或時延線(Leifzeitleitung)內(nèi)導(dǎo)入電流脈沖。延遲 線的幾何布置和通過電流脈沖產(chǎn)生的電磁波產(chǎn)生了隨時間變化的磁場或磁通量的變化， 這-取決于延遲線的幾何布置-在一個位置(例如射線管內(nèi)部)產(chǎn)生了加速電勢。此電勢 用于將帶電粒子加速。此類粒子加速器從US 5，757，146中已知。作為延遲線的包，在該發(fā)明中使用了盤 形平板電容器對的堆。在此，一個電容器對包括兩個盤形的平板電容器。平板電容器的高 度和電容器板之間的電介質(zhì)選擇為使得電磁沖擊波在電容器對的一個電容器內(nèi)比另一個 電容器內(nèi)明顯傳播得更快。根據(jù)由A. D. Blumlein所公開的延遲線，此類電容器對也被稱為 非對稱Blumlein或Blumlein模塊。盤形電容器對的堆或Blumlein模塊在此圍繞中心管布置。每個第二電容器板與 另一個電容器板相反，處于正電勢。在靜態(tài)情況中，電容器分別交替地產(chǎn)生相反的電場，所 述電場在堆的內(nèi)部，即沿中心管平衡。如果現(xiàn)在將電容器板在外周短路連接，則在電容器對 之間徑向向內(nèi)傳播了電磁沖擊波。通過指向中心的沖擊波在每個第二電容器內(nèi)的更快的傳 播速度，在每個第二電容器內(nèi)的沖擊波前(Stoiiwellenfront)在如下時刻到達(dá)中心管，在 該時刻，在另一個電容器內(nèi)的沖擊波前仍在向內(nèi)傳播的途中且尚未到達(dá)中心管。因此，產(chǎn)生 了電磁場的態(tài)勢(Konstellation)，它在一定時間沿著管在堆的中心產(chǎn)生電勢。由電容器 對產(chǎn)生的電勢在理想情況中等于電容器板的充電電壓的二倍，且該電勢一直存在，直至更 慢的沖擊波也到達(dá)中心管。此時間段可用于將帶電粒子沿管加速。沖擊波在延遲線的輸出 處-在此情況中在內(nèi)管處-被反射。這也由于不同的時延而在不同的時刻發(fā)生。在 Nurmally 等人白勺文獻(xiàn)"High electric field, high current packaging of SiC Photo-Switches"中公開了碳化硅半導(dǎo)體開關(guān)，使用該開關(guān)通過在半導(dǎo)體內(nèi)的光致放 電實現(xiàn)了開關(guān)的快速閉合。此外，此類開關(guān)允許了高電流強度，且在斷開狀態(tài)中所述開關(guān)容 許高的電場。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種加速器，所述加速器實現(xiàn)了有效的運行且 允許廉價的制造。此外，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，給出用于運行加速器的方法，所述方 法實現(xiàn)了廉價的加速器的有效運行。上述技術(shù)問題通過根據(jù)權(quán)利要求1的加速器解決，以及通過根據(jù)權(quán)利要求8的用 于運行加速器的方法解決。有利的擴展在從屬權(quán)利要求的特征中給出。根據(jù)本發(fā)明的用于加速帶電粒子的加速器包括至少兩個具有不同延遲的延遲線， 其中至少兩個延遲線具有輸入側(cè)，用于產(chǎn)生加速電勢的電磁波可導(dǎo)入其內(nèi)，其中借助于波 可在輸出側(cè)上產(chǎn)生加速電勢。在這種意義上，加速器是感應(yīng)加速器。此外，延遲線的輸入側(cè)設(shè) 計為用于反射電磁波，其中輸出側(cè)上的加速電勢可至少部分地通過在輸入側(cè)反射的波產(chǎn)生。導(dǎo)入延遲線中的一個內(nèi)的波在延遲線中傳播，且在延遲線端部處遇到輸出側(cè)。波 在該輸出側(cè)上被反射且又傳播回輸入側(cè)。由于在兩個延遲線內(nèi)不同的延遲，同時導(dǎo)入的波 在一個延遲線內(nèi)比在另一個延遲線內(nèi)更早被反射。電磁波的態(tài)勢在輸出側(cè)上在一定時間段 內(nèi)產(chǎn)生了加速電勢，所述加速電勢被利用以將帶電粒子加速。延遲線在此一般地理解為可在輸入側(cè)將電磁波導(dǎo)入其中的結(jié)構(gòu)，所述電磁波向輸 出側(cè)傳播。特別地，延遲線可具有帶有電容器板的電容器狀結(jié)構(gòu)，在所述電容器板之間布置 了電介質(zhì)。電容器狀結(jié)構(gòu)例如可具有盤狀構(gòu)造，或也具有另外的構(gòu)造，例如長的矩形、螺旋 狀纏繞的長結(jié)構(gòu)等。加速器通常具有多個延遲線，使用所述延遲線通過利用不同的延遲產(chǎn) 生加速電勢。根據(jù)本發(fā)明現(xiàn)在利用如下事實，即在輸出側(cè)反射的波現(xiàn)在也在輸入側(cè)被反射。在 輸入側(cè)再次反射的波現(xiàn)在用于至少部分地貢獻(xiàn)于加速電勢。因此，導(dǎo)入的電磁波既在輸入 側(cè)也在輸出側(cè)上多次反射，且因此周期地貢獻(xiàn)于電勢。本發(fā)明基于如下思路，即利用輸入側(cè)的反射會帶來一系列優(yōu)點，特別地如果加速 器應(yīng)提供數(shù)百MV，例如200MV的大的總電勢。例如，如果加速器具有2000個單獨的延遲線 的導(dǎo)線堆，則每個延遲線需要IOOkV的電勢。在例如10歐姆的波阻抗時，輸入側(cè)必須接入 IOkA的電流。這意味著2TW( = 200MV*10kA)的瞬間功率。此外，開關(guān)時間必須明顯短于時 延線的延遲時間，所述時間例如為10ns。對開關(guān)的這樣的要求以可實現(xiàn)的成本只能利用例 如昂貴的碳化硅(Silizium-Carbid)半導(dǎo)體開關(guān)實現(xiàn)，如從Nurmally等人的文獻(xiàn)中已知。但此類開關(guān)的優(yōu)點是它們可觸發(fā)地閉合，但不能立即再次斷開。后者只能在較長 的電流過零后才可實現(xiàn)。然而對于加速器，這意味著存儲在延遲線內(nèi)的總能量(對于以上 的模塊計算，超過IOkJ)僅可用于加速一次，即可在數(shù)納秒內(nèi)用于加速，且不受控地在不可 避免的損耗電阻中消耗。在此，快速脈沖重復(fù)與高能耗對立。因為現(xiàn)在也將輸入側(cè)反射的波用于產(chǎn)生電勢，所以這允許很大程度上保存導(dǎo)入 到延遲線內(nèi)且存儲的能量，使得現(xiàn)在可每秒產(chǎn)生明顯更多的脈沖。此外，為導(dǎo)入電磁波而 對開關(guān)功率的要求可明顯降低，因為-使用上述模型計算的例子-例如僅須接通IkV而非 IOOkvo然而此類開關(guān)功率也可通過可快速接通和切斷的通常的廉價晶體管實現(xiàn)。為此，可 使波在輸入側(cè)有目的地反射，使得不再在輸入側(cè)損失脈沖功率。特別地，延遲線可設(shè)計為使得在輸出側(cè)具有終端負(fù)載(Abschluss)，其具有比在輸 入側(cè)的延遲線的終端負(fù)載更高的電阻。例如，延遲線可在輸出側(cè)上開路或形成高阻，而在輸入側(cè)上提供低阻負(fù)載。在輸入側(cè)上可提供用于導(dǎo)入波的開關(guān)設(shè)備，可周期接通該開關(guān)設(shè)備，其中開關(guān)的 控制可由控制設(shè)備承擔(dān)。用以接通開關(guān)設(shè)備的周期與延遲線的時延一致。由此，可在輸入 側(cè)上反射波，且同時在合適的時刻將能量饋入延遲線內(nèi)。開關(guān)設(shè)備為此可具有換向開關(guān)，例 如低阻換向開關(guān)，該開關(guān)能夠通過晶體管以簡單的形式實現(xiàn)。特別地，用于導(dǎo)入電磁波的開關(guān)設(shè)備可設(shè)計為具有供電電壓，其中具有大于供電 電壓的電壓幅值的電磁波通過延遲線的諧振充電而產(chǎn)生。由此，可使用相對小的供電電壓 最終產(chǎn)生這樣的電壓幅值，該電壓幅值是供電電壓的數(shù)倍且使得可以實現(xiàn)高的加速電勢。為保持使用以上的計算示例，可使供電電壓例如為lkV，且逐漸通過諧振充電產(chǎn)生 IOOkV的波。因此首先在充電階段運行加速器，在該充電階段中逐漸產(chǎn)生帶有必需能量的 波。在充電階段結(jié)束時，雖然開關(guān)設(shè)備須接通10kA(= 100kV/10歐姆)的全電流，然而僅 在IkV的電壓下。在充電階段結(jié)束時，即在帶有希望的幅值的波饋入線內(nèi)之后，可將供電電 壓降低至使波幅值不再增加。在極端情況中，可將輸入簡單地短路連接。如果希望，在成功 加速粒子后，通過沖擊波能量反饋回到電網(wǎng)設(shè)備內(nèi)，可降低電壓。替代地，也可簡單地使沖 擊波振動衰減。加速器通常具有以脈沖運行模式運行的粒子源，使得在加速器-如需要在執(zhí)行充 電階段后-周期地具備合適的加速電勢時，總是從粒子源發(fā)射和提供粒子群。在根據(jù)本發(fā)明的方法中描述了加速器，所述加速器包括至少兩個帶有輸入側(cè)的延 遲線，電磁波被導(dǎo)入該輸入側(cè)內(nèi)以用于產(chǎn)生加速電勢。在此，這樣運行加速器，使得導(dǎo)入延 遲線內(nèi)的電磁波在輸入側(cè)上被反射，且使得加速電勢至少部分地由在輸入側(cè)上反射的波產(chǎn) 生。以此方式，可通過利用輸入側(cè)反射的波以“準(zhǔn)周期”的方式運行加速器。在加速器中所述的構(gòu)造也可在根據(jù)本發(fā)明的方法的構(gòu)造中考慮。


根據(jù)下圖詳細(xì)解釋具有按照從屬權(quán)利要求的特征的有利擴展的本發(fā)明實施方式， 而不限制于附圖。各圖為圖1示出了具有帶有不同延遲的延遲線的感應(yīng)加速器，所述延遲線設(shè)計為電容 器，圖2示出了虛擬電路的圖解，所述圖解用于模擬電勢關(guān)系，圖3示出了通過快的時延線產(chǎn)生的電勢的時間上的變化，圖4示出了通過慢的時延線產(chǎn)生的電勢的時間上的變化，圖5示出了加速總電勢的時間上的變化。
具體實施例方式圖1示意性地示出了感應(yīng)加速器11的結(jié)構(gòu)。加速器11的關(guān)鍵部件是Blumlein 模塊39，利用所述Blumlein模塊39可沿加速方向31產(chǎn)生電勢。加速器11具有多個此類 Blumlein模塊39，其中為清晰起見，僅示意性地圖示了一個Blumlein模塊39。在此，Blumlein模塊39包括快延遲線15和慢延遲線13。兩個延遲線15、13設(shè)計 為電容器，其中快延遲線15的電容器具有帶有第一介電常數(shù)ε ！的第一電介質(zhì)，且其中慢延遲線的電容器具有帶有第二介電常數(shù)ε 2的第二電介質(zhì)。電容器板例如可設(shè)計為盤33的 類型，但也可構(gòu)思另外的幾何構(gòu)造。電容器的高度和介電常數(shù)在此選擇為使得電磁波在快 延遲線15內(nèi)的傳播明顯快于在慢延遲線13內(nèi)的傳播，在此這通過細(xì)箭頭四且通過粗箭頭 27表示。特別有利的高度比通過1 V 3的比值給出，其中介電常數(shù)的比值為 ε2 = 1 9。使用此參數(shù)可將阻抗最大化，這最小化為接通而所需的電流。電磁波在兩個延遲線 13、15內(nèi)的時延例如可具有1 3的比值。兩個外側(cè)電容器板23接地，而中間電容器板25根據(jù)電路不同可施加一電勢。為 此，在延遲線13、15的輸入側(cè)19上-在此即外周上-具有開關(guān)設(shè)備21，所述開關(guān)設(shè)備21包 括低阻換向開關(guān)，且使用此開關(guān)設(shè)備21可為中間電容器板25提供IkV的供電電壓。例如， 如果在開始時中間電容器板25的電勢在外周上設(shè)置為lkV，則這產(chǎn)生了從輸入側(cè)19徑向向 內(nèi)向輸出側(cè)17傳播的電磁沖擊波。沖擊波在輸出側(cè)17上-即在內(nèi)周上-反射，且又傳播 回輸入側(cè)19。在此周期地接通開關(guān)設(shè)備21，使得返回的沖擊波在輸入側(cè)19上再次反射，且 徑向向內(nèi)傳播。使用開關(guān)設(shè)備21可逐漸將另外的沖擊波導(dǎo)入延遲線13、15內(nèi)，所述導(dǎo)入的 沖擊波與往復(fù)反射的沖擊波疊加，且以周期方式沿加速方向31產(chǎn)生加速電勢。在此，利用了延遲線13、15的不同的時延。在通路時，處于延遲線13、15內(nèi)的沖擊 波可諧振地充電，使得可逐漸形成相對強的電勢。此情況將根據(jù)圖2至圖5在后文中詳細(xì) 解釋。感應(yīng)加速器11此外可具有可脈沖運行的粒子源35。由此可發(fā)射粒子群37，其中 發(fā)射時刻選擇為使得當(dāng)加速方向31上存在加速電勢時粒子群37總是進(jìn)入加速器。圖2示出了開關(guān)設(shè)備51，使用所述開關(guān)設(shè)備51可模擬加速電勢的產(chǎn)生。第一時延 線以Linel表示且具有L= IOOOmm的電的時延長度，這對應(yīng)于3. 3ns的時間。第二時延線 以Line2表示且具有L = 3000mm的電的時延長度，這對應(yīng)于IOns的時間，由此描繪了 1比 3的時延比值。時延線例如分別具有Z = 20歐姆的阻抗。在時延線的輸入側(cè)施加矩形交變電壓VI，其供電電壓為U= lkV。這樣操作開關(guān)， 使中間電容器板交替地對于每TK = TL = 20ns與正電勢和負(fù)電勢連接，例如與IkV和地連 接。一個完整的開關(guān)周期因此持續(xù)40ns或25MHz。在第一時延線的輸出上量取通過導(dǎo)入的沖擊波產(chǎn)生的電勢0^2)。以類似的方式， 在第二時延線的輸出上量取所產(chǎn)生的電勢(Pr4)。測量兩個電勢的差(Pr5)，其中通過求差 考慮了如在圖1中示出的Blumlein模塊內(nèi)的電容器板的不同極性。以此，可模擬兩個電勢 的疊加。圖3以伏特為單位示出了第一時延線的輸出上產(chǎn)生的電勢(Pr2)的時間上的變 化，圖4示出了第二時延線的輸出上產(chǎn)生的電勢(Pr4)的時間上的變化。由于1 3的時 延比，所以在第一時延線的輸出上的電勢以第二時延線的輸出上的電勢改變的三倍頻度改 變。饋入到延線的電磁波在此在輸出以及輸入上不斷往復(fù)反射。在兩個時延線的輸入上存在矩形的交變電壓VI，其周期等于較慢時延線內(nèi)的電磁 波的時延。明顯可見，在圖3和圖4中，處于時延線內(nèi)的隨時間放大的電磁波的電壓幅值因此 諧振地充電。圖5以伏特為單位示出了兩個電勢的疊加(Pr5)?？偸钱?dāng)兩個電勢疊加，使得作為結(jié)果的電勢為正時，可使用該電勢來加速粒子群。在圖5中，此類時刻以一些箭頭符號表 示。通常，需要一定的充電階段，直至所產(chǎn)生的電勢足夠大，以將進(jìn)入電勢的粒子群以希望 的方式加速。
權(quán)利要求
1.一種用于加速帶電粒子的加速器，所述加速器包括具有不同延遲的至少兩個延遲線(13、15)，其中所述至少兩個延遲線(13、15)具有輸 入側(cè)(19)，用于產(chǎn)生加速電勢的電磁波07、四)能夠?qū)肫渲?，其特征在于，所述延遲線(13、15)的輸入側(cè)(19)設(shè)計為用于反射電磁波07、四)，且所述加速電勢能夠至少部分地由在所述輸入側(cè)(19)反射的波(27、29)產(chǎn)生。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速器，其特征在于，所述延遲線(13、15)在輸出側(cè)(17)上 具有輸出側(cè)終端負(fù)載，所述輸出側(cè)終端負(fù)載比輸入側(cè)(19)上的輸入側(cè)終端負(fù)載電阻更高。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的加速器，其特征在于，在所述輸入側(cè)(19)上布置開關(guān)設(shè) 備(21)，其中可周期性地開關(guān)所述開關(guān)設(shè)備01)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的加速器，其特征在于，能夠以與延遲線(13、15)中的一個的時 延一致的周期來開關(guān)所述開關(guān)設(shè)備01)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的加速器，其特征在于，所述開關(guān)設(shè)備具有換向開關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任一項所述的加速器，其特征在于，所述開關(guān)設(shè)備設(shè)計 為用于將帶有供電電壓的電磁波07J9)導(dǎo)入所述延遲線(13、15)內(nèi)，且在于通過所述延 遲線(13、15)的諧振充電可產(chǎn)生帶有大于供電電壓的電壓幅值的電磁波0739)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6中任一項所述的加速器，其特征在于，所述加速器具有以脈沖運 行模式運行的粒子源(35)，其中來自粒子源(3 的粒子群(37)的脈沖發(fā)射與所述開關(guān)設(shè) 備的周期一致。
8.一種用于運行加速器的方法，所述加速器包括具有不同延遲的至少兩個延遲線 (13、15)，其中所述至少兩個延遲線(13、15)具有輸入側(cè)(19)，用于產(chǎn)生加速電勢的電磁波 (27,29)被導(dǎo)入其中，其特征在于，導(dǎo)入所述延遲線(13、15)內(nèi)的電磁波(27、29)在輸入側(cè)(19)上被反射， 且在于，所述加速電勢至少部分地由在輸入側(cè)(19)反射的波(27、29)產(chǎn)生。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在所述輸入側(cè)(19)上布置開關(guān)設(shè)備 (21)，其中周期地、特別地以與延遲線(13、15)的一個的時延一致的周期開關(guān)所述開關(guān)設(shè) 備 01)。。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，將帶有供電電壓的電磁波(27、29) 導(dǎo)入延遲線，且在于，由導(dǎo)入的電磁波(27、29)通過延遲線(13、15)的諧振充電產(chǎn)生帶有高 于所述供電電壓的電壓幅值的電磁波0749)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一項所述的方法，其特征在于，所述加速器具有以脈沖運 行模式運行的粒子源(35)，其中粒子群的脈沖發(fā)射在時間上與用來開關(guān)所述開關(guān)設(shè)備的周 期一致。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于加速帶電粒子的加速器，所述加速器包括至少兩個具有不同延遲的延遲線，其中至少兩個延遲線具有電磁波可導(dǎo)入其內(nèi)以產(chǎn)生加速電勢的輸入側(cè)，其中延遲線的輸入側(cè)設(shè)計為用于反射電磁波，且加速電勢可至少部分地通過在輸入側(cè)反射的波產(chǎn)生。本發(fā)明涉及一種用于運行加速器的方法，所述加速器包括至少兩個具有不同延遲的延遲線，其中至少兩個延遲線具有電磁波被導(dǎo)入其內(nèi)以產(chǎn)生加速電勢的輸入側(cè)，其中導(dǎo)入延遲線內(nèi)的電磁波在輸入側(cè)被反射，且加速電勢至少部分地由在輸入側(cè)反射的波產(chǎn)生。
文檔編號H05H9/00GK102084729SQ200980125998
公開日2011年6月1日 申請日期2009年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月4日
發(fā)明者奧利弗·希德 申請人:西門子公司