專利名稱：線性加速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于脈沖地運行線性加速器的方法以及一種用于執(zhí)行這種方法的合適的裝置，該線性加速器包含多個互相耦合的空腔共振器。
背景技術(shù)：
由DE 10 2009 007 218 Al公知一 種用于產(chǎn)生光子射線的電子加速器。這種電子加速器例如可以用于放射治療或者用于無破壞的材料檢查，并且包括電子源以及真空室，在該真空室中加速由電子源發(fā)射的電子。在DE 102009 007 218 Al中沒有對產(chǎn)生的電子束的可能的時間結(jié)構(gòu)做出結(jié)論。根據(jù)EP 0037 051 Al公知一種用于帶電粒子，也就是電子的加速器，設(shè)置該加速器以用于發(fā)射粒子束，該粒子束或者直接作為電子束使用或者用于產(chǎn)生X射線輻射。例如由DE 10 2004 055 256 B4公知另一種電子源。在這種情況下電子源，也就是高頻電子源的共振器由超導(dǎo)材料構(gòu)成。在醫(yī)療技術(shù)的脈沖地運行的加速器中，區(qū)別微脈沖與宏脈沖通過加速器管的物理性能來確定微脈沖并且具有例如幾十至幾百皮秒的持續(xù)時間期間，而宏脈沖可以由幾千或幾萬微脈沖組合而成并且具有幾微秒的持續(xù)時間，其中兩個宏脈沖之間的時間上的距離可以是幾毫秒，從而加速器的脈沖頻率是幾百Hz。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，相對于提到的現(xiàn)有技術(shù)進一步開發(fā)借助線性加速器產(chǎn)生脈沖的粒子束，特別是電子束的可能性。按照本發(fā)明，上述技術(shù)問題通過用于脈沖地運行線性加速器的方法以及通過用于執(zhí)行該方法的合適的裝置來解決。本發(fā)明的技術(shù)問題還通過計算機程序產(chǎn)品來解決，該計算機程序產(chǎn)品被構(gòu)造為用于在線性加速器中執(zhí)行所述方法。下面解釋的本發(fā)明的構(gòu)成和優(yōu)點既適用于裝置，也就是線性加速器，也適用于用來運行線性加速器的方法，以及適用于用來與裝置共同作用來實現(xiàn)該方法的軟件。用于脈沖地運行線性加速器的方法包括如下的特征-產(chǎn)生帶電粒子的脈沖，方法是由粒子源發(fā)射粒子并且在包含多個互相耦合的空腔共振器的加速裝置中被加速，其中加速裝置由高頻供能裝置提供能量，-在輸入加速裝置的高頻功率完全或至少近似地保持恒定的情況下僅通過對于每個宏脈沖由粒子源發(fā)射的粒子的數(shù)量的變化改變粒子能量，也就是經(jīng)過加速裝置之后每個粒子的能量。由粒子源發(fā)射的粒子的數(shù)量也稱為射束負(fù)載或射束流強度。本發(fā)明基于如下的考慮，即饋入到由耦合的空腔共振器構(gòu)造的粒子加速器中的高頻功率在加速器運行期間典型地近似恒定，至少從粒子脈沖至粒子脈沖沒有顯著變化。在假定恒定的高頻功率的情況下，用來將粒子在經(jīng)過空腔共振器時加速到通常為幾個MeV的能量的加速電壓是射束流的函數(shù)。在此近似地成立如下的關(guān)系式Pin = U*I+U2/Rv其中Pin=饋入的高頻功率U =加速電壓
I =射束流強度Rv=損耗電阻由此對于加速電壓得出U = (Pin*Rv+0. 25*I2*Rv2) 1/2-0. 5*I*Rv射束負(fù)載的提高，也就是每個時間單元發(fā)射的并借助空腔共振器加速的粒子的提高相應(yīng)地導(dǎo)致了加速電壓的降低并且由此導(dǎo)致了動力學(xué)能量的減少，該動力學(xué)能量是粒子在經(jīng)過加速器之后具有的能量?？傊纱送ㄟ^負(fù)載改變實現(xiàn)了加速的粒子的能量改變。除了所描述的負(fù)載改變的效果之外另一種效果，也就是阻抗匹配在通過改變射束流強度有針對性地改變粒子能量中起重要作用通過改變射束流來改變粒子加速器的負(fù)載電阻(阻抗)，對此也改變加速器的阻抗與高頻源的匹配。阻抗匹配的這種改變意味著加速器的反射因數(shù)的改變。最終，在加速器中耦合的功率取決于阻抗匹配并且因此取決于射束流。該依賴關(guān)系在合適地設(shè)計線性加速器的情況下可以用于控制粒子能量，方法是在加速器中耦合的功率隨著射束流的升高而減少。由此，阻抗錯誤匹配的效果放大了負(fù)載改變的效果。為了實現(xiàn)負(fù)載改變和阻抗匹配這兩個效果的最佳的共同作用，線性加速器優(yōu)選被這樣構(gòu)造，使得給出在最小粒子流時，也就是理論上在射束流強度為零時加速裝置的阻抗與粒子源的理想的匹配。這意味著，在加速裝置中耦合的高頻功率在最小射束流時為最大并且隨著射束流的升高而連續(xù)地減少。通過負(fù)載改變和阻抗匹配的互相放大的效果,加速的粒子的能量的改變可以達到多于IMeV，特別是多于2MeV。優(yōu)選地，線性加速器被設(shè)計為將粒子加速到0. 5MeV與20MeV之間的能量。粒子源優(yōu)選是電子源。但本發(fā)明在加速器中也可以實現(xiàn)加速任意其它帶電粒子，例如質(zhì)子或離子。即使下面從作為粒子源的電子源來講，相應(yīng)的技術(shù)功能同樣可以通過加速器實現(xiàn)用于其它帶電粒子。在電子源的情況下，射束流強度以及由此的加速的電子的能量可以以本身已知的方式通過改變例如電子槍的，也就是粒子源的柵格電壓來改變。該改變按照優(yōu)選的實施方式能夠在毫秒范圍內(nèi)。由此能夠有針對性地改變從脈沖至脈沖的電子能量。在粒子源的或在其后連接的、由高壓源提供功率的加速器的控制中的其他改變對于電子能量的改變是不需要的。電子脈沖的時鐘頻率位于I至1000Hz的范圍內(nèi)并且優(yōu)選為超過100Hz。如開頭解釋的那樣，此處是與微脈沖不同的所謂的宏脈沖。按照優(yōu)選的實施方式，為此構(gòu)造為了控制粒子源而設(shè)置的控制裝置，在輸入加速裝置的高頻功率完全或至少盡可能保持恒定的情況下可選地在較低的第一粒子能量中或者在較高的第二粒子能量中產(chǎn)生對每個脈沖所發(fā)射的粒子的特定的劑量率。特定的恒定的劑量率的提供在此通過兩個同時在相反的方向上起作用的效果來實現(xiàn)隨著射束流強度的提高一方面提高了每個時間單元的粒子數(shù)量，但另一方面減少了每個粒子的能量。為了運行線性加速器而設(shè)置的操作單元，例如軟件，向預(yù)先給定期望的劑量率的用戶提供在用來實現(xiàn)該劑量率的兩個粒子能量之間的選擇可能。特別地本發(fā)明的優(yōu)點在于，以簡單的方式并且以較高的改變速度可以改變單獨地由線性加速器，特別是電子加速器發(fā)射的粒子的能量，方法是在保持所有的其它運行參數(shù)的情況下僅改變射束流強度。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的說明。附圖中圖I示出了線性加速器、即電子加速器的示意圖，圖2示出了在根據(jù)圖I的線性加速器中射束流強度與電子能量之間的依賴關(guān)系的線圖，圖3示出了在根據(jù)圖I的線性加速器中電子能量與劑量率之間的依賴關(guān)系的線圖，以及圖4示出了根據(jù)圖I的線性加速器的不同調(diào)整可能的流程圖。
具體實施例方式總體上用附圖標(biāo)記I表示的線性加速器包括一般被稱為粒子源的電子源2以及為了加速發(fā)射的電子而構(gòu)造的加速裝置3，該加速裝置3具有多個互相耦合的空腔共振器4。關(guān)于線性加速器I、也就是電子加速器的原理性功能參見開頭引用的現(xiàn)有技術(shù)。加速裝置3通過提供高頻功率的能量供應(yīng)單元5提供高頻功率。設(shè)置控制裝置6以用于控制電子源2，該控制裝置6 —方面允許脈沖地運行電子源2，而另一方面允許改變脈沖，也就是特別允許改變對每個脈沖所發(fā)射的電子的數(shù)量。脈沖地發(fā)射的電子在總體上產(chǎn)生射束流，該射束流的量被稱為射束流強度。由電子源2發(fā)射的、借助加速裝置3轉(zhuǎn)換到提高的能級的電子束被入射到將加速裝置3封閉的、與電子源2相對布置的出射窗7，以便可以或者直接作為電子束使用或者用于產(chǎn)生電磁射束(光子)。電子源2的兩個互相跟隨的脈沖之間的距離，也就是兩個宏脈沖之間的距離為幾個毫秒，相應(yīng)于幾百赫茲的脈沖頻率。線性加速器I為此被這樣構(gòu)造，有針對性地改變從一個至下一個脈沖的射束流強度，以便由此以期望的方式改變每個宏脈沖的每個由加速裝置3加速的電子的能量。僅借助控制電子源2的控制裝置6來實現(xiàn)從脈沖至脈沖的電子能量變化。在向加速裝置3提供能量的高頻電源上，也就是在能量供應(yīng)單元5上在此不主動地進行改變。電子源2和加速裝置3為此目的這樣互相調(diào)諧，使得在空載運行(射束流為零)時得到最佳的阻抗匹配。隨著射束流的提高以期望的方式使阻抗匹配變差，以便有針對性地降低電子能量。對于阻抗匹配的該效果在提高的射束流、也就是在每個脈沖由電子源2發(fā)射的電子的提高的數(shù)量的情況下附加了負(fù)載改變的效果，其同樣在降低電子能量的方向上起作用。由線性加速器I發(fā)射的電子的能量E (按照MeV的標(biāo)稱能量)與射束流強度I (按照mA的“束”)之間的關(guān)系在圖2中對于不同的功率(1.0麗至2.6麗)示出。在1.4MW與2. OMW之間的中間功率范圍內(nèi)給出在提高射束流強度I時能量減小的近似線性的曲線。例如在示例性的線性加速器I的功率為I. 8MW時電子的能量E僅僅通過改變射束流強度I就可以在少于SMeV和多于IOMeV之間調(diào)節(jié)?；谌缦碌氖聦?，即對于電子能量E的改變不是調(diào)節(jié)加速裝置3的能量供應(yīng)單元5的運行參數(shù)，而是僅需要調(diào)節(jié)電子源2的運行參數(shù)，可以以相當(dāng)小的設(shè)備開銷來實現(xiàn)既快速也精確地改變電子能量E。由此能夠連續(xù)地改變或逐級地調(diào)節(jié)的電子能量在線性加速器I的醫(yī)療技術(shù)以及工業(yè)的應(yīng)用中被考慮。圖3再次對于在I. (MW與2. 6MW之 間的功率示出了在脈沖頻率為300Hz時由線性加速器I在確定的試驗條件的情況下給出的最大劑量率D [Gray/min]。特別地在中間和較高的功率范圍內(nèi)期望的(相同的)劑量率D可選地可以在較低的第一電子能量E中或在較高的第二電子能量E中提供。該選擇可能性在軟件技術(shù)上以用戶友好的方式實現(xiàn)，如圖4中表不的那樣。在通過SI表示程序開始之后在第二步驟S2中通過線性加速器I的操作人員進行參數(shù)輸入。特別地，操作人員輸入期望的劑量率。作為下一個步驟S3進行如下查詢，在該查詢中，程序檢查，關(guān)于脫離加速裝置3時電子的能量，是否可以利用不同的能量設(shè)置來實現(xiàn)輸入的劑量率。如果是這樣的情況，則程序向操作人員提供相應(yīng)的選擇并且相應(yīng)地或者進行較低的例如SMeV的第一能量設(shè)置El或者進行較高的例如IOMeV的第二能量設(shè)置E2。在兩個可能的能量設(shè)置E1、E2之間的轉(zhuǎn)換必要時如上面描述的那樣通過改變由電子源2發(fā)射的射束流進行。
權(quán)利要求
1.一種用于脈沖地運行線性加速器(I)的方法，具有如下的特征 -產(chǎn)生帶電粒子的脈沖，方法是由粒子源(2)發(fā)射粒子并且在包含多個互相耦合的空腔共振器(4)的加速裝置(3)中加速，其中所述加速裝置(3)由能量供應(yīng)單元(5)提供能量， -僅通過改變每個脈沖由所述粒子源(2)發(fā)射的粒子的數(shù)量來改變粒子能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，通過所述加速裝置(3)將粒子加速到多于O.5MeV的能量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，通過所述加速裝置(3)將粒子加速到少于30-50MeV的能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的方法，其特征在于，僅通過改變每個脈沖由所述粒子源(2)發(fā)射的粒子的數(shù)量將粒子的能量改變了多于IMeV。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的方法，其特征在于，所述粒子源(2)以多于IOOHz的頻率發(fā)射帶電粒子的脈沖。
6.一種線性加速器，具有粒子源(2)以及包含多個互相耦合的空腔共振器(4)的加速裝置(3)，其中由所述粒子源(2)發(fā)射的粒子流借助控制裝置(6)形成脈沖，其特征在于，所述控制裝置(6)和所述加速裝置(3)被構(gòu)造為通過改變每個脈沖由所述粒子源(2)發(fā)射的粒子的數(shù)量來改變粒子的能量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的線性加速器，其特征在于，所述粒子源(2)被構(gòu)造為電子源。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的線性加速器，其特征在于，所述控制裝置(6)為此被構(gòu)造為，在輸入所述加速裝置(3)的高頻功率保持恒定的情況下可選地在較低的第一粒子能量中或者在較高的第二粒子能量中產(chǎn)生對每個脈沖所發(fā)射的粒子的特定的劑量率。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項所述的線性加速器，其特征在于，所述加速裝置(3)的阻抗與所述粒子源(2)的匹配在最小粒子流時是最大的。
10.一種用于運行線性加速器(I)的計算機程序產(chǎn)品，其被構(gòu)造為用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于脈沖地運行線性加速器(1)的方法，具有如下的特征產(chǎn)生帶電粒子的脈沖，方法是由粒子源(2)發(fā)射粒子并且在包含多個互相耦合的空腔共振器(4)的加速裝置(3)中加速，其中所述加速裝置(3)由能量供應(yīng)單元(5)提供能量，僅通過改變每個脈沖由所述粒子源(2)發(fā)射的粒子的數(shù)量來改變粒子能量。
文檔編號H05H7/02GK102769990SQ20121012855
公開日2012年11月7日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者M.莫勒, S.塞茨爾, S.米勒 申請人:西門子公司