专利名称：用于加速带电粒子的加速器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于加速带电粒子的加速器以及一种用于使这种加速器运行的 方法。这种加速器通常可以应用在医药技术，特别是放射治疗中，那里必需，为了产生治疗 射线要加速带电粒子例如电子、质子或者其它的带电离子。带电粒子例如可以或者用于产 生伦琴制动辐射(Bremsstrahlimg)，或者直接用于照射目标对象。
背景技术：
为此已知所谓的“dielectric wall accelerator” (英语介电壁加速器)，也可以 简称DWA。这种加速器通常是非铁的感应式粒子加速器，它包括具有通常多个延迟线的组并 且它的工作方式以电磁波在延迟线中的不同延迟时间为基础。电磁信号在延迟线中传播的 原理例如在A. D Blumlein的US 2，465，840中公开。对于加速器在多个延迟线中引入电流脉冲。延迟线的几何结构以及通过电流脉冲 产生的电磁波产生时间上变化的磁场或者说磁流的变化，它(通过延迟线的几何结构决定) 在地点，例如在射线管的内部，产生加速电势。该电势对此应用，即加速带电粒子。例如由US 5，757，146公开了一种这样的粒子加速器。这里使用盘形电容器对的 堆叠作为延迟线的组。电容器对在此由两个盘形的板电容器组成。板电容器的高度和电 容器板之间的电介质这样选择，使在电容器对的电容器中的电磁脉冲波比在其它的电容器 中明显更快地传播。这种电容器对根据由A. D. Blumlein公开的延迟线也称为不对称的 Blumlein 或者 Blumlein 模块。盘形电容器对的堆叠或者说Blumlein (布鲁姆纳)模块在此围绕中心管布置。每 隔一个电容器板在另外的电容器板的对面处在正的电势上。在静态的情况下电容器交替地 产生分别反向的电场，它在堆叠的内部相互补偿，即沿着中心管。如果现在电容器板在外 周边上短路，电磁脉冲波在每个电容器板对之间径向向内传播。通过指向中心的脉冲波在 每隔一个电容器中的更快的传播速度，在每隔一个电容器中的脉冲波头在一个时间点达到 中心管，在另一个电容器中的脉冲波头在该时间点还处于向内的路上并且还没有达到中心 管。由此产生电磁场的状态，它对一定的时间在堆叠的中心沿着管产生电势。由电容器对 产生的电势在理想情况下是电容器板的充电电压的两倍并且存在这么久，直到较慢的脉冲 波同样达到了中心管。这个时间段可以对此利用，即沿着管加速带电粒子。在延迟线的出 口处(在这种情况下在内部的管中)，脉冲波被反射。这通过不同的延迟时间决定地在不同 的时间点实现。在2007年6月25- 号的粒子加速器讨论会的Cap0raS0，GJ等的会议论文“High Gradient Induction Accelerator (高梯度感应加速器)”中此外提到了这种可能性，在盘 形构造的延迟线的情况下，介电常数根据半径变化，以在盘形构造的延迟线的情况下保持 场波阻抗恒定。在ISBN 0-471-87878-2，Humphrie, S 的论文“Principles of Charged Particle Acceleration (带电粒子加速原理)”中在317页公开了，电极板的距离随着半径上升，这样可以应用均勻的电介质并因此可以达到径向保持相同的阻抗。在WO 2008/051358 Al中公开了延迟线的不同实施方式，诸如Blumlein模块，它 条带状地中心向内通到喷射管。这种条带状的Blumlein模块在此也可能呈现震荡的曲线。Caporaso, GJ 的文章 “High Gradient Induction Cell (高梯度感应单元)”(加 速器驱动高能量密度治疗的研讨会的学报，2004年10月26- 号，劳伦斯伯克利国际实 验室)，禾口 Nelson, SD, Poole, BR 的文章"Electromagentic Simulations of Dielectric Wall Accelerator Structures for Electron Beam Acceleration (用于电子束力口速的介 电壁加速器结构的电磁模拟)”(粒子加速器讨论会，2005，PAC 2005,2005年5月16-20号， 2550-2552)同样描述了具有平面的、直线的、条带状的延迟线的Blumlein模块的结构。
发明内容
本发明的任务是提供一种加速器，它可以在更简单生产的情况下获得带电粒子的 有效加速。该任务通过根据权利要求1的加速器解决。有利的改进方案存在于从属权利要求 的特征中。根据本发明的用于加速带电粒子的加速器包括多个延迟线，其通到射束轨迹上并 且其在射束轨迹的方向上顺序布置。至少其中一些延迟线基于射束轨迹相对旋转布置。在 此旋转轴线是射束轨迹。这意味着，在射束轨迹的方向看，延迟线的投影不全等地处于重叠，而是相对旋转 布置。投影不完全重叠并且仅部分相交。延迟线通到射束轨迹上，由此射入延迟线中的电 磁波同样通到射束轨迹上或者说可以在反射后重新返回。延迟线基于射束轨迹的延伸方向 顺序布置。例如延迟线可以堆叠式地顺序沿着射束轨迹布置。本发明基于此构思，即在盘形构造的延迟线的情况下电磁场的空间传输是有利 的。在环形向内延伸地射入的脉冲波的情况下，磁流同样必须绕着中心布置的射线管盘绕， 因为实际上没有其它的漏磁场磁轭空间。因此几乎全部的磁流都产生电势，它可以用于加 速。不过在此也认识到，在盘形延迟线的情况下，对电磁脉冲波的不失真的传播必需 的恒定的场波阻抗只能很难且昂贵地实现。如果两个电容器例如利用均勻的电介质填充并且具有不依赖于半径的厚度，当然 希望的径向脉冲波传播是不可能的在脉冲头中的位移电流密度通过电介质的放电提供； 在小的半径时提供小的脉冲头横截面，由此沿着板的放电电流不能保持恒定。在恒定的盘形延迟线几何厚度的情况下必须应用径向不均勻的电介质，以在盘形 构造的延迟线的情况下保持场波阻抗恒定并且由此实现脉冲波的传播。这带来此问题，即 产生径向变化的介电常数。此外在这样的延迟线的情况下电介质的能量储存能力只在中心 射线管的附近被完全利用。在大的半径的情况下介电常数以及由此每体积单位的能量储存 能力必须人工降低。另一种解决方案具有径向恒定的介电常数，此时延迟线的厚度根据半径向外线性 增加，反之不利于紧凑的加速器造型。利用这种造型实现的堆叠密度相对小并且不通过在 内边缘处在射束轨迹附近的加速路程规定，而是通过在外边缘处的高度确定。
此外本发明基于此构思，即直线的、条带状的延迟线尽管在生产中是简单的并且 具有有利的、在均勻的电介质的情况下也尽可能保持不变的场波阻抗，但是这种延迟线在 工作中不能产生电磁场的最优的空间状态。导入的波在工作中产生磁流，它侧面从线中流 出并且优选直接围绕延迟线盘绕并且不是围绕中心的射线管，这样产生的磁流只有一部分 可以应用用于带电粒子的加速。在利用磁芯实现的磁流线的解决方案中，有时由于磁材料的非常快速的饱和或者 说大的必需的横截面而不能或者仅很难实现。通过在根据本发明的加速器中延迟线相对旋转布置，一部分侧面从延迟线中流出 的并且围绕延迟线盘绕的磁流，被部分引入另外的，为此旋转布置的延迟线中。由此实现磁 流配置，它接近磁流在盘形构造的延迟线的情况下的有利的配置并且较大部分围绕中心布 置的射线管盘绕。由此总体提供更大的磁流部分用于加速在射线管中的粒子。通常延迟线布置在Blumlein模块中，其中Blumlein模块包括由快速的延迟线和 慢速的延迟线组成的配对。在这种情况下在加速器中至少一部分Blumlein模块基于射束 轨迹相对旋转布置。例如一种这样的Blumlein模块可以通过电容器对实现，其中该电容器对具有共 同的中间电极以及两个外侧电极。在中间电极和外侧电极之间分别存在电介质。由此产生 由单个导体组成的双层，它通过电介质的选择以及通过几何尺寸可以具有例如以1比3的 比例的延迟时间。特别是延迟线可以条带状地构造。在这种情况下延迟线或者说延迟线在射束轨迹 的方向的投影基本上具有长矩形的形状，它具有基本上恒定的小于射线管直径的八倍的宽 度，特别是小于射线管直径的四倍，并且最高特别是小于射线管直径的两倍。这产生一种延迟线，它按照类型设计成条带。这个长形的条带也可以如在WO 2008/051358 Al中在条带平面中呈现弯曲的曲线或者朝射束轨迹逐渐变细。按照条带类型 构造的延迟线具有基本上恒定的高度和基本上恒定的宽度。在一种优选的实施方式中，对一部分延迟线，延迟线互相交错。这是可能的，因为 延迟线相对旋转布置，这样它随着增加的离开射束轨迹的距离可以布置在空隙上。由此延 迟线彼此的交错是可能的，这又可以实现在紧凑的结构方式上或者说在延迟线的接通时的 优点。特别是一部分延迟线这样互相交错，即由此互相交错的延迟线呈现具有径向向外 减小的高度的形状。该形状特别是可以这样获得，即它可以布置在围绕射束轨迹旋转对称 的包络面内部，该包络面具有径向向外减小的高度。该包络面可以通过双曲线围绕射束轨 迹的旋转构成。该实施方式基于此构思，即从能量密度分配出发考虑径向向内运行的电磁波的问 题。恒定的能量密度分配《，通过关系《=、ε。E2(、…相对的介电常数，ε。…自由空间的 介电常数，E…电场强度)给出，在恒定的介电常数、和恒定的电场强度E的情况下导致， 每半径元素dR的电介质的质量同样应该保持恒定。这意味着，在电介质的厚度D和径向距 离R之间存在反比关系D 1/R。通过延迟线互相的交错并且通过交错的延迟线的几何形状(它具有径向向外减小 的高度的形状)，可以至少接近满足上面列举的理想的关系。通过随着增加的半径变大的交错，可以此外实现，磁场强度B的场体积和电场强度E的场体积大约处于相同的数量级，这 最终导致改善的或者甚至最大的加速电势。延迟线可以此外通过共同的环形电极互相接通，这由于彼此旋转的延迟线而是特 别有利的。特别是在交错的延迟线的情况下，其中一部分延迟线在外端大约处在相同的平面 内，这样一种环形电极可以以简单的方式实现接通。
本发明的实施方式连同根据从属权利要求的特征的有利的改进方案借助下面的 附图详细说明，但是不限于它们。图中示出
图1是通过具有双导体结构的Blumlein模块的纵向截面图，它以直线方式径向向内通 到射束轨迹上，
图2是在八个条带状构造的、相对旋转布置的Blumlein模块上的俯视图，其中每个 Blumlein模块包括单个导体的双层，
图3是八个条带状构造的、互相交错的Blumlein模块的透视图， 图4是图3的Blumlein模块中的准确视图， 图5是沿着射线管的双曲线包络线的示意图。
具体实施例方式图1借助通过Blumlein模块11的一部分的纵向截面图示意示出了 Blumlein模 块11的结构。感应加速器由这种Blumlein模块构成。利用Blumlein模块可以沿着射束 轨迹35产生加速电势。加速器通常具有多个这样的Blumlein模块11，其通常堆叠式地顺
序布置。Blumlein模块11在此包括快速的延迟线15和慢速的延迟线13。两个延迟 线15、13设计成电容器，其中快速的延迟线15的电容器具有具有第一介电常数ε工的 第一电介质，并且其中慢速的延迟线的电容器具有具有第二介电常数ε2的第二电介 质。电容器的高度和电介质的介电常数在此这样选择，即电磁波在快速的延迟线15中 比在慢速的延迟线13中明显更快地传播，这通过细箭头四以及粗箭头27象征性地 示出。在介电常数的比例ε1: ￡2是1:9的情况下，特别有利的高度比例通过比例1:
月给出。利用这些参数阻抗可以最大，这使对于接通必需的电流最小。电磁波在延迟线中
13、15中的延迟时间在这种情况下是1:3的比例。两个外侧的电容器板23，即外侧的电极被接地，而中间的电容器板25或者说中间 电极接通后可以置于确定的电势上。为此在延迟线13、15的输入侧19上有开关装置21，利 用它可以将中间的电容器板25置于确定的电势上。在中间电极和外侧电极短路时它们产 生电磁脉冲波，它从输入侧19径向向内朝输出侧17传播。在输出侧17上有射线管31，它 与Blumlein模块11通过真空绝缘体33绝缘，在它里面(通过电磁波的不同的延迟时间决 定地)对一定的时间段产生电势，它可以利用用于沿着射束轨迹35加速带电粒子。图2示出了八个条带状构造的Blumlein模块11的俯视图，其堆叠式地顺序沿着 射线管31布置。射线管31在此穿过每个条带状构造的Blumlein模块11的中心延伸。Blumlein模块11在此基于垂直于图纸平面延伸的作为旋转轴线的射束轨迹35相对旋转布 置。Blumlein模块11在射束轨迹35的方向的投影由于它们相对彼此的旋转不重叠。两个径向向内指向的箭头37标明在其中一个Blumlein模块11的情况下电磁波 的运行方向，它可以在Blumlein模块11的输入侧17上射入。电磁波通到射线管31上。为 此产生电磁场的配置，它至少部分产生磁流，它绕着射线管31延伸并且在时间上变化。这 个时间上变化的磁流在射线管31的内部产生沿着射束轨迹35的加速电势。通过在Blumlein模块11的内部形成的电磁波产生的磁流通常侧面从单个的 Blumlein模块流出，通过虚线箭头39象征表示。通过相对旋转布置的Blumlein模块11， 这个侧面流出的磁流现在部分地这样引导，即它进入另一个Blumlein模块11并且由此围 绕射线管31盘绕。如果没有Blumlein模块11的旋转，这些磁流的一部分(其现在围绕射线管31传 输)，将围绕条带状构造的Blumlein模块11的纵向，也就是说，围绕电磁波的传播方向传 输。这个部分由此无法用于产生加速电势。通过Blumlein模块11相对彼此的旋转由此提 高了产生的加速电势，因为产生的磁流增多地围绕射线管31传输。为了接通Blumlein模块11可以设置环形电极41，它可以使电磁脉冲波射入 Blumlein 模块 11 中。图3示出了条带状构造的Blumlein模块11的透视图。在这个透视图中可以清楚 地看出，Blumlein模块11相对彼此交错。为了延迟线的交错，条带状构造的延迟线有时不 再在平面内延伸，而是弯曲。图4示出了堆叠的最上面的延迟线的放大的示意图，其中分层 的结构可以识别到具有中间电极25和两个外侧电极23。通过周长随着增加的半径增长，随着增加的半径提供更多的空间，以并排布置 Blumlein模块11，而Blumlein模块11围绕射线管31顺序地沿着射线管31，即堆叠形地布置。并排布置的、交错的延迟线特别简单地通过布置在平面内的环形电极接通。图5示出了围绕射线管31布置的包络面43，它具有随着增加的半径R双曲线式减 小的高度h。为了更好的显示，包络面43和射线管31剖开地示出。在图3中示出的，彼此 交错的条带状构造的延迟线可以这样布置在包络面43的内部，即其处于包络面43的内部。 由此可以实现上面所述的优点。在图3中示出的具有彼此交错的、条带状的延迟线的组可 以沿着射线管重复地布置，这样可以产生大的加速电势。
权利要求
1.用于加速带电粒子的加速器，包括多个延迟线(13、15)，其通到射束轨迹(35)上并 且其在射束轨迹(35)的方向上顺序布置，其特征在于，至少其中一些延迟线(13、15)基于 射束轨迹(35)相对旋转布置。
2.根据权利要求1所述的加速器，其特征在于，所述延迟线(13、15)布置在Blumlein 模块(11)中，其中Blumlein模块(11)包括由快速的延迟线(15 )和慢速的延迟线(13 )组 成的配对，并且其中至少一部分Blumlein模块(11)基于射束轨迹(35)相对旋转布置。
3.根据权利要求1或2所述的加速器，其特征在于，所述延迟线(13、15)条带状地构造。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的加速器，其特征在于，对于一部分延迟线 (13、15)，延迟线(13、15)互相交错。
5.根据权利要求4所述的加速器，其特征在于，对于一部分延迟线(13、15)，延迟线 (13、15)这样互相交错，即互相交错的延迟线(13、15)呈现具有径向向外减小的高度的形 状。
6.根据权利要求5所述的加速器，其特征在于，所述形状可以布置在围绕射束轨迹 (35)旋转对称的包络面(43)内部，该包络面具有径向向外减小的高度。
7.根据权利要求6所述的加速器，其特征在于，所述包络面(43)可以通过双曲线围绕 射束轨迹(35)的旋转产生。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的加速器，其特征在于，所述延迟线(13、15)通 过环形电极(41)互相接通。
全文摘要
本发明涉及一种用于加速带电粒子的加速器，它包括多个延迟线(13、15)，其通到射束轨迹(35)上并且其在射束轨迹(35)的方向上顺序布置，其中至少其中一些延迟线(13、15)基于射束轨迹(35)相对旋转布置。
文档编号H05H9/00GK102084728SQ200980125771
公开日2011年6月1日 申请日期2009年6月23日 优先权日2008年7月4日
发明者海德 O. 申请人:西门子公司