用于操作线性加速器方法和线性加速器与流程

本发明涉及一种用于操作线性加速器的方法，其中带电粒子由粒子源发射，并通过周期性施加的高频交变场在加速器中被加速，使得带电粒子脉冲(尤其是mev范围内的带电粒子脉冲)得以生成。

背景技术：

已知的是，例如在放射治疗领域中，使用线性加速器(特别是电子线性加速器)来生成mev范围内的x射线辐射。其他应用领域涉及非破坏性材料测试或利用x射线检查对象，特别是在安全检查环境中尤其如此。在后一种情况下，已知如下x射线系统，其利用x射线检查大型对象，大型对象例如是火车车厢的货物集装箱，在这样的x射线系统中，使用线性加速器来生成mev范围内的光子。x射线检测器以空间分辨的方式检测在穿透对象期间所衰减的x射线辐射，这种x射线检测器通常被设计为行检测器。因此，当对象被传送通过x射线检测器时，对象的放射性图像被逐行记录。

最近，例如s.ogorodnikov和v.prrrinin已经在“physicalreviewspecialtopics–acceleratorsandbeams”vol.5,104701(2002)中或在us8183801b2中提出：使用具有不同能量(例如每粒子的平均能量为4mev和8mev)的粒子脉冲来进行材料鉴别。连续脉冲事件之间的延迟由线性加速器的脉冲重复率来指定，并处于若干毫秒的范围内。通过考虑与不同能量的行对应的强度比，可以从连续检测到的x射线数据中导出具有材料信息的图像数据。由于低能量辐射和高能量辐射的检测具有延迟，所以如果在检测期间x射线检测器和对象彼此相对移动，则在图像数据中将生成伪影。在实际应用中，例如对正在移动的火车的货物集装箱或运输车厢进行x射线检查，通常会产生在几厘米范围内的测量偏移。

us5524133a中提出了一种用于避免所述问题的方法，该方法包括：将多个检测器并排布置成行，其中一行检测器相应地检测射束源中具有固定能谱的特定光谱部分。例如，通过适当的预滤波来选择该光谱部分。然而，由于所需检测器的数目显著增加，所以这一过程非常昂贵。

us2014/0270086a1采用了一种不同的方法。该方法提出对进行到线性加速器的加速器中的电子射入进行同步。由于射入相对于加速器的腔谐振器内主导的高频交变场的相位发生移动，所以电子束的能量随后可以发生变化。由于线性加速器必须被提供单独的聚束器部分，而单独的聚束器部分又需要单独的高频放大器级，所以该方法的成本也显著增加。

技术实现要素：

本发明的目的在于公开一种能够确保检测到高质量的材料鉴别放射性图像的方法和设备。

该目的通过根据权利要求1所述的用于操作线性加速器的方法、根据权利要求8所述的线性加速器和根据权利要求10所述的材料鉴别放射检查设备来实现。

本发明的有利变形是从属权利要求的技术方案。

在用于操作线性加速器的方法中，带电粒子由粒子源发射，并且通过高频交变场在加速器中被加速，使得带电粒子脉冲得以生成。高频功率通过高频脉冲被周期性地提供给加速器，以生成高频交变场。根据本发明，在高频脉冲的hf脉冲长度期间，粒子源所发射的粒子流发生变化，使得在hf脉冲长度期间形成的脉冲具有至少两个子脉冲，所述至少两个子脉冲针对每个粒子具有不同平均能量。

因此，本发明提出在高频脉冲的hf脉冲长度期间实现具有不同平均能量的至少两个子脉冲。高频脉冲的hf脉冲长度通常处于几微秒的范围内。已知的方法基于的是：检测与连续的高频脉冲相关联的带电粒子脉冲。因此，这些带电粒子脉冲之间的间隔由高频脉冲的重复率指定，通常为几毫秒。换句话说，如果读出与在高频脉冲的hf脉冲长度期间生成的子脉冲对应的事件，则测量偏移可以减小大约1000倍。

本发明还基于以下观察:通过线性加速器加速的粒子的平均能量取决于粒子流，其由粒子源发射并因此被注入或“喷射”到加速器中。为此，也可以称为“注入流”。因此，例如在高频脉冲的hf脉冲长度期间通过将两个流注入到加速器中，可以生成两个子脉冲。

为了确保子脉冲中包含的粒子具有不同平均能量，首先特别地调节所发射的粒子流的流强度，其也被称为射束电流或射束载荷。此外，可以利用加速器存储能量的能力。由于线性加速器的加速器具有一个谐振器结构，所以通常在初始供应高频功率时(填充时间)，也即在振荡阶段期间，全加速电压还不可用。因此，如果高频功率的供应在高频脉冲结束时中断，则谐振器结构中存储的能量通常以指数方式下降。因此，可以通过改变粒子流被引入或“喷射”到加速器中的时间，来调节包含在各个子脉冲中的粒子的平均能量。特别地，这允许在x射线辐射的光子能量和x射线辐射所赋予的剂量方面，来灵活地调节x射线辐射，其中所述x射线辐射是通过子脉冲生成的。

优选地，引入到加速器中的粒子流的流强度(换句话说，射束载荷)根据引入时间而被选择，使得由至少两个子脉冲赋予的剂量是恒定的，并且这两个子脉冲之间的能量差最大。

因此，本发明实现了诸多优点。首先，可以基于通常仅被延迟几微秒的至少两个脉冲事件或子脉冲，来采集具有材料鉴别性的放射性图像。这允许在扫描快速移动的对象期间，减少图像伪影。其次，可以进行更快的图像采集，并且其随着在高频脉冲的hf脉冲长度期间生成的子脉冲的数目而增加。采集速率对应于检测器布置，其具有相应增加数目的x射线检测器，因此，例如在每个高频脉冲具有两个子脉冲时，在平均能量不同的情况下，可以仅使用一个x射线检测器来进行两个时间同步的图像采集。类似地，无需为此而增加平均高频功率，而平均高频功率的增加通常会限制图像重复率。

优选地，带电粒子是电子。

特别优选地，通过在高频脉冲的hf脉冲长度期间改变粒子流的流强度，来生成在时间上被延迟约1μs至3μs的至少两个子脉冲。当检测的移动对象相对于线性加速器、以大约每小时60公里的相对速度进行移动时，测量偏移位于大约15μm至50μm的范围内。特别地，这允许在移动火车上采集具有材料信息的放射性x射线图像。

在优选的示例性实施例中，高频脉冲的hf脉冲长度在2μs和10μs之间。

每个粒子的平均能量对应于由子脉冲生成的x射线辐射的光子能量，优选在大于1mev且小于20mev的范围内。换句话说，优选地，生成如下粒子脉冲，这些粒子脉冲可以被用以生成轫致辐射或x射线辐射的光谱范围，该光谱范围适合于对大规模容器进行x射线检查，特别地，这些大规模容器例如为货物运输中常见的货物集装箱或铁路车厢。

优选地，在振荡阶段期间，将粒子流注入到加速器中，以生成至少两个子脉冲中的一个子脉冲。全加速电压在振荡阶段尚不可用，该电压由所引入的粒子流再次减小。因此，可以通过在加速电压达到其饱和值之前的时间引入粒子流，来生成针对每个粒子具有较低平均能量的子脉冲。

特别优选地，包含至少两个子脉冲的带电粒子脉冲用于生成x射线辐射，特别是生成用于放射检查的x射线辐射，换句话说，生成x射线图像。其他应用领域例如涉及放射治疗或计算机断层扫描。这里，材料鉴别是可以在扫描过程中直接采集的附加信息项。因此，这避免了如下要求，即，为获得关于x射线检查对象的材料组成的信息，而必须使用不同能量谱执行多次扫描。

特别优选的示例性实施例涉及对象的材料鉴别放射性图像的采集。为此，带电粒子脉冲被减速，以提供具有不同光谱组成的x射线辐射。材料鉴别放射性图像通过x射线检测器来生成，该x射线检测器检测穿透对象后的x射线辐射。

特别优选地，x射线检测器被设计为行检测器，换句话说，x射线检测器包括大量并排布置的个体检测器，从而允许在个体检测器的线性布置所指定的方向上同时检测x射线辐射。这种设计应当是优选的，特别是当用x射线检查大型对象时更是如此。

优选地，在放射性图像的采集期间，对象和x射线检测器彼此相对移动。在上述设计为行检测器的情况下，对象还优选地在垂直于个体检测器的线性布置的方向上移动。由于包含在脉冲中的子脉冲之间的短时间延迟，当检测移动对象时可以大大避免图像伪影。

以上介绍中提到的目的还通过线性加速器来实现，该线性加速器被设计为利用上述方法进行操作。与之相关联的技术优点直接由先前的描述而产生，因此可以首先参考先前的描述以避免重复。

线性加速器包括一个粒子源和一个加速器，粒子源发射粒子流，加速器包括彼此耦合的多个腔谐振器。可以通过具有hf脉冲长度的高频脉冲，来周期性地提供高频功率，以生成高频交变场。根据本发明，一个控制器被设计为：在高频脉冲的hf脉冲长度期间，使粒子源发射的粒子流发生变化，使得在hf脉冲长度期间形成的脉冲具有至少两个子脉冲，这至少两个子脉冲针对每个粒子具有不同平均能量。

可以基于至少两个脉冲事件或子脉冲，来采集具有材料鉴别性的放射性图像。由于这些事件在时间上被延迟只有几微秒，因此可以大幅消除图像伪影，特别是在检测移动对象期间更是如此。

以这样的方式而设计的线性加速器还能够实现更快的图像采集，这是因为：在高频脉冲的hf脉冲长度期间，多个子脉冲是目前可用的，并且这些子脉冲可以用于在成像设备中生成x射线辐射。为此，粒子源(其供应粒子流)的修改或其激活是重要的，并且这可以通过调整控制器的相应电子部件来实现。

以上介绍中提到的目的还通过一种材料鉴别放射检查设备来实现，该设备具有以这种方式设计的线性加速器。

材料鉴别放射检查设备包括一个x射线发射器、一个x射线检测器和一个评估设备，评估设备用于从通过x射线检测器检测到的数据生成放射性图像。为此，待进行x射线检查的对象将被引入到x射线发射器和x射线检测器之间的中间区域中。根据本发明，x射线发射器具有以上描述的线性加速器，该线性加速器被设计成为一个目标加载带电粒子脉冲，以由此生成轫致辐射，该轫致辐射的光谱范围对应于包含在子脉冲中的粒子的平均能量。

例如，材料鉴别放射检查设备例如适合于安全检查，特别是行李的安全检查。特别优选地，该设备用于检查货物交通运输。优选地，该设备被设计为用x射线检查诸如装运容器之类的大型对象，为此在本发明的一个可能的实施例中，该设备包括被设计为行检测器的x射线检测器。

附图说明

对于本发明的进一步描述，请参考附图中所示的示例性实施例，其中在示意图中：

图1：示出了具有线性加速器的材料鉴别放射检查设备的示意结构；

图2：示出了用于操作线性加速器的方法的序列；

图3：示出了在具有8个耦合的腔谐振器的示例性实施例中根据时间的加速电压；

图4：示出了在具有22个耦合的腔谐振器的另一示例性实施例中根据时间的加速电压。

具体实施方式

图1示意性地示出了材料鉴别放射检查设备100的结构。设备100被设计为采集大型对象110(例如特别是货物集装箱)的放射性x射线图像，并且为此具有一个x射线发射器60和一个x射线检测器80。要被x射线检查的对象110被布置在x射线发射器60和x射线检测器80之间的中间区域中。x射线检测器80(例如被设计为行检测器)检测在穿透对象110期间衰减的x射线辐射。以本身已知的方式，一个评估设备81基于检测到的衰减数据来生成放射性图像。

设备100被设计为提供与x射线检查对象的材料组成有关的信息。为此，x射线发射器60发射具有不同能量的被延迟光子。根据x射线检测器80检测到的、与不同辐射能量eph相对应的衰减数据的强度比，可以作出与被射线照相对象有关的结论。针对每个所发射的光子的辐射能量eph例如为约4mev和约8mev。

为此目的，x射线发射器60具有一个目标61，该目标61由带电粒子脉冲加载，从而产生具有所需的光谱部分的轫致辐射。带电粒子(在本情况中，这些带电粒子是电子)的脉冲可以通过线性加速器1生成，线性加速器1包括粒子源2和加速器3，加速器3具有多个耦合的腔谐振器4。能量供应部5向加速器3提供高频功率phf，以便在耦合的腔谐振器4内生成高频交变场，用于加速粒子流，该粒子流由粒子源2在指定时间喷射或注入到加速器中。

高频功率phf被周期性地提供，换句话说，高频功率phf以提供给加速器3的、具有hf脉冲长度δt的高频脉冲的形式而被提供。控制器6连接到粒子源2和能量供应部5，并且被设计为：相对于周期性提供的高频功率phf，对粒子流到加速器3中的耦合或“喷射”进行同步。控制器6和粒子源2被特别地设计为：在hf脉冲长度δt期间，将具有不同流强度i的至少两个粒子流引入到加速器3中，δt通常在几微秒的范围内。

图2使用多个功能图示意性地示出了用于操作线性加速器1的方法，该多个功能图根据时间t示出了各种物理变量或操作参数。

提供给加速器3的高频脉冲具有在3μs和5μs之间的hf脉冲长度δt。周期长度δt在毫秒的范围内，在所示的示例中为2ms至3ms。

在由hf脉冲长度δt指定的时间窗内，通过将具有不同流强度i的两个粒子流注入到加速器3中，来生成两个带电粒子子脉冲。由于在高频脉冲开始时的振荡阶段中，振荡状态的最大加速电压在由耦合的腔谐振器4形成的谐振器结构中尚不可用，所以包含在第一子脉冲中的粒子具有较低的平均能量。因此，由此生成的x射线辐射针对每个光子具有较低辐射能量eph。

在hf脉冲长度δt期间所注入的两个粒子流的流强度i被选择，以使得沉积剂量d对于两个子脉冲是相同的。相应地，低能量或高能量子脉冲的检测器读数adet被延迟大约1μs到2μs。

在高频脉冲的hf脉冲长度δt期间，针对每个粒子具有不同平均能量的至少两个子脉冲的实施基于的是：加速器能够存储能量的特性。加速器3的谐振器结构中的能量wb的改变由下式给出

其中pohm是驻波在加速器3中的欧姆损失，pbeam是射束损失。根据下式，加速电压u由存储在谐振器结构中的能量wb产生：

加速器3的电容cb是加速电压u的平方和所存储的能量wb之间的耦合因子。对于加速器3的总电容cb而言，下式大致适用：

其中c1cell指定腔谐振器4的电容。

欧姆损失由分流电阻rs描述。具有n个耦合的腔谐振器4的加速器3的分流电阻rs1cell为：

rs＝n·rs1cell。

射束损失pbeam由加速电压u和流强度i的乘积给出。

这些假设表明，加速电压u与耦合的腔谐振器的数目n的根成比例。此外，由于分流电阻降低，加速电压u对流强度i的依赖性随着n增加而增加。

图3和图4示出了具有8个(图3)或22个(图4)耦合的腔谐振器4的加速器3的仿真结果。在这两种情况下，在不注入粒子流时加速电压随着时间t而变化的过程由实线给出；在注入粒子流时加速电压u随着时间t而变化的过程由虚线给出。在这两种情况下，均在时间t1和t2分别将一个粒子流注入到加速器3中，并且在时间t1'或t2'又切断该粒子流。在这两种情况下，仿真结果表明，如果粒子流被引入腔谐振器4中，则所施加的加速电压u较小。

此外，时间t1还被选择，以使得t1位于由腔谐振器4形成的谐振器结构的振荡阶段内。换句话说，在时间t1，加速电压u仍未达到其饱和值，所以包含在第一子脉冲中的粒子经历较少的动能增加。

虽然已经参考优选示例性实施例详细地示出和描述了本发明，但是本发明不限于此。本领域技术人员可以从中导出其它变体和组合，而不偏离本发明的基本思想。