Ускоритель для ускорения заряженных частиц

Изобретение относится к ускорителю для ускорения заряженных частиц. Заявленное устройство содержит множество линий задержки, которые проходят к траектории луча и которые в направлении траектории луча размещены друг за другом, причем по меньшей мере некоторые из линий задержки по отношению к траектории луча повернуты относительно друг друга. Техническим результатом является оптимизация ускоряющего потенциала. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к ускорителю для ускорения заряженных частиц и к способу для эксплуатации подобного ускорителя. Подобный ускоритель может, в том числе, использоваться в медицинской технике, особенно в лучевой терапии, где необходимо, для формирования операционного луча, ускорять заряженные частицы, такие как, например, электроны, протоны или другие заряженные ионы. Заряженные частицы могут, например, применяться либо для выработки рентгеновского тормозного излучения, либо для непосредственного облучения целевого объекта.

Для этого известны, например, так называемые ускорители с диэлектрическими стенками (DWA). Подобные ускорители обычно являются безжелезными индукционными ускорителями частиц, которые содержат пакет обычно с множеством линий задержки и способ работы которых основывается на различном времени задержки электромагнитных волн в линиях задержки. Основной принцип распространения электромагнитного сигнала в линии задержки описан, например, в US 2465840 на имя A.D.Blumlein.

В ускорителе во множество линий задержки вводятся импульсы тока. Геометрическая конфигурация линий задержки и электромагнитные волны, вырабатываемые посредством импульсов тока, формируют изменяющееся по времени магнитное поле или изменение магнитного потока, которое ввиду геометрического расположения линий задержки в некотором месте, например внутри лучевой трубки, формирует ускоряющий электрический потенциал. Электрический потенциал применяется для того, чтобы ускорять заряженные частицы.

Подобный ускоритель частиц известен, например, из US 5757146. В качестве пакета линий задержки здесь применяется пакет дискообразных пар конденсаторов. Пара конденсаторов состоит при этом из двух дискообразных пластинчатых конденсаторов. Высота пластинчатых конденсаторов и диэлектрики между пластинами конденсаторов выбираются таким образом, чтобы электромагнитные ударные волны в одном конденсаторе пары конденсаторов распространялись заметно быстрее, чем в другом конденсаторе. Подобная пара конденсаторов также определяется, основываясь на описанных A.D. Blumlein линиях задержки, как асимметричный Blumlein или Blumlein-модуль.

Пакет дискообразных пар конденсаторов или Blumlein-модулей размещается при этом вокруг центральной трубки. Каждая вторая конденсаторная пластина противолежит другим конденсаторным пластинам на положительном потенциале. В статическом случае конденсаторы вырабатывают попеременно соответственно противоположно направленные электрические поля, которые внутри пакета, то есть внутри центральной трубки, компенсируются. Если теперь конденсаторные пластины по внешней периферии накоротко замкнуть, то между каждой парой конденсаторных пластин распространяется электромагнитная ударная волна радиально внутрь. За счет более быстрой скорости распространения направленной в центр ударной волны в каждом втором конденсаторе фронт ударной волны в каждом втором конденсаторе достигает центральной трубки в момент времени, в который фронт ударной волны в каждом другом конденсаторе еще находится на пути внутрь и еще не достиг центральной трубки. За счет этого получается совокупность электромагнитных полей, которая в определенный момент времени в центре пакета вдоль трубки создает электрический потенциал. Выработанный каждой парой конденсаторов потенциал составляет в идеальном случае удвоенную величину напряжения заряда конденсаторных пластин и существует так долго, пока более медленная ударная волна также не достигнет центральной трубки. Этот интервал времени может использоваться для того, чтобы ускорять заряженные частицы вдоль трубки. На выходе линии задержки - в этом случае на внутренней трубке - ударные волны отражаются. Это также происходит ввиду различных задержек в различные моменты времени.

В публикации Caporaso, GJ et al. “High Gradient Induction Accelerator”, Particle Accelerator Conference, June 25-29, 2007, в числе прочего упомянута возможность в дискообразной линии задержки варьировать относительную магнитную проницаемость в зависимости от радиуса, чтобы волновой импеданс в дискообразной линии задержки поддерживать постоянным.

В работе Humphries, S, “Principles of Charged Particle Accelerators”, ISBN 0-471-87878-2, на стр.317 и далее описывается, что расстояние между электродными пластинами увеличивается с радиусом, так что может применяться однородный диэлектрик, и все же может быть реализован импеданс, остающийся радиально постоянным.

В WO 2008/051358 A1 описаны различные формы выполнения линий задержки, в том числе Blumlein-модули (модули Блюмляйна), которые в форме полос проходят центрально внутрь к лучевой трубке. При этом Blumlein-модули в форме полос могут иметь также колебательную форму.

Статья Coporaso, GJ, “High Gradient Induction Cell”, Proceedings of the Workshop on Accelerator Driven High Energy Density Physics, October 26-29, 2004, Lawrence Berkley National Laboratory и статья Nelson, SD, Poole, BR, “Electromagnetic Simulations of Dielectric Wall Accelerator Structures for Electron Beam Acceleration”, Particle Accelerator Conference, 2005, PAC 2005, Proceedings of the, 16-20 May 2005, 2550-2552 описывают также структуру Blumlein-модулей с плоскими, линейными, в форме полос линиями задержки.

Задачей изобретения является обеспечить ускоритель, который предоставляет возможность эффективного ускорения заряженных частиц при простом изготовлении.

Указанная задача решается ускорителем согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления представлены признаками зависимых пунктов формулы изобретения.

Соответствующий изобретению ускоритель для ускорения заряженных частиц содержит множество линий задержки, которые проходят к траектории луча и которые в направлении траектории луча размещены друг за другом. По меньшей мере некоторые из линий задержки по отношению к траектории луча повернуты относительно друг друга. При это осью поворота является траектория луча.

Это означает, что - при рассмотрении в направлении траектории луча - проекции линий задержки лежат одна над другой не конгруэнтно, а повернуты одна относительно другой. Проекции перекрываются не полностью и пересекаются лишь частично. Линии задержки проходят к траектории луча, за счет чего электромагнитная волна, введенная в линию задержки, также проходит к траектории луча или после отражения может вновь распространяться назад. Относительно направления прохождения траектории луча линии задержки расположены друг за другом. Например, линии задержки могут располагаться друг за другом в форме пакета вдоль траектории луча.

В основе изобретения лежит вывод о том, что при выполненной в форме диска линии задержки пространственное распространение электромагнитных полей является предпочтительным. При введенной ударной волне, распространяющейся в кольцевой форме внутрь, магнитный поток должен закручиваться вокруг центрально расположенной лучевой трубки, так как практически не имеется никакого другого пространства обратного потока рассеянного поля. Поэтому почти весь магнитный поток формирует электрический потенциал, который может применяться для ускорения.

Но при этом также было установлено, что при линии задержки в форме диска постоянный волновой импеданс может быть реализован лишь с трудом и с высокими затратами, которые были бы необходимы для неискаженного распространения электромагнитной ударной волны.

Если оба конденсатора, например, заполнены однородным диэлектриком и имеют независимую от радиуса толщину, то в общем случае желательное радиальное распространение ударной волны невозможно: плотность тока смещения в ударном токе возникает за счет разряда диэлектрика; при малых радиусах имеется меньшее поперечное сечение ударного фронта, из-за чего ток разряда вдоль пластин не может поддерживаться постоянным.

При постоянной геометрической толщине линии задержки в форме диска должен был бы применяться радиально неоднородный диэлектрик, чтобы волновой импеданс при линии задержки в форме диска поддерживать постоянным и, тем самым, обеспечивать возможность распространения ударной волны. Это влечет за собой проблему создания радиально переменой относительной магнитной проницаемости. К тому же при подобной линии задержки способность накопления энергии диэлектрика лишь вблизи центральной лучевой трубки используется полностью. При больших радиусах относительная магнитная проницаемость и, тем самым, способность накопления энергии на единицу объема должна искусственно снижаться.

Другое решение с постоянной по радиусу магнитной проницаемостью, при котором толщина линии задержки в зависимости от радиуса линейно увеличивается в направлении наружу, противоречит требованию компактного проектирования ускорителя. Достижимая с подобной конфигурацией плотность пакета становится относительно малой и определяется не участком ускорения на внутренней кромке вблизи траектории луча, а высотой на внешней кромке.

Кроме того, в основе изобретения лежит вывод о том, что хотя линейные, в форме полос линии задержки являются простыми в изготовлении и имеют благоприятный, в значительной мере остающийся постоянным волной импеданс и при однородном диэлектрике, однако подобные линии задержки при работе создают неоптимальную пространственную совокупность электромагнитных полей. При работе введенные волны формируют магнитный поток, который выступает в сторону из линий и предпочтительно закручивается непосредственно вокруг линии задержки, а не вокруг центральной лучевой трубки, так что лишь часть выработанного магнитного потока может применяться для ускорения заряженных частиц.

Решения, при которых магнитная проводимость потока реализуется с помощью магнитных сердечников, из-за чрезвычайно быстрого насыщения магнитного материала или больших требующихся поперечных сечений, нереализуемы или могут быть реализованы лишь с большим трудом.

Из-за того, что в соответствующем изобретению ускорителе линии задержки повернуты относительно друг друга, часть магнитного потока, которая выступала бы в сторону из линии задержки и закручивалась бы вокруг линии задержки, частично вводится в другие линии задержки, которые по отношению к данной размещены с поворотом. За счет этого реализуется конфигурация магнитного потока, которая приближается к предпочтительной конфигурации магнитного потока при линии задержки в форме диска и большей частью закручивается вокруг центрально размещенной лучевой трубки. В целом, большая часть магнитного потока предоставляется в распоряжение для ускорения частиц в лучевой трубке.

Обычно линии задержки размещены в модулях Блюмляйна, причем модуль Блюмляйна содержит пару из быстрой линии задержки и медленной линии задержки. В этом случае в ускорителе по меньшей мере часть модулей Блюмляйна повернуты относительно траектории луча по отношению друг к другу.

Например, подобный модуль Блюмляйна может быть реализован посредством пары конденсаторов, причем пара конденсаторов содержит общий соседний электрод, а также два внешних электрода. Между средним электродом и внешними электродами находится соответственно диэлектрик. За счет этого создается двойной слой из отдельных проводников, которые за счет выбора диэлектрика и за счет геометрических размеров могут иметь время задержки, например, в отношении 1 к 3.

В частности, линии задержки могут быть выполнены в форме полос. В этом случае линии задержки или проекции линий задержки в направлении траектории луча имеют, по существу, форму удлиненного прямоугольника, который имеет, по существу, постоянную ширину менее восьмикратного значения диаметра лучевой трубки, в частности менее четырехкратного значения диаметра лучевой трубки, и в пределе, в частности, менее двукратного значения диаметра лучевой трубки.

В результате получается линия задержки, которая выполнена в форме полосы. Удлиненная полоса может, так же как в WO 2008/051358, иметь в плоскости полосы колебательную форму или сужаться к траектории луча. Выполненные в форме полосы линии задержки имеют, по существу, постоянную высоту и, по существу, постоянную ширину.

В предпочтительной форме выполнения для части линий задержки линии задержки скрещены друг с другом. Это возможно, так как линии задержки повернуты по отношению друг к другу, так что они с возрастанием расстояния от траектории луча могут располагаться с промежутками. Тем самым возможно перекрещивание линий задержки между собой, что вновь обеспечивает преимущества при компактной конструкции или при соединении линий задержки.

В частности, часть линий задержки таким образом скрещены друг с другом, что скрещенные при этом между собой линии задержки имеют форму, которая имеет спадающую радиально наружу высоту. Форма может, в частности, создаваться таким образом, что она может располагаться в пределах вращательно симметричной относительно траектории луча огибающей поверхности, которая имеет радиально наружу спадающую высоту. Огибающая поверхность может, в частности, быть образована вращением гиперболы вокруг траектории луча.

В основе этих форм выполнения лежат выводы, которые учитывают проблему радиально внутрь распространяющейся электромагнитной волны с точки зрения распределения плотности энергии. Постоянное распределение w плотности энергии w=ε_rε_oE² (ε_r - относительная магнитная проницаемость, ε_o - магнитная проницаемость свободного пространства, E - электрическая напряженность поля) приводит при постоянной относительной магнитной проницаемости ε_r и при постоянной электрической напряженности поля Е к тому, что масса диэлектрика на элемент радиуса dR также должна оставаться постоянной. Это означает, что между толщиной D диэлектрика и радиальным расстоянием R имеет место обратно пропорциональная зависимость D~1/R.

За счет скрещивания линий задержки друг с другом и за счет геометрической формы скрещенных линий задержки, которая имеет форму радиально спадающей наружу высоты, по меньшей мере частично могут выполняться приведенные выше идеальные взаимосвязи.

За счет скрещивания, которое с ростом радиуса становится больше, может к тому же достигаться то, что объем поля для магнитной напряженности поля В и объем поля для электрической напряженности поля Е имеют примерно одинаковый порядок величины, что, в конечном счете, ведет к улучшенному или даже максимизированному ускоряющему потенциалу.

Линии задержки могут к тому же соединяться друг с другом посредством общего кольцевого электрода, что является особенно предпочтительным ввиду повернутых относительно друг друга линий задержки.

В частности, при скрещенных линиях задержки, в которых часть линий задержки на внешнем конце лежат примерно в одной плоскости, подобный кольцевой электрод может простым способом обеспечивать соединение.

Формы выполнения изобретения с предпочтительными дальнейшими вариантами выполнения согласно зависимым пунктам более подробно поясняются со ссылками на чертежи, не ограничиваясь, однако, ими. На чертежах показано:

фиг.1 - продольное сечение модуля Блюмляйна с двойной структурой проводников, который проходит непосредственно радиально внутрь к траектории луча,

фиг.2 - вид сверху восьми выполненных в форме полосы, повернутых относительно друг друга модулей Блюмляйна, причем каждый модуль Блюмляйна содержит двойной слой отдельных проводников,

фиг.3 - вид в перспективе восьми выполненных в форме полосы, скрещенных друг с другом модулей Блюмляйна,

фиг.4 - более точное представление одного из модулей Блюмляйна,

фиг.5 - представление гиперболических огибающих поверхностей вдоль лучевой трубки.

Фиг.1 схематично представляет конструкцию модуля Блюмляйна 11 с помощью продольного сечения через часть модуля Блюмляйна 11. Индукционный ускоритель построен из таких модулей Блюмляйна. С помощью модуля Блюмляйна можно создать ускоряющий электрический потенциал вдоль траектории 35 луча. Ускоритель обычно имеет множество подобных модулей Блюмляйна 11, которые обычно размещены друг за другом в форме пакета.

Модуль Блюмляйна 11 имеет при этом быструю линию задержки 15 и медленную линию задержки 13. Обе линии задержки 15, 13 выполнены как конденсаторы, причем конденсатор быстрой линии задержки 15 содержит первый диэлектрик с первой магнитной проницаемостью ε₁, а конденсатор медленной линии задержки содержит второй диэлектрик со второй магнитной проницаемостью ε₂. Высоты конденсаторов и магнитные проницаемости диэлектриков выбраны таким образом, что электромагнитная волна в быстрой линии задержки 15 распространяется заметно быстрее, чем в медленной линии задержки 13, как символически представлено посредством тонкой стрелки 29 или, соответственно, посредством толстой стрелки 27. Особенно благоприятное соотношение высот определяется отношением 1: $$\sqrt{3}$$ при отношении магнитных проницаемостей ε₁:ε₂=1:9. С помощью этих параметров можно максимизировать импеданс, что минимизирует токи, необходимые для переключения. Времена задержки электромагнитных волн в обеих линиях задержки 13, 15 относятся в этом случае как 1:3.

Обе внешние пластины 23 конденсаторов, то есть внешние электроды, заземлены, в то время как средняя пластина 25 конденсаторов или средний электрод, в зависимости от переключения, может устанавливаться на определенный потенциал. Для этого на входной стороне 19 линий задержки 13, 15 имеется переключающее устройство 21, с помощью которого средняя пластина 25 конденсаторов может устанавливаться на определенный потенциал. При коротком замыкании среднего электрода и внешних электродов формируется электромагнитная ударная волна, которая распространяется радиально внутрь к выходной стороне 17. На выходной стороне 17 находится лучевая трубка 31, изолированная от модуля Блюмляйна 11 посредством вакуумного изолятора 33, в котором - ввиду различных времен задержки электромагнитных волн - на определенный временной интервал формируется электрический потенциал, что может использоваться для ускорения заряженных частиц вдоль траектории 35 луча.

На фиг.2 показан вид сверху восьми выполненных в форме полосы модулей Блюмляйна 11, которые размещены в форме пакета друг за другом вдоль лучевой трубки 31. Лучевая трубка 31 проходит при этом через середину каждого из выполненных в форме полосы модулей Блюмляйна 11. Модули Блюмляйна 11 при этом повернуты по отношению друг к другу относительно траектории 35 луча в качестве оси вращения, которая проходит перпендикулярно плоскости чертежа. Проекции модулей Блюмляйна 11 в направлении траектории 35 луча за счет их поворота относительно друг друга не перекрываются.

Две радиально направленные стрелки 37 обозначают для модуля Блюмляйна 11 направление распространения электромагнитных волн, которые могут водиться на входной стороне 17 модуля Блюмляйна 11. Электромагнитные волны распространяются к лучевой трубке 31. За счет этого создается конфигурация электромагнитных полей, которая по меньшей мере частично создает магнитный поток, который проходит в лучевой трубке 31 и который изменяется во времени. Этот изменяющийся во времени магнитный поток формирует внутри лучевой трубки 31 ускоряющий электрический потенциал вдоль траектории 35 луча.

Магнитный поток, который вырабатывается электромагнитной волной, распространяющейся в модуле Блюмляйна, выходит, в том числе, в сторону из отдельных модулей Блюмляйна, что обозначено пунктирными стрелками 39. Посредством повернутых относительно друг друга модулей Блюмляйна 11 этот выступающий в сторону магнитный поток теперь частично направляется таким образом, что он входит в другие модули Блюмляйна 11 и, тем самым, закручивается вкруг лучевой трубки 31.

Без поворота модулей Блюмляйна 11 часть этого магнитного потока, который теперь направляется вокруг лучевой трубки 31, проводится вокруг продольного направления выполненных в форме полосы модулей Блюмляйна 11, то есть в направлении распространения электромагнитных волн. Эта часть, тем самым, не вносила бы вклад в ускоряющий электрический потенциал. За счет поворота модулей Блюмляйна 11 относительно друг друга формируемый ускоряющий электрический потенциал повышается, так как возникающий магнитный поток в большей степени направляется вокруг лучевой трубки 31.

Для соединения модулей Блюмляйна может быть предусмотрен кольцевой электрод 41, который позволяет вводить электромагнитные ударные волны в модули Блюмляйна 11.

Фиг.3 показывает вид в перспективе восьми выполненных в форме полосы модулей Блюмляйна 11. На этом виде в перспективе можно ясно видеть, что модули Блюмляйна скрещены друг с другом. Для скрещивания линий задержки одна выполненная в форме полосы линия задержки больше не проходит в одной плоскости, а изгибается. Фиг.4 показывает увеличенное представление самой верхней линии задержки пакета, на котором можно видеть слоистую структуру со средним электродом 25 и двумя внешними электродами 23.

За счет того, что периферия при увеличении радиуса увеличивается, то с увеличением радиуса имеется больше места для размещения, чтобы модули Блюмляйна 11 расположить рядом друг с другом, в то время как вокруг лучевой трубки 31 модули Блюмляйна 11 расположены друг за другом вдоль лучевой трубки 31, таким образом, в форме пакета.

Расположенные рядом друг с другом скрещенные линии задержки можно легко соединять с помощью кольцевого электрода, расположенного в одной плоскости.

Фиг.5 показывает расположенные вокруг лучевой трубки 31 огибающие поверхности 43, которые имеют гиперболически уменьшающуюся высоту h с увеличением радиуса R. Для лучшего представления огибающие поверхности 43 и лучевая трубка 31 представлены в сечении. Показанные на фиг.3, скрещенные друг с другом, выполненные в форме полосы линии задержки могут таким образом располагаться в пределах одной огибающей поверхности 43, потому что они находятся в пределах огибающей поверхности 43. За счет этого могут быть достигнуты описанные выше преимущества. Показанная на фиг.3 группа со скрещенными друг с другом, выполненными в форме полосы линиями задержки может повторно располагаться вдоль лучевой трубки, так что возможным является формирование большого ускоряющего потенциала.

1. Ускоритель для ускорения заряженных частиц, содержащий
множество линий задержки (13, 15), которые подходят к траектории (35) луча и которые в направлении траектории (35) луча размещены друг за другом,
по меньшей мере некоторые из линий задержки (13, 15) по отношению к траектории (35) луча повернуты относительно друг друга,
отличающийся тем, что
для части линий задержки (13, 15) линии задержки (13, 15) скрещены друг с другом таким образом, что скрещенные между собой линии задержки (13, 15) имеют форму, которая имеет спадающую радиально наружу высоту.

2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что линии задержки (13, 15) размещены в модулях Блюмляйна (11), причем модуль Блюмляйна (11) содержит пару из быстрой линии задержки (15) и медленной линии задержки (13), причем по меньшей мере часть модулей Блюмляйна (11) повернуты относительно траектории (35) луча относительно друг друга.

3. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что линии задержки (13, 15) выполнены в форме полос.

4. Ускоритель по п.2, отличающийся тем, что линии задержки (13, 15) выполнены в форме полос.

5. Ускоритель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что форма скрещенных между собой линий задержки (13, 15) располагается в пределах вращательно симметричной относительно траектории (35) луча огибающей поверхности (43), которая имеет радиально наружу спадающую высоту.

6. Ускоритель по п.5, отличающийся тем, что огибающая поверхность (43) образована вращением гиперболы вокруг траектории (35) луча.

7. Ускоритель по любому из пп.1-4, 6, отличающийся тем, что линии задержки (13, 15) соединены друг с другом посредством кольцевого электрода (41).

8. Ускоритель по п.5, отличающийся тем, что линии задержки (13, 15) соединены друг с другом посредством кольцевого электрода (41).