Linearbeschleuniger für geladene Teilchen

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf einen Beschleuniger (1) für geladene Teilchen mit einer evakuierten Beschleunigerröhre (2) und einem die Beschleunigerröhre vakuumdicht abschließenden Austrittsfenster (8) für die beschleunigten Teilchen. Bei solchen Beschleunigern werden nämlich bei der Beschleunigung von Elektronen Sekundärelektronen am Austrittsfenster erzeugt, die in der Beschleunigerröhre nach Rückwärts beschleunigt werden und am gegenüberliegenden Ende der Beschleunigerröhre harte Röntgenstrahlung erzeugt. Um diese unerwünschte Röntgenstrahlung zu verhindern, sieht die Erfindung vor, daß in der Nähe des Austrittsfensters eine Vorrichtung (14, 16, 18) zur wiederholten Ablenkung des Strahles geladener Teilchen angeordnet ist. Des weiteren kann die Vorrichtung an dem dem Austrittsfenster abgewandten Ende der Beschleunigerröhre angeordnet sein und kann die Vorrichtung den Strahl geladener Teilchen kreisförmig ablenken Ein erfindungsgemäßer Beschleuniger ist insbesondere fur den Einsatz in der Strahlentherapie geeignet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Beschleuniger für geladene Teilchen mit einer evakuierten Beschleunigerröhre und einem die Beschleunigerröhre vakuumdicht abschließenden Austrittsfenster für die beschleunigten Teilchen.

[0002] Beschleuniger für geladene Teilchen, vorwiegend Elektronen-, gelegentlich auch Protonenbeschleuniger, werden hauptsächlich in der medizinischen Strahlentherapie seltener für Zwecke der Strahlendurchleuchtung und Sterilisation von Proben aller Artbenützt. Sie erzeugen einen eng gebündelten Strahl beschleunigter geladener Teilchen. Elektronenbeschleuniger, meist Linearbeschleuniger, seltener Kreisbeschleuniger (Betatrons) werden jedoch auch dazu verwendet, um Röntgenstrahlung mit einem dem Elektronenstrahl ausgesetzten Target zu erzeugen. Diese meist sehr harte Röntgenstrahlung wird wiederum meist zur medizinischen Strahlentherapie, gelegentlich aber auch zur Sterilisation von Proben aller Art verwendet.

[0003] Die Beschleunigung der geladenen Teilchen erfolgt im Inneren einer evakuierten Beschleunigerröhre. Zur Applikation müssen die geladenen Teilchen, oder aber die Röntgenstrahlung des dem Teilchenstrahl ausgesetzten Targets, durch ein die Beschleunigerröhre vakuumdicht abschließendes Austrittsfenster nach außen gelangen. Das Austrittsfenster besteht im allgemeinen aus einer dünnen Metallfolie. Der Strahl geladener Teilchen besitzt bei gängigen Elektronenbeschleunigern Energien von etwa 4 MeV. Beim Auftreffen des Teilchenstrahls auf der Metallfolie werden Sekundärelektronen aus der Metallfolie herausgeschlagen. Außerdem wird das Austrittsfenster an der Auftreffstelle des Teilchenstrahls erwärmt. Die Sekundärelektronen treten zu einem Teil auch nach rückwärts gerichtet ins Innere der Beschleunigerröhre hinein, aus dem Material des Strahlenaustrittsfensters aus. Diese Sekundärelektronen werden im elektrischen Feld der Beschleunigerröhre nach rückwärts beschleunigt und treffen mit der vollen Beschleunigungsenergie auf das dem Austrittsfenster gegenüberliegende Ende der Beschleunigungsröhre auf. Dort erzeugen sie wiederum Sekundärelektronen und vor allem harte Röntgenstrahlung. Zur Abschirmung derselben ist eine starke und schwere Strahlenschutzumkleidung auch ' dieses Endes der Beschleunigungsröhre erforderlich. Schließlich besteht bei hoher Strahlleistung auch die Gefahr des Überhitzens des Austrittsfensters am Auftreffpunkt des Teilchenstrahls. Dies führt zu einer-Steigerung der Erzeugungsrate der Sekundärelektronen und ist in Extremfällen auch mit der Gefahr des Durchschmelzens des Austrittsfensters mit der Folge der Zerstörung der Beschleunigerröhre verbunden.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Beschleuniger für die geladenen Teilchen kleiner, leichter und sicher zu beuen und zugleich den.Strahlenschutz sowie die Betriebssicherheit zu verbessern.

[0005] Bei einem Teilchenbeschleuniger der eingangs genannten Art ist daher erfindungsgemäß in der Nähe des Austrittsfensters eine Vorrichtung zur wiederholten Ablenkung des Strahls geladener Teilchen angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß auch die am Austrittsfenster emittierten thermischen Sekundärelektronen abgelenkt werden. Sie werden jedoch in Folge ihrer geringeren Engergie ungleich stärker abgelenkt als die beschleunigten Primärelektronen. Dies hat zur Folge, daß die vom Austrittsfenster emittierten Sekundärelektronen auf die das Austrittsfenster umgebende Wandung der Beschleunigerröhre abgelenkt werden, während die beschleunigten Primärelektronen gleichzeitig eine nur ganz geringe Ablenkung erfahren. Die auf die Wandung der Beschleunigerröhre auftreffenden Sekundärelektronen können nun nicht mehr nach rückwärts beschleunigt werden und keine Röntgenquanten mehr an dem dem Austrittsfenster gegenüberliegenden Ende der Beschleunigerröhre auslösen. Daher können die Strahlenschutzmaßnahmen in diesem Bereich weitgehend vermindert werden. Außerdem vergrößert sich so im zeitlichen Mittel die Auftreffläche der beschleunigten Elektronen auf dem Austrittsfenster, so daß die lokale thermische Belastung vermindert wird. Dadurch wird sowohl die Ausbeute an Sekundärelektronen vermindert und als Nebeneffekt auch die maximale thermisch zulässige Strahlleistung erhöht.

[0006] Eine besonders zweckmäßige Konstruktion ergibt sich wenn die Vorrichtung in Ausgestaltung der Erfindung an dem dem Austrittsfenster zugewandten Ende der Beschleunigerröhre angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, daß sie sich in unmittelbarer Nähe des Entstehungsortes der Sekundärelektronen befindet und die Sekundärelektronen noch vor dem Durchlaufen des ersten Hohlraumresonators der Beschleunigerröhre, d.h. mit der geringstmöglichen Energie an die Wand der Beschleunigerröhre ablenken. Hierdurch können die ablenkenden Kräfte besonders klein gehalten werden und wird die Ablenkung des Strahls beschleunigter Teilchen - der Primärstrahlung also - minimiert.

[0007] In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Vorrichtung den Strahl geladener Teilchen kreisförmig ablenken. Dies hat zur Folge, daß. das ablenkende Feld stets unglich Null ist und am Austrittsfenster erzeugte Sekundärelektronen zu keinem Zeitintervall nach rückwärts beschleunigt werden können. Außerdem wird so die Auftreffläche des Teilchenstrahls auf dem Fenster bei geringstmöglicher Ablenkkraft maximiert.

[0008] Eine besonders einfache lösung ergibt sich, wenn die Vorrichtung in Ausgestaltung der Erfindung den Strahl geladener Teilchen in linearer Richtung vor und zurück ablenkt. In diesem Fall werden die Sekundärelektronen auf einander gegenüberliegenden Seiten der Beschleunigerröhre abgelenkt. In diesem Fall muß jedoch anderweitig dafür Sorge getragen werden, daß kein Strahlimpuls während des Feldnulldurchganges der Ablenkvorrichtung erzeugt wird.

[0009] Eine besonders zweckmäßige Konstruktion ergibt sich, wenn die Vorrichtung in Weiterbildung der Erfindung ein wechselndes Magnetfeld erzeugt. Ein solches Magnetfeld läßt sich anders als ein ablenkendes elektrisches Feld außerhalb der Beschleunigerröhre erzeugen und ohne Durchführungen oder sonstige Einbauten im Innern der Beschleunigerröhre im Inneren der Beschleunigerröhre zu Wirkung bringen.

[0010] Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Beschleunigerröhre,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 eine Aufsicht auf den Auftreffpunkt des Strahls geladener Teilchen auf das Austrittsfenster bei ausgeschalteten und eingeschalteten Magnetspulen,

Fig. 4 eine Aufsicht auf den-Auftreffpunkt des Strahls geladener Teilchen auf das Austrittsfenster bei einer einzigen eingeschalteten Magnetspule,

Fig. 5 eine- Schaltanordnung für die Magnetspulen der Fig. 2 und

Fig. 6 eine Schaltanordnung zur Änderung der an den drei Spulen der Fig. 2 anliegenden Spannung.

[0011] Die Fig. 1 und 2 zeigen in stark schematisierter Darstellung einen Linearbeschleuniger 1, wie er für medizinische Zwecke verwendet wird. Seine Beschleunigerröhre 2 trägt an ihrem einen Ende eine Teibhenquelle 4 und an ihrem anderen Ende ein Strahlenaustrittsfenster 8. Von der Teilchenquelle 4 werden im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels Elektronen ins Innere der Beschleunigungsröhre 2 emittiert. Diese Elektronen werden durch die im Innern der Beschleunigerröhre erzeugten elektrischen Felder beschleunigt. Zu diesem Zweck besteht die Beschleunigerröhre aus einer Reihe von aneinandergekuppelten Hohlraumresonatoren 5, an die, in hier nicht weiter dargestellter Weise, eine elektromagnetische Welle, sei es als stehende oder als Wanderwelle, angekuppelt wird. Die Beschleunigerröhre 2 eines Linearbeschleunigers ist im wesentlichen rotationssymmetrisch und besitzt eine gerade Symmetrieachse 6. Sie ist evakuiert. Eine solche Beschleunigerröhre ist beispielsweise unter der Typenbezeichnung "Los Alamos" bekannt.

[0012] Die durch die Teilchenquelle 4, einer Glühkathode mit nachgeschalteter Vorbeschleunigungsstecke (nicht dargestellt), in die Beschleunigerröhre 2 eingeschlossenen Elektronen werden längs der Symmetrieachse 6 der Beschleunigerröhre 2 im Takt der angekuppelten Hochfrequenz beschleunigt. Auf das Austrittsfenster 8 trifft daher ein gepulster Elektronenstrahl auf. Das Austrittsfenster besteht aus einer dünnen Metallfolie, die die Beschleunigerröhre vakuumdicht abschließt. Die Metallfolie soll bei Teilchenbeschleunigern möglichst dünn sein, um den Teilchenstrahl so wenig wie möglich zu schwächen. Der auf das Strahlenaustrittsfenster auftreffende Elektronenstrahl hat einen Durchmesser von ca. 0, 5 mm. In den Fig. 3 und 4 ist der Auftreffpunkt des nicht abgelenkten Elektronenstrahls auf das Austrittsfenster mit 10 bezeichnet.

[0013] Die beschleunigten Elektronen verlassen das Austrittsfenster 8 als Elektronenstrahl 12. Die Elektronen haben im Ausführungsbeispiel eine Energie von 4 MeV. Dieser austretende Elektronenstrahl 12 kann auch auf ein im Bedarfsfall in seinen Weg gebrachtes Target (13) auftreffen, um Röntgenstrahlenimpulse zu erzeugen. In der Strahlenthera^pie werden entweder der austretende Elektronenstrahl 12 oder die vom Target emittierten Röntgenstrahlen eingesetzt.

[0014] Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, ist eine magnetische Ablenkvorrichtung 14, 16, 18 zur wiederholten Ablenkung des Strahls an der Beschleunigerröhre in einer Ebene unmittelbar vor dem Strahlenaustrittsfenster 8 angeordnet. Die Wandung der Beschleunigerröhre besteht im Ausführungsbeispiel aus nicht ferromagnetischem Material, vorzugsweise aus Kupfer. Die Wirkung einer solchen Ablenkvorrichtung besteht darin, daß sie die vom Austrittsfenster aus ins Innere der Beschleunigerröhre 2 austretenden Sekundärelektronen gegen die Wandung der Beschleunigerröhre ablenkt. Außerdem vergrößert sie über die Zeit gemittelt die Auftreffläche 10 der beschleunigten Elektronen auf das Austrittsfenster und vermindert so dessen örtliche thermische Belastung. In den Figuren 3 und 4 ist in vergrößerter Darstellung die durch periodische Ablenkung im Zeitmittel vergrößerte Auftreffläche 10a des Teilchenstrahls auf dem Austrittsfenster 8 eingezeichnet.

[0015] Im Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 besitzt die magnetische Ablenkvorrichtung drei Magnetspulen 14, 16, 18. Damit diese ihr veränderliches Magnetfeld so nah wie möglich an der Auftreffläche der Elektronen auf das Austrittsfenster zur Wirkung bringen, sind diese. Magnetspulen an der Außenseite der Beschleunigerröhre in Strahlenrichtung etwas vor dem Strahlenaustrittsfenster 3 angeordnet. Die drei Magnetspulen sind um 120° gegeneinander um die Symmetrieachse 6 der Beschleunigerröhre 2 und damit zugleich auch um den längs der Symmetrieachse beschleunigten Elektronenstrahl versetzt angeordnet. Die drei Symmetrieachsen 24, 26, 28 der Magnetspulen 14, 16, 18 sind senkrecht zur Richtung des Elektronenstrahls ausgerichtet. Sie treffen sich in einem gemeinsamen Punkt auf der Symmetrieachse der Beschleunigerröhre.

[0016] Die Magnetspulen 14, 16, 18 sind an Wechselspannung angeschossen. Als Wechselspannungsquelle eignet sich am besten Drehstrom. So wie das in der Fig. 5 gezeigt ist, können die Magnetspulen an den Polen U, V und W der Drehstromquelle angeschlossen werden. Bei eingeschaltetem Strom erzeugt jede der drei Spulen ein Magnetfeld, das eine rechtwinklig zur Symmetrieachse der Beschleunigerröhre gerichtete Kraftkomponente besitzt. Das magnetische Feld der Magnetspule 14 ist in der Fig. 2 herausgezeichnet und mit 25 bezeichnet. Die Fig. 2 läßt erkennen, daß die Magnetspulen 14, 16 und 18 des Ausführungsbeispiels, an den kreisförmigen Umfang der Beschleunigerröhre 2 angepaßt sind. Auf diese Weise wird ein besserer Übergang des magnetischen Feldes als mit geraden Spulen erreicht: Magnetspulen ohne Kern haben sich gut bewährt.

[0017] Mit Hilfe der drei Magnetspulen 14, 16 und 18 wird ein Drehfeld erzeugt. Unter der Voraussetzung, daß die drei Spulen dieselbe Dimension haben und vom selben Drehstrom durchflossen werden, wird der Elektronenstrahl kreisförmig um den Auftreffpunkt der Symmetrieachse 6 auf dem Strahlenaustrittsfenster 8 herum verschoben. Dies wird in der Fig. 3 gezeigt. Dort ist in vergrößerter Darstellung sowohl die Auftreffläche 10 des Elektronenstrahls bei abgeschalteten Magnetspulen als auch die Auftreffläche 10a des kreisförmig abgelenkten Elektronenstrahls auf dem Austrittsfenster bei eingeschalteten Magnetspulen dargestellt. Wird nur eine der drei Magnetspulen 14, 16, 18 eingeschaltet, so wird nur eine lineare Verschiebung des Auftreffpunkts des Elektronenstrahls auf dem Austrittsfenster erreicht, so wie das in Fig. 4 gezeigt wird.

[0018] Es ist auch möglich, daß die drei Magnetspulen in unterschiedlichem Abstand von der Beschleunigerröhre 2 anzuordnen sind, wenn beispielsweise an einer Stelle andere Bauelemente an der Beschleunigerröhre befestigt sind. In solche einem Fall kann das gleichmäßige Drehfeld dadurch erreicht werden, daß die eine, weiter entfernte Spule über einen Anpassungstransformator an eine höhere Spannung gelegt wird. Ein solcher Anpassungstransformator 30 in Dreieckschaltung ist in der Fig. 6 dargestellt. Er dient dazu um den Magnetspulenstrom bei unterschiedlichen Windungszahlen oder unterschiedlichem Windungsdurchmesser so zu kompensieren, daß das magnetische Feld trotz unterschiedlicher Spulenabmessungen und/oder Spulenabstand im Innern der Beschleungerröhre gleich groß ist. Auch wenn die eine Spule zum Beispiel aus Platzgründen kleiner gehalten werden muß als die andere Spule, dann kann dies durch eine Kompensation des Stromes durch diese Spule ausgeglichen werden. Der Transformator 30 ist einerseits an die Anschlüsse U, V" W einer Drehstromversorgung und auf der anderen Seite an der oder die Magnetspulen angeschlossen. Am einfachsten ist es, hierzu den Drehstrom aus dem öffentlichen Netz zu verwenden.

[0019] Wenn die Elektronen mit einer Pulsfrequenz von 300 Impulsen pro Sekunde beschleunigt werden und die Netzfrequenz des Drehstromes 50 oder 60 Hz beträgt, so dreht sich der Auftreffpunkt 15 auf dem Kreis 10a etwa 50 oder 60 mal pro Sekunde. Dabei werden während einer einzigen Umdrehung fünf bis sechs Elektronenimpulse auf das Strahlenaustrittsfenster auftreffen. Das führt dazu, daß die thermische Energie, die beim Aufprallen der Elektronen auf das Strahlenaustrittsfenster erzeugt wird, sich auf einem wesentlich größeren Querschnitt verteilt. So läßt sich beispielsweise die ursprüngliche Auftrefffläche von 0, 5 mm² auf 2 mm² vergrößern. Das hat zur Folge, daß auch die örtliche Aufheizung und damit die Emission von Sekundärelektronen selbst vermindert wird. Als Nebeneffekt wird außerdem die Gefahr eines Durchbrennens des Strahlenaustrittsfensters verringert.

[0020] Während die Primärelektronen auf Energien von etwa 4 MeV beschleunigt werden und nur sehr geringfügig durch das kreisförmige Magnetfeld abgelenkt werden, haben die Sekundärelektronen niedrigere, sog. thermische Energie. Sie würden ohne die Spulen 14, 16, 18 längs der Symmetrieachse der Beschleunigerröhre in entgegengesetzter Richtung auf die Elektronenquelle 4 zu be-schleunigt werden und dort beim Auftreffen auf die dortige Wandung, bzw. in der Wandung eingesetzten Teilchenquelle 4, energiereiche Röntgenstrahlen erzeugen. Dies würde ihrerseits wiederum eine aufwendige, schwere und platzbeanspruchende Abschirmung erforderlich machen. Diese unerwünschte nach Rückwärts gerichtete harte Röntgenstrahlung ist in der Fig. 1 mit 44 bezeichnet. Die Magnetfelder der eingeschalteten Magnetspulen 14, 16, 18 lenken aber diese am Austrittsfenster noch langsamen thermischen Elektronen aus ihrer ursprünglichen Richtung ab und lassen sie gegen die inneren Wände der Beschleunigerröhre stoßen. Auf diese Weise kann der Aufwand für die Strahlenabschirmung deutlich vermindert werden.

[0021] Der Aufwand könnte noch weiter vermindert werden, wenn statt der drei Magnetspulen nur eine Magnetspule auf der Beschleunigerröhre befestigt würde und die Emission der Teilchenquelle 4 in Abhängigkeit des Stromes durch die Magnetspule so gesteuert wird, daß sie nur bei aufgebautem Magnetfeld erfolgen kann. Es wäre auch möglich statt der von Wechselstrom durchflossenen Magnetspulen ein konstantes Magnetfeld, beispielsweise eines Permanentmagneten zu verwenden. In diesem Fall würden die Sekundärelektronen genauso abgefangen, nur würde die thermische Belastung des Strahlenaustrittsfensters nicht vermindert.

Ansprüche

1. Beschleuniger für geladene Teilchen mit einer evakuierten Beschleunigerröhre und einem die Beschleunigerröhre vakuumdicht abschließenden Austrittsfenster für die beschleunigten Teilchen, dadurch gekennzeichnet , daß in der Nähe des Austrittsfensters (8) eine Vorrichtung (14, 16, 18) zur wiederholten Ablenkung des Strahls geladener Teilchen angeordnet ist.

2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (14, 16, 18) an dem dem Austrittsfenster (8) zugewandten Ende der Beschleunigerröhre (2) angeordnet ist.

3. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (14, 16, 18) den Strahl geladener Teilchen kreisförmig ablenkt.

4. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch . gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (14, 16, 18) den Strahl geladener Teilchen in linearer Richtung vor und zurück ablenkt.

5. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (14, 16, 18) ein wechselndes Magnetfeld erzeugt.

6. Beschleuniger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (14, 16, 18) mindestens eine Magnetspule umfaßt.

7. Beschleuniger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Magnetspule (14, 16, 18) am äußeren Umfang der aus nicht ferromagnetischem Material bestehenden Beschleunigerröhre (2) angeordnet ist.

8. Beschleuniger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Achse (24, 26, 28) der Magnetspule (14, 16, 18) senkrecht zur Richtung des Strahls geladener Teilchen in der Beschleunigerröhre (2) ausgerichtet ist.

9. Beschleuniger nach Anapruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß drei Magnetspulen (14, 16, 18) gegeneinander um 120°versetzt um den Strahl geladener Teilchen herum angeordnet sind.

10. Beschleuniger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Achsen (24, 26, 28) der drei Magnetspulen (14, 16, 18) in einem einzigen, auf der Symmetrieachse (6) der Beschleunigerröhre gelegenen Punkt schneiden.

11. Beschleuniger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die drei Magnetspulen (14, 16, 18) an Drehstrom angeschlossen sind.

12. Beschleunger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Magnetfeld (25) der drei Magnet spulen (14, 16, 18) im Bereich des Austrittsfensters (8) bei, bezogen auf die Symmetrieachse (6) der Beschleunigerröhre (2) unsymmetrische Anordnung der Magnetspulen, durch Kompensation der angelegten Spannungen und/oder Spulengrößen exakt gleich gehalten ist.

13. Beschleuniger für geladene Teilchen mit einer evakuierten Beschleunigerröhre und einem die Beschleunigerröhre vakuumdicht abschließenden Austrittsfenster für die beschleunigten Teibhen im wesentlichen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vorrichtung zur konstanten Ablenkung des Strahls geladener Teilchen in der Nähe des Austrittsfensters angeordnet ist.

14. Beschleuniger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung ein konstantes Magnetfeld erzeugt.

Zeichnung