Ускоритель и способ управления ускорителем

Изобретение относится к ускорителю для ускорения заряженных частиц. Заявленный ускоритель содержит, по меньшей мере, два последовательно установленных по ходу луча высокочастотных резонатора, с помощью которых ускоряется импульсная последовательность, содержащая несколько пучков частиц. Также ускоритель содержит устройство управления для управления высокочастотными резонаторами. С помощью устройства управления соответствующие высокочастотные поля, создаваемые в высокочастотных резонаторах во время ускорения импульсной последовательности, регулируются независимо друг от друга таким образом, что при ускорении импульсной последовательности несколько пучков частиц импульсной последовательности получают разные ускорения. Кроме того, изобретение предусматривает регулирование создаваемых полей в высокочастотных резонаторах во время ускорения импульсной последовательности независимо друг от друга таким образом, что при ускорении импульсной последовательности несколько пучков импульсной последовательности частиц получают разные ускорения. Техническим результатом является повышение эффективности ускорения заряженных частиц разного рода до различных энергий с возможностью повышения гибкости управления работой ускорителя, а также возможность быстрого облучения большого диапазона глубин. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к ускорителю, содержащему, по меньшей мере, два высокочастотных резонатора и используемому для ускорения заряженных частиц, а также к способу управления таким ускорителем. Такие ускорители находят применение в самых разных областях. В частности, такие ускорители могут использоваться также в способах облучения, при котором заряженные частицы ускоряются, направляются на целевой объем и депонируют в целевом объеме дозу в описываемой области.

Для ускорения заряженных частиц имеется множество различных ускоряющих структур. У определенного вида ускорителей луч из заряженных частиц пересекает так называемые высокочастотные резонаторы. В высокочастотных электромагнитных полях, возбуждаемых в высокочастотных резонаторах, действующих на поток частиц и настроенных на него, частицы при пересечении высокочастотных резонаторов ускоряются.

В печатном издании «Beam acceleration in the single-gap resonator section of the UNILAC using alternating phase focusing» раскрывается, например, линейный ускоритель, на концевом участке которого находятся 10 высокочастотных резонаторов, у которых амплитуда с высокой частотой и высокочастотная фаза колебаний устанавливаются независимо друг от друга.

Задачей изобретения является создание ускорителя, обеспечивающего эффективное и гибкое ускорение заряженных частиц различного рода. Кроме того, задачей изобретения является создание способа управления таким ускорителем.

Эта задача решается с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствованные варианты выполнения отображены в признаках зависимых пунктов формулы изобретения.

Ускоритель для ускорения заряженных частиц согласно изобретению содержит:

- по меньшей мере, два последовательно установленных по ходу луча высокочастотных резонатора, с помощью которых ускоряется импульсная последовательность, содержащая несколько пучков частиц, и

- устройство управления для управления высокочастотными резонаторами,

причем с помощью устройства управления соответствующие высокочастотные поля, создаваемые в высокочастотных резонаторах, во время ускорения импульсной последовательности регулируются независимо друг от друга таким образом, что при ускорении импульсной последовательности несколько пучков частиц импульсной последовательности получают разные ускорения.

В основу изобретения положено понимание того, что в прежних ускорителях с высокочастотными резонаторами импульсная последовательность, состоящая из нескольких пакетов или пучков частиц, ускоряется таким образом, что, по существу, все пучки частиц получают одинаковое ускорение. Это предпочтительно также для многих случаев применения, например, если ускоренные пучки частиц должны подаваться в следующий ускоритель, например синхротрон. Однако установлено, что для ускорителя открываются новые возможности использования, если пучки частиц ускоряются по-разному, так что частицы импульсной последовательности после ускорения имеют не только одну, а множество энергий. В частности, при облучении целевого объема, облучаемого пучками частиц с разными энергиями, дозой, таким образом, может быть очень быстро облучен большой диапазон глубин.

Разное ускорение нескольких пучков частиц импульсной последовательности достигается индивидуальным управлением высокочастотными резонаторами во время ускорения импульсной последовательности. Это означает, что высокочастотные поля, вводимые в высокочастотные резонаторы, в отношении своих характеристик регулируются индивидуально, т.е. независимо друг от друга. Это достигается тем, что высокочастотная мощность посредством вводящих структур вводится в соответствующие высокочастотные резонаторы раздельно, причем характеристика отдельно вводимой высокочастотной мощности управляется и/или регулируется индивидуально.

Было установлено, что это имеет решающее преимущество по сравнению с высокочастотными резонаторами обычного n-ступенчатого ускорителя, в котором высокочастотным передатчиком возбуждается только один высокочастотный резонатор и в котором другие высокочастотные резонаторы резонируют за счет передачи высокочастотного поля, например, в результате использования прохода для прохождения частиц при передаче или за счет специальных соединительных структур. По существу, для местной передачи энергии в резонирующих высокочастотных резонаторах в продольном направлении создается стоячая волна. Поэтому соответствующая разность фаз у двух последовательно установленных высокочастотных резонаторов составляет только целое число, кратное 180°/N, где N означает число последовательно соединенных высокочастотных резонаторов. Это означает существенное ограничение для выбора вида используемых частиц и регулируемой конечной энергии. Кроме того, такой ускоритель имеет тот недостаток, что желательный тип колебаний и пропорциональное распределение амплитуд - амплитуда без амплитудной коррекции по мере удаления от питающего резонатора убывает по экспоненте - достигается очень трудно, тем более, что высокочастотные резонаторы по причинам потребности в мощности излучения имеют очень высокие добротности резонансного контура. Отдельные типы колебаний имеют, например, резонансные частоты, очень близкие друг к другу, вследствие чего желательный тип колебаний устанавливается и стабилизируется с большим трудом. Часто может происходить отток энергии в другие близкие, непригодные типы колебаний.

В то же время с ускорителем согласно изобретению многие из этих проблем преодолеваются. Ускоритель позволяет регулировать вводимое высокочастотное поле для каждого высокочастотного резонатора и его ускоряющего промежутка отдельно. Благодаря этому каждый высокочастотный резонатор оптимально настраивается и устанавливается на проходящий пакет частиц. Каждому пакету частиц может быть предоставлена наилучшая возможность воздействия без учета распространения энергии высокочастотных полей между высокочастотными резонаторами.

Поскольку нет необходимости принимать во внимание распространение энергии от высокочастотного резонатора к высокочастотному резонатору, ускоритель может управляться очень гибко. Различные эффекты, отрицательно воздействующие на ускорение частиц, могут быть скомпенсированы простейшим образом. Так называемый спад импульса (Pulsdroop), т.е. увеличение или уменьшение амплитуды с высокой частотой во время импульсной последовательности, например, в результате переходного процесса и/или посадки напряжения в приборе с питанием от сети может быть скомпенсирован. Продольная стабильность, т.е. контроль эффективности электрического поля по длине пакета частиц достигается проще.

Кроме того, имеет место очень большая гибкость при выборе достигаемой конечной энергии частиц. Так, например, энергия частиц, в частности, может регулироваться независимо от амплитуды с высокой частотой, для чего, например, у одного или нескольких высокочастотных резонаторов изменяется фаза.

В качестве другого важного эффекта получается, что высокочастотная мощность не подается больше в одно место, а подается в распределении по отдельным высокочастотным резонаторам, так что в структуре ввода происходит сокращение плотности энергии. В общем, таким образом, в ускоритель может быть подана довольно большая общая высокочастотная мощность, и тем самым может быть создано довольно сильное ускоряющее высокочастотное поле. При одинаковой мощности может быть получена более компактная конструкция.

В одном из вариантов выполнения это может быть достигнуто за счет того, что устройство управления выполнено таким образом, что во время ускорения импульсной последовательности у одного или нескольких высокочастотных резонаторов варьируется параметр, характеризующий высокочастотное поле. Например, во время ускорения импульсной последовательности могут варьироваться амплитуда с высокой частотой высокочастотного поля, частота высокочастотного поля или высокочастотная фаза высокочастотного поля или любая комбинация из этих трех параметров. Поскольку это происходит во время ускорения импульсной последовательности, отдельные пучки частиц испытывают соответствующие разные ускорения, когда они проходят через высокочастотный резонатор или резонаторы, в которых варьируется этот параметр.

В одном из других вариантов выполнения, который может быть осуществлен в порядке альтернативы или дополнения к вышеописанному варианту выполнения, разные ускорения могут достигаться также путем временного варьирования с помощью устройства управления во время ускорения импульсной последовательности относительной высокочастотной фазой относительной амплитуды с высокой частотой между двумя, по меньшей мере, из двух высокочастотных резонаторов. В этом варианте выполнения во время ускорения для достижения изменения высокочастотной фазы необязательно должен варьироваться параметр, характеризующий высокочастотное поле. Например, в двух высокочастотных резонаторах могут индуцироваться высокочастотные поля с разными высокими частотами. Однако благодаря разным частотам обоих этих высокочастотных резонаторов между высокочастотными полями получается разность фаз, варьирующаяся во времени. При постоянной разности частот происходит линейное изменение фаз во времени. Однако во время ускорения импульсной последовательности установка соответствующих высокочастотных полей может оставаться постоянной.

Отдельные высокочастотные резонаторы имеют между собой электромагнитную развязку. Электромагнитная развязка отдельных высокочастотных резонаторов может достигаться с помощью различных мер, например за счет толстых стенок резонаторов, длинных труб дрейфа с небольшим отверстием или отказа от специальных высокочастотных элементов связи. Высокочастотные резонаторы с добротной электромагнитной развязкой оснащены соответствующими собственными высокочастотными передатчиками. Высокочастотные передатчики и тем самым высокочастотные резонаторы управляются индивидуальными частотами, фазами и амплитудами. Таким образом, например, во время импульсной последовательности можно варьировать относительными фазами и амплитудами высокочастотных резонаторов.

В частности, в ускорителях для заряженных частиц, как, например, ионы, которые должны разгоняться до низкорелятивистских скоростей или энергий, усилитель содержит более двух резонаторов, причем ускоритель имеет непериодическую структуру резонатора. Непериодичность является следствием того, что скорость частиц в ходе ускорения значительно возрастает. Это означает, например, что последовательно установленные высокочастотные резонаторы не образуют никаких периодических структур, так что, например, расстояние между двумя соответствующими высокочастотными резонаторами изменяется непериодическим образом.

Такой ускоритель с индивидуальными управляемыми высокочастотными резонаторами реализуется относительно просто по сравнению с ускорителями, в которых между высокочастотными резонаторами происходит резонансное распространение энергии высокочастотного поля. А именно последняя структура оставляет лишь немного свободы для дополнительного соблюдения других краевых условий или установки заданий.

В способе согласно изобретению ускоритель для ускорения заряженных частиц управляется, по меньшей мере, двумя высокочастотными резонаторами, последовательно установленными по ходу луча, причем ускоряется импульсная последовательность, содержащая несколько пучков частиц. Соответствующие высокочастотные поля, создаваемые в высокочастотных резонаторах во время ускорения импульсной последовательности, регулируются независимо друг от друга таким образом, что при ускорении импульсной последовательности несколько пучков частиц импульсной последовательности получают разные ускорения.

Вышеприведенные и последующие варианты выполнения относятся к признакам, принцип действия и преимущества которых касаются соответствующих категорий устройств и способов без соответствующего явного упоминания об этом. Раскрытые при этом отдельные признаки могут быть существенными с точки зрения изобретения и в других комбинациях.

Варианты выполнения изобретения с предпочтительными усовершенствованиями согласно признакам зависимых пунктов формулы изобретения более подробно поясняются со ссылкой на следующие чертежи, однако не ограничиваются ими.

При этом:

фиг. 1 изображает схему структуры ускорителя с несколькими индивидуально управляемыми высокочастотными резонаторами,

фиг. 2 изображает схематично диаграмму со стадиями технологического процесса, выполняемыми под управлением ускорителя во время ускорения импульсной последовательности.

На фиг. 1 весьма схематично изображен ускоритель. Фиг. 1 служит для пояснения лежащего в основе принципа и потому для наглядности она очень сильно упрощена.

Ускоритель 11 служит для ускорения импульсной последовательности 13, содержащей несколько пучков 15 частиц. Импульсная последовательность подается от здесь не показанного источника. Импульсная последовательность 13 направляется высокочастотными резонаторами 17, в которых пучки 15 частиц соответственно ускоряются. Высокочастотные изоляторы 17 имеют между собой электромагнитную развязку и управляются независимо друг от друга. Для этого каждому высокочастотному резонатору 17 придан высокочастотный передатчик 19, создающий ускоряющее высокочастотное поле и вводящий его в высокочастотный резонатор 17. Высокочастотные передатчики 19 управляются устройством 21 управления.

В изображенном здесь примере показана максимально возможная свобода при управлении высокочастотными передатчиками 19 и тем самым высокочастотными резонаторами 17, т.е. для каждого высокочастотного датчика 19 амплитуда Ax, фаза φx, а также частота νx могут устанавливаться индивидуально, x=1 … 3. Кроме того, эти параметры Ax, φx, νx являются переменными во времени, т.е. они могут варьироваться во время ускорения импульсной последовательности 13.

Однако такой вариант выполнения не является необходимым в обязательном порядке. Некоторые из этих параметров также могут выдерживаться постоянными во времени и не должны устанавливаться независимо друг от друга в принудительном порядке. Амплитуда Ax(t)=A и частота νx(t)=ν могут, например, выдерживаться постоянными и даже у всех высокочастотных резонаторов устанавливаться равными, а результат в виде разного ускорения отдельных пучков 15 частиц может получаться в течение переменной во времени фазы φx(t) только у одного единственного из высокочастотных резонаторов 17.

Возможен даже вариант выполнения, при котором все параметры могут выдерживаться постоянными во времени, Ax(t)=A, φx(t)=φ, а νx(t)=ν. Результат в виде получения разного ускорения отдельных пучков 15 частиц в этом случае может быть достигнут также, если частота νx, по меньшей мере, двух высокочастотных резонаторов 17 будет устанавливаться разной, например ν1≠ν2.

Импульсная последовательность 13, ускоренная ускорителем 11, может быть направлена на целевой объем 23. По сравнению с лучом частиц единообразной энергии луч частиц, ускоренный таким образом, может депонировать свою дозу в целевом объекте в довольно большом диапазоне глубин. Таким образом, облучение в целевом объекте 23 на разную глубину достигается очень быстро и эффективно, что имеет преимущества, например, при облучении подвижных целевых объектов.

На фиг. 2 показана диаграмма со стадиями технологического процесса, которые могут осуществляться в варианте выполнения по управлению ускорителем при ускорении частиц.

Сначала создается импульсная последовательность, содержащая несколько пучков частиц. Импульсная последовательность направляется блоком ускорителей (стадия 31).

Во время ускорения импульсной последовательности высокочастотные резонаторы управляются таким образом, что, по меньшей мере, у двух высокочастотных резонаторах устанавливаются разные высокие частоты (стадия 33). В результате во время ускорения частиц изменяются фазы колебаний высокочастотных резонаторов относительно друг друга.

Альтернативно или дополнительно параметр, характеризующий высокочастотное поле, по меньшей мере, у одного из высокочастотных резонаторов во время ускорения может варьироваться во времени (стадия 35).

Затем импульсная последовательность с разными ускорениями пучков частиц экстрагируется из импульсной последовательности и направляется на целевой объект. Целевой объект облучается импульсной последовательностью и содержащимися в ней пучками частиц (стадия 37).

Перечень позиций:

11 - ускоритель

13 - импульсная последовательность

15 - пучок частиц

17 - высокочастотный резонатор

19 - высокочастотный передатчик

21 - устройство управления

23 - целевой объект

31 - стадия 31

33 - стадия 33

35 - стадия 35

37 - стадия 37.

1. Ускоритель для ускорения заряженных частиц, содержащий
- по меньшей мере, два последовательно установленных по ходу луча высокочастотных резонатора (17), с помощью которых ускоряется импульсная последовательность (13), содержащая несколько пучков (15) частиц,
- устройство управления (21) для управления высокочастотными резонаторами (17),
причем
с помощью устройства (21) управления соответствующие высокочастотные поля, создаваемые в высокочастотных резонаторах (17) во время ускорения импульсной последовательности (13), регулируются независимо друг от друга таким образом, что при ускорении импульсной последовательности (13) несколько пучков (15) частиц импульсной последовательности (13) получают разные ускорения.

2. Ускоритель по п.1, в котором устройство (21) управления выполнено таким образом, что во время ускорения импульсной последовательности (13), по меньшей мере, у одного из высокочастотных резонаторов (17) варьируется параметр, характеризующий высокочастотное поле.

3. Ускоритель по п.2, в котором параметром, характеризующим высокочастотное поле, варьирующееся во время ускорения импульсной последовательности (13), является амплитуда с высокой частотой, высокочастотная фаза или высокая частота высокочастотного поля.

4. Ускоритель по любому из пп.1-3, в котором устройство (21) управления выполнено таким образом, что во время ускорения импульсной последовательности (13) относительная высокочастотная фаза между двумя, по меньшей мере, из двух частотных резонаторов (17) варьируется во времени.

5. Ускоритель по п.4, в котором временная вариация относительной высокочастотной фазы между двумя высокочастотными резонаторами (17) создается за счет установки разных высоких частот у двух высокочастотных резонаторов (17).

6. Ускоритель по п.1, в котором ускоритель (11) содержит более двух высокочастотных резонаторов (17) и имеет непериодическую структуру резонатора.

7. Ускоритель по любому из пп.1-3, 6, в котором отдельные высокочастотные резонаторы (17) имеют между собой электромагнитную развязку.

8. Ускоритель по п.4, в котором отдельные высокочастотные резонаторы (17) имеют между собой электромагнитную развязку.

9. Ускоритель по п.5, в котором отдельные высокочастотные резонаторы (17) имеют между собой электромагнитную развязку.

10. Способ управления ускорителем (11) для ускорения заряженных частиц, по меньшей мере, с двумя высокочастотными резонаторами, последовательно установленными по ходу луча, с помощью которых ускоряется импульсная последовательность, содержащая несколько пучков (15) частиц, причем соответствующие высокочастотные поля, создаваемые в высокочастотных резонаторах (17) во время ускорения импульсной последовательности (13), регулируются независимо друг от друга таким образом, что при ускорении импульсной последовательности (13) несколько пучков (15) частиц импульсной последовательности (13) получают разные ускорения.

11. Способ по п.10, в котором во время ускорения импульсной последовательности (13), по меньшей мере, у одного из высокочастотных резонаторов (17) варьируется параметр, характеризующий высокочастотное поле.

12. Способ по п.11, в котором параметром, характеризующим высокочастотное поле во время ускорения импульсной последовательности (13), является амплитуда с высокой частотой, высокочастотная фаза или высокая частота высокочастотного поля.

13. Способ по любому из пп.10-12, в котором во время ускорения импульсной последовательности (13) относительная высокочастотная фаза между двумя, по меньшей мере, из двух высокочастотных резонаторов (17) варьируется во времени.

14. Способ по п.13, в котором временная вариация относительной высокочастотной фазы между двумя высокочастотными резонаторами (17) создается за счет установки у двух высокочастотных резонаторов (17) разных высоких частот.