КАСКАДНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ
CASCADE ACCELERATOR

Изобретение относится к каскадному ускорителю с двумя наборами конденсаторов, соответственно соединенных последовательно, включенных через диоды по типу Greinacher-каскада. Оно относится также к прибору лучевой терапии с подобным каскадным ускорителем.
В медицинской лучевой терапии применяется ионизирующее излучение, чтобы лечить заболевания или замедлять их развитие. В качестве ионизирующих, высокоэнергетичных лучей предпочтительно применяют гамма-излучение, рентгеновское излучение и электроны.
Для генерации электронного луча либо для непосредственного терапевтического использования, либо для формирования рентгеновского излучения, обычно применяют ускорители частиц. В ускорителях частиц заряженные частицы посредством электрических полей доводятся до высоких скоростей и тем самым кинетических энергий, причем электрические поля в некоторых типах ускорителей возникают посредством электромагнитной индукции в переменных магнитных полях. При этом частицы достигают энергии движения, которая соответствует многократному значению их собственной энергии покоя.
В случае ускорителей частиц проводится различие между ускорителями частиц с циклическим ускорением, как, например, бетатронами и циклотронами и ускорителями с прямолинейным ускорением. Последние обеспечивают возможность более компактной конструкции и включают в себя так называемые каскадные ускорители (также ускорители Кокрофта-Уолтона), в которых посредством Greinacher-схемы (схемы Грейнахера), которая включается многократно друг за другом (каскадируется), за счет умножения и выпрямления переменного напряжения, может вырабатываться высокое постоянное напряжение и тем самым сильное электрическое поле.
Способ функционирования Greinacher-схемы базируется при этом на конфигурации диодов и конденсаторов. Отрицательная полуволна источника переменного напряжения заряжает через первый диод первый конденсатор до напряжения источника переменного напряжения. Затем, при следующей за этим положительной полуволне, напряжение первого конденсатора суммируется с напряжением источника переменного напряжения, так что второй конденсатор через второй диод теперь заряжается до удвоенного выходного напряжения источника переменного напряжения. За счет многократного каскадирования по типу Greinacher-каскада, таким образом, получают умножитель напряжения. При этом первые конденсаторы образуют первый набор непосредственно последовательно включенных конденсаторов каскада, а соответствующие вторые конденсаторы - соответствующий второй набор. Диоды образуют поперечное соединение между наборами.
В подобном каскадном ускорителе является возможным достичь сравнительно высоких энергий частиц в диапазоне мегаэлектронвольт. Однако при этом существует, особенно в случае установленных при нормальном воздушном давлении каскадных ускорителей, опасность электрических пробоев (напряжение пробоя в воздухе: 3 кВ/мм), из-за чего максимальная энергия частиц ограничивается нежелательным образом.
Поэтому в основе изобретения лежит задача создать каскадный ускоритель, который при компактной конструкции имеет особенно высокую достижимую энергию частиц.
Эта задача, в соответствии с изобретением, решается каскадным ускорителем с образованным посредством отверстий в электродах конденсаторов набора каналом ускорения, направленным на размещенный в области электрода с наивысшим напряжением источник частиц, причем электроды конденсаторов изолированы по отношению друг к другу до канала ускорения с помощью твердого или жидкого изоляционного материала.
При этом изобретение исходит из идеи, что повышение энергии генерируемого луча частиц каскадного ускорителя было бы возможно за счет повышения напряжения ускорения. Чтобы при этом минимизировать возникающую опасность электрического пробоя, можно было бы увеличить расстояние между отдельными пластинами конденсаторов каскадного ускорителя. Вообще это противоречило бы принципу компактности конструкции, которая как раз желательна для возможности использования в медицинской области. Чтобы обеспечить возможность повышения напряжения ускорения при одновременном обеспечении компактности конструкции, конденсаторы следовало бы защитить иным образом от электрических пробоев. Для этого следовало бы применить соответствующие жидкие или твердые изоляторы, которые обеспечивают возможность надежной изоляции пластин конденсаторов. Это может быть достигнуто тем, что промежутки между электродами до канала ускорения заполнены твердым или жидким изоляционным материалом.
Возникающие в каскадном ускорителе высокие напряжения должны предохраняться от электрических пробоев, наряду с соответствующей толщиной изоляции, также за счет соответствующего выполнения геометрии. Поэтому формирование напряжения и ускоритель частиц должны быть интегрированы, и конструктивные элементы с особенно высоким напряжением должны размещаться внутри по возможности минимального объема. Так как максимальная электрическая напряженность поля пропорциональна кривизне электродов, особенно предпочтительна сферическая или эллипсоидальная геометрия. В особенности, сферическая геометрия означает, в отношении максимально возможной электрической напряженности поля внутри изолятора, особенно малый объем и, следовательно, особенно малую массу. В общем случае, в определенных конструктивных формах может быть желательна деформация в эллипсоид. Поэтому предпочтительным образом множество электродов выполнены как концентричные, расположенные вокруг источника частиц на расстоянии друг от друга полые эллипсоидальные сегменты.
Особенно простая конструкция, которая соединяет преимущества эллипсоидной геометрии с простым формированием напряжения внутри Greinacher-каскада, возможна за счет того, что выполненные как полые эллипсоидальные сегменты электроды являются соответствующими полыми полуэллипсоидами, то есть осуществляется разделение по экватору соответствующего полого эллипсоида, так что возникающее, таким образом, множество слоев полых полуэллипсоидов образует оба набора конденсаторов, которые необходимы для Greinacher-каскада. Канал ускорения проходит тогда предпочтительным образом через наивысшую точку (вершину) полого полуэллипсоида, за счет чего достигается особенно простая геометрия.
В другом предпочтительном выполнении соответствующие диоды размещены в области большого круга соответствующего полого полуэллипсоида. Если именно полые полуэллипсоиды образуют, соответственно, оба набора соединенных последовательно конденсаторов, то диоды соединяют соответствующие полые полуэллипсоиды на чередующихся полусферах. Диоды могут тогда, в целях особенно простой конструкции, размещаться внутри экваториального сечения.
Чтобы достичь особенно высокой стабильности каскадного ускорителя по отношению к пробоям, должен предусматриваться равномерный градиент напряжения вдоль участка ускорения, то есть между отдельными электродами Greinacher-каскада. Это достигается тем, что множество электродов размещены с эквидистантным разнесением относительно друг друга. Так как электроды каждого набора имеют линейное нарастание напряжения, тем самым вдоль канала ускорения получается практически линейное нарастание напряжения.
В другом предпочтительном выполнении источником частиц является холодный катод. Электроды холодного катода не нагреваются и остаются холодными в процессе работы, так что термоэлектронной эмиссии в них не происходит. За счет этого возможна особенно простая конструкция каскадного ускорителя.
Канал ускорения позволяет извлекать поток частиц из каскадного ускорителя. Для того чтобы канал ускорителя выдерживал тангенциальные электрические поля без пробоя, канал ускорения должен содержать стенку цилиндрической формы, которая покрыта алмазоподобным углеродом и/или окисленным алмазом. Эти материалы в состоянии выдерживать такие сравнительно высокие напряжения.
Предпочтительным образом, подобный каскадный ускоритель используется в приборе лучевой терапии.
Достигаемые с помощью изобретения преимущества состоят, в особенности, в том, что в случае каскадного ускорителя на основе Greinacher-каскада, за счет погружения источника частиц и/или электродов в твердый или жидкий изоляционный материал может формироваться особенно высокое напряжение ускорения для ускорения заряженных частиц. При выполнении электродов сферической или эллипсоидной геометрии, кроме того, возможна особенно компактная конструкция, и два набора конденсаторов Greinacher-схемы дополнительно используются как концентрические электроды уравновешивания потенциала для электрического распределения поля вокруг источника частиц и электрода высокого напряжения. Подобный каскадный ускоритель обеспечивает возможность особенно высокого напряжения при особенно компактной конструкции, что, в частности, желательно в медицинских применениях.
Пример выполнения изобретения далее поясняется более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
фиг.1 - схематичное представление сечения каскадного ускорителя,
фиг.2 - схематичное представление Greinacher-схемы.
Одинаковые части на обоих чертежах обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
Каскадный генератор 1 по фиг.1 имеет первый набор 2, а также второй набор 4 полых полусферических электродов. Они размещены концентрично вокруг источника 6 частиц.
Через второй набор электродов 4 ведет канал 8 ускорителя, который направлен на источник 6 частиц и обеспечивает возможность извлечения потока 10 частиц, который исходит от источника 6 частиц и от которого полый сферический электрод 12 получает высокое напряжение ускорения.
Чтобы внутри предотвратить пробои высокого напряжения от электрода 12 высокого напряжения на источник 6 частиц, источник 6 частиц может быть полностью погружен в твердый или жидкий изоляционный материал 14, так что пространство между электродом 12 высокого напряжения и источником 6 частиц до канала 8 ускорения заполнено изолирующим материалом 14. Тем самым могут прикладываться особенно высокие напряжения к электроду 12 высокого напряжения, что приводит к особенно высокой энергии частиц. К тому же электроды или конденсаторные пластины электродов по отношению друг к другу по существу до канала 8 ускорения могут быть изолированы посредством твердого или жидкого изоляционного материала 14.
Формирование высокого напряжения на электроде 12 высокого напряжения осуществляется посредством Greinacher-каскада 20, который изображен на фиг.2 в виде схемы. На входе 22 приложено переменное напряжение U. Первая полуволна заряжает через диод 24 конденсатор 26 до напряжения U. При следующей за ней полуволне переменного напряжения напряжение U от конденсатора 26 суммируется с напряжением U на входе 22, так что конденсатор 28 через диод 30 теперь заряжается до напряжения 2U.
Этот процесс повторяется для последующих диодов и конденсаторов, так что в показанной на фиг.2 схеме на выходе 32 в целом достигается напряжение 6U. Фиг.2 также четко показывает, как с помощью представленной схемы образуется, соответственно, первый набор 2 конденсаторов и второй набор 4 конденсаторов.
Связанные друг с другом на фиг.2 электроды двух конденсаторов в каскадном ускорителе 1 по фиг.1 выполнены, соответственно, концентрично как полые полусферические оболочки. При этом к самым внешним оболочкам 40, 42 приложено, соответственно, напряжение U источника 22 напряжения. Диоды для образования схемы размещены в области большого круга соответствующей полой полусферы, то есть в экваториальном сечении соответствующих полых сфер.
0
1
Сферический конденсатор с внутренним радиусом r и внешним радиусом r имеет емкость:
Тогда напряженность поля при радиусе r равна:
Эта напряженность поля квадратично зависит от радиуса и сильно увеличивается в направлении к внутреннему электроду.
За счет того, что в каскадном ускорителе 1 электроды конденсаторов Greinacher-каскада 20 в качестве промежуточных электродов вставлены на точно определенном потенциале, распределение напряженности поля по радиусу приводится к линейному, так как для тонкостенных сфер электрическая напряженность поля примерно эквивалентна плоскому случаю:
с минимальным значением максимальной напряженности поля.
За счет дополнительного использования двух наборов 2, 4 конденсаторов Greinacher-каскада 20 в виде концентричных электродов уравновешивания потенциала для электрического распределения поля в по существу полностью инкапсулированном в твердом или жидком изоляционном материале 14 электроде 2 высокого напряжения и источнике 6 частиц реализуется особенно высокое напряжение ускорения в каскадном ускорителе 1. Одновременно конструкция является очень компактной, что обеспечивает возможность разнообразных применений, в особенности, в лучевой терапии.
Перечень ссылочных позиций:
1 каскадный генератор
2 первый набор
4 второй набор
6 источник частиц
8 канал ускорения
10 поток частиц
12 электрод высокого напряжения
14 изоляционный материал
20 Greinacher-каскад
22 источник напряжения
24 диод
26, 28 конденсатор
30 диод
32 выход
40, 42 самые внешние оболочки
0
rвнутренний радиус сферического конденсатора
1
r внешний радиус сферического конденсатора
U напряжение.