ЛИНЕЙНОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ НА СТОЯЧЕЙ ВОЛНЕ
LINEAR DEVICE (VERSIONS) AND METHOD FOR ACCELERATION OF ELECTRONS ON STANDING WAVE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение, в основном, относится к области линейного ускорителя электронов на стоячей волне и, более конкретно, к обработке медицинских изображений и к методике излучения при использовании ускорителя как источника излучения.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В современной медицине для диагностики и лечения широко используются рентгеновские лучи. В современной системе медицинской отображения обычно используется рентгеновская трубка, чтобы генерировать рентгеновские лучи с энергией ниже 500 кэВ (здесь, эта энергия относится к энергии электронного пучка до его попадания в цель) и для создания рентгеновских лучей с энергией выше 2 МэВ используется низкоэнергетический линейный ускоритель электронов. Однако пока не существует источника рентгеновских лучей с энергией в диапазоне от 0,5 до 2 МэВ (правда имеется специальная рентгеновская трубка для рентгеновских лучей с энергией 600 кэВ, которая является очень дорогой). Причина состоит в том, что в этом энергетическом диапазоне рентгеновская трубка используется по максимуму, и стоимость ее изготовления быстро увеличивается с энергией рентгеновских лучей. Линейный ускоритель электронов относительно дорог (по сравнению с рентгеновской трубкой, потому что ускоритель обычно может обеспечивать только рентгеновские лучи одной энергии) и не применим в указанной области применения. С другой стороны, рентгеновские лучи с энергией в диапазоне от 0,5 до 2 МэВ играет важную роль в обработке медицинских изображений.
Значение Z (среднее атомное число) объекта медицинских изображений обычно равно приблизительно 10 (живой организм). В этом случае, чтобы гарантировать хорошее качество изображений, комптоновское рассеяние, возникающее, когда фотоны взаимодействуют с объектом, должно быть ограничено. Эффект комптоновского рассеяния доминирует, когда падающие фотоны имеют высокую энергию, что влияет на качество качества изображения. Следовательно, считается, что рентгеновские лучи с энергией приблизительно 0,6 МэВ, которое точно попадает в упомянутый выше диапазон, может обеспечить лучшее качество полученных изображений. Кроме того, качество полученных изображений изменяется в зависимости от изменения значения Z объектов. Обработка медицинских изображений обеспечивает требование к рентгеновским лучам с энергией, попадающей в диапазон от 0,5 до 2 МэВ.
Может использоваться ускоритель с плавно регулируемой энергией, так как рентгеновская трубка не работает в этом диапазоне. В настоящий момент существует несколько подходов для того, чтобы непрерывно регулировать энергию ускорителя. Самый простой способ связан с изменением мощности, подаваемой от источника питания, чтобы изменить градиент ускорения ускорителя и изменить выделенную энергию. У этого подхода есть недостаток, состоящий в том, что изменение во время низкоэнергетической фазы градиента ускорительной трубки увеличивает рассеивание энергии и, таким образом, ухудшает качество пучков.
Чтобы решить проблему большого рассеивания энергии, патент США №2920228 и патент США №3070726 раскрывают ускоритель, в котором для ускорения электронов используются две лампы бегущей волны. Первая ускоряет электроны до скорости, близкой к скорости света, а вторая корректирует энергию, изменяя радиочастотную фазу (RF). Однако эффективность ускорения является низкой из-за методики ускорения бегущей волны. Чтобы решить проблему низкой эффективности, патент США №4118653 предлагает ускоряющую структуру, комбинируя бегущие волны и стоячие волны. Однако этот подход имеет тот недостаток, что используются два вида структур ускорения, что заканчивается децентрализованной структурой и образованием комплекса из периферических электрических схем. Чтобы иметь компактную структуру ускорения, патент США №4024426 предлагает ускоритель стоячей волны, используя две переплетенные боковые подструктуры, которые корректируют энергию, изменяя микроволновый сдвиг фаз между ускорительными трубками. Однако этот подход имеет недостаток, состоящий в том, что ускорительные трубки имеют сложную конструкцию, которая является слишком сложной для производства и, таким образом, этот подход мало подходит для практической реализации. Чтобы достичь простой схемы ускорения и высокой эффективности, патент США №4.286.192 и патент США №4.382.208 предлагают ускоритель, который добавляет несколько (одно или два) возмущающих тела в соединенные последовательно резонансные полости линейного ускорителя, при этом возмущающее тело корректирует фазу, изменяя величину ввода тела. Этот подход имеет тот недостаток, что диапазон регулирования энергии небольшой, и он зависит от оператора, который вводит возмущающее тело. С учетом предшествующих недостатков китайский патент CN 202019491 U раскрывает сопряженные по стенке ускоритель на стоячей волне, который регулирует энергию, корректируя градиент ускорения двух сегментов ускорительных трубок соответственно. Этот подход также имеет недостаток, заключающийся в том, что ускоритель имеет большую ширину со сложной микроволновой системой питания, и не может обеспечить электронные лучи низкой энергии (~1 МэВ).
Ввиду вышеизложенного, существующая рентгеновская трубка и линейный ускоритель не могут покрыть энергетический диапазон от 0,5 МэВ до 2 МэВ или имеет очень сложную конструкцию и, таким образом, является слишком сложной для реализации. Следовательно, необходимо ускоряющийся устройство, который выдает лучи, покрывающие требуемый энергетический диапазон, имеет простую конструкцию и может быть реализовано с приемлемыми производственными затратами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить линейное устройство ускорения электронов на стоячей волне, которое выдает электроны, имеющие энергию, которая непрерывно корректируется в пределах предопределенного энергетического диапазона.
В соответствии с некоторыми вариантами воплощения настоящего изобретения, предлагается линейное устройство ускорения электронов на стоящей волне, включающее электронную пушку, используемую для генерации электронных пучков; источник импульсной мощности, обеспечивающий основной сигнал импульсной мощности; делитель мощности, соединенный с выходом источника импульсной мощности и предназначенный для разделения основного сигнала импульсной мощности с выхода источника импульсной мощности, на первый сигнал импульсной мощности и второй сигнал импульсной мощности; первую ускорительную трубку, расположенную после электронной пушки, соединенной с делителем мощности и предназначенную для ускорения электронных пучков с первым сигналом импульсной мощности; вторую ускорительную трубку, расположенную после первой ускорительной трубки и предназначенную для получения второго сигнала импульсной мощности от делителя мощности и для ускорения электронных пучков со вторым сигналом импульсной мощности; фазовращатель, соединенный с выходом делителя мощности и используемый для непрерывной коррекции сдвига фаз между первым сигналом импульсной мощности и вторым сигналом импульсной мощности для генерации ускоренных электронных пучков с непрерывно регулируемой энергией на выходе второй ускорительной трубки.
В соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения, обеспечивается линейное устройство ускорения электронов на стоящей волне, включающее электронную пушку, используемую для генерации электронных пучков; первый источник импульсной мощности, используемый для создания первого сигнала импульсной мощности; второй источник импульсной мощности, используемый для создания второго сигнала импульсной мощности; первая ускорительная трубка, расположенная после электронной пушки, соединенной с первым источником импульсной мощности и предназначенная для ускорения электронных пучков с первым сигналом импульсной мощности; вторая ускорительная трубка расположенная после первой ускорительной трубки и предназначенная для приема второго сигнала импульсной мощности от второго источника импульсной мощности и для ускорения электронных пучков со вторым сигналом импульсной мощности; фазовращатель, подключенный к выходу первого источника импульсной мощности и/или к выходу второго источника импульсной мощности и используемый для непрерывной коррекции сдвига фаз между первым сигналом импульсной мощности и вторым сигналом импульсной мощности и для генерации ускоренных электронных пучков с непрерывно регулируемой энергией на выходе второй ускорительной трубки.
В соответствии с еще одним вариантом воплощения настоящего изобретения, обеспечивается способ для использования в электронном линейном устройстве ускорения на стоячей волне, содержащий стадии генерации электронных пучков; ускорения электронных пучков с первым сигналом импульсной мощности в первой ускорительной трубке; ускорение электронных пучков вторым сигналом импульсной мощности во второй ускорительной трубке, которая расположена после первой ускорительной трубки; непрерывной коррекции сдвига фаз между первым сигналом импульсной мощности и вторым сигналом импульсной мощности и для создания ускоренных электронных пучков с непрерывно регулируемой энергией на выходе второй ускорительной трубки.
В соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения, линейное устройство ускорения электронов на стоячей волне дополнительно содержит цель, расположенную после второй ускорительной трубки и предназначенную для поражения цели ускоренными пучками электронов и для генерации рентгеновских лучей.
В соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения, линейное устройство ускорения электронов дополнительно содержит аттенюатор, присоединенный к фазовращателю и используемый для ослабления первого сигнала импульсной мощности и/или второго сигнала импульсной мощности.
В соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения, фазовращатель служит для коррекции сдвига фаз с тем, чтобы ускоряющие полости первой ускорительной трубки и второй ускорительной трубки каждая функционировала в фазовой моде ускорения.
В соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения, фазовращатель служит для коррекции сдвига фаз так, что ускоряющая полость первой ускорительной трубки функционирует в фазовой моде ускорения, в то время как ускоряющая полость второй ускорительной трубки функционирует в фазовой моде замедления.
В соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения, в каждой из первой ускорительной трубке и второй ускорительной трубке между ускоряющими полостями установлена магнитная связь, и в ускоряющих полостях предусмотрено отверстие связи в месте, где магнитное поле стенки полостей относительно большое.
В соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения, линейное устройство ускорения электронов дополнительно содержит ответвитель мощности, расположенный между первой ускоряющей трубкой и второй ускоряющей трубкой и используемый для подачи питания к первой ускорительной трубке и ко второй ускорительной трубке.
В соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения, электронная пушка инжектирует электроны в первую ускорительную трубку под отрицательным углом.
В соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения, цель смонтирована на поворотном основании так, что направление угла падения ускоренных электронных пучков относительно поверхности цели изменяется с энергией электронных пучков.
В соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения, цель смонтирована в вакуумной камере, которая закреплена на поворотном основании. На стороне вакуумной камеры имеется рентгеновское окно, а вторая ускорительная трубка соединена с вакуумной камерой через гофрированную трубу.
В соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения, ускоренные электронные пучки имеют энергию в диапазоне от 0,5 МэВ до 2,00 МэВ.
В соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения, линейный устройство ускорения электронов на стоящей волне непрерывно корректируется в пределах предопределенного энергетического диапазона, корректируя сдвиг фаз между первым сегментом ускорения и вторым сегментом ускорения.
Кроме того, согласно некоторым вариантам воплощения, магнитная связь по оси установлена между полостями двух ускорительных трубок и не является боковой связью, обычно используемой в линейном ускорителе на стоячей волне и, таким образом, ширина ускорительной трубки уменьшается.
Кроме того, согласно некоторым вариантам воплощения, ускорительная трубка имеет однопериодическую структуру так, что соединительная полость не нужна. Стенка полости утолщается и, таким образом, изготовление такой полости облегчается.
Кроме того, два сегмента ускорительных трубок функционируют в π-моде и, таким образом, эффективность ускорения является очень высокой. В то же время, число полостей невелико благодаря использованию низкоэнергетических пучков, и разнесение мод достаточно большое, чтобы обеспечить стабильную работу ускоряющей системы при компактности ускоряющей системы в вертикальном направлении.
Кроме того, в ускорительной трубке используется высокочастотная фокусировка со сдвигом фаз, которая автоматически фокусирует сбоку пучки рентгеновских лучей, используя микроволновое поле в ускорительных трубках, и, таким образом, пятно на выходе ускоряющей системы является достаточно малым (со среднеквадратичным радиусом 0,5 мм), чтобы гарантировать высокое качество полученных изображений. С другой стороны, фокусирующая катушка бесполезна, если она уменьшает ширину ускорительной трубки.
Кроме того, чтобы дополнительно увеличить мощность и качество рентгеновских лучей от устройства, конструкция цели перепроектирована путем ввода механизма вращения цели, используя гофрированную трубу и поворотное основание и, таким образом, можно получить рентгеновские лучи максимальной мощности для электронных пучков любой энергии.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Раскрытие изобретения отображено в чертежах. Чертежи и описание представляют некоторые варианты воплощения изобретения без ограничения его объема. На чертежах:
Фигура 1 - принципиальная схема линейного устройства ускорения электронов на стоячей волне согласно одному варианту воплощения изобретения.
Фигура 2 - принципиальная схема ускорительной трубки и ответвителя в линейном устройстве ускорения электронов на стоячей волне согласно одному варианту воплощения изобретения.
Фигура 3 - схема, иллюстрирующая взаимосвязь между фазами первой ускорительной трубки и второй ускорительной трубки в линейном устройстве ускорения электронов на стоячей волне согласно одному варианту воплощения изобретения.
Фигура 4А - схема, иллюстрирующая взаимосвязь между изменениями энергии и интенсивности пучков в линейном устройстве ускорения электронов на стоячей волне согласно одному варианту воплощения изобретения.
Фигура 4В - схема, иллюстрирующая энергию и радиус, изменяющиеся как сдвиг фаз в линейном устройстве ускорения электронов на стоячей волне согласно одному варианту воплощения изобретения.
Фигура 5 - схема инжекции электронов высоковольтной электронной пушкой постоянного тока в линейном устройстве ускорения электронов на стоячей волне согласно одному варианту воплощения изобретения.
Фигура 6 - схема и принцип действия цели в линейном устройстве ускорения электронов на стоячей волне согласно одному варианту воплощения изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Конкретные варианты воплощения изобретения подробно описаны ниже. Следует отметить, что варианты воплощения используются здесь только для иллюстрации, и они не ограничивают объем изобретения. В приведенном ниже описании объясняются многие конкретные детали для обеспечения лучшего понимания сущности изобретения. Однако для квалифицированных специалистов очевидно, что настоящее изобретение может быть реализовано без этих конкретных деталей. В других примерах не описаны хорошо известные цепи, материалы или способы, чтобы не затенять сущность изобретения.
Везде в описании слова “один вариант воплощения”, “вариант воплощения”, “один пример” или “пример” означают, что конкретные особенности, признаки или свойства, описанные в связи с вариантом воплощения или примером, включены по меньшей мере в одно воплощение настоящего изобретения. Следовательно, фразы “в одном воплощении», “в воплощении», “в одном примере” или “в примере” встречающиеся в различных местах описания, могут не относиться к одному и тому же воплощению или примеру. Кроме того,
конкретные особенности, признаки или свойства могут быть объединены в один или несколько вариантов воплощений или примеров любыми адекватными способами. Кроме того, квалифицированные специалисты понимают, что используемый здесь термин “и/или” означает любую и все комбинации одного или нескольких перечисленных объектов.
С учетом недостатка известного уровня техники, состоящего в том, что линейный ускоритель электронов не может быть непрерывно корректирован в предопределенном энергетическом диапазоне (например, в диапазоне от 0,5 до 2,0 МэВ), воплощения настоящего изобретения обеспечивают линейное устройство ускорения электронов на стоячей волне. В предлагаемом устройстве электронные пучки, сформированные электронной пушкой, ускоряются каскадной схемой, включающей первую ускорительную трубку и вторую ускорительную трубку. Первый сигнал импульсной мощности и второй сигнал импульсной мощности обеспечиваются для соответствующей первой ускорительной трубки и второй ускорительной трубки, выполняющими операцию ускорения электронов. Кроме того, устройство включает фазовращатель, который непрерывно корректирует сдвиг фаз между первым сигналом импульсной мощности и вторым сигналом импульсной мощности и также используется для генерации ускоренных электронных пучков с непрерывно регулируемой энергией на выходе второй ускорительной трубки.
Согласно некоторым вариантами воплощения, можно использовать один и тот же импульсный источник питания. В таком случае микроволновая мощность с выхода источника питания, делится на две ветви в делителе мощности, при этом первая ветвь подает питание к первому сегменту ускорительной трубки, фокусируя и ускоряя непрерывные электронные пучки, выходящие из высоковольтной пушки постоянного тока, до первого высокоэнергетического уровня (например, 1,25 МэВ). Первый сегмент ускорительной трубки представляет собой комбинированную ускорительную трубку вместе со вторым сегментом ускорительной трубки и дрейфовым сегментом, который соединяет первый и второй сегменты. Вторая ветвь ослабляется аттенюатором и проходит через фазовращатель, который может корректировать фазу до 360° и подает питание ко второму сегменту комбинированной ускорительной трубки. Когда фазовращатель отрегулирован на сдвиг фаз, чтобы обеспечить адекватный сдвиг фаз φ, второй сегмент ускорительной трубки находится в фазе с первым сегментом ускорительной трубки, и электронные пучки от первого сегмента ускорительной трубки могут быть ускорены до максимальной энергии, т.е. до второго высокоэнергетического уровня (например, 2,00 МэВ). Когда сдвиг фаз фазовращателя отрегулирован примерно на 180°+φ, второй сегмент ускорительной трубки находится в противофазе с первым сегментом ускорительной трубки, и электронные пучки от первого сегментом ускорительной трубки, могут быть ослаблены до минимальной энергии (например, 0,50 МэВ). Когда сдвиг фаз фазовращателя изменяется непрерывно от φ до 180°+φ, электронные пучки на выходе второго сегмента ускорительной трубки имеют энергию, которая непрерывно изменяется от второго высокоэнергетического уровня (например, 2,00 МэВ) до минимального уровня энергии (например, 0,50 МэВ).
В некоторых вариантах воплощения используется поворотная цель. Вращая цель и пятно горизонтально, можно генерировать электронные пучки любой энергии рентгеновских лучей до максимальной выходной мощности после поражения цели.
На фигуре 1 представлена принципиальная схема линейного устройства ускорения электронов на стоячей волне согласно одному варианту воплощения изобретения. Как показано на фигуре 1, линейное устройство ускорения электронов с непрерывно регулируемой энергией, включенное в настоящую заявку, содержит микроволновую систему мощности (включая источник импульсной мощности 1, делитель мощности 2, фазовращатель 3, аттенюатор 16 с волноводом и ответвитель 12, показанные на фигуре 2), систему питания электронной пушки (включая высоковольтный источник питания 4 и линии передачи), высоковольтную электронную пушку постоянного тока 5, комбинированную ускорительную трубку (включающую ускорительную трубку 6, ускорительную трубку 7 и дрейфовый сегмент 15, соединяющий две ускорительные трубки, как показано на фигуре 2) и поворотную конструкцию цели (включая цель 8, гофрированную трубу 17, показанную на фигуре 6, вакуумную камеру 18, рентгеновское окно 19 и поворотное основание 20).
В процессе работы устройства источник импульсной мощности 1 (обычно, магнетрон) выдает микроволновую мощность 9, которая делится на две ветви в делителе мощности 2; одна ветвь, непосредственно проходящая через ответвитель мощности 12 (слева), показана на фигуре 2, и поступает в ускорительную трубку 6; другая ветвь ослабляется в аттенюаторе 16 и сдвигается по фазе в фазовращателе 3 и затем создает ускоряющее поле моды ТМ010. Одновременно высоковольтный источник питания 4 вводится в действие и подает питание на высоковольтную пушку постоянного тока 5, которая излучает пучки электронов 10. Электронные пучки 10 формируют последовательность рентгеновских лучей с пучками лучей, распределенных вертикально через одну длину микроволны, фокусируясь и ускоряясь в ускорительной трубке 6 (для полосы X разнесение составляет 3,22 см). Оператор 11 изменяет сдвиг фаз фазовращателя 3 (т.е. изменяет сдвиг фаз между ускорительной трубкой 6 и ускорительной трубкой 7) в режиме реального времени. Пучки рентгеновских лучей будут иметь различные конечные энергии после прохождения через ускорительную трубку 7 и, таким образом, получат рентгеновские лучи различной мощности после поражения цели 8. Так как сдвиг фаз фазовращателем 3 может непрерывно корректироваться, энергия рентгеновских лучей также может непрерывно изменяться. Рентгеновские лучи, генерируемые электронами различных энергий, поражающими цель, имеют различное распределение угла диэлектрических потерь. Угол, под которым рентгеновские лучи достигает максимальной мощности, может быть обеспечен, вращая основание 20, на котором смонтирована цель 8 (как показано на фигуре 6).
Следует привести некоторое необходимое пояснение прежде, чем описать принцип изменения энергии пучков рентгеновских лучей, корректировкой сдвига фаз между двумя сегментами ускорительных трубок. Распределение ускоряющего поля по оси ускорительных трубок 6 и 7 показано на фигуре 3 сплошной черной линией, где часть между двумя смежными нулевыми точками представляет одну полость. Из фигуры 2 можно видеть, что ускорительная трубка 6 имеет 6 полостей, а ускорительная трубка 7 имеет 2 полости, и соответствующие распределения полей этих полостей могут быть найдены на фигуре 3. Чтобы максимизировать эффективность ускорения, два сегмента ускорительных трубок, каждый из которых работает в π-моде, где микроволновый сдвиг фаз между двумя смежными полостями составляет 180°. Соответственно, ускоряющее поле распределено с чередованием положительных и отрицательных величин, как показано на фигуре 3. Как можно видеть на фигурах 2 и 3, длины полостей постепенно увеличиваются. Причина состоит в увеличении относительной скорости β во время ускорения электронов. Длина ускорительных полостей увеличивается вместе с относительной скоростью β электронов, чтобы гарантировать, что электроны всегда будут подвержены фазе ускорения во время их движения в ускорительных трубках. Максимальная энергия ускорения ускорительной трубки 6 равна 1,25 МэВ, в то время как максимальная энергия ускорения ускорительной трубки 7 равна 0,75 МэВ.
Принцип изменения энергии пучков рентгеновских лучей путем коррекции сдвига фаз между двумя сегментами ускорительных трубок описывается ниже со ссылками на фигуры 2-3. Когда электронные пучки 10 входят в ускорительную трубку 6, энергия 15 составляет кэВ (начальная энергия электронных пучков, поступающих из высоковольтной полости постоянного тока 5). После того, как они будут захвачены и ускорены ускорительной трубкой 6, на выходе ускорительной трубки 6 будет сформирована последовательность пучков рентгеновских лучей с энергией 1,25 МэВ. Затем, если сдвиг фаз фазовращателя направляет микроволновое поле в ускорительную трубку 7, чтобы соответствовать условию работы всей комбинированной полости в моде π, как показано на фигуре 3(а) (следует отметить, что пунктирная линия на этой фигуре не является реальным полем и показана как вспомогательное поле для облегчения понимания). Пучки рентгеновских лучей после их прохождения через дрейфовый сегмент 15, подвергаются фазе ускорения по всей ускорительной трубке 7, и их энергия будет увеличена на 0,75 МэВ до максимальной энергии 2,00 МэВ. В другом случае, если сдвиг фаз фазовращателем приводит к изменению фазы ускоряющей трубки 7, противоположной фазе в случае, показанном на фигуре 3(а), и которая показана на фигуре 3(b), пучки рентгеновских лучей будут подвергнуты фазе замедления в ускорительной трубке 7 после того, как они прошли дрейфовый сегмент 15, и их энергия будет уменьшена на 0,75 МэВ до минимальной энергии 0,50 МэВ. Если величина сдвига фаз фазовращателя 3 регулируется, то пучки рентгеновских лучей будут подвергнуты фазе ускорения в течение определенного времени и будут подвергнуты фазе замедления в течение другого периода во время их движения в ускорительной трубке 7, при этом энергия, полученная в ускорительной трубке 7, будет в диапазоне от 0,75 МэВ до 0,75 МэВ и, таким образом, на выходе устройства будет получена энергия пучков рентгеновских лучей в диапазоне от 0,50 МэВ до 2,00 МэВ.
Конечная энергия пучков рентгеновских лучей может быть выражена как
где E конечная энергия электронных пучков (МэВ),
E1 - максимальная энергия ускорения в первом сегменте ускорительной трубки (МэВ),
E2 - максимальная энергия ускорения во втором сегменте ускорительные трубки (МэВ),
ΔФ - относительный сдвиг фазы фазовращателя в градусах (относится к сдвигу фаз для максимальной энергии ускорения).
Для настоящего изобретения E1=1,25 МэВ, Е2=0,75 МэВ и, таким образом, конечная энергия изменяется в диапазоне от 0,50 до 2,00 МэВ
Чтобы сделать конструкцию ускорительной трубки более компактной, используется индуктивная связь между ускоряющими полостями (см. фигуру 2), и отверстие связи 13, расположенное в том месте ускоряющей полости, где магнитное поле стенки полостей относительно большое. На фигуре 2 представлен поперечный разрез комбинированной ускорительной трубки, иллюстрируя только отверстия связи между полостями с нечетным номером и их смежными полостями справа. Отверстия связи между нечетно пронумерованными полостями и их смежными полостями справа открыты в месте, где оно составляет 90° относительно места отверстия связи 13 с боковой стороны, чтобы избежать возможной генерации дипольной моды в полостях (которая в противном случае отклонит электронные пучки). Дрейфовый сегмент 15 удаляет связь между ускорительными трубками 6 и 7 с тем, чтобы можно было легко изменить сдвиг фаз между этими двумя трубками. Ответвитель мощности 12 индивидуально обеспечивает мощность для двух сегментов ускорительных трубок. Ускорительные трубки поднимают носовую структуру 14, чтобы увеличить фактор времени переходного процесса и, таким образом, усилить эффективное сопротивление шунта.
Фигуры 4А и 4В иллюстрируют важные параметры электронных пучков на выходе устройства, включая кривые средней энергии E
Максимальной интенсивности лучей и среднеквадратичный радиус rms по сравнению с относительным сдвигом фаз ΔФ. Из этих фигур можно видеть, что вариация средней энергии соответствует взаимосвязи косинуса, выраженной в формуле 1. Другие параметры изменяются стабильно, что означает, что устройство в настоящем варианте воплощения способно обеспечить пучки рентгеновских лучей с непрерывно регулируемой энергией, которые имеют стабильные параметры и могут удовлетворить требование обработки медицинских изображений.
Чтобы гарантировать достаточно малое пятно на выходе устройства, высоковольтная пушка постоянного тока 5 должна инжектировать электронные пучки 10 специальным способом инжекции, т.е. инжекцию под отрицательным углом. На фигуре 5 показана визуальная интерпретация инжекции под отрицательным углом. Таким образом, оболочка электронных пучков имеет отрицательный угол оболочки при инжекции с тем, чтобы электронные пучки имели бы лучшую поперечную фокусировку в ускорительной трубке 6, чтобы уменьшить размер пятна на выходе устройства. В то же время, использование инжекции под отрицательным углом также может усилить коэффициент захвата устройства и, таким образом, на выходе устройства может быть получен поток более высокой энергии.
Поскольку рентгеновские лучи, формируемые пучками, поражающими цель электронов различной энергии, характеризуется различным распределением угла диэлектрических потерь (если электронные пучки более высокой энергии поражают цель, мощность в основном сфокусирована в направлении движения электронных пучков; в случае, когда цель обрабатывается электронными пучками более низкой энергии, мощность, в основном, сфокусирована в направлении, перпендикулярном направлению движения электронных пучков), выходное направление рентгеновских лучей, сформированное электронами, поражающими цель, должно быть скорректировано синхронно с регулированием энергии электронных пучков так, чтобы постоянно иметь рентгеновские лучи максимальной энергии. Настоящее изобретение перепроектирует конструкцию цели, чтобы достичь заявленных требований. Конструкция цели и принцип вывода рентгеновских лучей максимальной мощности будут подробно описаны ниже. Как показано на фигуре 6, ускорительная трубка 7 соединена с вакуумной камерой 18 через гофрированную трубу 17 (цель использования гофрированной трубы состоит в том, чтобы гарантировать, что вакуумная камера может вращаться горизонтально в предопределенном угловом диапазоне, в то время как устройство герметизировано в вакууме), цель 8 помещена в вакуумную камеру 18, которая закреплена на поворотном основании 20, Рентгеновское окно 19 установлено на стенке вакуумной камеры. Чтобы гарантировать длительный срок службы цели и качество электронных пучков, вся система (включая ускорительные трубки, гофрированную трубу и рентгеновское окно) вакуумируется. При работе системы электронные пучки 10 ускоряются ускорительной трубкой 7 и затем входят в гофрированную трубу 17 и проходят через нее. После этого электронные пучки входят в рентгеновское окно 18 и сталкиваются с целью 8 для генерации рентгеновских лучей 21. Рентгеновские лучи 21 выходят из рентгеновского окна 19 в стенке вакуумной камеры, и могут быть собраны и использованы последующими системами отображения. Если энергия электронных пучков невысока (~450 кэВ), основание 20 поворачивается на небольшой угол, как показано на фигуре 6(а). В этом случае рентгеновские лучи под углом максимальной мощности выдается из рентгеновского окна 19. Если энергия электронных пучков является повышенной (~1 МэВ), угол между направлением максимальной мощности и направлением движения электронных пучков уменьшается и, таким образом, рентгеновские лучи максимальной мощности не могут выходить из исходного рентгеновского окна. В таком случае основание 20 вращается, чтобы изменить углы цели 8 и рентгеновского окна 19. Соответствующей корректировкой рентгеновское окно 19 может снова выдать рентгеновские лучи максимальной мощности, как показано на фигуре 6(b). Хотя в варианте воплощения показан энергетический диапазон электронных пучков от 0,5 до 2,00 МэВ, конструкция цели, разработанная согласно настоящему изобретению, может работать и при более высокой энергии электронных пучков (~10 МэВ), как показано на фигуре 6(с). В этом случае отражательная цель заменяется передающей целью и рентгеновское окно 19 находится в задней стенке вакуумной камеры.
В соответствии с некоторыми вариантами воплощения, обеспечивается линейное устройство ускорения электронов на стоящей волне, имеющее непрерывно регулируемую энергию. В этом устройстве энергия электронных пучков непрерывно регулируется, корректируя сдвиг фаз между ускорительными трубками и, таким образом, пятно лучей стабильно. Кроме того, ускорительная трубка имеет однотактную структуру и функционирует в π-моде и, таким образом, эффективность ускорения является высокой. Кроме того, используется поворотная конструкция цели и, таким образом, рентгеновские лучи всегда обеспечивают максимальную мощность при изменении энергии электронных пучков, которые поражают цель.
Согласно другим вариантами воплощения настоящего изобретения, обеспечивается способ для использования в электронном линейном устройстве ускорения на стоячей волне, имеющем непрерывно регулируемую энергию, включая формирование электронных пучков с последующим ускорением электронных пучков первым сигналом импульсной мощности в первой ускорительной трубке. После этого, во второй ускорительной трубке электронные пучки, поступающие из первой ускорительной трубки, ускоряются вторым сигналом импульсной мощности. Наконец, сдвиг фаз между первым сигналом импульсной мощности и вторым сигналом импульсной мощности непрерывно корректируется, чтобы создавать ускоренные электронных пучков с непрерывно регулируемой энергией на выходе второй ускорительной трубки.
В частности, устройство включает комбинированную ускорительную трубку, которая состоит из двух сегментов трубок ускорения 6, 7 на стоячей волне, и дрейфовый сегмент 15, который соединяет эти две трубки и удаляет прямую связь между ними; делитель мощности 2, который разделяет мощность на две ветви и подает питание в два сегмента ускорительных трубок соответственно; систему регулирования мощности, которая состоит из аттенюатора 16, установленного на той же ветви, что и ускорительная трубка 7, и фазовращателя 3; поворотную конструкцию цели, которая состоит из вакуумной камеры 18, закрепленной на поворотном основании 20, цели 8 и рентгеновского окна 19, установленных в пределах вакуумной камеры 18, и гофрированную трубы, которая соединяет ускорительную трубку 7 с рентгеновским окном 18. Оба сегмента ускорительных трубок используют общий источник импульсной мощности 1, но получают питание через делитель мощности 2, соответственно. Каскад ускорительных полостей имеет однопериодную структуру. Ускоряющие полости соединены индуктивной связью и функционируют в π-моде. Высоковольтная пушка постоянного тока 5 инжектирует электронные пучки в комбинированную ускорительную трубку под отрицательным углом. Энергия пучков рентгеновских лучей непрерывно регулируется, непрерывно корректируя микроволновый сдвиг фаз между двумя сегментами ускорительных трубок с помощью фазовращателя 3. Электронные пучки, выходящие из устройства, имеют пятно с небольшим среднеквадратичным радиусом, которое может отвечать требованиям медицинских изображений. Пучки рентгеновских лучей могут быть скорректированы в энергетическом диапазоне от 0,5 до 2 МэВ, который применяются при обработке медицинской изображений. Энергетический диапазон может быть скорректирован, изменяя величину затухания аттенюатора 16 микроволновой мощности 9. Энергетический диапазон также может быть ограничен, ограничивая сдвиг фаз фазовращателя 3. Вместе с тем, верхний предел энергетического диапазона может быть увеличен, увеличивая мощность источника импульсной мощности 1. Соответственно, это не ограничено созданием электронных пучков в энергетическом диапазоне от 0,5 до 2 МэВ, и можно генерировать электронные пучки с более высоким энергетическим уровнем. Поворотная конструкция цели выполнена так, что рентгеновские лучи максимальной мощности всегда могут формироваться, даже если цель поражается пучками лучей с различной энергий. Поворотная конструкция цели не ограничена случаем, когда цель поражается пучками рентгеновских лучей в диапазоне от 0,5 МэВ до 2 МэВ. Это применимо к случаю, когда электронные пучки более высокой энергии поражают цель после того, как цель была заменена.
Согласно вышеописанным вариантам воплощения, индуктивная связь используется между полостями двух ускорительных трубок вместо бокового соединения, обычно используемого в линейном ускорителе на стоячей волне, которое уменьшают ширину ускорительной трубки. Кроме того, ускорительная трубка имеет однотактную структуру так, что соединительной полости не требуется. Стенка полости утолщается, и такие полости легко изготавливать в промышленном масштабе. Кроме того, два сегмента ускорительных трубок функционируют в π-моде и, таким образом, эффективность ускорения является достаточно высокой. В то же время, число полостей невелико благодаря применению низкоэнергетических пучков, и разнесение мод является достаточно большим, чтобы гарантировать стабильную работу ускоряющей системы, причем ускоряющая система имеет меньшую длину в вертикальном направлении. Кроме того, ускорительная трубка использует высокочастотную фазопеременную фокусировку, которая автоматически фокусирует пучки рентгеновских лучей, используя микроволновое поле в ускорительных трубках, и, таким образом, пятно на выходе ускоряющей системы является достаточно малым (со среднеквадратичным радиусом 0,5 мм), чтобы гарантировать высокое качество полученных изображений. С другой стороны, фокусирующая катушка бесполезна, если она уменьшает ширину ускорительной трубки.
Кроме того, чтобы дополнительно увеличить мощность и качество рентгеновских лучей от устройства, конструкция цели перепроектирована путем ввода механизма вращения цели, используя гофрированную трубу и поворотное основание и, таким образом, можно получить рентгеновские лучи максимальной мощности для электронных пучков любой энергии.
Хотя в описанных выше вариантах воплощения используется единственный источник сигналов 1 импульсной мощности, которые разделены на первый сигнал импульсной мощности и второй сигнал импульсной мощности делителем мощности 2, чтобы подать питание в ускорительные трубки 6 и 7, могут использоваться два источника импульсной мощности для обеспечения сигналов импульсной мощности для ускорительных трубок 6 и 7, соответственно, в других воплощениях изобретения.
Кроме того, хотя аттенюатор и фазовращатель расположены в одной той же ветви, как источник второго сигнала импульсной мощности в вышеупомянутом варианте воплощения, они могут быть расположены в той же самой ветви как источник первого сигнала импульсной мощности в других воплощениях. Кроме того, аттенюатор и фазовращатель могут быть расположены в ветвях первого сигнала импульсной мощности и второго сигнала импульсной мощности, соответственно.
Далее, в вышеупомянутых вариантах воплощения ускоренные электронные пучки поражают цель для генерации рентгеновских лучей. В других областях применения операция поражения цели может не потребоваться, и созданные электронные пучки могут использоваться для других целей.
Далее, в описанных выше вариантах воплощения высоковольтная электронная пушка постоянного тока используется для создания электронных пучков перед ускорением. Для квалифицированных специалистов очевидно, что другие электронные пушки также могут быть применены для генерации электронных пучков, что зависит от реального сценария и окружающей среды.
Приведенное выше подробное описание предлагает различные воплощения линейного устройства ускорения электронов на стоячей волне с помощью блок-схем, технологических схем и/или примеров. Поскольку такие блок-схемы, технологические схемы и/или примеры выполняют одну или несколько функций и/или операций, квалифицированным специалистам понятно, что каждая функция и/или операция в таких примерах может быть выполнена по отдельности и/или все вместе, в широком диапазоне аппаратных средств, программного обеспечения, встроенного микропрограммного обеспечения или фактически любой их комбинации. В одном воплощении несколько частей описанного здесь предмета изобретения могут быть реализованы через специализированные интегральные схемы (ASIC), логические микросхемы, программируемые в условиях эксплуатации (FPGA), цифровые сигнальные процессоры (DSP) или другие интегральные форматы. Квалифицированные специалисты в данной области техники также понимают, что некоторые аспекты раскрытых здесь вариантов воплощения могут быть полностью или частично эквивалентны, реализованы в интегральных схемах, как одна или несколько компьютерных программ, работающих на одном или нескольких компьютерах (например, как одна или несколько программ, работающих в одной или нескольких вычислительных системах), как одна или несколько программ, работающих на одном или нескольких процессорах (например, как одна или несколько программ, работающих на одном или нескольких микропроцессорах), как встроенное микропрограммное обеспечение или как любая их комбинация, и что разработка схем и/или запись кода для программного обеспечения, и/или встроенного микропрограммного обеспечения были бы в пределах умения квалифицированных специалистов в свете этого изобретения. Кроме того, квалифицированные специалисты оценят, что механизмы описанного здесь предмета изобретения могут быть распространены как программный продукт в различных формах, и что иллюстративное воплощение описанного здесь предмета изобретения применимо независимо от конкретного типа сигнала, несущего среду, используемую для фактического выполнения распределения. Примеры носителей сигналов включают, без ограничения, следующее: среда для записи сигналов, такая как гибкий диск, жесткий диск, компакт-диск (CD), универсальный цифровой диск (DVD), магнитная лента, память компьютера и т.д.; и среда передача сигналов включает цифровую и/или аналоговую передающую среду системы связи (например, волоконно-оптический кабель, волновод, проводная линия связи, беспроводная линия связи и т.д.).
Хотя настоящее изобретение было описано на примере нескольких типичных воплощений, для квалифицированных специалистов очевидно, что приведенные термины использованы только для целей иллюстрации и объяснения, а не для ограничения изобретения. Настоящее изобретение может быть осуществлено на практике в различных формах, не выходя из духа или сущности изобретения. Следует понимать, что воплощения не ограничены ни одним из описанных вариантов и должны интерпретироваться в широком смысле в пределах духа и объема изобретения, как определено приведенной ниже формулой изобретения. Следовательно, модификации и альтернативы, в рамках формулы изобретения, и их эквиваленты входят в объем настоящего изобретения, который определен пунктами приложенной формулы изобретения.