ОТКЛОНЯЮЩАЯ ПЛАСТИНА И ОТКЛОНЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТКЛОНЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
DEFLECTION PLATE AND DEFLECTION DEVICE FOR DEFLECTING CHARGED PARTICLES

Данное изобретение относится к отклоняющей пластине для отклонения заряженных частиц, согласно п. 1 формулы изобретения, а также к отклоняющему устройству для отклонения заряженных частиц, согласно п. 5 формулы изобретения.
Известно отклонение заряженных частиц с помощью электрического и/или магнитного полей. Известно также генерирование электрических полей посредством приложения электрических напряжений к проводящим пластинам.
Задача данного изобретения состоит в создании улучшенной отклоняющей пластины для отклонения заряженных частиц. Эта задача решена с помощью отклоняющей пластины с признаками п. 1 формулы изобретения. Другая задача данного изобретения состоит в создании улучшенного отклоняющего устройства для отклонения заряженных частиц. Эта задача решена с помощью отклоняющего устройства с признаками п. 5 формулы изобретения. Предпочтительные модификации указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Отклоняющая пластина, согласно изобретению, для отклонения заряженных частиц имеет не плоскую форму. Предпочтительно, эта отклоняющая пластина создает по сравнению с плоской отклоняющей пластиной электрическое поле с улучшенным пространственным прохождением.
В одном предпочтительном варианте выполнения отклоняющей пластины она изогнута вокруг ориентированной в первом пространственном направлении оси. Предпочтительно, в этом случае перпендикулярная первому пространственному направлению составляющая созданного с помощью отклоняющей пластины электрического поля имеет в другом перпендикулярном первому пространственному направлению пространственном направлении более плоское прохождение, чем при плоской отклоняющей пластине. Предпочтительно, это упрощает отклонение отдельных пакетов заряженных частиц из луча с множеством следующих друг за другом пакетов заряженных частиц.
В одном особенно предпочтительном варианте выполнения отклоняющей пластины она имеет форму дуги боковой поверхности цилиндра. Исследования показали, что форма дуги боковой поверхности цилиндра создает особенно предпочтительное прохождение электрического поля. Другое преимущество состоит в возможности сравнительно простого изготовления формы дуги боковой поверхности цилиндра.
В одном целесообразном варианте выполнения отклоняющей пластины она имеет проводящий материал, в частности, металл. Предпочтительно, отклоняющую пластину можно в этом случае заряжать электрическим потенциалом.
Отклоняющее устройство, согласно изобретению, для отклонения заряженных частиц имеет первую отклоняющую пластину указанного выше вида. Предпочтительно, это отклоняющее устройство можно использовать для отклонения заряженных частиц пучка заряженных частиц. За счет предпочтительного выполнения отклоняющей пластины можно в этом случае применять отклоняющее устройство для избирательного отклонения отдельных пакетов частиц из пучка следующих друг за другом пакетов заряженных частиц.
В одном особенно предпочтительном варианте выполнения отклоняющего устройства оно имеет вторую отклоняющую пластину указанного выше вида. Предпочтительно, между отклоняющими пластинами отклоняющего устройства можно в этом случае создавать разницу потенциалов.
В одном особенно предпочтительном варианте выполнения отклоняющего устройства вторая отклоняющая пластина расположена зеркально относительно первой отклоняющей пластины. Предпочтительно, между обеими отклоняющими пластинами отклоняющего устройства получается в этом случае особенно благоприятное пространственное прохождение электрического поля.
В одном особенно предпочтительном варианте выполнения отклоняющего устройства обе отклоняющие поверхности изогнуты вокруг соответствующей ориентированной в первом пространственном направлении оси. При этом первая отклоняющая пластина и вторая отклоняющая пластина расположены на расстоянии друг от друга в перпендикулярном первому пространственному направлению втором пространственном направлении. Кроме того, первая отклоняющая пластина и вторая отклоняющая пластина расположены зеркально относительно перпендикулярной второму пространственному направлению плоскости. Предпочтительно, в этом отклоняющем устройстве направленная во втором пространственном направлении составляющая электрического поля изменяется плоско в перпендикулярном первому пространственному направлению и второму пространственному направлению пространственном направлении.
Особенно предпочтительно, вогнутые поверхности отклоняющих пластин обращены друг к другу. Предпочтительно, в этом случае изменение направленной во втором пространственном направлении составляющей электрического поля является плоским в перпендикулярном первому пространственному направлению и второму пространственному направлению третьем пространственном направлении, при этом отклоняющие пластины отклоняющего устройства не должны иметь большую длину в третьем пространственном направлении.
В одной дополнительной модификации отклоняющего устройства оно имеет третью отклоняющую пластину и четвертую отклоняющую пластину. При этом третья отклоняющая пластина сдвинута относительно первой отклоняющей пластины в перпендикулярном первому пространственному направлению и второму пространственному направлению третьем пространственном направлении. Кроме того, четвертая отклоняющая пластина сдвинута относительно второй отклоняющей пластины в третьем пространственном направлении. Предпочтительно, в этом случае между третьей отклоняющей пластиной и четвертой отклоняющей пластиной может быть приложена другая разница потенциалов, чем между первой отклоняющей пластиной и второй отклоняющей пластиной.
Предпочтительно, отклоняющее устройство предназначено для отклонения движущихся в третьем пространственном направлении заряженных частиц во втором пространственном направлении. Предпочтительно, в этом случае отклоняющее устройство можно применять для избирательного отклонения отдельных частиц или пакетов частицы из луча заряженных частиц.
Указанные выше свойства, признаки и преимущества этого изобретения, а также способ их достижения, следуют из приведенного ниже описания примеров выполнения, которые поясняются более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - схема прибора для терапии с помощью частиц;
фиг. 2 - схема отклоняющего устройства;
фиг. 3 - первый разрез пары пластин отклоняющего устройства;
фиг. 4 - пара пластин отклоняющего устройства, на виде сверху;
фиг. 5 - второй разрез пары пластин отклоняющего устройства;
фиг. 6 - первый график изменения силы поля внутри пары пластин; и
фиг. 7 - второй график изменения силы поля внутри пары пластин.
На фиг. 1 показан чисто схематично прибор 100 для терапии с помощью частиц в качестве примера применения отклоняющего устройства. Однако отклоняющее устройство можно применять также во многих других областях применения.
Данное изобретение никоим образом не ограничивается областью приборов для терапии с помощью частиц.
Прибор 100 можно применять для выполнения терапии с помощью частиц, в которой больную часть тела пациента подвергают обстрелу заряженными частицами. Заряженные частицы могут быть, например, протонами. Заболевание пациента может быть, например, опухолью.
Прибор 100 для терапии с помощью частиц содержит источник 110 ионов, устройство 120 пакетирования, отклоняющее устройство 130, экран 140 и ускоритель 150 частиц, которые расположены друг за другом в z-направлении 103. Источник 110 ионов служит для создания луча 115 заряженных частиц. Частицы луча 115 могут быть, например, протонами. Частицы луча 115 могут выходить из источника 110 ионов в z-направлении 103. Частицы луча 115 могут иметь на выходе из источника 110 ионов энергию, например, от 10 кэВ до 20 кэВ.
Пакетирующее устройство 120 служит для разделения непрерывного луча 115 частиц на отдельные пакеты 125 частиц. Пакеты 125 частиц выходят из пакетирующего устройства 120 в z-направлении 102. Пакетирующее устройство 120 может также отсутствовать.
Отклоняющее устройство 130 служит для избирательного отклонения пакетов 125 частиц (или отдельных частиц непрерывного луча 115 частиц) относительно их проходящего в z-направлении 103 движения в перпендикулярном z-направлению 103 y-направлении 102.
Отклоняемые этим отклоняющим устройством 130 частицы и пакеты 125 частиц не проходят или проходят не полностью через следующий за отклоняющим устройством 130 экран 140, в то время как не отклоняемые частицы или пакеты 125 частиц проходят через экран 140. В альтернативном варианте выполнения прибора 100 для терапии с помощью частиц лишь отклоненные отклоняющим устройством 130 в y-направлении 102 частицы и пакеты 125 частиц полностью проходят через экран 140.
Частицы и пакеты 125, которые прошли через экран 140, попадают в ускоритель 150 частиц, где они ускоряются до более высокой кинетической энергии, например, от 80 МэВ до 250 МэВ. Ускоритель 150 частиц может быть, например, линейным ускорителем. В частности, ускоритель 150 частиц может быть высокочастотным линейным ускорителем.
На фиг. 2 схематично показано отклоняющее устройство 130. Отклоняющее устройство 130 содержит в показанном на фиг. 2 варианте выполнения восемь отклоняющих пластин для отклонения пакетов 125 заряженных частиц. А именно, отклоняющее устройство 130 в показанном варианте выполнения содержит первую отклоняющую пластину 210, вторую отклоняющую пластину 220, третью отклоняющую пластину 230, четвертую отклоняющую пластину 240, пятую отклоняющую пластину 250, шестую отклоняющую пластину 260, седьмую отклоняющую пластину 270 и восьмую отклоняющую пластину 280.
Первая отклоняющая пластина 210 и вторая отклоняющая пластина 220 образуют первую пару 201 пластин. Третья отклоняющая пластина 230 и четвертая отклоняющая пластина 240 образуют вторую пару 202 пластин. Пятая отклоняющая пластина 250 и шестая отклоняющая пластина 260 образуют третью пару 203 пластин. Седьмая отклоняющая пластина 270 и восьмая отклоняющая пластина 280 образуют четвертую пару 204 пластин. В другом варианте выполнения отклоняющее устройство 130 может иметь также меньше четырех пар 201, 202, 203, 204 пластин или больше четырех пар 201, 202, 203, 204 пластин.
Пары 201, 202, 203, 204 пластин расположены друг за другом в z-направлении 103. Обе соответствующие отклоняющие пластины каждой пары 201, 202, 203, 204 пластин находятся в z-направлении 103 и в перпендикулярном y-направлению 102 и z-направлению 103 х-направлении 101 в соответствующем общем положении и на расстоянии друг от друга в y-направлении 102. Пакеты 125 частиц проходят в z-направлении 103 между обеими соответствующими отклоняющими пластинами пар 201, 202, 203, 204 пластин.
Отклоняющие пластины 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 состоят из электрически проводящего материала, предпочтительно из металла, или имеют по меньшей мере один электрически проводящий материал, например, в виде покрытия.
Между отклоняющими пластинами пар 201, 202, 203, 204 пластин может создаваться разница потенциалов и тем самым электрическое поле, с целью отклонения движущихся в z-направлении 103 частиц пакетов 125 частиц в y-направлении 102. Например, к первой отклоняющей пластине 210 первой пары 201 пластина может быть приложено положительное напряжение, а ко второй отклоняющей пластине 220 первой пары 201 пластин может быть приложено отрицательное напряжение той же величины. Образованные в различных парах 201, 202, 203, 204 пластин разницы потенциалов могут отличаться друг от друга. Для отклонения отдельных пакетов 125 в следующих друг за другом быстрой последовательности во времени пакетов 125 частицы в y-направлении 102, необходимо прикладывать к отклоняющим пластинам 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 короткие во времени импульсы напряжения.
Направленная в y-направлении 102 составляющая создаваемого в паре 201, 202, 203, 204 пластин электрического поля изменяется в z-направлении 103 в соответствии с функцией Гаусса, если отклоняющие пластины 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 выполнены в виде плоских пластин. Однако более благоприятно, когда изменение направленной в y-направлении 102 составляющей электрического поля соответствует в z-направлении 103 внутри одной пары 201, 202, 203, 204 пластин приблизительно прямоугольной функции.
Для приближения к этому предпочтительному пространственному изменению направленной в y-направлении 102 составляющей электрического поля, отклоняющие пластины 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 отклоняющего устройства 130 имеют каждая не плоскую геометрию. Это поясняется ниже со ссылками на фиг. 3 - 5, где изображена первая пара 201 пластин. Остальные пары 202, 203, 204 пластин предпочтительно выполнены идентично первой паре 201 пластин.
На фиг. 3 показан первый разрез первой пары 201 пластин. При этом разрез проходит перпендикулярно z-направлению 103. Первая отклоняющая пластина 210 и вторая отклоняющая пластина 220 первой пары 201 пластин имеют в х-направлении 101 ширину 301. Ширина 301 может составлять, например, 4 мм. Отклоняющие пластины 210, 220 имеют в y-направлении 102 толщину 302. Толщина 302 может составлять, например, 0,1 мм. Первая отклоняющая пластина 210 и вторая отклоняющая пластина 220 имеют в y-направлению 102 расстояние 312 друг от друга. Расстояние 312 может составлять, например, 6 мм.
На фиг. 4 показаны на виде сверху первая отклоняющая пластина 201 и вторая отклоняющая пластина 201 в противоположном y-направлению 102 направлении рассматривания. Первая отклоняющая пластина 210 имеет в z-направлении 103 длину 303, которая может составлять, например, 4 мм. Вторая отклоняющая пластина 220 первой пары 201 пластин имеет в z-направлении 103 предпочтительно ту же длину 303, что и первая отклоняющая пластина 210.
На фиг. 5 показан второй разрез отклоняющих пластин 210, 220 первой пары 201 пластин. Разрез на фиг. 5 выполнен перпендикулярно х-направлению 101. Каждая из отклоняющих пластин 210, 220 изогнута вокруг параллельной х-направлению 101 оси. При этом изгиб имеет форму круговой дуги, так что отклоняющие пластины 210, 220 выполнены в форме дуги боковой поверхности цилиндра. При этом отклоняющие пластины 210, 220 имеют радиус 313 кривизны. Радиус 313 кривизны может составлять, например, между 1 мм и 4 мм. Изогнутые отклоняющие пластины 210, 220 имеют каждая вогнутую поверхность 510 и выпуклую поверхность 520. Вогнутые поверхности 510 отклоняющих пластин 210, 220 обращены друг к другу.
На фиг. 6 показан первый график 600 пространственных изменений силы поля, которые получаются при различных радиусах кривизны отклоняющих пластин 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280. На горизонтальной оси первого графика 600 нанесено z-направление 103 в зоне одной пары 201, 202, 203, 204 пластин. На вертикальной оси первого графика 600 нанесена направленная в y-направлении 102 составляющая 601 силы электрического поля.
Первое изменение 610 поля указывает изменение силы электрического поля в y-направлении 102 при очень большом выбранном радиусе 313 кривизны, например, 1000 мм. Такой большой радиус 313 кривизны представляет приближение к плоским отклоняющим пластинам 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280. Таким образом, первое изменение 610 поля указывает приблизительно изменение поля, которое получается при применении плоских отклоняющих пластин 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280. Второе изменение 620 поля указывает изменение направленной в y-направлении 102 составляющей поля при применении радиуса 313 кривизны 4 мм. Третье изменение 630 поля указывает изменение силы электрического поля в y-направлении 102 при применении радиуса 313 кривизны 3 мм. Четвертое изменение 640 поля указывает изменение направленной в y-направлении 102 составляющей электрического поля при применении радиуса 313 кривизны 2,5 мм. При этом изменения 610, 620, 630, 640 поля указаны в находящемся в y-направлении 102 в центре между отклоняющими пластинами пар 201, 202, 203, 204 пластин положении. Можно видеть, что изменение силы 601 поля в y-направлении 102 является тем больше прямоугольным, чем меньше выбран радиус 313 кривизны, т.е. чем больше изогнуты отклоняющие пластины 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280.
Кроме того, на первом графике 600 на фиг. 6 показано пятое изменение 650 поля, шестое изменение 660 поля, седьмое изменение 670 поля и восьмое изменение 680 поля. Пятое изменение 650 поля получается при применении радиуса 313 кривизны 1000 мм. Шестое изменение 660 поля получается при применении радиуса 313 кривизны 4 мм. Седьмое изменение 670 поля получается при применении радиуса 313 кривизны 3 мм. Восьмое изменение 680 поля получается при применении радиуса 313 кривизны 2,5 мм. Изменения 650, 660, 670, 680 поля получаются в положении в y-направлении 102, которое лежит не точно между обеими отклоняющими пластинами соответствующей пары 201, 202, 203, 204 пластин, а ближе к одной из пластин соответствующей пары 201, 202, 203, 204 пластин. Можно видеть, что каждое из изменений 650, 660, 670, 680 поля в зоне вокруг центра пары 201, 202, 203, 204 пластин является вогнутым в z-направлении 103. При этом вогнутость тем больше, чем меньше выбран радиус 313 кривизны. Поскольку такая вогнутость изменения направленной в y-направлении 102 составляющей электрического поля в z-направлении 103 может быть связана с недостатками, то радиус кривизны не следует выбирать слишком малым.
На фиг. 7 показан второй график 70 изменения направленной в y-направлении 102 составляющей электрического поля вдоль z-направления 103. На горизонтальной оси второго графика 700 снова нанесено z-направление 103 в зоне одной пары 201, 202, 203, 204 пластин. На вертикальной оси второго графика 700 нанесена нормированная сила 701 поля направленной в y-направлении 102 составляющей электрического поля. Первое изменение 710 поля, второе изменение 720 поля, третье изменение 730 поля и четвертое изменение 740 поля показывают изменение направленной в y-направлении 102 составляющей электрического поля вдоль z-направления 103 в середине между обеими отклоняющими пластинами соответствующей пары 201, 202, 203, 204 пластин. При этом радиус 313 кривизны составляет при первом изменении 710 поля 1000 мм, при втором изменении 720 поля 4 мм, при третьем изменении 730 поля 3 мм и при четвертом изменении 740 поля 2,5 мм. При нормированном изображении второго графика 700 можно еще более отчетливо видеть, что изменение направленной в y-направлении 102 составляющей электрического поля в z-направлении 103 является тем больше прямоугольным, чем меньше выбран радиус 313 кривизны отклоняющих пластин 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280.
Хотя изобретение подробно иллюстрировано и пояснено с помощью предпочтительного примера выполнения, изобретение не ограничивается раскрытыми примерами. Специалисты в данной области техники могут выводить из них другие варианты выполнения без выхода за объем защиты изобретения.