ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ С МНОЖЕСТВОМ ЧЕРЕДУЮЩИХСЯ УРОВНЕЙ ЭНЕРГИИ
INTERLACED MULTI-ENERGY RADIATION SOURCES

Область изобретения
Настоящее изобретение в целом относится к источникам излучения, и в частности, к источникам излучения с множеством чередующихся уровней энергии.
Предшествующий уровень техники
Излучение широко применяется в процессе досмотра содержимого различных объектов без их вскрытия, например, багажа, сумок, портфелей, грузовых контейнеров и тому подобного, с целью обнаружения спрятанной контрабанды, проводимого в аэропортах, в морских портах и общественных зданиях. К такой контрабанде могут относиться спрятанные ножи, огнестрельное оружие, взрывные устройства, запрещенные наркотические вещества, а также особый ядерный материал, например такой, как уран и плутоний. Одной из широко применяемых систем проверки является линейный сканер, где инспектируемый объект проходит через веерообразный или узкий пучок, испускаемый источником рентгеновского излучения. Проходящее через объект излучение ослабляется в различной степени в зависимости от содержимого объекта и детектируется посредством матрицы детектора. Ослабление зависит от типа и количества (толщины) материалов, через которые проходит этот пучок излучения. Можно создать радиографическое изображение содержимого исследуемого объекта, показывающее форму, размер и изменяющиеся количества содержимого. В некоторых случаях можно определить тип материала.
Проверка грузовых контейнеров на государственных границах, в морских портах и в аэропортах является вопросом особой важности для национальной безопасности. Вследствие высокой скорости прибытия таких контейнеров 100%-ная инспекция требует быстрого получения изображения каждого контейнера. Стандартные грузовые контейнеры в типичном случае имеют следующие размеры: длина 20-50 футов (6,1-15,2 метра), высота 8 футов (2,4 метра) и ширина 6-9 футов (1,8-2,7 метра). Увеличенные грузовые контейнеры для воздушной перевозки, в которых размещают множество мест багажа или другой груз, предназначенный для перевозки самолетом, могут иметь размеры приблизительно до 240×118×96 дюймов (6,1×3,0×2,4 метра). Для генерации излучения с энергией, достаточной для проникновения сквозь стандартные грузовые контейнеры и увеличенные грузовые контейнеры для воздушной перевозки, в обычном случае требуются источники излучения с энергией в несколько МэВ.
Источники излучения с энергией в несколько МэВ в типичном случае содержат ускоритель частиц, например, линейный радиочастотный (РЧ) ускоритель частиц, предназначенный для ускорения заряженных частиц, а также источник заряженных частиц, например, электронную пушку, для инжекции заряженных частиц в ускоритель. Линейный ускоритель может содержать ряд линейно расположенных, связанных электромагнитно объемных резонаторов, в которых поддерживаются стоячие или бегущие электромагнитные волны для ускорения заряженных частиц. Заряженные частицы, инжектированные в объемные резонаторы, ускоряются до требуемого уровня энергии и направляются на преобразующую мишень для получения излучения. Если ускоряемыми заряженными частицами являются электроны, а мишенью - тяжелый материал, например, вольфрам - то в результате генерируется тормозное или рентгеновское излучение. Например, электроны, ускоренные до номинальной энергии в 6 МэВ и столкнувшиеся с вольфрамом, вызовут генерацию рентгеновского излучения с энергией в 6 МВ.
Источник мощных микроволновых (РЧ) колебаний подает РЧ энергию к объемным резонаторам ускорителя. Источник микроволновых колебаний может представлять собой мощную лампу, генерирующую микроволны, например, магнетрон, или мощную лампу-усилитель микроволн, например клистрон. Питание к источникам микроволн подают модуляторы, генерирующие электрические импульсы высокой мощности, пиковое значение мощности у которых составляет, например, от 1 МВт до 10 МВт, а среднее значение мощности - от 1 кВт до 40 кВт.
Выходные характеристики модулятора могут изменяться, варьируя тем самым выход источника микроволновой энергии. Например, амплитуда высоковольтных импульсов, питающих генератор или усилитель, может изменяться с целью изменения выходного уровня микроволновой энергии. В альтернативном случае в усилителе может изменяться входной микроволновой сигнал с целью изменения выходного уровня микроволновой энергии.
Ускоритель, который может иметь значение добротности в нагруженном состоянии Q=5000, например, является весьма чувствительным к частоте входных РЧ волн. Максимальный прием микроволновой энергии от источника РЧ волн достигается тогда, когда средняя частота несущей микроволновой энергии соответствует резонансной частоте ускорителя. В противном случае некоторая или значительная часть микроволновой энергии, поданной к ускорителю, будет отражена, препятствуя ускорению заряженных частиц до желаемого уровня энергии пучка. Частоту РЧ волн можно регулировать для соответствия резонансной частоте ускорителя посредством механической или электрической настройки.
Поданная к ускорителю РЧ энергия вызывает нагревание и расширение конструкции ускорителя, что приводит к медленному частотному дрейфу резонансной частоты ускорителя. Такой дрейф наиболее заметен в первые одну или две минуты работы, но может продолжаться из-за условий окружающей среды.
Для того, чтобы осуществлять серворегуляцию частоты источника РЧ волн с целью ее изменения в соответствии с изменениями резонансной частоты ускорителя, обычно требуется устройство автоматической подстройки частоты (АПЧ), хорошо известное в данной области. Устройство АПЧ осуществляет выборку и сравнение микроволновых сигналов, подаваемых к ускорителю, с сигналами, отраженными от ускорителя, для того, чтобы определить требуемую настройку источника микроволн. Устройства АПЧ в целом достаточно для того, чтобы привести частоту источника РЧ в соответствие с резонансной частотой ускорителя в процессе установившегося режима работы. Пример устройства АПЧ описан в патенте США № 3820035, включенном сюда в качестве ссылки.
Если применяется магнетрон, то флуктуация частоты от импульса к импульсу в магнетроне может также вызвать небольшое несоответствие между частотой магнетрона и резонансной частотой ускорителя. Такое несоответствие варьируется от импульса к импульсу и добавляет некоторое количество шума в систему. Это положение можно улучшить путем подачи некоторого количества энергии микроволн, отраженных от усилителя, обратно в магнетрон при помощи отражателя и переменного фазовращателя, например, как описано в патенте США № 3714592, также включенном сюда путем ссылки. Отражатель/фазовращатель можно называть «фазовым зондом».
Пользуясь стандартным рентгеновским сканированием, трудно отличить ядерные устройства и ядерные материалы от других предметов большой толщины и высокой плотности, находящиеся внутри исследуемого объекта. Информацию о типе материалов, содержащихся внутри исследуемых объектов, получаемую путем рентгеновского сканирования, можно расширить посредством применения пучков излучения с энергией в диапазоне МэВ, имеющих два или большее количество энергетических спектров и по-разному взаимодействующих с материалами, содержащимися в объекте. Например, ослабление пучка рентгеновского излучения, энергия которого составляет 6 МэВ, содержимым объекта будет отличаться от ослабления тем же содержимым пучка рентгеновского излучения с энергией 9 МэВ, благодаря различному воздействию комптоновского рассеяния и индуцированного образования пар на пучки с различной энергией. Отношение значений ослабления рентгеновских пучков с двумя уровнями энергии может служить показателем атомных номеров материала, через который проходит пучок излучения, как описано, например, в патенте США № 5524133. Более совершенная технология анализа данных с применением двойственной энергии описана, например, в патенте США № 7257188, владельцем которого является заявитель настоящего изобретения и который включен сюда в качестве ссылки. Отношения значений ослабления пучков с энергиями высокого и низкого уровней можно также нанести в виде графика зависимости от толщины объекта для того, чтобы с помощью этого графика осуществлять идентификацию материала, как описано в работе «Радиография рентгеновскими лучами с двумя уровнями энергии для автоматического обнаружения материалов с большим атомным номером» “Dual Energy X-ray radiography for automatic high-Z material detection,” G. Chen et al., NIM (B), volume 261 (2007), pp. 356-359.
Было бы полезно получить возможность генерировать пучки излучения с различными номинальными уровнями энергии в МэВ диапазоне посредством одного источника излучения, например, для проверки грузовых контейнеров и других объектов методом двойственной энергии. В примере описанного в патенте США № 7130371 B2 ускорителя с чередующейся двойственной энергией различные уровни энергии электронного пучка получают в ускорителе бегущей волны путем изменения нагрузки, обусловленной электронным пучком, и частоты РЧ колебаний ускорителя синхронизированным способом, а тем самым - изменения эффективности ускорения. В настоящее время отсутствует информация об успешном практическом применении этого подхода, что, возможно, обусловлено сложностью системы и проблемами стабильности.
Сущность изобретения
Пучки электронов или других заряженных частиц до различных уровней энергии может ускорять один ускоритель, возбуждаемый на двух различных уровнях энергии генератором мощных радиочастотных импульсов. Может существовать необходимость быстро переключать генератор мощных радиочастотных импульсов с генерации одного уровня энергии на генерацию другого уровня энергии. Желательным может быть выполнение такого переключения в течение, например, порядка миллисекунды. Как энергия микроволн изменяется от импульса к импульсу, так и частота микроволновых импульсов, и резонансная частота ускорителя также могут изменяться от импульса к импульсу. Желательно было бы иметь улучшенную технологию для приведения частоты импульсов микроволновой энергии, генерируемых генератором мощных радиочастотных импульсов, в соответствие с резонансной частотой ускорителя на основе корректировки от импульса к импульсу. Варианты исполнения настоящего изобретения предлагают улучшенное управление частотой в системах с двойственной или множественной энергией, базирующихся на клистроне или на магнетроне, настраиваемом механическим либо электрическим способом.
В соответствии с одним исполнением настоящего изобретения описывается способ управления ускорителем, состоящий в генерировании первых импульсов радиочастотной энергии, имеющих первые уровни энергии и первые значения частоты, в генерировании вторых импульсов радиочастотной энергии, имеющих вторые уровни энергии и вторые значения частоты, отличающиеся от первых уровней энергии и первых значений частоты, и в подаче первых и вторых импульсов радиочастотной энергии к объемным резонаторам одного ускорителя в заранее заданной последовательности. Кроме того, этот способ включает приведение первой частоты первых импульсов радиочастотной энергии в соответствие с первой резонансной частотой ускорителя при подаче первых импульсов радиочастотной энергии в ускоритель, а также приведение второй частоты вторых импульсов радиочастотной энергии в соответствие со второй резонансной частотой ускорителя, отличающейся от первой резонансной частоты ускорителя, при подаче в ускоритель вторых импульсов радиочастотной энергии.
Согласно соответствующему исполнению настоящего изобретения описан способ генерации излучения на множественных уровнях энергии, включающий последовательную подачу первого напряжения питания и второго напряжения питания к генератору микроволновой энергии. Второе напряжение питания отличается от первого напряжения питания. Генератор мощных радиочастотных импульсов последовательно генерирует первые импульсы радиочастотной энергии, имеющие первую энергию на первой частоте, и вторые импульсы радиочастотной энергии, имеющие вторую энергию, отличающуюся от первой энергии, и вторую частоту, отличающуюся от первой частоты, базирующиеся, по меньшей мере, частично, на первом и втором значениях напряжения электрического питания. Эти первые и вторые мощные радиочастотные импульсы последовательно подаются к объемным резонаторам одного ускорителя частиц. Кроме того, способ включает приведение первой частоты первых импульсов радиочастотной энергии в соответствие с первой резонансной частотой ускорителя при подаче первых импульсов радиочастотной энергии в ускоритель, а также приведение второй частоты вторых импульсов радиочастотной энергии в соответствие со второй резонансной частотой ускорителя, отличающейся от первой резонансной частоты, при подаче вторых импульсов радиочастотной энергии в ускоритель. Заряженные частицы инжектируются в объемные резонаторы ускорителя, и ускоритель последовательно ускоряет их до первого уровня энергии на первой резонансной частоте ускорителя и до второго уровня энергии на второй резонансной частоте ускорителя, отличающейся от первой резонансной частоты, базируясь, по меньшей мере, частично на первых и вторых мощных радиочастотных импульсах. Первые и вторые ускоренные заряженные частицы последовательно бомбардируют мишень для генерации излучения, которое будет иметь соответственно первое и второе уровни энергии.
В соответствии с другим исполнением настоящего изобретения описан источник излучения с множеством уровней энергии, в состав которого входит ускоритель для ускорения заряженных частиц, источник заряженных частиц, связанный с ускорителем и предназначенный для подачи заряженных частиц в ускоритель, а также мишень, расположенная после ускорителя. Соударение ускоренных заряженных частиц с мишенью приводит к генерации излучения. В состав источника также входит связанный с ускорителем генератор мощных радиочастотных импульсов для избирательной подачи первых и вторых мощных радиочастотных импульсов к ускорителю. Энергия и частота вторых мощных радиочастотных импульсов отличаются от энергии и частоты первых мощных радиочастотных импульсов. Источник также содержит первое средство для приведения первой частоты генератора мощных радиочастотных импульсов в соответствие с первой резонансной частотой ускорителя при подаче первых радиочастотных импульсов к ускорителю, а также второе средство для приведения второй частоты генератора мощных радиочастотных импульсов в соответствие со второй резонансной частотой ускорителя при подаче вторых мощных радиочастотных импульсов к ускорителю. Соударение первых заряженных частиц с мишенью приводит к генерации излучения на первом уровне энергии, а соударение вторых заряженных частиц с мишенью приводит к генерации излучения на втором уровне энергии, отличающемся от первого уровня энергии.
В соответствии с еще одним исполнением изобретения описан способ генерации излучения с множеством уровней энергии и дозы, состоящий в последовательной подаче первого напряжения электрического питания и второго напряжения электрического питания к генератору мощных радиочастотных импульсов, причем второе напряжение питания отличается от первого напряжения питания, последовательной генерации генератором первых мощных радиочастотных импульсов первого уровня энергии и вторых мощных радиочастотных импульсов второго уровня энергии, отличающегося от первого уровня энергии, при этом в основе указанной генерации, по меньшей мере частично, лежит первое и второе напряжения электрического питания, а также в последовательной подаче первых и вторых мощных радиочастотных импульсов к объемным резонаторам единственного ускорителя частиц. Способ также включает последовательную работу источника заряженных частиц на третьем напряжении питания и на четвертом напряжении питания, отличающемся от первого напряжения питания, инжекцию первого и второго потоков заряженных частиц в объемные резонаторы ускорителя, причем указанные первый и второй потоки заряженных частиц базируются, по меньшей мере, частично, соответственно на третьем и четвертом напряжениях питания, и последовательное ускорение инжектированных заряженных частиц ускорителем до первого уровня энергии и второго уровня энергии, отличающегося от первого уровня энергии, основываясь, по меньшей мере частично, на первых и вторых мощных радиочастотных импульсах. Первый и второй потоки ускоренных заряженных частиц бомбардируют мишень для генерации излучения с отличающимися первой и второй энергиями, а также с отличающимися соответствующими первой и второй мощностями дозы.
В одном варианте исполнения изобретения в чередующейся работе ускорительной системы, базирующейся на механически настраиваемом магнетроне, для регулировки частоты магнетрона на одном уровне энергии применяется АПЧ. Например, настройку магнетрона можно регулировать устройством АПЧ так, чтобы частота РЧ импульсов высокого уровня энергии, генерируемых магнетроном, соответствовала резонансной частоте ускорителя, установленной при подаче в ускоритель РЧ импульсов высокого уровня энергии. На другом уровне энергии РЧ импульсов (в данном варианте - это РЧ импульсы энергии низкого уровня) магнетрон работает в условиях, при которых в нем происходит сдвиг частоты, по меньшей мере частично, соответствующий сдвигу резонансной частоты ускорителя при подаче в ускоритель РЧ импульсов низкого уровня энергии. К таким условиям может относиться амплитуда напряжения импульсов, подаваемых к магнетрону от модулятора. К указанным условиям также может относиться поддержание постоянного уровня магнитного поля магнетрона. В случае необходимости фазовый зонд также может способствовать приведению частоты магнетрона в соответствие с резонансной частотой как для импульсов с высокой энергией, так и для импульсов с энергией низкого уровня. В альтернативном варианте АПЧ может применяться в период подачи импульсов энергии низкого уровня, а магнетрон может работать в условиях, при которых сдвиг частоты магнетрона соответствует сдвигу резонансной частоты ускорителя при подаче РЧ импульсов высокого уровня энергии.
В другом варианте исполнения настоящего изобретения в системе, базирующейся на магнетроне с электрической настройкой или на клистроне, может применяться два независимых устройства АПЧ, соответственно, для РЧ импульсов высокого уровня энергии и для РЧ импульсов низкого уровня энергии, определяющих значения опорных напряжений для регулятора частоты магнетрона или РЧ усилителя. Эти значения напряжения затем применяются для управления частотой магнетрона или РЧ усилителя на основе контроля от импульса к импульсу.
В соответствии с другим исполнением настоящего изобретения для импульсов пучка с разной энергией могут обеспечиваться разные значения тока электронного пучка, чтобы достичь желаемой мощности дозы для каждого импульса энергии посредством управления источником частиц, например, электронной пушкой, от импульса к импульсу. Для диодной пушки или триодной пушки можно варьировать либо амплитуду напряжения импульса, либо периодичность по отношению к микроволновым импульсам. Для триодной пушки можно также варьировать напряжение на сетке от импульса к импульсу.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
На Фиг.1 представлена блок-схема одного варианта источника излучения с множеством уровней энергии в соответствии с одним исполнением настоящего изобретения;
На Фиг.2 представлена диаграмма, показывающая взаимосвязь напряжения питания магнетрона от цепи формирования импульсов (ЦФИ) и частоты магнетрона (МГц);
На Фиг.3 представлены пример форм волны и периодичности сигнала для источника излучения по Фиг.1;
Фиг.4 - другой вариант источника излучения с множественными энергетическими уровнями в соответствии с исполнением настоящего изобретения по Фиг.1, включающем твердотельный модулятор (ТТМ);
Фиг.5 - блок-схема другого варианта источника излучения с множеством уровней энергии в соответствии с исполнением настоящего изобретения, в котором для управления ускорителем применяется клистрон;
На Фиг.6 представлены пример форм волны и периодичности сигнала для источника излучения с множеством уровней энергии по Фиг.5;
Фиг.7 - другой пример форм волны и периодичности сигнала для источника излучения с множеством уровней энергии по Фиг.5; и
Фиг.8 - еще один вариант источника излучения с множеством уровней энергии по настоящему изобретению, содержащего электрически настраиваемый магнетрон.
Подробное описание предпочтительных вариантов исполнения изобретения
На Фиг.1 представлена блок-схема одного варианта источника 100 излучения с множеством уровней энергии в соответствии с одним вариантом исполнения настоящего изобретения. В этом варианте конфигурация источника 100 излучения предназначена для ускорения заряженных частиц, например, электронов, поочередно до первого и второго номинальных уровней энергии и для бомбардировки мишени этими ускоренными заряженными частицами с целью генерации излучения, поочередно имеющего два различных спектра энергии: одно - с высоким уровнем энергии, а другое - с энергией низкого уровня. В одном варианте первое номинальное значение уровня энергии электронов составляет 6 МэВ, что приводит к генерации пучка излучения в 6 МВ (высокий уровень энергии в этом варианте), а второй номинальный уровень энергии составляет 3,5 МэВ, что приводит к генерации пучка излучения в 3,5 МВ (энергии низкого уровня в этом варианте) при частоте повторения импульсов в 200 или 300 импульсов в секунду (имп./сек.). Может генерироваться излучение с другой комбинацией уровней энергии, например, 9 МВ и 6 МВ при более высокой или более низкой частоте повторения импульсов. Например, частота повторения импульсов может составлять 400 имп./сек. Можно генерировать излучение с числом уровней энергии больше двух, например, 6 МВ, 9 МВ и 15 МВ в любой желаемой последовательности.
В состав источника 100 излучения входит волновод или ускоритель 102, источник заряженных частиц 104, связанный с ускорителем, и мишень 106, связанная с ускорителем, например, трубой 108 дрейфа. Ускоритель 102 ускоряет заряженные частицы, поданные к ускорителю 102 источником 104 заряженных частиц, до желаемого уровня энергии, затем они направляются к мишени 106. Соударение ускоренных заряженных частиц с мишенью вызывает генерацию излучения. Заряженные частицы могут представлять собой электроны, а источник 104 заряженных частиц может быть электронной пушкой, например, такой как диодная или триодная электронная пушка. Мишень 106 может содержать, например, вольфрам. В случае, когда ускоренные электроны ударяются в тяжелый материал мишени, например, в вольфрам, это соударение приводит к генерации рентгеновского излучения, что хорошо известно в данной отрасли.
Ускоритель 102 может содержать множество электромагнитно связанных объемных резонаторов (не показаны), конфигурация которых такова, что различные значения силы электромагнитного поля в этих резонаторах приводят к ускорению электронов до разных номинальных уровней энергии, например, до 6 МэВ и до 3,5 МэВ в этом варианте. Как известно в данной области, соударение электронов, ускоренных до разных номинальных уровней энергии, с мишенью приводит к генерации пучков рентгеновского излучения с разными уровнями энергии, такими как 6 МВ и 3,5 МВ, соответственно - в этом примере.
Ускоритель 102, как известно в данной области техники, может представлять собой линейный ускоритель электронов, включающий множество расположенных на одной оси связанных электромагнитно объемных резонаторов (не показаны). Этот линейный ускоритель может быть, например, линейным ускорителем на стоячей волне в S-диапазоне или в X-диапазоне. Приемлемым вариантом ускорителя является линейный ускоритель S-диапазона серии M6A, применяемый в рентгеновских установках Linatron M™, поставляемый компанией Varian Medical Systems, Inc., Пало-Альто, Калифорния, имеющий номинальное значение резонансной частоты приблизительно 2998 МГц. Линейный ускоритель M6A имеет конфигурацию, предназначенную для генерации пучков рентгеновского излучения с номинальными уровнями энергии в 6 МВ и 3,5 МВ. Значение добротности Q в нагруженном состоянии ускорителя 102 может составлять, например, 5000. Вместо этого ускорителя можно использовать линейный ускоритель на бегущей волне.
В показанном на Фиг.1 варианте ускоритель 102 питается энергией микроволн, которую в данной области также называют РЧ энергией, обеспечиваемой магнетроном 110. Частотный диапазон магнетрона 110 выбирают так, чтобы он соответствовал диапазону частот ускорителя 102. В этом варианте, поскольку ускоритель является ускорителем S-диапазона, магнетрон 110 выбирают так или его конфигурацию выполняют таким образом, чтобы он генерировал РЧ энергию также в S-диапазоне. Магнит 111 располагают вплотную к магнетрону 110 для обеспечения требуемого магнитного поля магнетрона, как известно в данной области. Сила магнитного поля магнита 111 может составлять, например, 1500 Гауссов. Магнит 111 может быть постоянным магнитом или электромагнитом. В этом варианте магнит 111 является электромагнитом, обеспечивающим регулируемое магнитное поле, которое поддерживается постоянным в процессе работы.
Генерируемая магнетроном 110 РЧ энергия подается к объемным резонаторам в ускорителе 102 в форме отдельных импульсов РЧ энергии в каждом цикле. В каждом импульсе РЧ энергии содержится большое количество РЧ микроимпульсов. Частоту микроимпульсов в этом примере устанавливают механической настройкой магнетрона 110 и описанными ниже другими факторами. РЧ энергия устанавливает электромагнитные стоячие волны в объемных резонаторах. Эти стоячие волны ускоряют электроны (или другие такие заряженные частицы), поданные в резонаторы электронной пушкой 104, результатом чего являются электронные пучки, содержащие электроны, ускоренные до номинальных уровней энергии вплоть до максимальных проектных уровней энергии ускорения данного ускорителя при данном уровне подаваемой энергии РЧ импульсов.
В одном варианте магнетрон 110 генерирует РЧ импульсы мощностью приблизительно в 2,6 МВт и 1,5 МВт, в результате чего ускоренные электроны получают энергию, номинальными уровнями соответственно 6 МэВ и 3,5 МэВ, и генерируются пучки рентгеновского излучения соответственно в 6 МВ и 3,5 МВ. В этом примере магнетрон 110 способен переключаться, например с частоты повторения РЧ импульсов 200 импульсов в секунду (имп./сек) на частоту 300 имп./сек и наоборот.
В этом варианте магнетрон 110 может представлять собой, например, механически настраиваемый магнетрон S-диапазона MG5193-Alphatron, поставляемый компанией e2v Technologies Inc., Элмсфорд, штат Нью-Йорк (“e2v”). Согласно информации, предоставленной e2v, магнетрон 110 можно настраивать в диапазоне частот от 2993 МГц до 3002 МГц, он имеет пиковую выходную электрическую мощность до 2,6 МВт и водяное охлаждение. Указано, что весь частотный диапазон можно пройти путем вращения механического регулятора на 4,75 оборота. Максимальное допустимое пиковое анодное напряжение составляет 48 кВ. Максимальное допустимое пиковое значение анодного тока должно составлять 110 Ампер. Максимальное среднее значение мощности потребляемой электрической энергии должно составлять 6,0 кВт. Длительность импульса согласно представленным данным составляет приблизительно 5,0 микросекунд (мкс).
Между магнетроном 110 и ускорителем 102 располагают циркулятор 112, например, 3-портовый циркулятор, для изоляции магнетрона от ускорителя 102 путем направления РЧ энергии, отраженной от ускорителя, в сторону от магнетрона, например, к водяной поглощающей нагрузке 114, связанной с циркулятором. Водяная поглощающая нагрузка 114 поглощает энергию отраженных РЧ волн. Часть РЧ энергии, направленной к водяной поглощающей нагрузке, отражается обратно к циркулятору 112, который направляет эту отраженную РЧ энергию к магнетрону 110 с помощью фазового зонда 116, как известно в данной области. Это помогает стабилизировать магнетрон 110, снижая флуктуацию частоты от импульса к импульсу в магнетроне 110 путем подтягивания частоты магнетрона к частоте ускорителя 102. Фазовый зонд 116 может представлять собой отражатель/переменный фазовращатель, установленный между циркулятором 112 и водяной поглощающей нагрузкой 114. Пример отражателя/переменного фазовращателя описан выше и в патенте США № 3714592, включенном сюда путем ссылки. Такое подтягивание частоты эффективно в узком диапазоне частот, например, приблизительно до 100 кГц.
В показанном на Фиг.1 варианте питание магнетрона 110 осуществляется модулятором 117, в состав которого входят: источник электрического питания, например, высоковольтный источник 118 питания (ВИП), цепь 120 формирования импульса (ЦФИ) и тиратрон 124. ВИП 118 заряжает ЦФИ 120 для каждого импульса. Выход ЦФИ 120 можно подавать на опционный трансформатор 122. Тиратрон 124 подключен к одному выводу ЦФИ 120, а трансформатор 122 - к другому. Высокое управляющее напряжение (Управляющее V1) 126 и низкое управляющее напряжение (Управляющее V2) 128 подаются от источников питания (не показаны) к аналоговому переключателю 130, расположенному между управляющими напряжениями и ВИП 118. Конфигурация аналогового переключателя 130 позволяет выполнять переключения между Управляющим V1 и Управляющим V2 с желаемой скоростью, соответствующей скорости переключения между генерацией пучков рентгеновского излучения с более высоким номинальным уровнем энергии и более низким уровнем, например, 200 импульсов в секунду (имп./сек.) или 300 имп./сек. Аналоговый переключатель 130 может управляться логическим сигналом от контроллера 132, запрограммированного на то, чтобы вызывать переключение с желаемой скоростью и в нужный момент времени в каждом цикле. Выбранное управляющее напряжение подается к ВИП 118, который заряжает ЦФИ 120 до соответствующего более высокого или более низкого напряжения в зависимости от полученного управляющего напряжения. В этом варианте Управляющее V1 установлено на 8,8 вольта, а Управляющее V2 может быть установлено на 6,4 вольта для того, чтобы высокое напряжение было установлено на 22 кВ, а низкое напряжение - на 16 кВ, соответственно. Можно выбрать и другие установочные значения напряжения. Контроллер 132 может содержать простую логическую цепь управления или процессор, например, микропроцессор.
После того, как ВИП 118 зарядит ЦФИ 120 до соответствующего уровня и за время, требуемое для процесса рентгеновского изображения, контроллер 132 или другой контроллер переводит тиратрон 124 в открытое состояние, и он пропускает накопленную в ЦФИ 120 электрическую энергию к трансформатору 122. Выход ВИП 118 также закорачивается на землю. Конструкция ВИП 118 обеспечивает включение самозащиты в случае короткого замыкания, как известно в данной области. Трансформатор 122 увеличивает напряжение импульса до уровня, требуемого магнетроном 110.
В этом примере трансформатор 122 также питает электронную пушку 104, что позволяет избавиться от дополнительного источника питания, удешевляя и упрощая систему. Электронная пушка может быть, например, диодной пушкой. Контактный переключатель 134 между электронной пушкой 104 и трансформатором 122 выполняет переключения между отводами трансформатора 122 для подключения нужного напряжения к электронной пушке. Как известно в данной области, поданное к электронной пушке 104 напряжение определяет ток электронного пучка, подаваемый электронной пушкой к ускорителю 102 и влияющий на мощность дозы генерируемого излучения. Может возникнуть желание получать различные пучки излучения с различными мощностями доз. Контактный переключатель 134 может выполнять переключения между отводами с той же скоростью, с какой аналоговый переключатель 130 выполняет переключения между управляющими напряжениями 126, 128. Таким образом, уровни энергии дозы при желании можно изменять от импульса к импульсу. Управление контактным переключателем 134 может осуществлять контроллер 132 или другой контроллер.
Часть напряжения, подаваемого с ВИП 118, идет на электрическую нагрузку, в этом случае - на трансформатор 122 и магнетрон 110, подключенный к вторичной обмотке трансформатора. В этом примере из 22 кВ выходного напряжения ВИП 118 на нагрузку идет 11 кВ, а из 16 кВ на нагрузку идет 10 кВ. Трансформатор 122 увеличивает напряжение, например, 11 кВ и 10 кВ соответственно до напряжения 44 кВ и до 40 кВ, которое подается на магнетрон 110. Магнитное поле поддерживается на постоянном уровне в то время, как генерируются РЧ импульсы различной энергии, результатом чего являются различные значения импеданса в магнетроне 110, как известно в данной области.
В этом примере трансформатор 122 также подает питание на электронную пушку 104 еще одной своей вторичной обмоткой. Как указывалось выше, трансформатор 122 не является обязательным элементом системы. Вместо него можно задать конфигурацию ВИП 118 и/или ЦФИ 120 в таком виде, чтобы они генерировали более высокие значения напряжения.
Трансформатор 122 может иметь множество выходов или отводов для подачи напряжения на пушку. В этом варианте, например, трансформатор имеет девять (9) отводов с номинальными значениями напряжения 1,4; 2,1; 2,8; 4,4; 6,0; 7,6; 9,0; 10,6 и 12 кВ при напряжении ЦФИ 25 кВ. Два из этих девяти отводов подключены к входной стороне контактного переключателя 134, исходя из требований к значениям электронных токов, требуемых для генерации доз желаемой мощности пучков излучения энергии высокого и более низкого уровней, в зависимости от конкретного применения. Эти два отвода можно выбрать вручную и подключить к входам контактного переключателя 134. Поставщиком трансформатора может быть, например, компания Stangenes Industries, Пало-Альто, штат Калифорния. Контактный переключатель 134 может представлять собой твердотельный контактный переключатель, выполняющий переключения со скоростью 200 имп/сек. или 300 имп./сек. в данном примере, его поставщиком также может быть, например, компания Stangenes Industries, Пало-Альто, штат Калифорния.
Вместо трансформатора 122 для питания электронной пушки 104 может быть подключен отдельный источник 123 питания (показан пунктиром на Фиг.1), варьирующий напряжение питания от импульса к импульсу. В этом случае пульсации напряжения пушки могут быть синхронизированы с РЧ импульсами, что дает дополнительную гибкость в управлении выходной дозой. Кроме того, вместо диодной пушки можно применить триодную пушку. В случае триодной пушки можно регулировать напряжение на сетке и периодичность импульсов, что дает дополнительную гибкость в управлении выходной дозой. При наличии источника питания 123 его управление также может осуществляться контроллером 132 или другим таким контроллером.
Как упоминалось выше, ускоритель 102 представляет собой резонансную структуру, энергетический аксептанс которой чувствителен к частоте микроволн. Чем ближе частота микроволновых импульсов к резонансной частоте ускорителя, тем лучше будет аксептанс. Если эти частоты не достаточно соответствуют друг другу, то принятая ускорителем 102 энергия микроволн может оказаться недостаточной для адекватного возбуждения электромагнитных полей внутри объемных резонаторов ускорителя с целью ускорения электронов до желаемых уровней энергии, как известно в данной области.
Однако энергия подаваемых к ускорителю 102 микроволн может нагревать компоненты ускорителя, вызывая их расширение, которое может привести к сдвигу резонансной частоты. Резонансная частота может изменяться и под влиянием других факторов, включая вибрацию ускорителя 102. Поэтому, выходную частоту магнетрона 110 необходимо изменять в соответствии с резонансной частотой, чтобы обеспечить прием ускорителем 102 достаточно большого уровня микроволновой энергии.
В источнике, имеющем несколько уровней энергии, по настоящему изобретению резонансная частота ускорителя 102 изменяется от импульса к импульсу в ответ на неодинаковое нагревание ускорителя последовательно подаваемыми от магнетрона 110 РЧ импульсами с разными уровнями энергии. В частности, после РЧ импульса высокого уровня энергии температура ускорителя будет выше, чем после импульса низкого уровня энергии, что приводит к неодинаковому расширению компонентов ускорителя 102 от импульса к импульсу. Такое неодинаковое расширение приводит к изменению резонансной частоты ускорителя 102 с прибытием следующего РЧ импульса. В случае двух заданных уровней энергий, как в этом варианте, было обнаружено, что резонансная частота изменялась на величину приблизительно 200 кГц, то есть, приблизительно от 2998 МГц до 2998,2 МГц и назад до 2998 МГц при приеме каждой последовательности из РЧ импульсов: импульс энергии высокого уровня, импульс энергии низкого уровня, импульс энергии высокого уровня.
Устройство 136 автоматической подстройки частоты (АПЧ) отбирает для анализа РЧ импульсы, идущие к ускорителю 102 (FWD), и отраженные от него (REF) в точке между циркулятором 112 и ускорителем 102 для определения условий соответствия частот и для приведения частоты магнетрона (если необходимо) в соответствие с резонансной частотой ускорителя. В альтернативном варианте прямой (FWD) РЧ сигнал может отбираться между магнетроном 110 и циркулятором 112, а отраженный сигнал - между циркулятором 112 и нагрузкой 114. Периодичность отбора для анализа можно контролировать, например, контроллером 132 или другим таким контроллером.
Основой АПЧ 136 может служить четырехполюсник в виде гибридного модуля и регулируемый фазовращатель, имеющиеся в продаже. Устройства АПЧ такого типа описаны, например, в патенте США № 3820035, включенном сюда в качестве ссылки. В описанной системе микроволновая цепь получает отраженный (“REF”) сигнал и прямой (“FWD”) сигнал и генерирует векторную сумму этих двух сигналов с различными относительными сдвигами фазы. При этом измеряются амплитуды этих векторных сумм и с помощью электронных схем или программы определяется потребность регулировки частоты РЧ источника. Выходной сигнал АПЧ 136 может использоваться в цепи обратной связи для элемента механической настройки (не показан) магнетрона 110. Спустя множество циклов, частота магнетрона приблизится к резонансной частоте ускорителя.
Оказалось, что при желаемом значении периодичности импульсов от 200 имп./сек до 300 имп./сек и выше механическая настройка магнетрона 110 является недостаточно быстрой для того, чтобы реагировать на автоматическую подстройку частоты с каждым мощным РЧ импульсом. Также недостаточной может оказаться автоматическая подстройка частоты механически настраиваемого магнетрона 110 при более низкой периодичности импульсов. Поэтому, в соответствии с этим вариантом исполнения изобретения механическая настройка магнетрона 110 устанавливается устройством АПЧ 136 только в положение соответствия частоте только одного типа мощных РЧ импульсов, в этом примере - РЧ импульсов энергии высокого уровня.
Различные значения напряжения, подаваемые к магнетрону 110 во время каждого импульса, вызывают различные значения плотности заряда внутри магнетрона, приводя к сдвигу частоты, который в данной отрасли именуют «смещением частоты». Разные значения напряжения также по-разному нагревают магнетрон 110, что также может привести к сдвигам частоты. Было обнаружено, что при надлежащем выборе амплитуд напряжения, подаваемых к магнетрону 110, в особенности при работе с постоянным от импульса к импульсу магнитным полем, сдвиг частоты в магнетроне 110 будет происходить в том же направлении и будет иметь приблизительно или точно такое же значение (приблизительно 200 кГц в этом примере), что и сдвиг резонансной частоты ускорителя 102. Остаточное несоответствие частот величиной приблизительно до 100 кГц может быть исправлено действием фазового зонда 116, который дополнительно подгоняет частоту магнетрона к резонансной частоте ускорителя.
На Фиг.2 представлена диаграмма зависимости частоты магнетрона (МГц) от напряжения ЦФИ, подаваемого к магнетрону 110 от ЦФИ 120, для диапазона напряжений от 13 кВ до 22 кВ, диапазона частот 2992,0-2999,0 МГц при постоянном магнитном поле силой 1450 Гауссов. Эти данные были получены с той же описанной выше моделью магнетрона, не подключенной во время измерений к резонансной нагрузке ускорителя. Настройка магнетрона была зафиксирована в положении генерации мощных РЧ импульсов частотой 2998 МГц при напряжении ЦФИ величиной 22 кВ. Поскольку может оказаться желательным значительное различие по энергии между пучками излучения в процессе получения изображения в рентгеновских лучах с двумя уровнями энергии, что позволило бы лучше различать исследуемый материал, желательно, чтобы выбранные для подачи к магнетрону значения напряжений ЦФИ отличались как можно больше друг от друга для конкретного ускорителя. Как показано на Фиг.2, при напряжении ЦФИ величиной 21,5 кВ частота магнетрона настроена на величину 2998,0 МГц, что близко к номинальной резонансной частоте ускорителя 102. При снижении напряжения ЦФИ от значения 21,5 кВ частота магнетрона повышается, и ее увеличение составляет приблизительно 200 кГц при 16,5 кВ. При снижении напряжения ЦФИ от 16,5 кВ до 14,5 кВ частота магнетрона снижается приблизительно с 2998,2 МГц до 2996,5 МГц. Затем, при снижении напряжения ЦФИ от 14,5 кВ до 13 кВ частота магнетрона повышается и опять снижается.
Как описано выше, в этом варианте резонансная частота возрастает приблизительно на 200 кГц от РЧ импульса энергии высокого уровня к РЧ импульсу энергии низкого уровня. Поскольку частотный сдвиг в магнетроне при напряжении в диапазоне от 16,5 кВ до 20 кВ также увеличивает частоту, выбор напряжения второго РЧ импульса - импульса энергии низкого уровня - из этого диапазона напряжений позволяет, по меньшей мере частично, привести частоту магнетрона 110 в соответствие с частотой ускорителя во время подачи РЧ импульсов энергии низкого уровня. Дополнительное выравнивание частот выполнил бы фазовый зонд 116. Увеличение частоты приблизительно на 200 кГц при 16,5 кВ близко соответствует сдвигу резонансной частоты, и это соответствие может быть еще улучшено действием фазового зонда 116. В комбинации с автоматической подстройкой частоты РЧ импульса энергии высокого уровня в этом варианте достигается хорошее соответствие частот от импульса к импульсу. Отмечено, что автоматическая подстройка частоты может применяться для приведения частоты РЧ импульса энергии низкого уровня в соответствие с резонансной частотой ускорителя, а для приведения частоты РЧ импульса энергии высокого уровня в соответствие с резонансной частотой ускорителя может применяться сдвиг частоты магнетрона и фазовый зонд 116.
На Фиг.3 показан пример формы волны и периодичности сигнала для источника излучения 100 по Фиг.1. Ряд А показывает волновую форму напряжения, подаваемого аналоговым переключателем 130 к ВИП 118. Ряд В показывает волновую форму напряжения, подаваемого контактным переключателем 134 к электронной пушке 104. Ряд С показывает волновую форму напряжения по ЦФИ 120. Ряд D показывает РЧ импульсы энергии высокого и низкого уровней, генерируемые магнетроном 110. Ряд Е показывает периодичность отбора прямых (FWD) и отраженных (REW) сигналов устройством АПЧ 136 для анализа.
Каждый цикл генерации импульса начинается тогда, когда ВИП 118 восстановится после предыдущего импульса. В момент времени Т1 ВИП 118 начинает заряжать ЦФИ 120 со скоростью, определенной током ВИП и нагрузкой ЦФИ, до пикового значения напряжения, определенного Управляющим V1 126, например, до 22 кВ. В момент времени Т1а ЦФИ 120 заряжена до пикового напряжения. Напряжение удерживается на этом уровне до момента времени Т1b, когда тиратрон открывается и позволяет электрической энергии, накопленной в ЦФИ 120, направиться в форме импульса к магнетрону 110 и пушке 104 через трансформатор 122. Получив эту электрическую энергию от ЦФИ 120 приблизительно в момент времени Т1b, магнетрон 110 генерирует РЧ импульсы и подает эту микроволновую энергию в ускоритель 102, а пушка 104 инжектирует электроны в ускоритель 102. Инжектированные электроны ускоряются стоячими электромагнитными волнами в объемных резонаторах ускорителя 102 до номинального уровня энергии (в этом варианте 6 МэВ), вылетают из ускорителя и ударяются в мишень 106, вызывая генерацию рентгеновского излучения с энергией 6 МВ и первой мощностью дозы, также приблизительно в момент времени Т1b.
Также в момент времени Т1b ВИП 118 ощущает, что его выход закорочен на землю, и активирует самозащиту, блокируя заряд ЦФИ 120 от момента времени Т1b до момента времени Т2. Тиратрон 124 также восстанавливает свое закрытое состояние после разряда ЦФИ.
После окончания периода блокирования в момент времени Т2 ВИП 118 готов заряжать следующий импульс. Приблизительно в то же самое время аналоговый переключатель 130 переключает управляющее напряжение ВИП 118 с Управляющего V1 126 на Управляющее V2 128. Также приблизительно в это же время Т2 контактный переключатель 134 переключает подключение пушки 104 с подключения к отводу 1 на подключение к отводу 2. Затем ВИП 118 заряжает ЦФИ 120 до второго пикового напряжения, определенного Управляющим V2 128, например, до 16 кВ. В момент времени Т2а ЦФИ 120 зарядится до пикового напряжения. Период времени от Т2 до Т2а может не равняться периоду времени от Т1 до Т1а, поскольку ЦФИ заряжается до другого значения напряжения. Напряжение удерживается на пиковом значении до момента времени Т2b, когда тиратрон 124 опять открывается и пропускает электрическую энергию, накопленную в ЦФИ 120, к магнетрону 110 и к пушке 104 через трансформатор 122. Магнетрон 110 генерирует РЧ импульсы и направляет эту микроволновую энергию в ускоритель 102, а пушка 104 инжектирует электроны в ускоритель. В этом варианте энергия РЧ колебаний, генерируемых магнетроном 110 и ток электронной эмиссии пушки 104 в ускоритель 102 в момент времени Т2b отличаются от энергии РЧ колебаний и тока эмиссии в момент времени Т1b в предыдущем импульсе. Ускоритель 102 ускоряет инжектированные электроны до номинального уровня энергии (в этом примере - до 3,5 МэВ), они вылетают из ускорителя и ударяются в мишень 106, приводя, также приблизительно в момент времени Т2b, к генерации рентгеновского излучения с энергией 3,5 МВ со второй мощностью дозы, отличающейся от первой мощности дозы.
Также в момент времени Т2b ВИП 118 ощущает, что его выход закорочен на землю, и активирует самозащиту, блокируя заряд ЦФИ. Тиратрон 124 также восстанавливает свое закрытое состояние после разряда ЦФИ. После окончания периода блокирования в момент времени Т3 ВИП 118 готов заряжать следующий импульс, вызывать генерацию РЧ импульса энергии высокого уровня и результирующую генерацию другого пучка излучения с энергией высокого уровня. Приблизительно в это же время аналоговый переключатель 130 переключает управляющее напряжение с Управляющего V2 128 на Управляющее V1 126. Также приблизительно в это же время Т3 контактный переключатель 134 переключает подключение пушки 104 к отводу 1 для подачи к пушке напряжения, имеющегося на отводе 1. Циклы генерации импульсов повторяются, в результате чего (при желании поочередно) генерируются РЧ импульсы энергии высокого и низкого уровней, а также пучки излучения энергии высокого и низкого уровней, имеющие разные уровни мощности дозы.
Аналоговый переключатель 130 и контактный переключатель 134 пушки не обязательно должны переключаться точно в моменты времени Т1, Т2 и т.п. Можно запрограммировать, чтобы переключение происходило ранее, но не до того, как ЦФИ 120 полностью завершит разряд предыдущего импульса. Можно запрограммировать и так, чтобы переключение происходило позже, но не после того, как ВИП 118 зарядит ЦФИ 120 до желаемого напряжения.
В этом варианте, например, при периодичности импульсов 300 имп./сек. периоды заряда ЦФИ 120 для импульсов энергии высокого уровня T1-T1a, T3-T3a … имеют продолжительность приблизительно 1,5 миллисекунды, а периоды заряда для импульсов энергии низкого уровня T2-T2a, T4-T4a … имеют продолжительность приблизительно 1, 1 миллисекунды. Длительность периодов заряда и удержания для каждого импульса высокого напряжения T1-T1b, T3-T3b … составляет приблизительно 3,2 миллисекунды. Длительность периодов заряда и удержания для каждого импульса высокого напряжения T2-T2b, T4-T4b … составляет также приблизительно 3,2 миллисекунды. Приблизительно от 1,5 до 5 микросекунд времени требуется ЦФИ 120 для того, чтобы выпустить накопленную электрическую энергию к магнетрону 110 и к пушке 104 через трансформатор 122. Магнетрон 110 генерирует РЧ энергию и направляет к ускорителю 102, а пушка 104 инжектирует в ускоритель 102 электроны в тот момент, когда ЦФИ 120 выпускает накопленную энергию. Продолжительность каждого из периодов восстановления с блокировкой ВИП 118 T1b-T2, T2b-T3, T3b-T4 составляет приблизительно 100 микросекунд.
Выше представлена одна последовательность чередующихся одного РЧ импульса энергии высокого уровня, одного РЧ импульса энергии низкого уровня, следующего РЧ импульса энергии высокого уровня и т.д., результатом которой является последовательность чередующихся пучков излучения энергии высокого и низкого уровней, однако можно сформировать любую желаемую последовательность. Например, альтернативный вариант последовательности может состоять из двух РЧ импульсов энергии высокого уровня, за которыми следуют два РЧ импульса энергии низкого уровня, или из одного РЧ импульса энергии высокого уровня, за которым следуют два РЧ импульса энергии низкого уровня и т.п., результатом чего будут последовательности соответствующим образом чередующихся пучков излучения с энергией высокого и низкого уровней.
На Фиг.4 представлен еще один пример источника излучения 200, имеющего множество уровней энергии, в котором для питания магнетрона 110 напряжением желаемого значения вместо модулятора 117, состоящего из ВИП 118, ЦФИ 120 и тиратрона 124 (Фиг.1), применяется твердотельный модулятор («ТТМ»). Компоненты, аналогичные компонентам Фиг.1, имеют одинаковые ссылочные номера. Контроллер 132 не показан для упрощения иллюстрации. В этом варианте трансформатор не установлен, хотя, по желанию может и устанавливаться. ТТМ 202 может содержать цифровой выключатель, или же может быть установлен и отдельный переключатель (не показан). Контроллер 132 (не показан) или один или несколько таких контроллеров могут управлять работой ТТМ 202, а также других компонентов системы 200, как описано выше. ТТМ 202 будет подавать пульсирующую электрическую энергию (последовательность импульсов высокого и низкого напряжений) в моменты времени T1b, T2b и т.п., соответствующую выходу ЦФИ 120, показанному в Ряду С на Фиг.3. Остальные компоненты источника 200 и их работа могут быть такими же, как и на Фиг.1. Как описано выше, источник частиц 104, например, электронная пушка, может питаться от отдельного источника электрического напряжения.
На Фиг.5 представлена блок-схема другого варианта источника 300 излучения, имеющего множество уровней энергии, в котором работой ускорителя 302 вместо магнетрона 110, показанного на Фиг.1 и Фиг.3, управляет клистрон 301. В состав источника 300 также входит источник 304 заряженных частиц, например, электронная пушка, мишень 306, циркулятор 308, а также РЧ нагрузка 310, например, вода, как в примере по Фиг.1. В этом варианте не требуется наличие фазового зонда. Контроллер, например, контроллер 132, показанный в системе 100 по Фиг.1, здесь не показан для упрощения иллюстрации.
К клистрону 301 также подключено управляющее радиочастотное устройство 316 для подачи к клистрону РЧ энергии слабой мощности, например, 100 Вт. Выход управляющего РЧ устройства 316 может управляться входным напряжением от источника 318 напряжения, как известно в данной области. К клистрону 301 также подключен модулятор 320 для подачи импульсов электрической энергии к клистрону. В этом варианте устройство 322 управления пушкой подключено к пушке 304 для подачи требуемых импульсов напряжения к пушке.
Клистрон 301 усиливает РЧ колебания с низким уровнем мощности до более высокого уровня с целью возбуждения ускорителя 302. Например, клистрон 301 может усиливать входную мощность от 100 Вт приблизительно до 5 МВт. Выходную мощность РЧ колебаний клистрона 301 можно варьировать от импульса к импульсу для изменения РЧ энергии возбуждения, подаваемой к ускорителю 302, путем либо изменения выходной мощности управляющего РЧ устройства 316, либо изменением мощности, подаваемой к клистрону от модулятора 320 (например, как в варианте с магнетроном по Фиг.1 и Фиг.3).
Например, если управляющее РЧ устройство 316 подает к клистрону 301 два различных уровня РЧ энергии в соответствии с уровнями энергии импульсов, которые должны быть поданы на ускоритель 302, импульсы электрической энергии, подаваемые к клистрону 301 от модулятора 320, будут иметь одну и ту же амплитуду. Например, поступающие от управляющего РЧ устройства 316 слабые РЧ импульсы могут иметь мощность 60 Вт и 100 Вт, а соответствующие мощные РЧ импульсы от клистрона 301 могут быть 3 МВт и 5 МВт.
Если же поступающие к клистрону 301 от управляющего устройства 316 РЧ импульсы имеют постоянную амплитуду, то амплитуда импульсов, подаваемых модулятором 320, будет варьироваться между двумя отличающимися уровнями.
Выходная частота управляющего РЧ устройства контролируется опорным напряжением, как известно в данной области. В соответствии с этим исполнением настоящего изобретения для отслеживания двух резонансных частот ускорителя (соответственно, для импульсов энергии высокого и низкого уровней) применяются два устройства 324, 326 автоматической подстройки частоты (АПЧ). Каждое устройство АПЧ 324, 326 отбирает для анализа РЧ импульсы, поступающие в прямом направлении (FWD) к ускорителю 302, и отраженные (REF) РЧ импульсы от ускорителя, из точки между циркулятором 308 и ускорителем. В альтернативном варианте прямые РЧ сигналы для АПЧ 324, 326 могут отбираться между клистроном 301 и циркулятором 308, а отраженные РЧ сигналы могут отбираться для анализа между циркулятором 308 и нагрузкой 310.
Значения опорного напряжения от этих двух АПЧ могут подаваться на управляющее РЧ устройство 316 для поочередной подстройки частоты, при этом АПЧ 324 импульсов энергии высокого уровня будет действовать на протяжении генерации РЧ импульсов энергии высокого уровня, а АПЧ 326 импульсов энергии низкого уровня будет действовать на протяжении генерации РЧ импульсов энергии низкого уровня. АПЧ 324 импульсов энергии высокого уровня определяет значение опорного напряжения, которое должно быть отправлено к управляющему РЧ устройству для приведения частоты импульсов энергии высокого уровня в соответствие с резонансной частотой ускорителя 302 на протяжении подачи импульсов энергии высокого уровня к ускорителю, а АПЧ 326 импульсов энергии низкого уровня определяет значение опорного напряжения, которое должно быть отправлено к управляющему РЧ устройству для приведения частоты импульсов энергии низкого уровня в соответствие с резонансной частотой ускорителя на протяжении подачи импульсов энергии низкого уровня. Переключатель АПЧ 328 выполняет переключения между АПЧ 324 импульсов энергии высокого уровня и АПЧ 326 импульсов энергии низкого уровня для избирательной подачи обратной связи к управляющему РЧ устройству 316. Этот переключатель АПЧ 328 выполняет переключения между входным узлом 1 и входным узлом 2 для того, чтобы подключить к входу регулировки частоты управляющего РЧ устройства 316 опорное напряжение либо с выхода АПЧ 324, либо с выхода АПЧ 326, соответственно, под управлением контроллера, например, описанного выше. Переключатель АПЧ 328 может управляться контроллером (не показан) для выполнения переключений с желаемой скоростью и в желаемые моменты времени, как в случае с описанным выше контроллером. Работой других компонентов системы также может управлять контроллер или другие такие контроллеры.
На Фиг.6 показаны периодичность импульсов и формы волны для одного варианта рентгеновского источника 300 по Фиг.5. Ряд А показывает работу переключателя АПЧ 328. Ряд В показывает управляющее напряжение РЧ энергии, подаваемое от источника 218 напряжения к управляющему РЧ устройству 316. Ряд С показывает слабые РЧ импульсы, подаваемые управляющим РЧ устройством 316 к клистрону 301. Ряд D показывает импульсы электрической энергии, подаваемые к клистрону 301 модулятором 320, который может представлять собой ЦФИ или ТТМ. Ряд Е показывает мощные РЧ импульсы, подаваемые клистроном 312 к ускорителю 302.
В показанной в ряду С последовательности слабых РЧ сигналов, подаваемых к клистрону, чередуются высокие импульсы и низкие импульсы. В промежутке между каждым импульсом переключатель АПЧ 328 выполняет переключения между АПЧ 324 и АПЧ 326 мощных РЧ импульсов энергии высокого и низкого уровней. Одновременно с подачей слабых РЧ сигналов к клистрону 301 модулятор 314 подает туда мощные импульсы электрической энергии постоянной амплитуды. В результате генерируются поочередно мощные РЧ импульсы энергии высокого и низкого уровней, подаваемые с выхода клистрона 301 к ускорителю 302 в координации с чередующимися уровнями импульсов напряжения, подаваемого устройством управления 322 к пушке 304 (не показано на Фиг.6) для подачи потоков электронов разной величины к ускорителю. Как описано выше, таким образом генерируются поочередно пучки излучения с энергией высокого уровня и с энергией низкого уровня, с различными желаемыми уровнями энергии и мощности дозы. Можно получать различные последовательности РЧ импульсов энергии высокого/низкого уровня и пучки излучения энергии высокого/низкого уровня.
На Фиг.7 представлена альтернативная схема управления источника 300 рентгеновского излучения, показанного на Фиг.5, в которой управляющие РЧ импульсы, представленные в ряду В, имеют постоянное напряжение, слабые РЧ импульсы, представленные в ряду С, от управляющего РЧ устройства 316 к клистрону имеют постоянное значение, импульсы электрической энергии, представленные в ряду D, подаваемые от модулятора 314 к клистрону 301 поочередно имеют высокое и низкое значения напряжения, а соответствующие мощные РЧ импульсы энергии высокого и низкого уровней, генерируемые и поступающие на выход клистрона 301, показаны в ряду Е. Порядок работы переключателя АПЧ 328 на Фиг.7 такой же, как и на Фиг.6, поэтому повторно не показан. Переключатель АПЧ 328 выполняет переключения между АПЧ 324, 326 импульсов энергии высокого и низкого уровней в промежутках между импульсами высокой мощности и импульсами низкой мощности, подаваемыми модулятором 314 к клистрону 301 и показанными в ряду D. Как описано выше, таким образом генерируются поочередно пучки излучения с энергией высокого уровня и с энергией низкого уровня, с различными желаемыми уровнями энергии и мощности дозы. Можно получать различные последовательности РЧ импульсов энергии высокого/низкого уровня и пучки излучения энергии высокого/низкого уровня, как описано выше.
Два устройства АПЧ и переключатель АПЧ можно также использовать подобным образом для приведения частоты электрически настраиваемого магнетрона в соответствие с резонансной частотой ускорителя. Подстройка частоты в электрически настраиваемом магнетроне выполняется намного быстрее, чем в механически настраиваемом магнетроне, как известно в данной области. На Фиг.8 представлен вариант источника излучения, имеющего множество уровней энергии, в соответствии с одним из исполнений настоящего изобретения, в котором работой ускорителя 102 управляет электрически настраиваемый магнетрон 110а. В этом варианте представлены также все элементы, показанные на Фиг.1 и обозначены теми же числовыми позициями. Контроллер 132 по Фиг.1 не показан на Фиг.8 для упрощения иллюстрации, однако, следует понимать, что в этом варианте для управления работой компонентов системы также применяется такой контроллер или другие такие контроллеры.
На Фиг.8 в дополнение к АПЧ 136, представляющей собой АПЧ 136 импульсов энергии высокого уровня, представлена также АПЧ 138 импульсов энергии низкого уровня, предназначенная для детектирования РЧ импульсов энергии низкого уровня, отраженных от ускорителя 102. Устройства АПЧ 136 импульсов энергии высокого уровня и АПЧ 138 низких импульсов подают управляющие напряжения на переключатель АПЧ 140. Переключатель 140 выполняет переключения поданных от АПЧ 136, 138 напряжений, подавая нужное из них к электрически настраиваемому магнетрону для регулировки частоты магнетрона во время генерации РЧ импульсов соответственно энергии высокого и низкого уровней. Работой переключателя АПЧ 140 управляет контроллер 132 (не показан на Фиг.8) или другой такой контроллер, обеспечивая переключение в нужные моменты времени. Контроллер 132 также управляет работой АПЧ 136 импульсов энергии высокого уровня и АПЧ 138 импульсов энергии низкого уровня с целью анализа отраженных РЧ импульсов в нужные моменты времени, как описано выше по отношению к системе на основе клистрона по Фиг.5. Фазовый зонд 116 также способствует приведению частот магнетрона в соответствие с резонансными частотами ускорителя для РЧ импульсов энергии высокого и низкого уровней. Магнетрон 110а генерирует поочередно РЧ импульсы энергии высокого и низкого уровней и подает их со своего выхода к ускорителю 104 в координации с чередующимися уровнями напряжения импульсов, подаваемых контактным переключателем 134 к пушке 104 для подачи различных значений электронных токов к ускорителю. Как описано выше, таким образом генерируются поочередно пучки излучения с энергией высокого уровня и с энергией низкого уровня, с различными желаемыми уровнями энергии и мощности дозы. Можно получать различные последовательности РЧ импульсов энергии высокого/низкого уровня и пучки излучения энергии высокого/низкого уровня, как описано выше.
Выше описана работа системы по Фиг.1 по генерации пучков излучения с двумя различными уровнями энергии, однако конфигурацию этой системы можно изменить таким образом, чтобы она генерировала пучки излучения с тремя или большим количеством уровней энергии, путем подачи трех или большего числа значений управляющего напряжения к ВИП 118. Например, если магнетрон 110 на Фиг.1 настраивается механически, то конфигурацию АПЧ 136 можно выполнить так, чтобы она активно регулировала частоту мощных РЧ импульсов на одном из уровней энергии этих РЧ импульсов, в то время как магнетрон 110, генерируя РЧ импульсы другой энергии, будет испытывать сдвиги частоты, соответствующие сдвигам резонансной частоты ускорителя 102. Управляющее напряжение для двух других уровней энергии может быть выбрано так, как описано, например, по отношению к РЧ импульсам энергии низкого уровня. Фазовый зонд 116 также будет способствовать приведению частот магнетрона в соответствие с резонансными частотами ускорителя. К пушке 104 по желанию также могут подаваться дополнительные значения напряжения для каждого отдельного уровня энергии пучка излучения с целью варьирования мощностью дозы. Импульсы энергии могут генерироваться в любой желаемой последовательности для генерации пучков излучения с различными уровнями энергии в желаемой последовательности.
Если в качестве источника РЧ энергии применяется клистрон 301 или электрически настраиваемый магнетрон, как на Фиг.5 и Фиг.8 соответственно, то для регулировки частоты мощных импульсов каждого дополнительного уровня энергии можно установить дополнительную АПЧ. Конфигурацию переключателя АПЧ 328, 140 можно сформировать или управлять его работой таким образом, чтобы подавать опорные напряжения в управляющее РЧ устройство 316 или магнетрон 110а синхронно с уровнем энергии выходных РЧ импульсов в желаемой последовательности.
Специалистам в данной области будет очевидно, что в описанные выше варианты исполнения настоящего изобретения можно вносить другие изменения, не выходя за рамки объема и сущности изобретения, определенные поданной ниже формулой изобретения.