УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВЫРОВНЕННОГО ПОЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
DEVICE AND METHOD FOR GENERATING FLATTENED X-RAY RADIATION FIELD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения и, в частности, к устройству и способу для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения с использованием ускорителей электронов высокой энергии при неразрушающем контроле, радиационной визуализации, флюороскопической визуализации, в досмотровом оборудовании безопасности, при радиационной обработке и в медицинской радиотерапии.
Предпосылки изобретения
В настоящее время рентгеновское излучение широко применяется в таких областях, как неразрушающий контроль, проверка на безопасность и постановка диагноза и лечение в медицине. Для крупных объектов детектирования, таких как котлы, авиационные двигатели, бестарные грузы в аэропортах / на железных дорогах / на таможнях, при проведении их флюороскопического досмотра необходимо рентгеновское излучение высокой энергии, и в таких случаях для генерирования рентгеновского излучения высокой энергии обычно используется ускоритель электронов с энергией более 2 МэВ.
Как правило, основной способ генерирования рентгеновского излучения с помощью ускорителя электронов заключается в следующем: электронная пушка используется для генерирования потока электронного пучка, который разгоняется с помощью электрического поля для получения высокой энергии; поток электронного пучка высокой энергии ударяется о мишень для генерирования рентгеновского излучения; и область, в которой рентгеновское излучение (или доступное рентгеновское излучение) распределяется, обычно называется полем рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение, генерируемое при ударении потока электронного пучка о мишень, обычно рассеивается и распределяется во все направления в стереоскопическом угле 4II; распределение интенсивности рентгеновского излучения, генерируемого при ударении о мишень потоков электронных пучков разной энергии, в каждом направлении выхода разнится; и обычно чем выше энергия потока электронного пучка, тем выше интенсивность прямого рентгеновского излучения. Направление движения потока электронного пучка обычно определяется как прямое направление; что касается величин интенсивности рентгеновского излучения, генерируемого при ударении о мишень потока электронного пучка высокой энергии в разных направлениях, она является наивысшей в прямом направлении и постепенно снижается при увеличении угла отклонения от прямого направления; и это изменение очевиднее, если энергия потока электронного пучка выше. Например, для рентгеновского излучения, генерируемого при ударении о мишень потока электронного пучка, имеющего энергию 9 МэВ (миллионов электронвольт), если интенсивность рентгеновского излучения в центре (прямое направление) равна 1, интенсивность рентгеновского излучения в направлении, отклоняющемся от центра на 5 градусов, равна приблизительно 73%, 53% в направлении, отклоняющемся от центра на 10 градусов, 40% в направлении, отклоняющемся от центра на 15 градусов, и 18% в направлении, отклоняющемся от центра на 30 градусов, и это является очень значительным сосредоточенным распределением в прямом направлении. В системе детектирования, в которой для генерирования рентгеновского излучения для флюороскопической визуализации используется ускоритель электронов, чем больше размер объекта, тем более высокая энергия рентгеновского излучения требуется, и тем больший угол распределения рентгеновского излучения необходим. Однако интенсивность поля рентгеновского излучения с высокой энергией и большим углом распределения очень неравномерна, что серьезно отражается на качестве выявляемого изображения. Кроме того, в отношении медицинской радиотерапии создаются проблемы чрезмерного излучения в центральной (прямой) области и недостаточного излучения в краевой области из-за неравномерности распределения интенсивности поля рентгеновского излучения.
В известном уровне техники для устранения этих неблагоприятных влияний неравномерного распределения интенсивности поля излучения на качество изображения, вызванных прямой централизацией рентгеновского излучения, или для устранения неравномерного излучения в радиотерапии, перед мишенью, генерирующей рентгеновское излучение, предусматривается определенное блокирующее оборудование, именуемое компенсаторным (выравнивающим) фильтром, для ослабления интенсивности рентгеновского излучения в диапазоне малых углов отклонения от прямого направления, тем самым обеспечивая относительно равномерное распределение интенсивности рентгеновского излучения в определенном диапазоне углов отклонения. Такая практика «выравнивания» жертвует максимальной интенсивностью поля излучения, генерируемого ускорителем электронов, и снижает эффективность использования, и потому участок мишени в радиационной флюороскопической системе размыт, и разрешение изображения снижается.
Краткое изложение сущности изобретения
Предлагается решение вышеупомянутых проблем, и целью настоящего изобретения является создание устройства и способа, способных обеспечить генерирование выровненного поля рентгеновского излучения.
Для достижения вышеупомянутой цели предлагается устройство для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения, отличающееся тем, что содержит:
несколько ускорителей электронов, используемых для генерирования потоков электронных пучков высокой энергии; и
блок общей мишени, содержащий вакуумную камеру мишени, мишень и несколько входных соединительных устройств,
причем несколько ускорителей электронов соответственно соединены с несколькими входными соединительными устройствами.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
несколько входных соединительных устройств установлены на одной стороне вакуумной камеры мишени, мишень установлена на другой стороне вакуумной камеры мишени, противоположной нескольким входным соединительным устройствам,
оси нескольких входных соединительных устройств пересекаются в одной точке таким образом, что между каждыми двумя из этих осей образуется заданный угол сходимости.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
заданный угол сходимости, образованный каждыми двумя из осей нескольких входных соединительных устройств, является одинаковым.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
заданный угол сходимости, образованный каждыми двумя из осей нескольких входных соединительных устройств, является разным.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
мишень имеет плоскую конструкцию, и потоки электронных пучков, входящие в вакуумную камеру мишени из нескольких входных соединительных устройств, пересекаются в точке на плоскости мишени на стороне вакуума.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
мишень имеет конструкцию со сферической поверхностью, и потоки электронных пучков, входящие в вакуумную камеру мишени из нескольких входных соединительных устройств, пересекаются в центре сферы сферической поверхности.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
мишень имеет L-образную конструкцию, и потоки электронных пучков, входящие в вакуумную камеру мишени из нескольких входных соединительных устройств, вертикально падают на плоскость мишени.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
блок общей мишени дополнительно содержит: охлаждающее устройство, установленное на наружной стороне вакуумной камеры мишени, окружающее одну сторону мишени и имеющее внутри трубку или полость для обеспечения циркуляционного протекания внутри хладагента и, таким образом, охлаждения мишени; систему охлаждения, соединенную с охлаждающим устройством для транспортировки хладагента с постоянной низкой температурой в охлаждающее устройство и снижающую температуру хладагента с высокой температурой, вытекающего обратно из охлаждающего устройства, до заданной величины.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
блок общей мишени дополнительно содержит вакуумную систему, установленную на боковой стенке блока общей мишени и имеющую вакуумно-герметичное соединение с вакуумной камерой мишени для поддерживания в рабочем процессе высокого вакуума вакуумной камеры мишени.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
блок общей мишени дополнительно содержит: несколько фокусирующих устройств, установленных на наружных сторонах входных соединительных устройств; и устройство управления фокусировкой, соединенное с фокусирующими устройствами для управления рабочими состояниями фокусирующих устройств.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
несколько ускорителей электронов имеют одинаковую конструкцию и представляют собой линейные электронные ускорители;
каждый из ускорителей электронов состоит из блока эмиссии электронов, блока ускорения электронов, выходного соединительного устройства, устройства передачи микроволновой мощности, источника микроволновой мощности и системы питания и управления,
причем один конец блока ускорения электронов соединен с блоком эмиссии электронов, другой конец блока ускорения электронов соединен с выходным соединительным устройством, система питания и управления соединена с блоком эмиссии электронов и источником микроволновой мощности соответственно, источник микроволновой мощности соединен с блоком ускорения электронов через устройство передачи микроволновой мощности, система питания и управления соединена с главной системой питания и управления, и
выходное соединительное устройство соединено с входным соединительным устройством блока общей мишени.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
несколько ускорителей электронов имеют одинаковую конструкцию и представляют собой линейные электронные ускорители,
несколько ускорителей электронов имеют общие систему питания и управления, источник микроволновой мощности и устройство распределения микроволновой мощности,
каждый из нескольких ускорителей электронов дополнительно содержит блок эмиссии электронов, блок ускорения электронов, выходное соединительное устройство и устройство передачи микроволновой мощности,
один конец блока ускорения электронов соединен с блоком эмиссии электронов, другой конец блока ускорения электронов соединен с выходным соединительным устройством, блок эмиссии электронов соединен с системой питания и управления, устройство передачи микроволновой мощности соединено с блоком ускорения электронов,
выходное соединительное устройство соединено с входным соединительным устройством блока общей мишени.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
несколько ускорителей электронов имеют одинаковую энергию.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
несколько ускорителей электронов имеют разную энергию.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
несколько ускорителей электронов находятся в одной плоскости.
Кроме того, в предлагаемом устройстве для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
несколько ускорителей электронов не находятся в одной плоскости.
Предлагается способ генерирования выровненного поля рентгеновского излучения, отличающийся тем, что
потоки электронных пучков высокой энергии из нескольких ускорителей электронов ударяются о мишень блока общей мишени таким образом, что каждые два потока электронных пучков высокой энергии вместе образуют заданный угол сходимости.
Кроме того, в предлагаемом способе генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
несколько ускорителей электронов имеют одинаковую энергию.
Кроме того, в предлагаемом способе генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
несколько ускорителей электронов имеют разную энергию.
Кроме того, в предлагаемом способе генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
несколько ускорителей электронов находятся в одной плоскости.
Кроме того, в предлагаемом способе генерирования выровненного поля рентгеновского излучения
несколько ускорителей электронов не находятся в одной плоскости.
Целью настоящего изобретения является, главным образом, создание устройства и способа для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения. В предлагаемом способе генерирования выровненного поля рентгеновского излучения по меньшей мере два ускорителя электронов используются для синхронного генерирования полей рентгеновского излучения и, кроме того, выполнены с одинаковыми положениями пятен на мишени; центральные направления полей рентгеновского излучения, генерируемых всеми ускорителями электронов, образуют определенные углы сходимости, величина которых связана с энергией ускорителей электронов; и, таким образом, выровненное поле рентгеновского излучения получается наклонным наложениям нескольких полей рентгеновского излучения. Предлагаемое устройство для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения содержит по меньшей мере два ускорителя и блок общей мишени, причем блок общей мишени состоит из нескольких входных соединительных устройств, вакуумной камеры мишени, мишени, системы охлаждения, вакуумной системы, фокусирующей системы и т. п.
Целью настоящего изобретения является, главным образом, создание устройства для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения, чтобы генерировать равномерное поле рентгеновского излучения с более широким диапазоном углов путем наложения; по сравнению со способом блокирования интенсивность равномерного поля рентгеновского излучения является высокой, благодаря чему система флюороскопической визуализации или система радиотерапии имеет высокие быстродействие и эффективность; по сравнению со способом блокирования равномерное поле рентгеновского излучения с более широким диапазоном углов может генерироваться таким образом, что система флюороскопической визуализации может использоваться для досмотра предметов большего размера и объема, или система радиотерапии может выполнять равномерную обработку на большей площади; без блокирования излучения не может вызваться размывание или искажения изображения пятна на мишени, следовательно, могут повыситься разрешение и четкость изображений системы детектирования с использованием флюороскопической визуализации; и число ускорителей электронов можно оптимально увеличить для получения равномерного поля рентгеновского излучения с более высокой интенсивностью и более широким диапазоном углов, благодаря чему дополнительно улучшаются эксплуатационные характеристики, и расширяется диапазон применения для системы флюороскопической визуализации или системы радиотерапии.
Краткое описание графического материала
На ФИГ. 1 приведено схематическое представление предлагаемого устройства для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения.
На ФИГ. 2 приведено схематическое представление конструкции предлагаемого блока общей мишени.
На ФИГ. 3 приведено схематическое представление распределения интенсивности рентгеновского излучения под разными углами, генерируемого ускорителями электронов разных энергий.
На ФИГ. 4 приведено схематическое представление традиционного способа выравнивания поля рентгеновского излучения; ФИГ. 4(A) – схематическое представление структуры системы, ФИГ. 4(B) – график, показывающий эффект выравнивания.
На ФИГ. 5 приведено схематическое представление выровненного поля рентгеновского излучения, генерированного двумя ускорителями, работающими в режиме наложения, в соответствии с настоящим изобретением.
На ФИГ. 6 приведено схематическое представление зависимости между углом сходимости потоков электронных пучков и энергией ускорителей электронов.
На ФИГ. 7 приведено схематическое представление конструкций мишеней разных форм.
На ФИГ. 8 показано устройство для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения с использованием ускорителей электронов независимых конструкций.
На ФИГ. 9 показано устройство для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения с использованием ускорителей электронов не независимых конструкций.
На ФИГ. 10 приведено схематическое представление конструкции блока общей мишени, который может соединяться с тремя ускорителями электронов.
Перечень позиций на фигурах:
1, 1a, 1b: ускоритель электронов; 101, 101a, 101b: блок эмиссии электронов; 102, 102a, 102b: блок ускорения электронов; 103, 103a, 103b: выходное соединительное устройство; 104: устройство передачи микроволновой мощности; 105: устройство распределения микроволновой мощности; 106: источник микроволновой мощности; 107: система питания и управления; 2: блок общей мишени; 201, 201a, 201b: входное соединительное устройство; 202: вакуумная камера мишени; 203: мишень; 204: охлаждающее устройство; 205: система охлаждения; 206: вакуумная система; 207: фокусирующее устройство; 208: устройство управления фокусировкой; 3: компенсаторный фильтр; E: поток электронного пучка; X: рентгеновское излучение; θ: угол сходимости потоков электронных пучков.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Далее приводится подробное описание настоящего изобретения со ссылками на графический материал. На ФИГ. 1 приведено схематическое представление предлагаемого устройства для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения. Как показано на ФИГ. 1, предлагаемое устройство для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения состоит из нескольких ускорителей электронов 1 (числом по меньшей мере два, в частности, именуемых 1a и 1b) и блока 2 общей мишени, соединенного одновременно с этими ускорителями электронов 1a и 1b. Кроме того, на ФИГ. 2 приведено схематическое представление конструкции предлагаемого блока общей мишени. Как показано на ФИГ. 2, блок 2 общей мишени состоит из вакуумной камеры 202 мишени, нескольких входных соединительных устройств 201 (в частности, обозначенных позициями 201a и 201b), установленных на одной стороне вакуумной камеры 202 мишени, мишени 203, установленной на вакуумной камере 202 мишени и расположенной на другой стороне, противоположной входным соединительным устройствам 201.
Кроме того, как показано на ФИГ. 1, ускорители электронов 1 используются для генерирования потоков E пучков высокой энергии и обычно содержат блоки 101 эмиссии электронов (в частности, обозначенные позициями 101a и 101b), блоки 102 ускорения электронов (в частности, обозначенные позициями 102a и 102b) и выходные соединительные устройства 103 (в частности, обозначенные позициями 103a и 103b). Ускоритель электронов как широко применяемое оборудование имеет различные типы, такие как высоковольтный ускоритель, индукционный ускоритель, кольцевой ускоритель и линейный ускоритель, и основной принцип его действия можно подытожить следующим образом: блок эмиссии электронов под действием системы питания и управления генерирует начальный поток электронного пучка; поток электронного пучка поступает в блок ускорителя электронов и разгоняется электрическим полем высокого напряжения, индукционным электрическим полем, микроволновым электрическим полем и т. п. для получения высокой энергии; и затем поток электронного пучка высокой энергии выводится для разных случаев применения через выходное соединительное устройство. В настоящем изобретении выходные соединительные устройства 103 ускорителей 1 электронов соединены с входными соединительными устройствами 201 блока 2 общей мишени. Кроме того, в настоящем изобретении можно использовать различные обычные ускорители электронов, известные в данной области.
Кроме того, блок 2 общей мишени используется для сведения нескольких потоков Е электронных пучков и обеспечения ударения нескольких потоков Е электронных пучков об одну и ту же мишень под разными углами, чтобы генерировать выровненное рентгеновское излучение; и блок 2 общей мишени содержит несколько входных соединительных устройств 201 (соответственно обозначенных 201a, 201b и т. п.), вакуумную камеру 202 мишени и мишень 203. На ФИГ. 2 показана конкретная конструкция предлагаемого блока 2 общей мишени. Как показано на ФИГ. 2, несколько входных соединительных устройств 201 установлены на одной стороне вакуумной камеры 202 мишени, а мишень 203 установлена на другой стороне вакуумной камеры 202 мишени, противоположной входным соединительным устройствам 201. Каждое из входных соединительных устройств 201 обычно состоит из фланца с ножевой опорой и трубки и обычно является кольцеобразным, причем кольцеобразный фланец с ножевой опорой используется для образования вакуумно-герметичного соединения с выходным соединительным устройством 103 ускорителей 1 электронов, а трубка круглого сечения используется для протекания в ней потоков Е электронных пучков. Оси нескольких входных соединительных устройств 201 пересекаются под заданным углом θ сходимости; мишень 203 находится в точке пересечения, которая обычно является центром мишени 203; и мишень 203 закреплена на стенке вакуумной камеры 202 мишени, и край мишени 203 и край вакуумной камеры 202 мишени образуют вакуумно-герметичную конструкцию, например, посредством сварки. Материалом для мишени 203 служит тяжелый металл вольфрам или вольфрамовый сплав. Потоки Е электронных пучков поступают в вакуумную камеру 202 мишени из нескольких входных соединительных устройств 201 и ударяются об мишень 203 под разными углами, чтобы тем самым генерировать выровненное рентгеновское излучение.
Кроме того, на ФИГ. 3 приведено схематическое представление распределения интенсивности рентгеновского излучения под разными углами, генерируемого ускорителями электронов разных энергий. На ФИГ. 3 на горизонтальной оси указан угол; 0 градусов указывает направление движения потоков Е электронных пучков, т. е. центральное направление рентгеновского излучения; другие углы указывают углы отклонения относительно центрального направления; на вертикальной оси указана относительная интенсивность рентгеновского излучения, причем интенсивность рентгеновского излучения в центральном направлении определена как 100, а интенсивность в других направлениях указана в конкретных значениях относительно центрального направления. На ФИГ. 3 показано распределение интенсивности рентгеновского излучения при разных углах для случая, когда о мишень ударяются потоки Е электронных пучков, генерируемые тремя ускорителями электронов разной энергии. Как видно из ФИГ. 3, чем выше энергия, тем меньше удельная величина рентгеновского излучения под другими углами относительно центрального направления, то есть тем более очевиден эффект сосредоточения рентгеновского излучения в прямом направлении. Обычно, если за пределами определенного диапазона углов интенсивность рентгеновского излучения снижается слишком сильно, рентгеновское излучение не может использоваться нормально, следовательно, чем выше энергия ускорителей, тем меньший диапазон углов рентгеновского излучения может использоваться. Если интенсивности рентгеновского излучения в разных направлениях очень разнятся, четкость и яркость разных зон изображения в системе флюороскопической визуализации снижаются, и терапевтические эффекты, достигаемые при использовании разных зон в системе радиотерапии, очень отличаются. Следовательно, если поле рентгеновского излучения, генерируемое ускорителем электронов с энергией более 6 МэВ, не выровнено, эффективно доступный диапазон углов очень мал.
Кроме того, на ФИГ. 4 приведено схематическое представление традиционного способа выравнивания поля рентгеновского излучения, причем ФИГ. 4 (A) – схематическое представление структуры системы, и ФИГ. 4 (B) – график, показывающий эффект выравнивания. Как показано на ФИГ. 4 (A), перед мишенью ускорителя электронов обычно предусматривается компенсаторный фильтр 3; благодаря блокированию компенсаторным фильтром 3 интенсивность рентгеновского излучения в центральном направлении ослаблена; следовательно, для компенсаторного фильтра 3 обычно используют тяжелый металл вольфрам с формой типа выступа в виде усеченного кругового конуса, то есть центр является самым толстым с наибольшим блокированием, а край становится тоньше с меньшим блокированием. На ФИГ. 4 (B) показан график распределения интенсивности рентгеновского излучения при разных углах после блокирования рентгеновского излучения с помощью компенсаторного фильтра 3. На ФИГ. 4 (B) сплошной линией показана интенсивность рентгеновского излучения в состоянии отсутствия блокирования, штриховой линией показана интенсивность рентгеновского излучения после блокирования компенсаторным фильтром 3; как видно на ФИГ. 4(B), хотя половина или приблизительно половина интенсивности рентгеновского излучения, генерируемого ускорителями электронов высокой энергии (9 МэВ на ФИГ. 4(B)), блокируется в центральном направлении, равномерность может по-прежнему поддерживать лишь в пределах меньшего диапазона углов (диапазона приблизительно от отрицательных 10 градусов до положительных 10 градусов на ФИГ. 4(B)). Если компенсаторный фильтр используется таким образом, интенсивность рентгеновского излучения значительно снижается, тем самым приносится в жертву эффективность.
Кроме того, на ФИГ. 5 приведено схематическое представление выровненного поля рентгеновского излучения, полученного наложением двух ускорителей электронов в соответствии с настоящим изобретением. Потоки Е электронных пучков, генерируемые двумя ускорителями электронов, ударяются об одну и ту же мишень под заданным углом θ сходимости; как показано пунктирными линиями на ФИГ. 5, рентгеновское излучение, генерируемое каждым ускорителем электронов, распределяется в пределах определенного угла; однако после наложения полей рентгеновского излучения, генерируемых двумя ускорителями электронов, образуется выровненное поле рентгеновского излучения с лучшей степенью выравнивания вверху, причем как новое центральное направление принимается центр угла θ сходимости. По сравнению с полями рентгеновского излучения до наложения выровненное поле рентгеновского излучения, полученное после наложения, имеет эффективно доступный диапазон углов рентгеновского излучения, увеличенный более чем в один раз; более того, поле рентгеновского излучения с очень выровненным верхом, образуется в зоне в пределах угла θ сходимости между прямыми направлениями двух потоков Е электронных пучков; и это является очень преимущественным для повышения качества изображения системы детектирования с использованием флюороскопической визуализации или для повышения эффекта радиотерапии.
0
0
0
Естественно, для того чтобы получить крайне равномерно наложенное поле рентгеновского излучения в пределах определенного диапазона углов, угол θ сходимости потоков Е электронных пучков зависит от кривой распределения поля рентгеновского излучения каждого ускорителя электронов, т. е. в зависимости от энергии используемого ускорителя электронов. Согласно принципу прибавления, легко понять, что для двух ускорителей электронов с определенной энергией кривые распределения их полей рентгеновского излучения определены (как показано штриховыми линиями на ФИГ. 5); если угол θ сходимости является оптимальным θ, наложенное поле рентгеновского излучения в пределах области угла сходимости между прямыми направлениями двух потоков Е электронных пучков является оптимальным по равномерности и плоскостности (например, амплитуда колебания менее +/-5 %, и реально добиться полного выравнивания очень трудно); если угол θ сходимости больше чем θ, отклонения от первоначальных центральных направлений двух потоков Е электронных пучков являются слишком большими, при этом интенсивность наложенного рентгеновского излучения в новых центральных направлениях после наложения недостаточно высока, кривая распределения наложенных полей рентгеновского излучения стремится стать M-образной, и равномерность ухудшается (например, амплитуда колебания более +/-20%), хотя распределение доступных углов становится больше, и это является неблагоприятным, поскольку отрицательные влияния могут превзойти положительные эффекты; кроме того, если угол θ сходимости меньше чем θ, отклонения от первоначальных центральных направлений двух потоков Е электронных пучков являются слишком малыми, при этом интенсивность наложенного рентгеновского излучения в новых центральных направлениях после наложения является слишком высокой, кривая распределения наложенных полей рентгеновского излучения стремится стать А-образной со слишком высокой средней частью (например, амплитуда колебания более +/-20% ), и эффект выравнивания в пределах большего диапазона углов не достигается; следовательно, желательно получить приемлемое распределение полей рентгеновского излучения (например, с амплитудой колебания менее +/-10%, и приемлемая амплитуда колебания для полей в разных случаях применения может варьировать). Кроме того, имеется соответствующая зависимость θ= θ(En) между углом θ сходимости потоков пучков между потоками Е электронных пучков двух ускорителей электронов и энергией En ускорителей электронов, как показано на кривой зависимости на ФИГ. 6.
0
0
0
0
На ФИГ. 6 показана зависимость между углом θ сходимости потоков пучков между потоками Е электронных пучков и энергией En ускорителей электронов в соответствии с настоящим изобретением. Как показано на ФИГ. 6, если угол θ сходимости между потоками Е электронных пучков равен θ, наложенное поле рентгеновского излучения может получить оптимальный эффект выравнивания; при повышении энергии ускорителей θ уменьшается; и в разных областях применения имеется определенный допуск для эффекта выравнивания наложенного поля рентгеновского излучения, то есть угол θ сходимости между потоками Е электронных пучков может изменяться вокруг θ; следовательно, для θ имеются максимальное значение допуска θmax и минимальное значение допуска θmin, причем при повышении энергии ускорителей θmax и θmin подобным образом уменьшаются, и чем выше энергия ускорителей электронов, тем меньше диапазон изменения θmax и θmin относительно θ.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, энергия двух ускорителей электронов предпочтительно одинакова, как показано на ФИГ. 5.
Кроме того, как показано на ФИГ. 2, предлагаемый блок 2 общей мишени дополнительно содержит охлаждающее устройство 204 и систему 205 охлаждения. Охлаждающее устройство 204, установленное на наружной стороне вакуумной камеры 202 мишени, окружает одну поверхность мишени 203 и содержит внутри трубку или полость, позволяющую хладагенту циклически протекать внутри охлаждающего устройства 204, охлаждая при этом мишень. Кроме того, система 205 охлаждения соединена с охлаждающим устройством 204 для транспортировки хладагента с постоянной низкой температурой в охлаждающее устройство 204 и снижает температуру хладагента с высокой температурой, вытекающего обратно из охлаждающего устройства 204 до заданного значения. Когда потоки Е электронных пучков высокой энергии ударяются о мишень 203, небольшая часть энергии преобразуется в рентгеновское излучение, а большая часть энергии преобразуется в тепловую энергию, при этом температура мишени 203 имеет тенденцию к быстрому повышению, и циклически протекающий хладагент отводит тепло мишени 203 для поддерживания мишени 203 в устойчивом рабочем состоянии. Система 205 охлаждения может представлять собой обычное водяное охлаждающее устройство с постоянной температурой или масляное охлаждающее устройство с постоянной температурой и т. п., и хладагент может представлять собой очищенную воду, незамерзающий раствор, трансформаторное масло и т. п.
Кроме того, как показано на ФИГ. 2, предлагаемый блок 2 общей мишени дополнительно содержит вакуумную систему 206. Вакуумная система 206 установлена на боковой стенке блока 2 общей мишени, находится в вакуумно-герметичном соединении с вакуумной камерой 202 мишени и обычно содержит вакуумный насос, источник питания вакуумного насоса и вакуумный клапан, который может сообщаться с наружным пространством. Вакуумный клапан используется для вакуумирования вакуумной камеры 202 мишени до высокого вакуума посредством внешнего устройства вакуумирования после того, как блок 2 общей мишени герметично соединен с ускорителями 1 электронов, а вакуумный насос работает от источника питания вакуумного насоса для поддерживания высокого вакуума для вакуумной камеры 202 мишени в рабочем процессе.
Кроме того, как показано на ФИГ. 2, предлагаемый блок 2 общей мишени дополнительно содержит фокусирующие устройства 207 и устройство 208 управления фокусировкой. Фокусирующие устройства 207 установлены на наружных сторонах входного соединительного устройства 201, и их число равно числу входных соединительных устройств 201; и устройство 208 управления фокусировкой соединено с фокусирующими устройствами 207 и управляет рабочими состояниями фокусирующих устройств 207. Фокусирующие устройства 207 могут представлять собой фокусирующие катушки или фокусирующие источники питания, и рабочее состояние устройства 208 управления фокусировкой также может управляться системой 107 питания и управления.
На ФИГ. 7 показаны конструкции трех мишеней 203 разных форм.
Как показано на ФИГ. 7(A), мишень 203 предлагаемого блока 2 общей мишени имеет плоскую конструкцию. Если мишень 203 имеет плоскую конструкцию, потоки Е электронных пучков, входящие в вакуумную камеру 202 мишени из разных входных соединительных устройств 201, пересекаются в точке на плоскости мишени 203 на стороне вакуума. Мишень 203 плоской конструкции легко поддается механической обработке, охлаждающее устройство 204 представляет собой простую конструкцию, однако потоки Е электронных пучков падают на плоскость мишени под определенным углом наклона.
Кроме того, как показано на ФИГ. 7(B), мишень 203 предлагаемого блока 2 общей мишени имеет конструкцию со сферической поверхностью. Если мишень 203 имеет сферическую конструкцию, потоки Е электронных пучков, входящие в вакуумную камеру 202 мишени из разных входных соединительных устройств 201, пересекаются в центре сферы сферической поверхности. Хотя мишень 203 конструкции со сферической поверхностью сложнее поддается механической обработке, потоки Е электронных пучков со всех направлений падают вертикально на плоскость мишени с радиального направления, и потоки Е электронных пучков воспринимают мишень с равномерной и постоянной толщиной.
Кроме того, как показано на ФИГ. 7(C), мишень 203 предлагаемого блока 2 общей мишени имеет L-образную конструкцию, то есть мишень 203 имеет конструкцию в виде согнутой плоскости или сегментную плоскую конструкцию. Если мишень 203 имеет L-образную конструкцию, все потоки Е электронных пучков, входящие в вакуумную камеру 202 мишени из разных входных соединительных устройств 201, могут поддерживаться падающими вертикально на плоскость, и потоки Е электронных пучков воспринимают мишень с равномерной и постоянной толщиной.
На ФИГ. 8 показано устройство для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения с использованием двух линейных ускорителей электронов независимых конструкций.
Как показано на ФИГ. 8, предлагаемые ускорители 1 электронов представляют собой линейные ускорители электронов с высокой энергией, малым размером и высокой устойчивостью. Ускоритель 1а электронов и ускоритель 1b электронов являются взаимно независимыми по конструкции и синхронны в рабочем состоянии, то есть ускоритель 1а электронов и ускоритель 1b электронов одновременно запускают или останавливают эмиссию рентгеновского излучения, будучи управляемыми главной системой 107 питания и управления. Ускоритель электронов 1a состоит из блока 101a эмиссии электронов, блока 102а ускорения электронов, выходного соединительного устройства 103a, устройства 104а передачи микроволновой мощности, источника 106а микроволновой мощности и система 107а питания и управления; ускоритель 1b электронов состоит из блока 101b эмиссии электронов, блока 102b ускорения электронов, выходного соединительного устройства 103b, устройства 104b передачи микроволновой мощности, источника 106b микроволновой мощности и системы 107b питания и управления; и системы 107a и 107b питания и управления соединены с главной системой 107 питания и управления. Кроме того, касательно конструкции ускорителя 1а электронов, один конец блока 102а ускорения электронов соединен с блоком 101а эмиссии электронов, а другой конец блока 102а ускорения электронов соединен с выходным соединительным устройством 103a; система 107а питания и управления соответственно соединена с блоком 101а эмиссии электронов и источником 106а микроволновой мощности; а источник 106а микроволновой мощности соединен с блоком 102а ускорения электронов через устройство 104а передачи микроволновой мощности. Ускоритель 1b электронов по конструкции является таким же, как ускоритель 1а электронов. Под действием системы 107 питания и управления два ускорителя 1a и 1b электронов работают одновременно; начальные потоки электронных пучков, генерируемые блоком 101 эмиссии электронов, входят в блоки 102 ускорения электронов; тем временем источники 106 микроволновой мощности генерируют микроволновую мощность, поступающую в блоки 102 ускорения электронов через устройства передачи микроволновой мощности для создания микроволновых электрических полей ускорения; под действием микроволновых электрических полей ускорения потоки Е электронных пучков ускоряются для получения высокой энергии и в конечном итоге выходят в блок 2 общей мишени через выходные соединительные устройства 103.
Кроме того, на ФИГ. 9 показано устройство для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения с использованием двух линейных ускорителей электронов не независимых конструкций.
Как показано на ФИГ. 9, предлагаемые ускорители 1a и 1b электронов имеют общие систему 107 питания и управления, источник 106 микроволновой мощности и устройство 105 распределения микроволновой мощности; ускоритель 1a электронов дополнительно содержит блок 101a эмиссии электронов, блок 102a ускорения электронов, выходное соединительное устройство 103a и устройство 104а передачи микроволновой мощности; а ускоритель 1b электронов дополнительно содержит блок 101b эмиссии электронов, блок 102b ускорения электронов, выходное соединительное устройство 103b и устройство 104b передачи микроволновой мощности. Кроме того, касательно конструкции ускорителя 1а электронов, один конец блока 102а ускорения электронов соединен с блоком 101а эмиссии электронов, а другой конец блока 102а ускорения электронов соединен с выходным соединительным устройством 103a, блок 101a эмиссии электронов соединен с системой 107 питания и управления, а устройство 104а передачи микроволновой мощности соединено с блоком 102a ускорения электронов. Ускоритель 1b электронов по конструкции является таким же, как ускоритель 1а электронов. Под действием системы 107 питания и управления блоки 101a и 101b эмиссии электронов одновременно генерируют потоки электронных пучков; генерированные потоки электронных пучков входят соответственно в блоки 102a и 102b ускорения электронов; тем временем источник 106 микроволновой мощности генерирует микроволновую мощность, которая поступает в устройство 105 распределения микроволновой мощности и разделяется на две одинаковые части для выхода на два устройства 104a и 104b передачи микроволновой мощности и соответственно передачи в блоки 102a и 102b соответственно ускорения электронов через устройства 104a и 104b передачи микроволновой мощности; две части микроволновой мощности одновременно создают микроволновые электрические поля для ускорения потоков Е электронных пучков, поступавших в них; в блоках 102a и 102b ускорения электронов потоки Е электронных пучков ускоряются и получают высокую энергию, и затем соответственно поступают в блок 2 общей мишени через выходные соединительные устройства 103a и 103b для ударения о мишень 203 под разными углами для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения.
Следует особенно отметить, что число ускорителей электронов в настоящем изобретении может быть два или более. На ФИГ. 10 показана конструкция блока 2 общей мишени, которая может соединяться с тремя ускорителями электронов. Как показано на ФИГ. 10, блок 2 общей мишени содержит три входных соединительных устройства 201a, 201b, 201c, которые могут соединяться с выходными соединительными устройствами трех ускорителей электронов соответственно. Центральные линии трех входных соединительных устройств 201a, 201b и 201c пересекаются в точке на мишени 203; и в отношении двух углов сходимости, образованных каждыми двумя соседними центральными линиями из трех центральных линий, эти два угла сходимости предпочтительно являются одинаковыми. Это объясняется тем, что чем выше энергия ускорителей электронов, тем очевиднее концентрация в прямом направлении рентгеновского излучения, генерированного одним ускорителем электронов; даже при том, что два ускорителя электронов накладываются, полученное выровненное поле рентгеновского излучения является меньшим по диапазону углов; следовательно, если энергия ускорителей является особенно высокой (например, выше 12 МэВ), или если требуемый диапазон углов выровненного поля рентгеновского излучения является очень большим, к блоку 2 общей мишени, содержащему больше входных соединительных устройств, как показано на ФИГ. 10, должны подсоединяться три или более ускорителей электронов, что позволит создать выровненное поле рентгеновского излучения с более высокой энергией и более широким диапазоном углов.
Следует особенно отметить, что если число ускорителей электронов в настоящем изобретении равно трем или более, эти несколько ускорителей электронов могут находиться или не находиться в одной плоскости. Соответственно, центральные линии нескольких входных соединительных устройств блока 2 общей мишени могут находиться или не находиться в одной плоскости. Если несколько ускорителей электронов не находятся в одной плоскости, центральные линии потоков Е электронных пучков нескольких ускорителей электронов по-прежнему пересекаются в одной точке; центральные линии потоков Е электронных пучков каждых двух ускорителей электронов определяют одну плоскость; и поле рентгеновского излучения, генерируемое двумя ускорителями электронов, по-прежнему имеет выравнивающий эффект, как показано на ФИГ. 5, при наложении на этой плоскости. Центральные линии потоков Е электронных пучков нескольких ускорителей электронов могут комбинироваться парами для образования нескольких разных плоскостей, причем каждая плоскость присутствует с выравнивающим эффектом; эффекты на этих плоскостях объединяются в стереоскопический выравнивающий эффект, то есть выровненное поле рентгеновского излучения, генерированное несколькими ускорителями электронов одновременно, имеет лучшую согласованность интенсивностей в определенном диапазоне стереоскопических углов.
Следует особенно отметить, что в соответствии с настоящим изобретением несколько ускорителей электронов могут иметь одинаковую или разную энергию.
Следует особенно отметить, что в соответствии с настоящим изобретением углы сходимости, образованные каждыми двумя из центральных линий нескольких входных соединительных устройств блока 2 общей мишени, могут быть одинаковыми или разными.
(Варианты осуществления)
<Состав системы>
Как показано на ФИГ. 2, 5 и 9, предлагаемое устройство для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения состоит из двух линейных ускорителей 1a и 1b электронов высокой энергии (например, 6 МэВ) и блока 2 общей мишени. Предлагаемые линейные ускорители 1a и 1b электронов имеют общие систему 107 питания и управления, источник 106 микроволновой мощности и устройство 105 распределения микроволновой мощности; ускоритель 1а электронов дополнительно содержит блок 101a эмиссии электронов, блок 102a ускорения электронов, выходное соединительное устройство 103a и устройство 104а передачи микроволновой мощности; а ускоритель 1b электронов дополнительно содержит блок 101b эмиссии электронов, блок 102b ускорения электронов, выходное соединительное устройство 103b и устройство 104b передачи микроволновой мощности. Блоки 102 ускорения электронов представляют собой основные тела ускорителей 1 электронов; блоки 101 эмиссии электронов соединены с передними концами блоков 102 ускорения электронов; выходные соединительные устройства 103 соединены с задними концами блоков 102 ускорения электронов; и устройства 104 передачи микроволновой мощности соединены с блоками 102 ускорения электронов. Система 107 питания и управления соединена с блоками 101a и 101b эмиссии электронов ускорителей 1a и 1b электронов и осуществляет управление ими; кроме того, система 107 питания и управления одновременно соединена с источником 106 микроволновой мощности и осуществляет управление им; выход источника 106 микроволновой мощности соединен с входным концом устройства 105 распределения микроволновой мощности; а два выходных конца устройства 105 распределения микроволновой мощности соответственно соединены с устройствами 104a и 104b передачи микроволновой мощности двух ускорителей 1a и 1b электронов. Блок 2 общей мишени содержит два входных соединительных устройства 201a и 201b, вакуумную камеру 202 мишени, мишень 203, охлаждающее устройство 204, систему 205 охлаждения, вакуумную систему 206, фокусирующие устройства 207 и устройство 208 управления фокусировкой. Входные соединительные устройства 201a и 201b установлены на одной стороне вакуумной камеры 202 мишени; мишень 203 установлена на другой стороне вакуумной камеры 202 мишени, противоположной входному соединительному устройству 201; и центральные линии входных соединительных устройств 201a и 201b пересекаются в одной точке на мишени 203, и эта точка обычно является центральной точкой мишени 203. Вакуумная система 206 установлена на боковой стороне вакуумной камеры 202 мишени, не мешающей входным соединительным устройствам 201a и 201b и мишени 203; и входные соединительные устройства 201a и 201b, мишень 203, вакуумная система 206 и вакуумная камера 202 мишени образуют в целом вакуумно-герметичную конструкцию. На наружной стороне мишени 203 установлено охлаждающее устройство 204, окружающее поверхность мишени на не вакуумной стороне; и система 205 охлаждения соединена с охлаждающим устройством 204. На наружных боках входных соединительных устройств 201 установлены фокусирующие устройства 207, число которых такое же, как число входных соединительных устройств 201; и с фокусирующими устройствами 207 соединено устройство 208 управления фокусировкой, управляющее рабочими состояниями фокусирующих устройств 207. Выходные соединительные устройства 103a и 103b двух ускорителей 1a и 1b электронов соединены соответственно с входными соединительными устройствами 201a и 201b блока 2 общей мишени.
<Принцип действия>
Под действием системы 107 питания и управления блоки 101a и 101b эмиссии электронов одновременно генерируют потоки электронных пучков; генерированные потоки электронных пучков соответственно поступают в блоки 102a и 102b ускорения электронов; тем временем источник 106 микроволновой мощности под управлением системы 107 питания и управления генерирует микроволновую мощность; микроволновая мощность поступает в устройство 105 распределения микроволновой мощности и разделяется на две одинаковые части для выхода на устройства 104a и 104b передачи микроволновой мощности, которые соответственно передают эти две части микроволновой мощности в блоки 102a и 102b ускорения электронов для создания микроволновый электрических полей одновременно в блоках 102a и 102b ускорения электронов; микроволновые электрические поля ускоряют потоки Е электронных пучков, генерированные блоками 101a и 101b эмиссии электронов и соответственно поступившие в блоки 102a и 102b ускорения электронов; потоки Е электронных пучков ускоряются в блоках 102a и 102b ускорения электронов и получают высокую энергию, а затем поступают в блок 2 общей мишени соответственно через выходные соединительные устройства 103a и 103b для ударения о мишень 203 под разными углами для генерирования соответственно двух полей рентгеновского излучения, как показано пунктирными линиями на ФИГ. 5; два поля рентгеновского излучения, генерированные одновременно, накладываются для образования выровненного поля рентгеновского излучения, как показано сплошной линией на ФИГ. 5, причем рентгеновское излучение имеет очень высокую согласованность интенсивности в более широком диапазоне углов (например, от -20 до 20 градусов).
Кроме того, вакуумное устройство 206 обеспечивает достижение высокого вакуума в вакуумной камере 202 мишени и поддерживание высокого вакуума в рабочем процессе. Тепло, генерируемое при ударении потоков Е электронных пучков о мишень 203, отводится охлаждающим устройством 204 и системой 205 охлаждения для поддерживания рабочей температуры стабильной. Устройство 208 управления фокусировкой приводит в действие фокусирующие устройства 207, обеспечивая воздействие фокусирующего эффекта на потоки Е электронных пучков при их прохождении через входные соединительные устройства 201, чтобы уменьшить диаметр пятна пучка каждого потока Е электронного пучка.
Благодаря использованию предлагаемого устройства для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения в системе детектирования с использованием флюороскопической визуализации и использованию рентгеноскопии с согласованной интенсивностью в широком диапазоне распределения углов достигаются преимущества большого угла визуализации, большого размера объектов детектирования и высокого качества изображения.
Благодаря использованию предлагаемого устройства для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения в системе радиотерапии и использованию терапии рентгеновским излучением высокой энергии с согласованной интенсивностью в широком диапазоне распределения углов обеспечивается равномерное распределение дозы излучения для достижения высокого эффекта.
<Технические эффекты изобретения>
Предлагается, главным образом, создание устройства для генерирования выровненного поля рентгеновского излучения, чтобы генерировать равномерное поле рентгеновского излучения с более широким диапазоном углов путем наложения; по сравнению со способом блокирования интенсивность равномерного поля рентгеновского излучения выше, благодаря чему система флюороскопической визуализации или система радиотерапии имеет высокие быстродействие и эффективность; по сравнению со способом блокирования равномерное поле рентгеновского излучения с более широким диапазоном углов может генерироваться таким образом, что система флюороскопической визуализации может детектировать предметы большего размера и объема, или система радиотерапии может выполнять равномерную обработку на большей площади; без блокирования излучения не может вызваться размывание или двоение пятна на мишени, следовательно, могут повыситься разрешение и четкость изображений системы детектирования с использованием флюороскопической визуализации; и число ускорителей электронов можно оптимально увеличить для получения равномерного поля рентгеновского излучения с более высокой интенсивностью и более широким диапазоном углов, благодаря чему дополнительно улучшаются эксплуатационные характеристики, и расширяется диапазон применения для системы флюороскопической визуализации или системы радиотерапии.
Как уже отмечалось, описаны примерные варианты осуществления настоящего изобретения, но настоящее изобретение ими не ограничивается, и следует понимать, что возможны различные комбинации и изменения вышеописанных вариантов осуществления в пределах сущности и объема настоящего изобретения.