СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПАКЕТИРОВАНИЯ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
METHOD AND DEVICE FOR PACKING BEAM OF CHARGED PARTICLES

Настоящее изобретение относится к способу пакетирования пучка заряженных частиц согласно п. 1 формулы изобретения, к устройству для пакетирования пучка заряженных частиц по п. 7 формулы изобретения, а также к прибору для выполнения терапии с использованием частиц по п. 8 формулы изобретения.
Ускоренные заряженные частицы, такие как электроны или протоны, используются для различных технических, научных и медицинских целей. Известно, что такие частицы генерируют с помощью источников частиц и ускоряют с помощью ускорителей частиц.
Источники частиц часто формируют непрерывные пучки заряженных частиц. Некоторые ускорители частиц, например радиочастотные (RF) линейные ускорители, не пригодны для ускорения непрерывных пучков частиц. Поэтому требуется пакетировать (группировать) пучки частиц с помощью пакетирующего устройства (группирователя), то есть разделять на дискретные пакеты частиц.
Из уровня техники, например, из US 5719478, известны различные пакетирующие устройства для пакетирования непрерывных пучков частиц. Однако эти известные устройства имеют в общем случае тот недостаток, что при малых токах пучка, при которых распределение пространственного заряда не влияет на процесс пакетирования, получается неидеальное пакетирование.
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа для пакетирования пучка заряженных частиц. Эта задача решается способом с признаками пункта 1 формулы изобретения. Другой задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного устройства для пакетирования пучка заряженных частиц. Эта задача решается устройством с признаками пункта 7 формулы изобретения. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание прибора для выполнения терапии с использованием частиц. Эта задача решается устройством с признаками пункта 8 формулы изобретения. Предпочтительные варианты определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствующем изобретению способе пакетирования пучка заряженных частиц частицы проходят через электрическое поле в устройстве. При этом устройство имеет кольцеобразный центральный электрод, который размещен между первым внешним электродом и вторым внешним электродом. К центральному электроду прикладывается зависимый от времени сигнал электрического напряжения, электрическая характеристика которого выбрана таким образом, что частицы, находящиеся внутри устройства, испытывают зависимое от положения изменение скорости, характеристика которого является примерно пилообразной в направлении пучка. Предпочтительным образом пилообразное в направлении пучка изменение скорости частиц приводит к очень высококачественному пакетированию с хорошими свойствами пакетов как при частичном, так и при полном пакетировании.
В предпочтительной форме выполнения способа сигнал электрического напряжения имеет приблизительно треугольную временную характеристику. Предпочтительным образом это представляет собой подходящую возможность достичь изменения скорости с примерно пилообразной характеристикой в направлении пучка.
В дальнейшем развитии способа между первым внешним электродом и центральным электродом образован первый зазор, а между центральным электродом и вторым внешним электродом образован второй зазор. При этом центры первого зазора и второго зазора имеют фиксированный интервал зазоров относительно друг друга. Сигнал электрического напряжения имеет фиксированную частоту возбуждения. Частицы перед прохождением через устройство имеют фиксированную скорость. При этом интервал пакетов получается как частное от деления скорости на частоту возбуждения. Частота возбуждения выбирается таким образом, что по меньшей мере три самых низких компонента Фурье зависимого от положения изменения скорости отличны от нуля. Предпочтительным образом тогда получается благоприятное приближение характеристики изменения скорости в направлении пучка к пилообразной форме.
В одной форме выполнения способа частота возбуждения выбирается таким образом, что интервал пакетов в четыре раза больше, чем интервал  зазоров. Предпочтительным образом по меньшей мере три самых низких компонента Фурье отличны от нуля.
В одной форме выполнения способа частицы имеют нерелятивистскую скорость.
В одной форме выполнения способа внешние электроды заземлены. Предпочтительным образом, тогда получается разность потенциалов между внешними электродами и центральным электродом.
Соответствующее изобретению устройство для пакетирования пучка заряженных частиц содержит кольцевой центральный электрод, который расположен в направлении пучка между первым внешним электродом и вторым внешним электродом. При этом между первым внешним электродом и центральным электродом образован первый зазор, а между центральным электродом и вторым внешним электродом образован второй зазор. Центры первого зазора и второго зазора в этом случае имеют фиксированный интервал зазоров относительно друг друга. Устройство также выполнено с возможностью функционирования согласно способу вышеуказанного типа. Предпочтительным образом устройство тогда пригодно для того, чтобы разделять пучок частиц на пакеты с превосходными пакетными свойствами.
Соответствующий изобретению прибор для выполнения терапии с использованием частиц включает в себя устройство вышеуказанного типа. Предпочтительным образом терапия с использованием частиц может тогда осуществляться с использованием пакетов заряженных частиц.
Описанные выше свойства, признаки и преимущества настоящего изобретения, а также способ их достижения станут более ясными и понятными в связи с нижеследующим описанием примеров выполнения, которые поясняются более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - блок-схема прибора для терапии с использованием частиц;
Фиг. 2 - схематичное представление схемы пакетирования;
Фиг. 3 - схематичное представление пакетирующего устройства;
Фиг. 4 - схематичное представление аксиального распределения поля внутри пакетирующего устройства;
Фиг. 5 - схематичное представление идеального распределения поля;
Фиг. 6 - схематичное изображение реального распределения поля;
Фиг. 7 - первое разложение Фурье;
Фиг. 8 - второе разложение Фурье и
Фиг. 9 - оптимизированное распределение поля.
На фиг. 1 показана блок-схема прибора 100 для терапии с использованием частиц. Прибор 100 для терапии с использованием частиц является примером прибора, в котором может применяться пакетирующее устройство. Однако пакетирующие устройства в смысле настоящего изобретения могут найти применение во множестве других приборов.
Прибор 100 для терапии с использованием частиц может применяться для выполнения терапии с использованием частиц на пациенте. При терапии с использованием частиц заболевшая часть тела пациента облучается заряженными частицами. Заряженные частицы могут, например, представлять собой протоны.
Прибор 100 для терапии с использованием частиц включает в себя источник 110 ионов, который выдает пучок 115 заряженных частиц в направлении 101 пучка. Источник 110 ионов может, например, быть источником протонов. Источник 110 ионов может генерировать, например, частицы с энергией от 10 кэВ и 20 кэВ. Частицы покидают источник 110 ионов в направлении 101 пучка в виде непрерывного пучка 115 частиц.
В направлении 101 пучка источника 110 ионов прибор 100 для терапии с использованием частиц имеет пакетирующее устройство 120. Пакетирующее устройство 120 предусмотрено для того, чтобы непрерывный пучок 115 частиц разделять на последовательность дискретных пучков 125 частиц. Пакетирующее устройство 120 также может упоминаться как группирователь. Пакетирование или разделение пучка 115 частиц на пакеты 125 частиц может также определяться как группирование. Пакеты 125 частиц покидают пакетирующее устройство 120 в том же самом направлении 101 пучка.
В направлении 101 пучка пакетирующего устройства 120 прибор 100 для терапии с использованием частиц имеет отклоняющее устройство 130. Отклоняющее устройство 130 может служить для того, чтобы отклонять отдельные пакеты 125 частиц по отношению к направлению 101 пучка. В направлении 101 пучка отклоняющего устройства 130 далее размещена диафрагма 140. В зависимости от интенсивности отклонения пакетов 125 частиц от направления 101 пучка посредством отклоняющего устройства 130 пакеты 125 частиц могут проходить через диафрагму 140 полностью, частично или вообще не проходить. Таким образом, комбинация отклоняющего устройства 130 и диафрагмы 140 может служить для селективной фильтрации и/или прореживания отдельных пакетов 125 частиц.
В направлении 101 пучка диафрагмы 140 прибор 100 для терапии с использованием частиц далее содержит ускоритель 150 частиц. Ускоритель 150 частиц может быть, например, линейным ускорителем, предпочтительно RF линейным ускорителем. Ускоритель 150 частиц служит для того, чтобы ускорять пакеты 125 частиц до более высокой кинетической энергии, например, от 80 МэВ до 250 МэВ.
На фиг. 2 показано упрощенное представление схемы 200 пакетирования для объяснения пакетирования, выполняемого пакетирующим устройством 120.
Непрерывный пучок 115 частиц проходит в пакетирующее устройство 120 в направлении 101 пучка. Пучок 115 частиц разделяется посредством пакетирующего устройства 120 на пакеты 125 частиц, центры которых в направлении 101 пучка расположены с интервалом 210 пакетов. При этом интервал 210 пакетов не должен соответствовать длине пакетирующего устройства 120 в направлении 101 пучка.
Пакетирование осуществляется с помощью электрических полей, действующих внутри пакетирующего устройства 120, которые влияют на скорость частиц пучка 115 частиц в направлении 101 пучка. Передние частицы каждого пакета 125 частиц замедляются таким образом, что они получают сниженную относительную скорость 230. Последующие частицы каждого пакета 125 частиц ускоряются, так что они получают повышенную относительную скорость 220. Снижение или повышение относительной скорости 220, 230 частицы тем больше, чем дальше она удалена от центра своего пакета 125 частиц.
Во время дальнейшего движения частиц в направлении 101 пучка 101 задние в направлении 101 пучка частицы благодаря своей повышенной относительной скорости 220 в возрастающей степени догоняют передние частицы соответствующего пакета 125 частиц. Передние частицы каждого пакета 125 частиц при дальнейшем движении частиц в направлении 101 пучка в связи с их пониженной относительной скоростью 230 догоняются остальными частицами пакета 125 частиц. Степень пакетирования пакета 125 частиц, таким образом, возрастает в направлении 101 пучка, пока в некоторой точке в направлении 101 пучка не будет достигнуто максимальное пакетирование. Начиная с этой точки пакет 125 частиц в ходе дальнейшего движения частиц в направлении 101 пучка снова расходится. В приборе 100 терапии с использованием частиц, точка максимального пакетирования пакета 125 частиц может совпадать, например, с местом расположения диафрагмы 140 или с входом ускорителя 150 частиц.
Фиг. 3 является схематичным представлением сечения пакетирующего устройства 120. В направлении 101 пучка пакетирующее устройство содержит последовательно расположенные первый внешний электрод 310, центральный электрод 330 и второй внешний электрод 320. Электроды 310, 320, 330 выполнены, соответственно, в форме полого цилиндра или в форме трубки. Центральный электрод 330 в направлении 101 пучка короче, чем внешние электроды 310, 320. Таким образом, центральный электрод 330 может также обозначаться как кольцевой электрод. Пучок 115 частиц проходит внутри вдоль продольной оси трубчатых электродов 310, 320, 330.
Между первым внешним электродом 310 и центральным электродом 330 образован первый зазор 315. Между центральным электродом 330 и вторым внешним электродом 320 образован второй зазор 325. Зазоры 315, 325 электрически изолируют электроды 310, 330, 320 друг от друга. Центры зазоров 315, 325 расположены в направлении 101 пучка с интервалом 340 зазоров друг от друга. Центральный электрод 330 в направлении 101 пучка образует центр 335 пакетирующего устройства 120.
В процессе работы пакетирующего устройства 120 между центральным электродом 330 и внешними электродами 310, 320 прикладывается зависимое от времени электрическое напряжение. При этом внешние электроды 310, 320 предпочтительно находятся под общим потенциалом. Внешние электроды 310, 320 могут, например, быть заземлены. Разность потенциалов между центральным электродом 330 и внешними электродами 310, 320 приводит к образованию электрического поля, эквипотенциальные линии 350 которого схематично показаны на фиг. 3.
Вдоль центральной оси (продольной оси) электродов 310, 320, 330 пакетирующего устройства 120 распределение поля в направлении 101 пучка может приближенно описываться гауссовыми функциями. Это схематично показано в аксиальном распределении 400 поля на фиг. 4. На горизонтальной оси графика на фиг. 4 нанесено направление 101 пучка в области вокруг центра 335 пакетирующего устройство 120. Вертикальная ось графика на фиг. 4 показывает напряженность 401 электрического поля в направлении 101 пучка. Гауссова аппроксимация 410 приближенно представляет напряженность электрического поля в направлении 101 пучка. В каждом зазоре 315, 325 распределение напряженности поля имеет гауссову форму. Обе гауссовы функции, таким образом, удалены на интервал 340 зазоров друг от друга.
z
z
Если к центральному электроду 330 пакетирующего устройства 120 прикладывается зависимое от времени электрическое напряжение, то схематично представленное на фиг. 4 распределение Е(z) поля в направлении 101 (z) пучка модулируется посредством зависимого от времени электрического поля S(t), вызванного приложенным к центральному электроду 330 напряжением. Мгновенное поле E в направлении 101 пучка получается, таким образом, как произведение аксиального компонента E(z) поля и зависимого от времени поля S(t): E(z, t)=E(z) S(t).
z
Входящая в пакетирующее устройство 120 в направлении 101 пучка частица пучка 115 частиц испытывает силу в направлении 101 пучка, которая пропорциональна мгновенному полю E и его заряду q. Это приводит к изменению скорости
которое пропорционально свертке аксиального распределения E(z) поля и S(t). При этом z-положение в направлении 101 пучка, скорость v частиц пучка 115 частиц и время t связаны через положение пакета: w=z-vt. Здесь m обозначает массу частицы.
Наиболее благоприятным было бы, если бы свертка и, следовательно, изменение скорости частиц пучка 115 частиц была пилообразной формы в направлении 101 пучка. Тогда получилось бы изменение скорости, которое тем больше, чем дальше частица удалена от центра соответствующего пакета 125 частиц. Фиг. 5 показывает на схематичном графике изменение скорости частиц пучка 115 частиц, получающееся при соответствующем распределении 500 поля. На горизонтальной оси 115 нанесено положение w пакета в направлении 101 пучка. На вертикальной оси 501 нанесено относительное изменение скорости частиц пучка 115 частиц. Приближенная пилообразная функция 510 описывает приблизительно идеальное относительное изменение скорости, которое испытывают частицы пучка 115 частиц для достижения пакетирования с оптимальными свойствами пакетирования.
На практике пилообразную функцию по фиг. 5 можно реализовать лишь с трудом. Фиг. 6 показывает на схематичном графике соотношения, преобладающие при реальном распределении 600 поля. На горизонтальной оси показанного на фиг. 6 графика нанесены z-положение в направлении 101 пучка или положение w пакета в направлении 101 пучка, или путь 601, пройденный частицами пучка 115 частиц за время vt в направлении 101 пучка. Показана гауссова аппроксимация 410 аксиального распределения поля Е(z). Кроме того, представлена временная характеристика сигнала 610 напряжения, который прикладывается к центральному электроду 330 пакетирующего устройства 120. Сигнал 610 напряжения имеет треугольную временную характеристику. Также фиг. 6 показывает результирующее изменение 620 скорости частиц пучка 115 частиц. Можно видеть, что несмотря на временную характеристику треугольной формы сигнала 610 напряжения получается изменение 620 скорости с синусоидальной характеристикой. Изменение 620 скорости имеет, таким образом, не приближенно пилообразную характеристику.
Это можно объяснить, рассматривая коэффициенты Фурье:
Здесь t2 - интервал 340 зазоров, t1 - ширина гауссова импульса гауссовой аппроксимации 410, n - порядок коэффициента Фурье и λ - интервал 210 пакетов, получаемый как частное от деления скорости v частиц на частоту f возбуждения сигнала S(t) электрического напряжения.
Фиг. 7 изображает в первом разложении 700 Фурье первые пять коэффициентов Фурье в зависимости от интервала 210 пакетов при примерном фиксированном интервале 340 зазоров t2=4,6. На горизонтальной оси графика, показанного на фиг. 7, нанесен интервал 210 (λ) пакетов. На вертикальной оси 701 представлена амплитуда соответствующего коэффициента Фурье. Приведенные кривые представляют характеристику изменения первого коэффициента 710 Фурье, второго коэффициента 720 Фурье, третьего коэффициента 730 Фурье, четвертого коэффициента 740 Фурье и пятого коэффициента 750 Фурье.
На фиг. 7 обозначен первый интервал 760 пакетов λ=9,2=2 t2. Это параметры, используемые в представлении на фиг. 6. Оказывается, что при первом интервале 760 пакетов все четные коэффициенты 720, 740 Фурье, то есть все гармоники, отфильтровываются. Это является причиной для синусоидальной характеристики изменения 620 скорости на фиг. 6.
1
1
2
4
Фиг. 8 показывает другое разложение 800 Фурье. На горизонтальной оси здесь нанесен интервал 340 (t2) зазоров. Интервал 210 пакетов составляет λ=9,2. Вертикальная ось 801 показывает амплитуды коэффициентов Фурье. Кривые представляют характеристику изменения первого коэффициента 810 Фурье, второго коэффициента 820 Фурье, третьего коэффициента 830 Фурье, четвертого коэффициента 840 Фурье и пятого коэффициента 850 Фурье. Кроме того, отмечены первый интервал 860 зазоров t2=2,3 и примененный в представлении на фиг. 7 второй интервал 870 зазоров t2=4,6=/ λ. В то время как при втором интервале 870 зазоров, как уже было описано со ссылкой на фиг. 7, второй коэффициент 820 Фурье и четвертый коэффициент 840 Фурье отфильтровываются, при уменьшенном первом интервале 860 зазоров t2=2,3=/ λ, первые три коэффициента 810, 820, 830 Фурье имеют отличные от нуля амплитуды. Если, таким образом, интервал 210 пакетов выбирается в 4 раза большим, чем интервал 340 зазоров, то по меньшей мере первые три коэффициента 810, 820, 830 Фурье имеют отличные от нуля амплитуды.
Фиг. 9 показывает на графике оптимизированного распределения 900 поля получающееся в результате относительное изменение скорости частиц пучка 115 частиц. На горизонтальной оси нанесено направление 101 пучка. На вертикальной оси 901 нанесено результирующее относительное изменение скорости частиц пучка 115 частиц. Первая аппроксимация 910 пилообразной функции получается, если интервал 340 зазоров и интервал 210 пакетов, как описано выше, выбираются таким образом, что по меньшей мере первые три коэффициента Фурье имеют ненулевые амплитуды. Если амплитуды отдельных коэффициентов Фурье дополнительно оптимизированы, то получается вторая аппроксимация 920, которая еще лучше воспроизводит пилообразную функцию.
Хотя изобретение подробно проиллюстрировано и описано посредством предпочтительного примера выполнения, изобретение не ограничено раскрытыми примерами. Другие варианты на этой основе могут быть получены специалистом в данной области техники без отклонения от объема защиты настоящего изобретения.