加速器和用于控制加速器的方法与流程

技术领域

本发明涉及一种加速器以及一种用于控制这种加速器的方法，该加速器包括至少两个HF共振器并且使用该加速器来加速带电粒子。这种加速器在各种各样的领域中使用。特别地也可以在辐照方法中使用这种加速器，在该辐照方法中加速带电粒子、对准目标体积并且在目标体积中在限定的区域沉积剂量。

背景技术：

为了加速带电粒子存在多个不同的加速器结构。在特定类型的加速器中，由带电粒子组成的射束横穿所谓的HF共振器。通过在HF共振器中激励的、作用于粒子束并且与其调谐的电磁HF场，在横穿HF共振器的情况下加速粒子。

例如论文“Beam acceleration in the single-gap resonator section of the UNILAC using alternating phase focusing”公开了一种线性加速器，在其端部存在10个HF共振器，在这些共振器中可以彼此独立地设置HF振幅和HF相位。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供一种加速器，该加速器能够有效并灵活地加速不同类型的带电粒子。此外，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于控制上述加速器的方法。

上述技术问题通过独立权利要求的特征来解决。有利的扩展在从属权利要求的特征中找到。

用于加速带电粒子的按照本发明的加速器包括

-至少两个在射束延伸方向上先后布置的HF共振器，通过这些HF共振器可以加速包含多个粒子束的脉冲串，和

-用于控制HF共振器的控制装置，

其中通过控制装置可以在加速脉冲串期间彼此独立地这样设置可分别在HF共振器中产生的HF场，使得在加速脉冲串时脉冲串的多个粒子束获得不同的加速。

本发明基于如下的知识，即在具有HF共振器的迄今为止的加速器中这样加速由多个粒子包或粒子束组成的脉冲串，使得基本上所有粒子束都获得相同的加速。当例如加速的粒子束应当馈入到另一个加速器、诸如同步加速器中时，这点对于许多应用来说也是具有优势的。但已经认识到，如果粒子束被不同地加速，则给出加速器的新的使用可能性，从而脉冲串的粒子在加速后不是具有唯一的能量而是具有多个能量。特别是在对通过不同能量的粒子束辐照的目标体积进行辐照情况下可以通过这种方式非常快速地以剂量占用大的深度区域。

通过在加速脉冲串期间独立地控制HF共振器，实现对脉冲串的多个粒子束进行不同地加速。这意味着，在HF共振器中耦合的HF场关于其特性单独地，也就是彼此独立地被设置。通过将HF功率经由耦合结构分别分开地馈入HF共振器来实现这点，其中分开馈入的HF功率的特性被单独地控制和/或设置。

已经认识到，这与常规的n级加速器的HF共振器相比提供了关键的优点，其中仅一个HF共振器通过HF发送器激励，而其中另一个HF共振器通过HF场过耦合来共振，例如通过使用用于过耦合的粒子通路的通路或通过特定耦合结构。基本上为了在此将能量传输到共振的HF共振器在纵向形成驻波。因此例如在两个相继的HF共振器之间的各个相位差仅是180°/N的整数倍，其中N是指相继耦合的HF共振器的数量。对于待使用的粒子种类和待设置的端能量的选择，这意味着极大的限制。此外，这种加速器具有如下的缺陷：极难实现期望的振荡模式和均衡的振幅分布(该振幅在没有校正措施的情况下随着与馈电共振器的距离而指数地减小)，尤其HF共振器出于发送功率需要的原因具有极高的共振品质因数。例如各个振荡模式具有彼此非常接近的共振频率，由此难以设置并且难以稳定期望的振荡模式。能量流常常可以流入接近的另一个不能用的共振模式。

而利用按照本发明的加速器绕开了大部分问题。加速器允许对于每个HF共振器及其加速距离分开地设置待耦合的HF场。由此，可以相对于经过的粒子包最佳地调谐和设置每个HF共振器。对于每个粒子包可以呈现最可能的效果，而不必考虑在HF共振器之间的HF场的能量传播。

因为不必考虑从HF共振器至HF共振器的能量传播，可以非常灵活地控制加速器。对粒子的加速产生不利影响的不同效果可以以更简单的方式被均衡。所谓的脉冲下垂，也就是例如通过电网设备的瞬时特性和/或电压下降导致的脉冲串期间的HF振幅的增大和减小能够被补偿。纵向稳定性，也就是在粒子包长度上有效E场的控制可以更简单地实现。

此外，在选择要达到的粒子端能量时是非常灵活的。由此，例如通过改变在一个或多个HF共振器中的相位，尤其可以与HF振幅无关地设置粒子能量。

作为另一种重要的效果，HF功率不再在一个位置，而是分散地馈入各个HF共振器，从而减少耦合结构中的功率密度。总之，通过这种方式可以在加速器中耦合更高的HF总功率并且由此得到更高加速的HF场。在功率相同的情况下例如可以实现更紧凑的构造方式。

在一种实施方式中，这点可以通过如下地构造控制装置来实现，使得在加速脉冲串期间在一个或多个HF共振器的情况下改变表征HF场的参数。例如在加速脉冲串期间可以改变HF场的HF振幅、HF场的HF频率或HF场的HF相位或者这三个参数的任意组合。因此在加速脉冲串期间这实现了如果脉冲串的各个粒子束穿过一个或多个在其中改变了参数的共振器，则脉冲串的各个粒子束分别获得不同的加速。

在可以作为前面描述的实施方式的替换或附加实现的另一种实施方式中，通过控制装置在加速脉冲串期间随时间改变在至少两个HF共振器中的两个之间的相对HF振幅的相对HF相位，也可以实现不同的加速。在该实施方式中在加速期间不是一定必须改变表征HF场的参数，以便实现相对HF相位的变化。例如可以在两个HF共振器中利用不同的HF频率感应HF场。然而通过不同的频率得出在这两个HF共振器的HF场之间的随时间改变的相位差。在固定的频率差的情况下得出时间线性的相位变化。但在加速脉冲串期间可以恒定地保持各个HF场的设置。

各个HF共振器彼此电磁地退耦。各个HF共振器的电磁退耦可以借助不同措施实现，例如通过厚的共振器壁、通过具有小的开口的长的漂移管或通过弃用特殊HF耦合器来实现。尽可能电磁退耦的HF共振器分别利用自身的HF发送器来构造。HF发送器和随之的HF共振器通过单独的频率、相位和振幅来控制。由此例如能够在一个脉冲串期间改变HF共振器的相对相位和振幅。

特别地，在加速带电粒子、诸如离子的情况下，该离子应当被加速到低相对速度或能量，加速器包含多于两个HF共振器，其中加速器具有非周期性的共振器结构。非周期性归因于如下的事实：粒子速度随着加速明显地增加。这意味着例如先后布置的HF共振器不能形成周期性的结构，从而例如分别在两个HF共振器之间的距离以非周期性的方式改变。

这样的加速器与HF场在HF共振器之间进行共振地能量传播的加速器相比可以利用单独可控的HF共振器相对简单地实现。也就是最后提到的结构关于附加地遵守其它边界条件或者规定的可设置性仅允许小的自由度。这点限制了运行时的灵活性。

在按照本发明的方法中，用于加速带电粒子的加速器利用至少两个在射线延伸方向上先后布置的HF共振器来控制，其中包含多个粒子束的脉冲串被加速。可分别在HF共振器中产生的HF场在加速脉冲串期间这样彼此无关地设置，使得在加速脉冲串时脉冲串的多个粒子束获得不同的加速。

对于特征、其作用及其优点的上述和以下的说明，涉及装置类别并且涉及方法类别，而无需分别明确地指出这点。在此，所公开的各个特征按照与所示出的组合不同的组合也可以是对于本发明重要的。

附图说明

具有按照从属权利要求特征的有利扩展的本发明的实施方式借助下面的附图作进一步说明，但不限制于此。附图中：

图1示出了具有多个可单独控制的HF共振器的加速器结构的构造，

图2示出了在加速脉冲串期间控制加速器时执行的方法步骤的示意图。

具体实施方式

图1以强烈示意性的图示示出了加速器。图1用于解释基础原理并且为了清楚起见而被强烈简化。

加速器11用于加速包含多个粒子束15的带电粒子脉冲串13。脉冲串13由在此没有示出的源提供。脉冲串13通过HF共振器17传输，在HF共振器中分别加速粒子束15。HF共振器17彼此电磁地退耦并且可以独立于彼此控制。为此，给每个HF共振器17配备了HF发送器19，该HF发送器产生加速的HF场并且与HF共振器17耦合。HF发送器19由控制单元21控制。

在这里示出的示例中示出了在控制HF发送器19和由此HF共振器17时的最大可能的自由度并且，也就是说对于每个HF发送器19可以单独设置振幅A_x、相位以及频率υ_x，x＝1…3。此外，这些参数A_x(t)、υ_x(t)时间上可变，也就是说其可以在加速脉冲串13期间改变。

但这种实施方式不是强制必须的。这些参数中的几个也可以保持时间上恒定并且不必强制彼此独立设置。例如可以恒定地保持振幅A_x(t)＝A和频率υ_x(t)＝υ并且甚至可以对所有HF共振器设置为相同，并且单个粒子束15的不同加速的结果可以通过时间上可变的相位对HF共振器17中的唯一一个得到。

甚至所有参数保持时间上恒定的实施方式是可能的，和υ_x(t)＝υ。通过将至少两个HF共振器17的频率υ_x设置为不同，例如υ₁≠υ₂，也可以获得对单个粒子束15不同加速的结果。

通过加速器11加速的脉冲串13可以对准目标体积23。与均匀能量的粒子束相比，通过这种方式加速的粒子束可以在目标体积23的更大的深度区域中沉积其剂量。由此可以非常快速并有效地实现在目标体积23中的不同深度的辐照，这例如在辐照运动目标体积的情况下提供优点。

图2示出了在用于控制加速器的方法的实施方式中在加速粒子时可以执行的方法步骤的示意图。

首先提供包含多个粒子束的脉冲串。脉冲串通过加速器单元传输(步骤31)。

在加速脉冲串期间，这样控制HF共振器，使得对至少两个HF共振器设置不同的HF频率(步骤33)。由此在加速粒子期间改变HF共振器的相对相位。

替换和/或附加地，在加速期间可以随时间改变在至少一个HF共振器的情况下表征HF场的参数(步骤35)。

最后，从加速器中提取具有不同加速的粒子束的脉冲串并且对准目标体积。目标体积通过脉冲串和其中包含的粒子束来辐照(步骤37)。

附图标记列表：

11 加速器

13 脉冲串(Pulszug)

15 粒子束(Teilchen-Bunch)

17 HF共振器

19 HF发送器

21 控制单元

23 目标体积

31 步骤31

33 步骤33

35 步骤35

37 步骤37