СПОСОБ ВЫВОДА УСКОРЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ ЦИКЛИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК H05H7/12 H05H11/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке бетатронов с выведенным электронным пучком, например, для целей лучевой терапии.

В настоящее время в соответствии с классификацией [1, стр. 50, абзац 2] разработаны три способа вывода пучка ускоренных электронов из бетатрона: однооборотный, многооборотный, регенеративный. Каждый способ предполагает воздействие на пучок ускоренных электронов электрическим, магнитным полем или комбинацией этих полей с целью получения выведенного пучка с определенными параметрами, например, высокая эффективность вывода, равномерность плотности электронов в сечении пучка и т.п. Существующие способы однооборотного вывода позволяют получить пучок с расходимостью в вертикальной плоскости 5^o, а в горизонтальной 8^o при сечении пучка 15 мм [1, стр. 51, абзац 5]. Способы медленного вывода обеспечивают получение пучка с расходимостью 1^o в вертикальной и 6^o в горизонтальной плоскости (пучок имеет форму эллипса 5х20 мм) [1, стр. 52, абзац 2]. При регенеративном выводе размеры сечения выведенного пучка составят в вертикальной и горизонтальной плоскостях 4 х 60 мм, что также как и в предыдущих способах указывает на небольшую расходимость пучка в вертикальной плоскости (единицы градусов) [1, стр. 55, абзац 1]. Перечисленные способы без применения специальных средств увеличения расходимости пучка в вертикальной плоскости не позволяют сформировать поля облучения больших размеров (200 х 200 мм и более), например для целей лучевой терапии.

Наиболее близким является способ вывода ускоренных электронов [2, стр. 36] , включающий расширение орбиты ускоренных электронов, рассеяние ускоренных электронов на металлической фольге с последующей проводкой пучка к выводному окну ускорительной камеры электрическим полем отклоняющего конденсатора. Рассеивающая фольга используется для придания электронам небольшого возмущающего радиального импульса с целью уменьшения их потерь на лобовой поверхности отсекающей пластины отклоняющего конденсатора. Применение рассеивающей фольги позволило увеличить долю электронов, попавших в отклоняющий конденсатор [2, стр.38, абзац 1], но расходимость пучка в вертикальной плоскости практически не увеличилась из-за ее малого угла рассеяния (исходя из [2, стр. 39, фиг. 5 и стр. 40, фиг. 7] расходимость пучка в горизонтальной плоскости ~5.5^o, а в вертикальной ~2^o). При увеличении угла рассеяния фольги (например, применением металла фольги с большим атомным номером) пластины конденсатора будут коллимировать расходящийся пучок в горизонтальной плоскости. Это ведет к значительным потерям электронов на его пластинах и меньшей расходимости пучка в горизонтальной плоскости относительно вертикальной. В прототипе рассеяние пучка ускоренных электронов вынуждены производить внутри области, ограниченной орбитой освобождения электронов от радиальных фокусирующих сил управляющего поля [2, стр. 37, абзац 5]. Вынос рассеивающей фольги на орбиту освобождения (здесь и далее по тексту под орбитой освобождения будем понимать орбиту освобождения электронов от радиальных фокусирующих сил управляющего поля), а отклоняющего конденсатора за орбиту освобождения нецелесообразен, поскольку в области радиальной нестабильности шаг разворачивания орбиты электронов достаточно велик и позволяет обойтись без применения рассеивающей фольги [1, стр. 52, абзац 4]. Однако такое преобразование не ведет к увеличению расходимости пучка в вертикальной и горизонтальной плоскостях, поскольку в горизонтальной плоскости угол расходимости пучка ограничивается пластинами отклоняющего конденсатора, а в вертикальной фокусирующими свойствами управляющего поля, которые с ростом показателя спада поля n увеличиваются. Таким образом, описанный способ пригоден для получения слаборасходящихся пучков и не позволяет формировать поля облучения больших линейных размеров в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Цель изобретения: формирование электронных полей больших линейных размеров в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Поставленная цель достигается тем, что в способе вывода ускоренных электронов из циклического ускорителя, включающем расширение орбиты ускоренных электронов, рассеяние ускоренных электронов на металлической фольге, пучок ускоренных электронов рассеивают фольгой на орбите освобождения, где радиальные фокусирующие силы управляющего поля равны нулю, в регулируемом телесном угле путем подбора толщины и материала рассеивающей фольги, установленной перпендикулярно оси пучка, а азимутальное расположение рассеивающей фольги относительно выводного окна ускорительной камеры выбирают исходя из получения максимальной эффективности вывода ускоренных электронов.

Отличительными от прототипа признаками предлагаемого способа являются:
1. Рассеяние пучка ускоренных электронов производят на орбите освобождения, где радиальные фокусирующие силы управляющего поля равны нулю, путем установки внутреннего края рассеивающей фольги на этой орбите;
2. Рассеяние пучка ускоренных электронов в регулируемом телесном угле путем подбора толщины и материала рассеивающей фольги;
3. Азимутальное расположение внутреннего края рассеивающей фольги относительно выводного окна ускорительной камеры выбирают исходя из получения максимальной эффективности вывода ускоренных электронов.

Указанные отличительные признаки в циклических ускорителях ранее не описывались и не применялись. Описанное в прототипе использование рассеивающей фольги в комплексе с отклоняющим электростатическим конденсатором имеет другое назначение: уменьшение доли электронов, теряющихся на лобовой поверхности отсекающей пластины отклоняющего конденсатора за счет более точного направления пучка электронов в его апертуру. При этом азимутальное расположение внутреннего края рассеивающей фольги выбирается относительно входа отклоняющего конденсатора, а не выводного окна ускорительной камеры.

Таким образом, предлагаемый способ вывода ускоренных электронов из циклического ускорителя с указанными отличительными признаками до сих пор не реализовывался и, следовательно, это решение, по мнению авторов, удовлетворяет критериям "новизна" и "существенные отличия".

К заявке прилагается 9 фигур. На фиг. 1 приведена проекция сечения излучателя циклического ускорителя в медианной плоскости. На фиг. 2 проекции сечения излучателя циклического ускорителя в вертикальной (в области инжектора и в области рассеивающей фольги) плоскости. На фиг. 3 приводится график углового распределения электронов в сечении телесного угла после прохождения рассеивающей фольги. На фиг. 4, 5, 6 представлены соответственно: зависимость полного интегрального коэффициента отражения по числу электронов; угловое распределение электронов за фольгой из титана и тантала; спектр электронов после прохождения фольги из титана и тантала. Фиг. 7 - конструктивные параметры ускорителя, ограничивающие угол расходимости выведенного электронного пучка. На фиг. 8 и 9 представлены экспериментальные кривые распределения мощности дозы электронного излучения по полю облучения и зависимости мощности дозы электронного излучения от радиального положения внутреннего края рассеивающей фольги.

На фиг. 1 введены обозначения: 1 - ускорительная камера, 2 - инжектор, 3 - выводное окно, 4 - полюса электромагнита, 5 - рассеивающая фольга, R_о - радиус равновесной орбиты; R_ос - радиус орбиты освобождения (на орбите освобождения показатель спада поля n = 1); F - азимут установки внутреннего края рассеивающей фольги относительно выводного окна (в тексте описания заявки предполагается, что апертура выводного окна находится на биссектрисе NM угла, образованного соседними с выводным окном гребнями). На фиг. 2 дополнительно введены обозначения: S_п - сечение пучка ускоренных электронов; 6 - обмотка смещения. Полюса электромагнита 4 имеют гребневую конструкцию. Инжектор 2 установлен в одном из азимутальных зазоров между полюсами электромагнита 4 над или под равновесной орбитой. Такая установка инжектора 2, как и примененная в [2, стр. 36, абзац 3], позволяет освободить электронам путь для выхода из ускорительной камеры 1 и, следовательно, исключить потери электронов на инжекторе 2 при выводе и тормозное излучение от этих потерь. Рассеивающая фольга 5 установлена перпендикулярно оси пучка так, что ее внутренний край расположен на (см. фиг. 2) орбите освобождения. Азимут установки F внутреннего края рассеивающей фольги 5 относительно выводного окна 3 и ее угловое распределение рассеяния подобраны так, чтобы обеспечить попадание максимального числа ускоренных электронов в апертуру выводного окна 3.

Реализацию способа рассмотрим на примере бетатрона. Способ вывода ускоренных электронов из бетатрона реализуют следующим образом. В сформированное полюсами электромагнита 4 управляющее поле посредством инжектора 2 вводят ускоряемые электроны. После того, как электроны набрали необходимую энергию, на обмотку смещения 6 подают импульс тока. В результате пучок ускоренных электронов, двигаясь по разворачивающейся спирали, достигает предельной устойчивой орбиты - орбиты освобождения и входит в соприкосновение с внутренним краем рассеивающей фольги 5, обеспечивающей его рассеяние в пределах заданного телесного угла. Траектории электронов искривляются управляющим магнитным полем бетатрона, создаваемом полюсами электромагнита 4, таким образом, что некоторая часть пучка, отклонившегося после рассеяния за орбиту освобождения R_ос, сразу попадает в апертуру выводного окна 3 (сектор траекторий В-О-С на фиг. 1). Те электроны, которые слишком сильно отклонились в результате рассеяния от оси пучка, попадают на стенки ускорительной камеры 1 бетатрона (сектор траекторий А-О-В на фиг. 1). Некоторая часть электронов, рассеянных фольгой 5 на угол, недостаточный для попадания в выводное окно 3, падает на поверхность ускорительной камеры 1 (сектор траекторий C-O-R_ос на фиг. 1). Та часть рассеянных фольгой 5 электронов, которая отклонилась вовнутрь (сектор траекторий R_ос-O-D на фиг. 1), совершает один или не сколько оборотов и снова попадает на фольгу 5 или может попасть на стенки ускорительной камеры 1. Процесс рассеяния электронов на фольге 5 повторяется многократно. В результате вывод электронного пучка осуществляется в течение нескольких оборотов.

На фиг. 3 качественно изображено угловое распределение электронов (в сечении телесного угла) после прохождения ими рассеивающей фольги 5, символом γ обозначен угол рассеяния фольги. Наклонной штриховкой показана та часть электронов, которая после прохождения рассеивающей фольги 5 попадает на стенки ускорительной камеры 1. Область С-В соответствует той части электронного пучка, которая после рассеяния сразу попадает в выводное окно 3. Область R_ос-D соответствует той доле электронного пучка, которая после прохождения рассеивающей фольги 5 отклоняется внутрь бетатрона и может через некоторое число оборотов попасть на рассеивающую фольгу 5 и, следовательно, в апертуру выводного окна 3. Поскольку электроны рассеиваются фольгой в равной степени в вертикальной и горизонтальной плоскостях, то выходящий из ускорителя электронный пучок позволит сформировать поля облучения, одинаковые по ширине и высоте. Таким образом будет достигнута заявляемая цель изобретения.

На примере фиг. 3 подробнее рассмотрим способ вывода ускоренных электронов рассеивающей фольгой 5. Как видно из графика на отрезке С-В кривая углового распределения спадает быстрее всего, следовательно, на этом угловом интервале (угол между траекториями В-О-С на фиг. 1) сосредоточена большая часть электронов, отклонившихся за орбиту освобождения R_ос, которая и выводится из бетатрона после первого прохождения пучком рассеивающей фольги 5. Теряемые электроны находятся на отрезках В-А и R_ос-C (углы между траекториями А-О-В и C-O-R_ос на фиг.1), где кривая углового распределения спадает медленнее, т. е. в этих угловых интервалах находится относительно немного электронов от отклонившейся за орбиту освобождения половины пучка. Всегда можно выбрать параметры рассеивающей фольги 5 (металл и толщину) так, чтобы при заданном угле расходимости электронного пучка обеспечить максимальную скорость спада кривой углового распределения рассеяния на интервале В-С, т. е. в области, где лежат траектории электронов, которые могут быть выведены из бетатрона, увеличив, тем самым, эффективность вывода. Часть электронов, отклонившихся внутрь бетатрона (угловой интервал R_oc-D) и не попавших на стенки ускорительной камеры, сделает еще один или несколько оборотов и подойдет к рассеивающей фольге 5. Благодаря радиальным и вертикальным бетатронным колебаниям часть из них снова попадет на нее. После чего, как было указано выше, определенные доли электронов попадут в выводное окно 3, на стенки ускорительной камеры 1 или продолжат движение до тех пор, пока не выйдут из ускорительной камеры 1 или не попадут на ее стенки. Таким образом, при правильном выборе параметров рассеивающей фольги можно ожидать получение эффективности вывода более 50%.

В качестве материала для рассеивающей фольги 5 необходимо выбирать металлы, имеющие минимальное значение коэффициента отражения электронов и обеспечивающие минимальные потери энергии электронами при его прохождении. Данные о полных интегральных коэффициентах отражения электронов [3, стр. 85 рис. 23 и стр. 86 рис. 24], полученные методом Монте-Карло для различных углов падения электронов и металлов с различным атомным номером Z, в виде графических зависимостей приведены на фиг. 4. Угловые и энергетические спектры электронов, прошедших через фольгу из титана толщиной 100, 200, 400 мкм и тантала толщиной 30 мкм, приведены на фиг. 5 и 6. Как видно из зависимостей фиг. 4, с ростом атомного номера растет количество отраженных электронов, по этой причине предпочтительней металл с минимальным Z. При прохождении титановой фольги 100 мкм электроны теряют почти такую же энергию, как после прохождении фольги из тантала толщиной 30 мкм, но при этом рассеивающие свойства танталовой фольги 30 мкм слишком велики. Поэтому в качестве материала для рассеивающей фольги 5 необходим металл с малым атомным номером, т. е. металлы, входящие во 2, 3, 4 периоды периодической системы элементов, например. Be, Al, Ti, V, Cr, Со, Сu, Zn. Из перечисленных выбирается металл, при прохождении которого электроны теряют минимальную энергию и который обеспечивает рассеяние электронов в требуемом угле.

Угол расходимости выведенного электронного пучка ϕ зависит не только от угла рассеяния γ фольги 5, но он ограничивается азимутом F установки ее внутреннего края относительно выводного окна 3 и диаметром D самого выводного окна 3. Как видно из фиг. 7, максимальная величина этого угла определяется отношением длины L участка траектории между внутренним краем рассеивающей фольги 5 и центром выводного окна 3 и диаметром D выводного окна 3, т. е.:

Если снова обратиться к фиг. 3, то ϕ соответствует угловой интервал С - В, а γ соответствует угловой интервал R_ос - А. При правильном выборе γ угловой интервал ϕ на кривой углового распределения рассеяния электронов располагается на участке с наибольшей скоростью спада. Это значение γ и будет требуемым углом рассеяния фольги 5. Невозможно все рассеянные наружу от окружности орбиты освобождения электроны направить в апертуру выводного окна 3. Поэтому оптимальное значение угла рассеяния фольги 5 всегда больше чем необходимый угол расходимости пучка ϕ.

Размещение в ускорительной камере 1 рассеивающей фольги 5 определяется параметрами управляющего поля бетатрона, в соответствии с которым внутренний край рассеивающей фольги 5 устанавливают на необходимые азимут и радиус. Поскольку в общем виде расчет места установки рассеивающей фольги 5 представляет значительные трудности, оно может быть определено экспериментально или методом математического моделирования.

Для проверки выполнимости заявляемого способа вывода ускоренных электронов из циклического ускорителя был проведен эксперимент по выводу электронов из бетатрона предлагаемым способом. Эксперимент был проведен для бетатрона МИБ-3 [4]. По результатам эксперимента для танталовой фольги толщиной 30 мкм, установленной на азимуте F = 70^o, получен угол расходимости выведенного пучка ϕ = 9^o. Изодозы поля облучения имеют вид окружностей, что указывает на одинаковую расходимость пучка в вертикальной и горизонтальной плоскостях (см. фиг. 8). Указанное в описании способа радиальное положение внутреннего края рассеивающей фольги 5 (ее внутренний край должен быть расположен на радиусе орбиты освобождения) также подтверждается проведенным экспериментом (см. фиг. 9) (см. приложение (акт испытаний)).

Таким образом, в отличие от известного способа [2] вывода ускоренных электронов из циклического ускорителя в предлагаемом способе размеры поля облучения не ограничиваются величиной зазора между пластинами отклоняющего конденсатора, а определяются свойством фольги, помещенной на пути пучка, в равной мере рассеивать электроны в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Поэтому задавая параметры D, F, γ, можно получить аксиально-симметричный пучок с любым (с ростом требуемой величины угла ϕ расходимости выведенного электронного пучка потребуется увеличение угла γ рассеяния фольги, что приводит к снижению эффективности вывода η) требуемым значением угла расходимости.

Практически применяя, например, титановые фольги с величиной угла рассеяния ~10 - 20^o, по нашим расчетам, можно получить величину расходимости выведенного электронного пучка по крайней мере ~5 - 10^o в вертикальной и горизонтальной плоскостях при эффективности вывода η = 25 - 30%. На расстоянии 0,5 м от выводного окна ускорителя это эквивалентно полю облучения 86 х 86 - 170 х 170 мм. Такие поля облучения в настоящее время формируют с помощью линейных ускорителей, которые по сравнению с циклическими, например, бетатроном имеют на порядок большую стоимость. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить формирование электронных полей больших линейных размеров в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Список литературы
1. Воробьев А.А., Кононов Б.А., Евстигнеев В.В. Электронные пучки бетатронов. - М., Атомиздат, 1974.

2. Gund К., Paul W. Experiments with a 6-Mev betatron // Nucleonics. - 1950. - V. 7.- N 1.- P.36-45.

3. Аккерман А. Ф., Никитушев Ю.М., Ботвин В.А. Решение методом Монте-Карло задач переноса быстрых электронов в веществе. - Алма-Ата, Наука, 1972.

4. Чахлов В.Л, Пушин B.C., Буров Г.И., Звонцов А.А., Зворыгин В.П., Зрелов Ю.Д. Малогабаритный бетатрон с четырьмя элементами периодичности управляющего магнитного поля // Приборы и техника эксперимента. - 1986. - N 4. - С. 29-30.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке бетатронов с выведенным электронным пучком, например, для целей лучевой терапии. Техническим результатом является формирование электронных полей больших линейных размеров в вертикальном и горизонтальной плоскостях. Способ включает расширение орбиты ускоренных электронов, рассеяние ускоренных электронов на металлической фольге, установленной на орбите освобождения, где радиальные фокусирующие силы управляющего поля равны нулю, при этом рассеяние производят в регулируемом телесном угле путем подбора толщины и материала рассеивающей фольги, установленной перпендикулярно оси пучка, а ее азимутальное расположение относительно выводного окна ускорительной камеры выбирают исходя из получения максимальной эффективности вывода ускоренных электронов. 9 ил.

Способ вывода ускоренных электронов из циклического ускорителя, включающий расширение орбиты ускоренных электронов, рассеяние ускоренных электронов на металлической фольге, отличающийся тем, что пучок ускоренных электронов рассеивают фольгой на орбите освобождения, где радиальные фокусирующие силы управляющего поля равны нулю, в регулируемом телесном угле путем подбора толщины и материала рассеивающей фольги, установленной перпендикулярно оси пучка, а азимутальное расположение рассеивающей фольги относительно выводного окна ускорительной камеры выбирают исходя из получения максимальной эффективности вывода ускоренных электронов.