УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ Российский патент 2007 года по МПК H05H1/00 

Настоящее изобретение касается ускорителей частиц и их промышленного и медицинского применения.

Ускорители частиц описаны в статье «CYCLOTRONS IN RADIOTHERAPY», опубликованной в CERN ACCELERATOR SCHOOL, CYCLOTRONS, LINACS AND THEIR APPLICATIONS, GENEVA 96, после семинара, состоявшегося в Бельгии с 28 апреля по 5 мая 1994 года, содержание которой приводится в настоящей заявке в качестве ссылки.

В настоящее время существует потребность в ускорителе частиц, способном создавать поток ускоренных частиц и выполненном с возможностью надежного и быстрого регулирования интенсивности этого потока.

Задачей настоящего изобретения является удовлетворение этой потребности.

Эта задача решается благодаря созданию ускорителя частиц, содержащего:

- источник, выполненный с возможностью генерирования предназначенных для ускорения заряженных частиц;

по меньшей мере один циклотрон, предназначенный для ускорения частиц, выходящих из источника;

- по меньшей мере одно пусковое устройство, предназначенное для воздействия на частицы пучка перед их ускорением в циклотроне;

- по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью выдачи информации о силе тока пучка частиц, ускоряемых циклотроном; и

- программируемое контрольное устройство, выполненное с возможностью воздействия на пусковое устройство в зависимости от информации, полученной от датчика, и в соответствии с запрограммированным законом управления во времени силой тока пучка ускоряемых частиц таким образом, чтобы сила тока пучка, выходящего из циклотрона, соответствовала запрограммированному закону управления.

Благодаря настоящему изобретению появляется возможность получения пучка ускоряемых частиц с силой тока, изменяющейся во времени и заранее определенным образом.

Таким образом, можно, например, более точно контролировать дозу облучения в обрабатываемом объеме, что позволяет, в частности, повысить эффективность гадронтерапии и терапии при помощи захвата нейтронов бором, называемой также BNCT.

Благодаря настоящему изобретению можно также обеспечить более точное питание систем, управляемых ускорителем, называемых также ADS.

Вышеуказанный датчик может содержать отделитель, через который проходит пучок частиц, ускоряемых циклотроном. Этот отделитель может быть электронным или ядерным отделителем. Ядерный отделитель может обеспечивать генерирование, например, нейтронов.

Пусковое устройство, которое может быть механическим или не механическим, может содержать по меньшей мере один электростатический и/или магнитный отражатель или по меньшей мере один подвижный орган, выполненный с возможностью улавливания частиц пучка.

Пусковое устройство может содержать, например, по меньшей мере один сгуститель, в частности, два сгустителя. В последнем случае каждый сгуститель может содержать центральный электрод с потенциалом, меняющимся во времени, расположенный между двумя концевыми электродами с таким же потенциалом, при этом центральный электрод образует с каждым концевым электродом разность потенциалов, воздействующую на частицы, выходящие из источника. Длина центрального электрода сгустителя, через который в первую очередь проходит пучок, может отличаться от длины центрального электрода сгустителя, через который пучок проходит во вторую очередь, и может, в частности, быть большей, например, превышать ее вдвое.

Напряжение, подаваемое на центральные электроды, может быть синусоидальным.

Напряжения, подаваемые на оба сгустителя, могут практически соответствовать двум членам последовательного разложения пилообразного напряжения по Фурье.

Управляющее устройство может быть выполнено с возможностью изменения угла сдвига фаз между значениями напряжения, подаваемого на сгустители, в зависимости от информации, поступающей от датчика.

Запрограммированный закон изменения тока может содержать в зависимости от времени по меньшей мере два строб-импульса, в частности, по меньшей мере два строб-импульса с разными амплитудами.

Источник может быть выполнен с возможностью генерирования молекулярных ионов, например, ионов Н₂ ⁺ или Н₃ ⁺.

Источник может быть также выполнен с возможностью генерирования наряду с другими ионов Н^- или D^-.

Программируемое управляющее устройство предпочтительно выполняют быстродействующим и отличающимся, например, временем реагирования, меньшим или равным 10 мкс, предпочтительно меньшим или равным 5 мкс и, например, равным приблизительно 1 мкс.

Ускоритель может содержать ускоряющий элемент после отклонения пучка, работающий в постоянном режиме.

Ускоритель может содержать, например, два циклотрона, например, первый циклотрон, соединенный с источником, и второй циклотрон для ускорения частиц, выходящих из первого циклотрона. В этом случае датчик может содержать отделитель, установленный внутри второго циклотрона, и частицы, например, ионы Н₂ ⁺, ускоряемые первым циклотроном, могут выходить из него, не проходя через отделитель.

Ускоритель может содержать отклоняющее устройство, позволяющее производить сканирование заранее определенной зоны пучком ускоряемых частиц, например, определенной области человеческого тела. В этом случае программируемое управляющее устройство может быть выполнено, например, с возможностью изменения интенсивности пучка ускоряемых частиц в зависимости от положения пучка.

Согласно другому аспекту объектом настоящего изобретения является также способ получения пучка ускоряемых частиц с интенсивностью, регулируемой во времени, при этом данный способ может содержать этап, состоящий в программировании программируемого управляющего устройства определенного выше ускорителя в зависимости от требуемого изменения во времени интенсивности.

Согласно еще одному аспекту объектом настоящего изобретения является способ обработки тела человека или животного, который может содержать этап облучения обрабатываемой зоны при помощи пучка частиц, ускоряемых определенным выше ускорителем частиц.

Согласно такому способу, в частности, в случае гадронтерапии можно осуществлять сканирование обрабатываемой зоны пучком ускоряемых частиц и изменять интенсивность пучка во времени, чтобы учитывать дозу, полученную различными областями во время прохождения через них пучка, для обработки наиболее глубоко расположенных областей. Интенсивность пучка частиц может, например, регулироваться в виде строб-импульсов уменьшающейся во времени амплитуды, при этом лечение может осуществляться сначала при более высокой интенсивности, чтобы произвести обработку наиболее глубоко расположенных областей, а затем при более низкой интенсивности для обработки наименее глубоко расположенных областей.

Ускоритель частиц в соответствии с настоящим изобретением можно также использовать для питания системы, управляемой ускорителем. Такая питаемая ускорителем система может содержать, например, усилитель энергии, докритический ядерный реактор или преобразователь ядерных отходов.

Ускоритель частиц в соответствии с настоящим изобретением можно также использовать для получения потока нейтронов, в частности, потока практически моноэнергетических нейтронов.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего подробного описания неограничительных примеров его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 - схематическое частичное изображение, иллюстрирующее ускоритель в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - блок-схема, иллюстрирующая регулирование интенсивности пучка, выходящего из ускорителя.

Фиг.3 - схематическое частичное изображение в осевом разрезе двух сгустителей.

Фиг.4 - график изменения выходной фазы частиц в зависимости от их входной фазы при их прохождении через два сгустителя.

Фиг.5 - график, иллюстрирующий пример изменения интенсивности пучка ускоряемых частиц в зависимости от их фазы выхода из линейного инжектора.

Фиг.6 - схематическое и частичное изображение в осевом разрезе подвижного элемента другого варианта пускового устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.7 - схематическое изображение другого варианта пускового устройства, содержащего электростатический отражатель.

Фиг.8 - иллюстрация одного из примеров запрограммированного закона изменения силы тока.

Фиг.9 - схематическое изображение зоны, обрабатываемой пучком ускоряемых частиц.

Фиг.10 и 11 - иллюстрация других неограничительных примеров запрограммированного закона изменения силы тока.

Фиг.12 - схематическое и частичное изображение, вид сбоку, примера осуществления ускорителя частиц с двойным циклотроном, выполненного с возможностью использования программируемого управляющего устройства для регулирования интенсивности.

На фиг.1 показан ускоритель 1 частиц, содержащий источник 10 ионов, предназначенный для генерирования заряженных частиц, например, ионов Н^-, и циклотрон 20, предназначенный для ускорения этих частиц.

В представленном примере излучаемые источником 10 частицы инжектируются в циклотрон осевым линейным инжектором 30. Последний включает в себя пусковое устройство 40, роль которого будет подробнее пояснена ниже и который содержит первый сгуститель 21 и второй сгуститель 22.

Как известно из предшествующего уровня техники, линейный инжектор 30 содержит также магнитные или электростатические фокусирующие линзы.

Предназначенные для ускорения и выходящие из линейного инжектора 30 частицы известным образом инжектируются в центральную область циклотрона 20.

Циклотрон 20 является, например, циклотроном изохронного компактного типа и может быть сверхпроводящим или не быть таковым.

Частицы ускоряются циклотроном 20 по траектории, в основном имеющей спиралевидную форму, как показано на фиг.1.

На этой фигуре показана только последняя орбита ускоряемых частиц. Пучок проходит через электронный отделитель 33, содержащий, например, углеродный лист, имеющий плотность от 20 до 60 мкг/см². В рассматриваемом примере ускоряемые частицы являются ионами Н^-. Отделитель 33 трансформирует их в протоны Н⁺, и кривизна их траектории меняет свое направление, что позволяет им выйти из циклотрона.

Обычная оптическая система 35 позволяет направлять выходящий таким образом из циклотрона пучок на мишень для производства радиоэлементов или в любую другую зону тела человека или животного или обрабатываемого объекта. В частности, пучок может быть направлен на отклоняющее устройство 41, которое позволяет осуществить сканирование обрабатываемой зоны, например, опухоли ускоренным пучком.

Отделитель 33 изолирован электрически, что позволяет измерять силу электрического тока, соответствующего проходящему через него пучку частиц.

Ускоритель 1 содержит программируемое управляющее устройство 50, показанное на фиг.2. Это устройство 50 получает информацию о силе тока, измеренной отделителем 33, и позволяет регулировать интенсивность пучка, создаваемого ускорителем.

Устройство 50 может быть запрограммировано в соответствии с любым законом изменения силы тока, при этом оно выполнено с возможностью управления пусковым устройством 40 в непрерывном режиме при помощи обратной связи таким образом, чтобы действительно обеспечиваемая циклотроном сила тока соответствовала запрограммированному закону изменения силы тока. В проиллюстрированном примере устройство 50 выполнено при помощи быстрых электронных компонентов, что обеспечивает очень короткое время реагирования, например, составляющее приблизительно 1 мкс.

Далее со ссылкой на фиг.3 следует описание двух отдельных сгустителей 21 и 22 пускового устройства 40.

Излучаемый источником 10 пучок частиц распространяется вдоль оси X, проходя через сгуститель 21, а затем - через сгуститель 22.

Сгуститель 21 содержит центральный электрод 60 и два концевых электрода 61 и 62.

Аналогичным образом сгуститель 22 содержит центральный электрод 63 и два концевых электрода 64 и 65.

В рассматриваемом примере длина центрального электрода 60 первого сгустителя 22, измеренная по оси X, вдвое превышает длину центрального электрода 63 второго сгустителя 22, так как частота напряжения V₂, подаваемого на центральный электрод второго сгустителя 22, в два раза больше частоты напряжения V₁, подаваемого на центральный электрод первого сгустителя 21. Концевые электроды 61, 62, 64 и 65 в рассматриваемом примере выведены на массу.

Каждой частице, выходящей из источника 10, может соответствовать входная фаза ϕ_е и выходная фаза ϕ_S. Эти фазы соответствуют относительному положению частиц на входе и на выходе линейного инжектора 30.

Сгустители 21 и 22 позволяют воздействовать на выходную фазу ϕ_s частиц в зависимости от их входной фазы ϕ_е. Частицы, выходная фаза ϕ_s которых находится в интервале [ϕ₁, ϕ₂], называемом интервалом допустимости, при ϕ₁ и ϕ₂, близким, например, к 15° по абсолютной величине, ускоряются циклотроном 20, тогда как частицы с выходной фазой ϕ_s, не включенной в этот интервал, теряются и не участвуют в формировании пучка частиц, выходящих из циклотрона 20. Фазы ϕ₁ и ϕ₂ могут отличаться друг от друга или быть равными друг другу по абсолютной величине.

По своему виду напряжение V, являющееся суммой напряжений V₁ и V₂, может приближаться к пилообразному сигналу, если напряжения V₁ и V₂ выбирать в качестве двух первых членов разложения пилообразного сигнала в ряд Фурье.

На фиг.4 показано группирование частиц после прохождения в сгустителе 21, а затем в сгустителе 22.

Благодаря комбинированному использованию сгустителей 21 и 22 можно получить, например, 70% частиц, выходная фаза ϕ_s которых находится в интервале допустимости циклотрона, то есть которые не теряются.

На фиг.5 показан график силы тока I пучка частиц на выходе линейного инжектора в зависимости от выходной фазы ϕ_s. Из графика видно, что сила тока меняется очень быстро рядом с границами интервала допустимости. Таким образом, относительно слабое изменение выходной фазы ϕ_s может привести к относительно сильному изменению силы тока I получаемого пучка.

Программируемое управляющее устройство 50 выполнено с возможностью воздействия на сдвиг фаз Δϕ между напряжениями V1 и V2 для видоизменения кривой, показанной на фиг.4, и на эффективность группирования частиц, а следовательно, на силу тока на выходе циклотрона.

Таким образом, воздействуя на сдвиг фаз Δϕ, можно воздействовать на силу тока I и приводить ее к необходимому значению.

Пусковое устройство 40 можно выполнить другим образом, то есть не с двумя сгустителями, не выходя при этом за рамки настоящего изобретения. Например, как показано на фиг.6, оно может содержать подвижный элемент 70, поворачивающийся вокруг геометрической оси вращения Y и содержащий несколько отверстий, которые могут быть выполнены на пути пучка, например, два отверстия 71 и 72 разного диаметра. В соответствии с выбранным отверстием можно перехватывать большее или меньшее количество частиц, что позволяет изменять силу тока I пучка, создаваемого циклотроном.

Как показано на фиг.7, пусковое устройство может также содержать электростатический отражатель. Этот отражатель может содержать, например, два электрода 75 и 76, и распространяющийся вдоль оси Х пучок может быть перехвачен благодаря напряжению, подаваемому на эти электроды 75 и 76. Понятно, что, прикладывая между электродами достаточно сильное импульсное напряжение, можно рассечь пучок. Такое пусковое устройство позволяет управлять силой тока во всех отношениях.

На фиг.8 показан пример запрограммированного закона управления силой тока пучка заряженных частиц в зависимости от времени. Как показано на графике, этот закон может быть законом строб-импульсов, при этом каждый строб-импульс имеет, например, амплитуду, меньшую, чем амплитуда предыдущего строб-импульса.

Такой закон управления силой тока может применяться во время обработки зоны 80 человеческого тела, схематически показанной на фиг.9. Эта зона 80 может быть, например, предназначенной для удаления опухоли, и может быть поделена на слои 81, расположенные на разной глубине. Обработку можно начать при помощи пучка частиц относительно высокой интенсивности для обработки наиболее глубоких слоев. Запрограммированный закон изменения силы тока может позволить уменьшить интенсивность, чтобы во время обработки менее глубоких слоев учитывать тот факт, что эти слои уже получили немалую дозу облучения во время прохождения пучка, предназначенного для обработки наиболее глубоких слоев.

Управление силой тока может быть взаимосвязано с положением пучка на выходе из отклоняющего устройства 41. Это отклоняющее устройство может управляться управляющим устройством 50.

Фиг.10 и 11 иллюстрируют другие неограничительные примеры применения запрограммированных законов управления, например, для пилообразного напряжения с импульсами непостоянной амплитуды (фиг.10) или в виде кривой любого вида (фиг.11).

Ускоритель частиц может содержать только один циклотрон для ускорения частиц.

Он может также содержать элемент для ускорения после отклонения пучка, предназначенный для ускорения частиц в непрерывном режиме во время их выхода из циклотрона. Как показано на фиг.12, ускоритель может содержать, например, два циклотрона, а именно: первый циклотрон 20', например, изохронного компактного типа, охватываемый вторым циклотроном 20", например, изохронного типа с раздельными секторами.

В первом циклотроне 20' могут ускоряться молекулярные ионы, например ионы Н₂ ⁺, и направляться на электронный отделитель, установленный во втором циклотроне. При прохождении через этот отделитель генерируется пучок протонов Н⁺. На этом отделителе может быть измерена сила тока пучка, и выходная фаза ϕs пучка, инжектируемого в первый циклотрон, может управляться при помощи программируемого управляющего устройства способом, аналогичным описанному выше.

Точно также в рамках настоящего изобретения ускоряемые частицы могут быть отличными от Н^- или H₂ ⁺ и могут быть, например, Н₃ ⁺ или D^-.

Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше примерами.

В частности, можно использовать другие пусковые устройства и датчики силы тока.

Во всем тексте описания выражение «содержит + единственное число» должно пониматься как синоним выражения «содержит по меньшей мере», если не дается другого уточнения.

Настоящее изобретение относится к ускорителю частиц. Заявленный ускоритель содержит источник, выполненный с возможностью генерирования предназначенных для ускорения заряженных частиц, по меньшей мере один циклотрон, предназначенный для ускорения частиц, выходящих из источника, по меньшей мере одно пусковое устройство, предназначенное для воздействия на частицы пучка перед их ускорением в циклотроне, по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью выдачи информации о силе тока пучка частиц, ускоряемых циклотроном, и программируемое управляющее устройство, выполненное с возможностью воздействия на пусковое устройство в зависимости от информации, полученной от датчика, и в соответствии с законом программированного управления во времени силой тока пучка ускоряемых частиц таким образом, чтобы сила тока пучка, выходящего из циклотрона, соответствовала закону программируемого управления. Технический результат заявленного изобретения заключается в получении пучка ускоряемых частиц с силой тока, изменяющейся во времени заранее определенным образом, а также в более точном питании систем, управляемых ускорителем. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Ускоритель частиц, содержащий

источник (10), выполненный с возможностью генерирования предназначенных для ускорения заряженных частиц;

по меньшей мере, один циклотрон (20; 20', 20"), предназначенный для ускорения частиц, выходящих из источника;

по меньшей мере, одно пусковое устройство (40), предназначенное для воздействия на частицы пучка перед их ускорением в циклотроне;

по меньшей мере, один датчик, выполненный с возможностью выдачи информации о силе тока пучка частиц, ускоряемых циклотроном; и

программируемое управляющее устройство (50), выполненное с возможностью воздействия на пусковое устройство в зависимости от информации, полученной от датчика, и в соответствии с запрограммированным законом управления во времени силой тока пучка ускоряемых частиц таким образом, чтобы сила тока пучка, выходящего из циклотрона, соответствовала запрограммированному закону управления.

программирование программируемого управляющего устройства (50) ускорителя (1), определенного по любому из предыдущих пунктов, в зависимости от требуемого изменения интенсивности.