專利名稱：直線加速器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種直線加速器。
背景技術：
直線加速器，特別是駐波結構的直線加速器，是一種已知的高能電子束源。這種加速器通常用于醫學治療癌癥和病變等。在這種應用中，電子束或者通過薄的可穿透的窗口射出并直接照射到病人上，或者用于撞擊X射線靶以產生合適的光子輻射。
對于每種治療，經常需要改變電子束的入射能量。在根據治療輪廓而需要一個特定的能量的醫學應用中，便是這種情況。線性駐波加速器包括一系列的加速腔，它們借助于耦合腔耦合，所述耦合腔和相鄰的一對加速腔連通。按照US-A-4382208，通過調節相鄰加速腔之間的耦合程度來改變電子束的能量。這通常借助于改變耦合腔的幾何形狀來實現。
所述幾何形狀的改變一般利用滑動元件來實現，所述滑動元件可以被插入耦合腔內一或多個位置中，借以改變內部形狀。利用這種方法會遇到許多嚴重困難。通常一個以上的這種元件必須被移動，以便以一被精確限定的值保持腔之間的相位移。所述元件的移動通常是不同的，因此，它們必須被單獨地移動，還要以非常高的精度被定位，以便保持所需的相位關系。通常要求±0.2mm的精度。這需要復雜而高度精確的定位系統，這在實際上對于工程人員是困難的。在具有少于兩個移動部分的方案中(例如在US4,268,192中提出的)，所述裝置不能保持在輸入和輸出之間恒定的相位，使得這種裝置不能連續地改變RF電場，因而被降低為簡單開關的功能。事實上，它們通常被稱為能量開關。
許多方案還提出了使用必須承載大幅度RF電流的滑動觸點。這種觸點易于發生焊接導致的黏連故障，并且其滑動表面對超高真空系統的質量有害。而維持系統的超高真空性質是保證系統長期可靠地操作的關鍵。
前面提出的解決辦法可以歸結為具有一個輸入和一個輸出孔的腔耦合裝置，整個裝置在電方面的作用好象一個變壓器。為了得到可變的耦合值，必須以某種方式利用例如波紋管、塞子和活塞等裝置改變腔的形狀。不過，現有技術沒有提供能夠通過單軸控制在一寬的范圍內連續地改變耦合值同時保持相位是恒值的裝置。
本領域的當前狀態是，采用這樣一種結構，其在兩個預定的能量之間提供有用的轉換。然而，使用這種結構難于獲得可靠的可變能量的加速器。現有技術的一種好的概括可以在US4,746,839中找到。
我們的早期申請PCT/GB99/00187公開了一種新型的直線加速器，其中沿著粒子束軸線設置有多個諧振腔，至少一對諧振腔是通過耦合腔電磁耦合的，所述耦合腔基本上圍繞其軸線是旋轉對稱的，而且包括適用于破壞所述對稱性的元件，該元件可以在耦合腔內轉動，所述轉動基本上平行于耦合腔的對稱軸。
在這種裝置中，可以在耦合腔內建立諧振，所述諧振和加速腔內的諧振垂直。一般使用加速腔的TM模諧振，這意味著在耦合腔內可以建立TE模式，例如TE111。因為腔基本上是旋轉對稱的，故場的方位不由腔確定，而是由轉動元件確定。耦合腔和兩個加速腔之間可以在耦合腔表面內的兩個點上連通，根據TE駐波的方位，此時可以“看到”不同的磁場。因而，耦合的程度可以通過簡單方便地轉動所述轉動元件被改變。
這種結構和以前的加速器相比提供的顯著的優點在于，利用一種被容易制造和維護的裝置可以在一個寬的范圍內得到真正可變的能量輸出。不過，該耦合單元的諧振頻率具有對可轉動元件角度的小的依賴性，如圖6所示。所述諧振頻率是這樣一個頻率，在這個頻率上，當在相鄰加速單元中的諧振被抑制時，耦合單元發生諧振，并且是影響由所述單元實現的耦合程度的一個因素。圖6表示，當所述元件(按照PCT/GB99/00187)被轉動時，所述頻率以正弦方式改變±40MHz。如果被表示為這個例子的平均頻率2985MHz的標稱值，則僅僅是相當小的改變。不過，如果可能，希望減小甚至完全消除這個改變。
減小或者消除當元件轉動時發生的這個耦合單元的諧振頻率的改變的一個優點是，這將有助于保證在可轉動元件的所有角度下，在被耦合組的腔所需的π/2操作方式的諧振頻率和被耦合組的腔不希望方式的相鄰的諧振頻率之間，保持可接受的最小的頻率分離。
發明概述因此，本發明提供一種駐波直線加速器，其包括沿著粒子束軸線設置的多個諧振腔，其中至少一對諧振腔通過一耦合腔電磁耦合，所述耦合腔通過孔和諧振腔連通，在該耦合腔內具有一旋轉不對稱元件，其適于圍繞基本上平行于耦合腔軸線的軸線轉動，所述耦合腔圍繞其軸線是不完全旋轉對稱的，所述不完全至少是由于該腔內在和所述孔相對的部分設置的材料的相對過量引起的。
因而，雖然在優選實施例中耦合腔是接近旋轉對稱的，但是由于材料的相對過量而使其脫離精確的旋轉對稱，這在下面進行說明。材料的相對過量可以通過從想象的旋轉對稱輪廓向內伸入腔的材料來提供，或者通過除去其它位置的相應材料來提供。
在這方面，最好是材料的相對過量包括在腔的內壁上的向內延伸的凸起，以便在工程上容易制造。對于最大的效果(因而最小的凸出范圍)，所述凸起最好沿著耦合腔的這樣一個長度延伸，所述長度大于沿著耦合腔軸線的孔的長度。
此外，材料的相對過量可以包括從腔的端壁伸入腔內的凸起。例如，其可以由不垂直于耦合腔縱軸的腔的端壁限定。
在駐波直線加速器的優選實施例中，所述孔的尺寸是不同的。在這種情況下，最好是材料的相對過量向著與較大的孔相對的位置偏移。
顯然，本發明依賴于在PCT/GB99/00187中所述的發明，因此，所述專利的理解對于理解本專利是有用的。因此，上述專利被在此引入作為參考，并且注意，本說明書的內容應當結合上述專利的內容進行閱讀，并因而要求對本申請和上述專利披露的特征的組合給予保護。
應當認為這種方法在阻尼頻率對于裝置的依賴性方面是有效的，因為當可轉動的元件轉動時，E場和B場相應轉動。在這種耦合腔內，E場和B場相互垂直地對準，因此材料的相對過量有效地從主要在E場中的位置移動到主要在B場中的位置(反之亦然)。當在強的E場中時，導電材料趨于使頻率降低。同樣，當在強的B場中時，導電材料趨于使頻率提高。因而當場轉動時，則對頻率施加一個可變的校正。所述變化本身和可轉動件的角度正弦相關，但是被設置為和頻率依賴性反相位。因此凈效果可被減少甚至消除。
這意味著，材料的相對過量的大小及其相對于場圖形的位置將控制頻率響應被阻尼的數量。其結果是，合適尺寸的相對過量將由其在E場和B場中的位置決定。如果位于腔的端壁之間的中點，當可轉動件轉動時，該點的電場強度E和磁場強度B交替地變成非常強，則該凸起具有較大的效果，而且不必像位于腔的端部或邊沿附近那樣大。通過試驗和校正，一般可以達到合適的尺寸和位置。
附圖簡述現在將參照附圖以實例說明本發明的實施例，其中，
圖1是在PCT/GB99/00187中所示的加速器元件的透視圖；圖2是圖1實施例的軸向視圖；圖3是圖1實施例的分解圖；圖4是圖2的IV-IV剖面；圖5是圖2的V-V剖面；圖6是表示耦合單元的諧振頻率對于圖1-5所示裝置的葉片角度的相關性的曲線；圖7是對應于圖5的表示本發明第一實施例的視圖；圖8是表示耦合單元的諧振頻率對于圖7所示裝置的葉片角度的相關性的曲線；圖9是對應于圖5的表示本發明第二實施例的視圖；圖10是對應于圖5的表示本發明第三實施例的視圖；圖11是對應于圖2的表示本發明第四實施例的視圖；圖12是對應于圖2的表示本發明第五實施例的視圖；實施例的詳細說明圖1-5說明PCT/GB99/00187中所述的加速器。它們不被包括在本發明中，但是將其示于此處以便幫助全面理解本發明及其內容。這些圖說明直線加速器的一短的子部件，其由兩個加速腔和在所述加速腔的任何一邊的兩個半個的耦合腔。此外，所述元件包括一實施本發明的單個耦合腔，用于耦合兩個加速腔。一個完整的加速器應當由軸向耦合的若干個這種子部件構成。
在圖1中，加速腔的軸線100通過小的開孔102進入第一加速腔104(在圖1中看不到)。另一個加速腔108通過孔106和第一加速腔104連通。此時所述第二腔108的另一側上具有另一個孔110，用于和當本實施例的子部件沿著軸線100被重復時而形成的下一個加速腔連通。這樣，粒子束按照順序通過孔102，106，110等被加速。
在所示的子部件中形成一對耦合的半腔。第一半腔112在第一加速腔104和由相鄰的子部件形成的相鄰的加速腔之間提供固定大小的耦合。所述相鄰的子部件提供其余的半個耦合腔112。同樣，第二耦合腔114耦合第二加速腔108和由相鄰的元件提供的相鄰的腔。每個耦合腔包括豎柱116和118，它們調整所述腔，從而提供所需的合適的耦合值。耦合腔112，114的結構是常規的。
第一加速腔104通過可調整的耦合腔120和第二加速腔108相連。其由元件內的圓柱形的空間構成，圓柱的軸線垂直于加速腔軸線100并和其分開。在兩個軸線在其最緊點之間的空間以及圓柱的直徑被這樣調整，使得所述圓柱和加速腔104，108相交，從而形成孔122，124。如本實施例中所述，圓柱120的位置稍微靠近第二加速腔108，使得孔124大于孔122。根據加加速器其余部分的結構，這種不對稱性在某種環境下可能是有利的。不過，這不是重要的，在其它的結構中可能或多或少地需要。
在可調整的耦合腔120的一端形成孔126，從而使軸128能夠通過進入腔的內部。軸128按照已知的方法被可轉動地密封在孔126中。在可調整的腔120內，軸128支撐著葉片130，因而所述葉片可以可轉動地被定位，使得在可調整的耦合腔120內限定場TE111的方位，因而規定了在第一腔104和第二腔108之間的耦合數量。
在元件內形成冷卻通道，從而使水能夠通過整個結構流通。在本例中，總共提供了4個冷卻通道，在加速腔周圍等間隔地布置。兩個冷卻通路132，134在固定的冷卻腔112，114上下延伸，并直接通過所述裝置。兩個另外的耦合腔136，138作為可變腔120沿著相同側延伸。為了阻止所述冷卻通路和加速腔104，108或者可調整的耦合腔120沖突，形成一對雙向拐彎140，這由圖2和圖3可以清楚地看出。
圖3是該實例的分解的視圖，說明其可以構成的方式。中心基體單元150包括耦合腔和兩個半個第一、第二加速腔104、108。所述兩個加速腔可以通過在銅底板上利用合適的轉動操作形成，然后和冷卻通路132，134，136，138以及通路136、138的雙向拐彎140一道鉆出在兩個腔之間的中心連通孔106。然后，可以鉆出可調整的耦合腔120，從而在所述腔和兩個加速腔104，108之間形成孔122和124。然后可以把蓋152，154銅焊在可調整腔120的頂端和底端，對其密封。
然后，可以利用銅焊步驟形成端件156，158，用于固定中心單元150的每一側。此外，耦合腔104，108的其余的半個可以在這些單元內轉動，如半個腔112，114那樣。可以如軸向連通孔102，110那樣鉆出冷卻劑通路132，134，136和138。然后，可以把端件銅焊在中心單元的每一側上，從而密封加速腔并形成一個單元。
然后把多個相同的單元端對端地銅焊在一起，從而形成一加速腔鏈。相鄰的一對加速腔可以通過固定的耦合腔相連，所述的每對的每個部件可以通過可調整的耦合腔120和相鄰的一對部件相連。
這些單元的銅焊是熟知的，簡單地涉及利用在其間的合適的共熔的銅焊合金箔把每個部件夾在一起，并加熱所述組件到一個合適的升高的溫度。在冷卻之后，相鄰的腔便牢固地耦合在一起。
所述葉片用于打破腔120的對稱性，從而強迫電場的電力線垂直于葉片的表面。最終結果得到一個只具有一個簡單的運動部件的裝置，所述運動部件在轉動時將直接控制單元之間的耦合，同時在輸入和輸出之間保持一個恒定的相對相移，例如π弧度。在系統中的唯一的自由度是葉片的轉動角度。在一種典型的駐波加速腔應用中，這只需被固定具有幾度的精度，所述精度和選擇的能量有關。這種控制使得直線加速器的能量能夠在一寬的范圍內連續地調整。
圖6表示這種裝置的耦合單元120的采樣諧振頻率。可以看出，雖然所示的頻率是非常穩定的，但是由于所選擇的比例，仍然可以看到大的明顯的波動，當葉片轉動時，頻率呈正弦變化。這由下面的本發明的圖7表示總體上對應于圖5的截面圖，因此使用相同的標號表示相同的部件。本發明的這個實施例的不同之處在于提供一個向內延伸的脊部200，所述脊部沿著耦合腔120的長度部分被提供。在本實施例中，所述脊部具有光滑的半橢圓截面，但是這對本發明不是重要的，其它的形狀也比較容易加工，并且也可以提供有利的諧振性能。其位置基本上和耦合孔122，124的中點相對，但是稍微向著和較大的孔124相對的位置移動。精確位置大約是對著按照其尺寸加權的孔的平均位置。
相信脊部200能夠按照上述的方式操作，即通過在可轉動的元件130轉動時阻尼所述裝置的頻率相關性，使得在強的E場中時趨于使頻率降低，并且在強的B場中時，趨于使頻率提高。因而，當場由于可轉動元件130而轉動時，便對頻率施加一個和現有的頻率相關性反相的正弦可變校正。因此，凈的效果可以被減小或者甚至消除。
圖8使用和圖6相同的比例表示所述的結果。可以看出，耦合腔120的頻率相關性被明顯減小到在3000MHz內的大約±5Mhz的范圍，即小于0.2％。結果，輸出束的能量可以在一個大的范圍內改變，同時有效地抑制所述頻率的改變。
該凸起的尺寸通過試驗和調整進行確定。期望凸起對頻率響應的影響和其尺寸成正比。因而，一個小的凸起不能完全消除頻率響應，并且，一個過大的凸起將發生過補償因而引起反相的頻率響應。假定頻率響應的大小由裝置的其余部分的幾何形狀確定，所述凸起的尺寸則取決于在提供所述凸起的諧振系統中的精度情況。
圖9表示本發明的第二實施例。在本實施例中，由凸起202提供材料的相對過量，所述凸起由在另外的圓柱耦合腔120的曲面上的扁平的區域構成。
圖10表示第三實施例。在這種情況下，材料的相對過量通過在兩點204，206除去材料來提供，所述兩點橫斷在上面的頭兩個實施例中增加材料的位置。這基本上具有相同的效果。這對工程師是容易的，因為在對一對補償槽204，206鉆孔前后可以對耦合腔鉆孔。
圖11表示和圖2對應的截面圖。再次使用相同的標號表示相同的部件。在圖11所示的第四實施例中，材料的相對過量通過在圓柱截面耦合腔120的扁平端面中轉動一個角度來提供。因而，腔的軸向長度在對著孔122，124的加權的平均位置的位置較小。
因為在耦合腔內的E場的峰值強度位于中心，預期這種裝置比實施例1到3具有較小的效果。不過，這可以通過調整這樣形成的材料208，210的附加的體積的尺寸進行補償。因為這種裝置可以更簡單地制造，其可以是優選的。
圖12表示第5實施例。每個耦合腔120的端蓋具有桿狀的向內延伸的凸起212，214。它們伸入腔120的中心，并被設置處于和第一實施例的凸起200相應的位置，但是(如圖所示)稍微和腔的側壁分開。所述的桿不需要在兩個端面上提供。不過這提供了一種更對稱的結構。
當然，本領域技術人員應當理解，上述的實施例僅僅是本發明的簡單的說明，并且可以作出許多改變和改型。
權利要求
1.一種駐波直線加速器，包括沿著粒子束軸線設置的多個諧振腔，其中至少一對諧振腔通過一耦合腔電磁相連，所述耦合腔通過孔和諧振腔連通，且在耦合腔內具有一旋轉不對稱元件，其適于圍繞基本上平行于耦合腔軸線的軸線轉動，所述耦合腔圍繞其軸線是不完全旋轉對稱的，所述不完全至少是由于該腔內在和所述孔相對的部分中設置的材料的相對過量引起的。
2.如權利要求1所述的駐波直線加速器，其中該材料的相對過量包括在腔的內壁上向內延伸的凸起。
3.如權利要求2所述的駐波直線加速器，其中所述凸起沿著大于沿著腔的軸線的孔的長度的耦合腔的長度延伸。
4.如權利要求1所述的駐波直線加速器，其中該材料的相對過量包括從其端壁延伸進入腔內的凸起。
5.如權利要求4所述的駐波直線加速器，其中所述凸起由不垂直于耦合腔的縱軸的腔的端壁限定。
6.如前述任何一權利要求所述的駐波直線加速器，其中所述的孔的尺寸是不相同的，并且所述材料的相對過量向著與較大的孔相對的位置偏移。
7.如權利要求1所述的駐波直線加速器，其中該材料的相對過量由在相對于所述的孔橫向設置的腔的至少一個壁中形成的至少一個槽提供。
8.如權利要求7所述的駐波直線加速器，其中所述的孔的尺寸是不同的，并且所述至少一個槽向著相對于較大的孔的橫向位置偏移。
9.一種駐波直線加速器基本上如參照圖7到圖12任何一個所述和/或所示。
全文摘要
本發明是對我們早期的專利申請PCT/GB99/00187的改進。所公開的裝置能夠以非常簡單的方式改變在RF路中兩個點之間的耦合,同時保持RF相位關系,并且改變RF場的相對幅值。其特征在于耦合值的簡單的單一的機械控制,使其對跨過該裝置的相移的影響可以忽略。這是通過在圓柱腔內TE
文檔編號H05H9/00GK1365597SQ00811029
公開日2002年8月21日 申請日期2000年8月3日 優先權日1999年8月6日
發明者約翰·艾倫, 倫納德·K·布倫德爾, 特麗·A·拉奇, 特倫斯·貝茨 申請人:埃萊克特公司