DE69216495T2

DE69216495T2 - Wanderwellen-Protonbeschleuniger mit magnetischer Kupplung

Info

Publication number: DE69216495T2
Application number: DE69216495T
Authority: DE
Inventors: Dominique Tronc
Original assignee: CGR MEV SA
Current assignee: CGR MEV SA
Priority date: 1991-07-23
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1997-07-03
Anticipated expiration: 2012-07-22
Also published as: FR2679727B1; FR2679727A1; EP0526306A1; EP0526306B1; US5412283A; DE69216495D1

Description

Die Erfindung betrifft Protonenbeschleuniger zum Erhalt eines energiereichen Strahls.
Zur Behandlung maligner Tumore ist es bekannt, diese einer mehr oder weniger intensiven Strahlung auszusetzen, weshalb auf Quellen von Röntgenstrahlen oder geladener Teilchen wie beispielsweise Elektronen oder Protonen zurückgegriffen wird. Im Fall der geladenen Teilchen haben die Protonen aufgrund einerseits ihrer gut definierten Tiefendurchdringung (Bragg- Peak) und andererseits des Fehlens eines Halbdunkels den Vorteil einer besseren Definition des Targetvolumens.
Es wird auch immer häufiger vorgeschlagen, Protonenbeschleuniger zu verwenden, jedoch ist unter Berücksichtigung ihrer verringerten Eindringtiefe in die Materie, die etwa 10 cm pro 100 MeV Energie beträgt, die hierzu erforderliche Energie sehr hoch. Bei der Verwirklichung eines mit stationären Wellen arbeitenden 250 MeV-Protonen-Linearbeschleunigers herköinmlicher Art ergeben sich zudem Längen, die 28 Meter erreichen können. Ein solcher Protonenbeschleuniger wurde beispielsweise bei der Präsentation auf der Konferenz "Partide Accelerator Conference", die vom 6. bis 9. Mai 1991 in SAN FRANCISCO stattfand, durch R.W. HAMM, K.R. CHANDALL und J.M. POTTER beschrieben; die Präsentation trug den Titel: PRELIMINARY DESIGN OF A DEDICATED PROTON THERAPY LINAC.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Protonenbeschleuniger zur medizinischen oder auch anderen Anwendung zu schaffen, dessen Abmessungen aufgrund der Einfachheit der angewandten Struktur um den Faktor 2 bis 3 und dessen Kosten um einen noch größeren Faktor verringert sind. Anzumerken ist, daß andere als medizinische Anwendungen zum Preis einer besonderen Anpassung, vor allem betreffend den Durchmesser des Protonenstrahlkanals, der anstelle von vier Millimetern für eine medizinische Anwendung auf mehr als zehn Millimeter gebracht werden kann, Vorteile aus der erfindungsgemäßen Einfachheit ziehen können.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß eine oder mehrere Beschleunigerstrukturen eingesetzt, die mit Wanderwellen mit magnetischer Kopplung arbeiten, sei es mit Fortpflanzung der Beschleunigerwelle in der Mitrichtung oder in der Gegenrichtung in Bezug auf die Fortpflanzungsrichtung des Protonenstrahls.
Ein mit magnetisch gekoppelten und sich in der Gegenrichtung fortpflanzenden Wanderwellen arbeitender Linearbeschleuniger für geladene Teilchen, vor allem Elektronen, ist bekannt und ist beispielsweise in dem am 18. Januar 1985 durch die Anmeldenn hinterlegten französischen Patent Nr. 2 576 477 sowie in dem in IEEE Transactions on Nudear Sciences, Band NS-32, Oktober 1985, 3243, erschienenen und mit ELECTRON LINAC OPTIMISATION FOR SHORT RF AND BEAM PULSE LENGTHS betitelten Artikel beschrieben.
Die bekannten Protonen-Linearbeschleuniger, vor allem der vorstehend an erster Stelle genannte, umfassen eine Vielzahl von Arten von Beschleunigerstrecken, wie etwa die nach ALVA- REZ benannten, linearen Beschleunigerhohlräume und die mit stationären Wellen arbeitenden Strecken. Diese letztgenannten sind in der Länge begrenzt, so daß dies zu ihrem mehrfachen, in dem vorstehend in Erinnerung gerufenen Ausführungsbeispiel zehnfachen, Vorhandensein führt. Jeder dieser letztgenannten wird oftmals durch ein Klystron mit hochfrequenter Energie versorgt, was zu einer beträchtlichen Erhöhung der Kosten solcher Beschleuniger führt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist daher, einen mit Wanderwellen arbeitenden Protonen-Linearbeschleuniger zu verwirklichen, bei dem ein einziges Klystron eine oder mehrere vom Strahl aus gesehen in Reihe angeordnete Beschleunigerstrukturen mit hochfrequenter Energie versorgt. Die Zellen jeder Beschleunigerstruktur müssen Eigenschaften haben, die an die durch die Protonen des Strahls erreichte Geschwindigkeit angepaßt sind. Infolgedessen arbeiten die Beschleunigerstrukturen nach dem Prinzip der Wanderwellen mit Fortpflanzung in Mitrichtung oder Gegenrichtung, und ihr Modus wird als fundamental öder harmonisch bezeichnet.
Die Erfindung betrifft also einen Protonen- Linearbeschleuniger der mit Wanderwellen arbeitenden Bauart zum Erzielen eines Protonenstrahls mit einer bestimmten Energie, umfassend eine Quelle, die einen Protonenstrahl liefert, der sich mit einer Geschwindigkeit kleiner als die des Lichts in einer bestimmten Richtung fortpflanzt, zumindest eine Beschleunigerstruktur nach der mit Wanderwellen mit magnetischer Kopplung arbeitenden Bauart, die dergestalt angeordnet ist, daß der von der Quelle abgegebene Protonenstrahl in die Beschleunigerstruktur eindringt und diese mit der bestimmten Energie verläßt, und zumindest ein Klystron, welches die Hochfrequenzenergie für die Beschleunigerstruktur liefert;
sie ist dadurch gekennzeichnet, daß
- die Beschleunigerstruktur aus Zellen besteht, deren Länge entlang der Fortpflanzungsrichtung des Protonenstrahls variabel ist, um der Schwankung der Geschwindigkeit der Protonen je nach ihrer Beschleunigung in der Struktur Rechnung zu tragen, und
- die Beschleunigerstruktur eine harmonische Schwingung im Mitfeld ermöglicht mit einer Phasenverschiebung von vorzugsweise (π/2-2π) oder (3π/4-2π) oder aber eine Schwingung im Gegenfeld mit einer Phasenverschiebung von vorzugsweise (3π/2 + 2π).
Erfindungsgemäß können mehrere Beschleunigerstrukturen unterschiedlicher Art in Bezug auf den protonenstrahl in Reihe angeordnet sein, um einen protonenstrahl mit der gewünschten Energie zu erhalten.
Weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wobei die Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erfolgt, in der:
- Fig. 1 eine vereinfachte Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, mit Wanderwellen mit magnetischer Kopplung arbeitenden Protonen-Linearbeschleunigers zeigt;
- Fig. 2 eine vereinfachte Schnittansicht einer ersten Ausführungsform von Zellen der mit sich in Gegenrichtung fortpflanzenden Wanderwellen mit magnetischer Kopplung arbeitenden Beschleunigerstruktur 12 gemäß Fig. 1 zeigt;
- Fig. 3 eine vereinfachte Schnittansicht einer Ausführungsform von Zellen der mit sich in Mitrichtung fortpflanzenden Wanderwellen mit magnetischer Kopplung arbeitenden Beschleunigerstruktur 13 gemäß Fig. 1 zeigt;
- Fig. 4 eine vereinfachte Schnittansicht einer Ausführungsform von Zellen der mit sich in Gegenrichtung fortpflanzenden Wanderwellen mit magnetischer Kopplung arbeitenden Beschleunigerstruktur 14 gemäß Fig. 1 zeigt;
- Fig. 5 eine vereinfachte Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform von Zellen der mit sich in Gegenrichtung fortpflanzenden Wanderwellen mit magnetischer Kopplung arbeitenden Beschleunigerstruktur 12 gemäß Fig. 1 zeigt;
- Fig. 6 eine vereinfachte Schnittansicht einer Ausführungsform zweier aufeinanderfolgender Backen der Beschleunigerstruktur 12 zeigt, deren besondere Form zum Zweck hat, den Protonenstrahl zu fokussieren;
- Fig. 7 ein BRILLOUIN-Diagramm bei magnetischer Kopplung zeigt, welches die verschiedenen Modi zeigt, die zur Beschleunigung durch eine sich in Mit- oder Gegenrichtung ausbreitende und einem als Grundmodus oder harmonischen Modus bezeichneten Modus folgende Wanderwelle mit magnetischer Kopplung verwendet werden können;
Fig. 8-a eine vereinfachte Schnittansicht einer Beschleunigerstruktur zeigt, die Gleiträume umfaßt, um die Beschleunigungszellen entlang der Achse zu verlängern;
- Fig. 8-b eine perspektivische Ansicht einer Zelle gemäß der Ausführungsform nach Fig. 8-a zeigt;
- Fig. 9-a eine vereinfachte Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Gleiträume zum Erhalt einer größeren Zelle zeigt;
- Fig. 9-b eine perspektivische Ansicht eines Hohlschafts zeigt, der zur Ausbildung eines Gleitraums verwendet wird;
- die Fig. 10-a, 10-b und 11-a, 11b Schnittansichten besonderer Formen zum Ausbilden von Gleiträumen zeigen; und
- Fig. 12 eine vereinfachte Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Protonen- Linearbeschleunigers zeigt.
In Fig. 1 liefert eine Protonenquelle herkömmlicher Art an ihrem Ausgang 15 einen Protonenstrahl, dargestellt durch den Pfeil 16, der auch die Fortpflanzungsrichtung dieses Strahls angibt. Der Protonenstrahl 16, der durch die Protonenquelle 11 abgegeben wird und beispielsweise eine Energie von etwa 1 MeV aufweist, dringt durch eine Eingangsöffnung 17 in eine erste Beschleunigerstruktur 12 ein, in der er eine erste Vielzahl von Beschleunigungen erfährt, um an einer Ausgangsöffnung 18 (Pfeil 16&sub1;) eine bestimmte Energie, beispielsweise MeV, zu erreichen. Der Ausgangsstrahl 16&sub1; dringt durch eine Eingangsöffnung 18 in eine zweite Beschleunigerstruktur 13 ein, die den Protonenstrahl 16 einer zweiten Vielzahl von Beschleunigungen unterwirft, um an einer Ausgangsöffnung 19 eine Energie zu erreichen, die größer ist als die Eintrittsenergie und beispielsweise 100 MeV beträgt (Pfeil 16&sub2;). Schließlich dringt der aus der Ausgangsöffnung 19 austretende Protonenstrahl 16&sub2; durch eine Eingangsöffnung 20 in eine dritte Beschleunigerstruktur 14 ein, in der er eine dritte Vielzahl von Beschleunigungen erfährt, um an einer Ausgangsöffnung 21 (Pfeil 16&sub3;) eine Energie größer als die Eintrittsenergie, beispielsweise 250 MeV, zu erreichen.
Die drei Beschleunigerstrukturen 12, 13 und 14 arbeiten alle nach dem Prinzip der Wanderwellen mit magnetischer Kopplung, während in den bekannten Protonenbeschleunigern die Beschleunigerstrukturen mit den sogenannten ALVAREZ-Hohlräumen und/oder stationären Wellen arbeiten.
Die drei Beschleunigerstrukturen 12, 13 und 14 werden durch eine Quelle 22, deren Ausgangsklemme 23 über Wellenleiter 24, und 26 mit den verschiedenen Beschleunigerstrukturen verbunden ist, parallel mit Hyperfrequenzenergie, beispielsweise 2,998 MHz, versorgt. Die Aufteilung der durch die Quelle 22 gelieferten Energie zwischen den Leitern 25 und 26 erfolgt auf herkömmliche Weise, beispielsweise durch einen 3 dB-Koppler, der das Bezugszeichen 27 trägt.
Die Pfeile, wie etwa der durch 9 bezeichnete, geben die Fortpflanzungsrichtung des Hyperfrequenzsignals in den Wellenleitern 24, 25 und 26 an.
Erfindungsgemäß ist der Wellenleiter 25 zum einen mit der letzten Zelle der ersten Beschleunigerstruktur 12 und zum anderen mit der ersten Zelle der zweiten Beschleunigerstruktur 13 über eine sogenannte Zelle zur magnetischen Kopplung 29, die den beiden Beschleunigerstrukturen 12 und 13 gemeinsam ist, verbunden. Diese Koppelzelle 29 ist zwischen den beiden Beschleunigerstrukturen 12 und 13 angeordnet und induziert gleichzeitig die für die Beschleunigerstruktur 12 geeignete Fortpflanzung in Gegenrichtung und die für die Beschleunigerstruktur 13 geeignete Fortpflanzung in Mitrichtung. Dies resultiert aus den auf den Wandungen 30 und 31 der Koppelzelle 29, die jeweils die Ausgangswand der letzten Zelle der ersten Beschleunigerstruktur 12 und die Eingangswand der ersten Zelle der zweiten Beschleunigerstuktur 13 bilden, ausgebildeten magnetischen Kopplungen. Die Kopplung zwischen dem Wellenleiter 25 und der Koppelzelle 29 ist magnetischer Art und wird an der Peripherie der Koppelzelle ausgebildet. Anzumerken ist, daß sich die Geometrie dieser Koppelzelle wenig von der der angrenzenden Beschleunigerzellen unterscheidet.
Darüber hinaus ist der Wellenleiter 16 mit der letzten Zelle der dritten Beschleunigerstruktur 14 über eine am Umfang dieser Zelle ausgebildete magnetische Kopplung verbunden.
Die Kopplung zwischen den verschiedenen Zellen jeder Beschleunigerstruktur ist magnetischer Art und wird durch in die jede Zelle trennenden Wandungen gebohrte Öffnungen 32 erhalten. Die Koppelrichtung ist durch Pfeile 33 angegeben.
Die Hyperfrequenz-Energiequelle 22 besteht beispielsweise auf herkömmliche Weise aus einem Klystron, welches einem Modulator zugeordnet ist, um Impulse mit einer Dauer von etwa 3 µs und einer Spitzenleistung von etwa 70 MW zu liefern.
Eine solche Hyperfrequenz-Energiequelle 22 sowie mit sich in Gegenrichtung fortpflanzenden Wanderwellen arbeitende Beschleunigerstrukturen für geladene Teilchen, insbesondere Elektronen, wurden beispielsweise in dem vorgenannten französischen Patent 2 576 477 und in dem zweiten der vorgenannten Artikel beschrieben.
Damit die Beschleunigerstrukturen 12, 13, und 14 mit sich in Mit- oder Gegenrichtung fortpflanzenden Wanderwellen mit magnetischer Kopplung arbeiten, um Protonen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu beschleunigen, ist es erforderlich, zum einen besondere Phasenverschiebungen des Hyperfrequenzsignals und zum anderen Beschleunigersttrukturen vorzusehen, welche Zellen aufweisen, die, insbesondere im Hinblick auf ihre Abmessungen, verschiedene Konfigurationen haben.
Das BRILLOUIN-Diagramm gemäß Fig. 7 ist ein dem Fachmann bekanntes und für ihn bequemes Mittel, die Beschleunigungsmodi aufzuzeigen. In Fig. 7 ist es im Fall der magnetischen Kopplung dargestellt und zeigt die verschiedenen möglichen Werte der Phasenverschiebungen entsprechend der Art der Fortpflanzung, d.h. in Mitrichtung (nach links) und in Gegenrichtung (nach rechts) bezüglich der Mittenachse Ω. In diesem Diagramm sind zur Auswahl der Phasenverschiebungen nur die in ausgezogener Linie dargestellten Abschnitt der Kurve zu berücksichtigen, da diese den einzig möglichen Beschleunigungsmodi entsprechen.
Die Phasenverschiebungswerte, die unter anderen möglichen Werten festgehalten wurden, sind wie folgt:
- bei Fortpflanzung in Mitrichtung für die Protonen mit mittlerer Geschwindigkeit: (π/2-2π) und (3π/4-2π); dies ist der Fall der Beschleunigerstruktur 13 oder der Beschleunigerstruktur 14 in einer Abwandlung (Fig. 12) der in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen; das Vorhandensein des Terms 2π oder eines Vielfachen von 2π entspricht dem Betrieb im sogenannten harmonischen Modus.
- bei Fortpflanzung in Gegenrichtung für die Protonen mit höherer Geschwindigkeit: 3π/4; dies ist der Fall der in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Beschleunigerstruktur 14; das Fehlen des Terms 2π entspricht dem Betrieb im sogenannten Grundmodus.
- - bei Fortpflanzung in Gegenrichtung für die Protonen mit langsamer Geschwindigkeit: (π/2+2π); dies ist der Fall der Beschleunigerstruktur 12 gemäß Fig. 1.
Was den Aufbau der Zellen jeder Beschleunigerstruktur anbelangt, so muß hinsichtlich ihrer Abmessungen, insbesondere in der Längsrichtung, die Geschwindigkeit der Protonen berücksichtigt werden, und ihr Profil muß die Nebenschlußimpedanz optimieren. Darüber hinaus wird der Durchmesser des Strahls auf einen Wert im Bereich von 4 mm begrenzt, welches ein Wert ist, der für den vorstehend an erster Stelle genannten Protonenbeschleuniger festgehalten wurde.
Dies ist der Grund, weshalb für langsame Protonen (zwischen dem 0,046- und dem 0,103-fachen der Lichtgeschwindigkeit) der ersten Beschleunigerstruktur 12 mit Wanderwellen in Gegenrichtung die Länge L der Zellen selbst unter Berücksichtigung der Tatsache, daß sich die Protonen für eine ausreichend lange Zeit, d.h. für länger als eine Periode des Hyperfrequenz signals, welches dem Betrieb im harmonischen Modus entspricht, in dem nicht beschleunigenden Rohr befinden, verringert werden muß.
Fig. 2 ist eine vereinfachte, vergrößerte Schnittansicht zweier aufeinanderfolgender Zellen der Beschleunigerstruktur 12, in der die Querwände 40, 41 und 42 sehr nahe beieinander liegen (Abstand L) und axial durch die zylinderförmigen Bakken 40b, 41b und 42b mit rundförmigem Querschnitt begrenzt werden. Der Abstand L und der Zwischenbackenabstand H sind durch die nachstehende Tabelle "A" gegeben. Diese Tabelle macht deutlich, daß die Zellen eine geringe Länge haben und daß die nicht beschleunigenden Röhren (Backen 40b, 41b und 42b) eine Länge aufweisen, die 2 bis 3 mal größer ist als die des Zwischenbackenabstands H.
Für die Protonen mit mittlerer Geschwindigkeit (zwischen dem 0,13- und 0,283-fachen der Lichtgeschwindigkeit) der zweiten Beschleunigerstruktur mit Wanderwellen in Mitrichtung kann der Abstand L zwischen den quer verlaufenden Trennwänden 43, 44 und 45 (Fig. 3) so erhöht werden, daß er direkt gleich der Länge der Backen 43b, 44b und 45b ist. Die Abstände L und H sind ebenfalls durch die nachstehende Tabelle "A" gegeben. Diese Tabelle macht deutlich, daß die Zellen der zweiten Struktur 13 länger sind als die Zellen der ersten Struktur 12, und daß die nicht beschleunigenden Röhren (Backen 43b, 44b und 45b) eine Länge aufweisen, die sichtlich größer ist als die des Zwischenbackenabstands H. Dies hängt mit der verwendeten Fortpflanzung in Mitrichtung im harmonischen Modus zusammen. Für die Protonen mit hoher Geschwindigkeit (zwischen dem 0,283- bis 0,566-fachen der Lichtgeschwindigkeit) muß der H entsprechende Beschleunigungsraum vergrößert werden, um der Geschwindigkeitszunahme Rechnung zu tragen, so daß die Länge der nicht beschleunigenden Röhren 46b, 47b und 48b (Fig. 4) sichtlich kleiner wird als der Zwischenbackenabstand H (Tabelle A). Dies hängt mit der verwendeten Fortpflanzung in Mitrichtung im Grundmodus zusammen. Tabelle A
In der Tabelle "A" definieren die beiden ersten Spalten den Protonenstrahl durch seine Energie T und das Verhältnis β = v/c zwischen seiner Geschwindigkeit v und der Lichtgeschwindigkeit C.
Die dritte Spalte definiert den Abstand L für eine Wanderwelle in Gegenrichtung, die einer als harmonisch bezeichneten Phasenverschiebung von (π/2 + 2π) entspricht, wie sie in der ersten Beschleunigerstruktur 12 eingesetzt wird.
00 .000 60 Ob .6
Die vierte Spalte definiert den Abstand L für eine Wanderwelle in Mitrichtung im harmonischen Modus, die einer als harmonisch bezeichneten Phasenverschiebung von (π/2-2π) entspricht, wie die in der zweiten Beschleunigerstruktur 13 eingesetzt wird.
Die fünfte Spalte definiert den Abstand L für eine Wanderwelle in Mitrichtung im harmonischen Modus entsprechend einer ans harmonisch bezeichneten Phasenverschiebung von (3π/4-2π), die in der dritten Beschleunigerstruktur 14 eingesetzt werden kann, indem die Fortpflanzung in der Gegenrichtung im Grundmodus in dem Fall, in dem die durch die Protonen erreichte Geschwindigkeit zwischen dem 0,283- und dem 0,566-fachen der Lichtgeschwindigkeit liegt, ersetzt wird. Darüber hinaus zeigt Fig. 12 vereinfacht einen Protonenbeschleuniger, der eine solche Wanderwelle in Mitrichtung im Grundmodus in einer Beschleunigerstruktur verwendet, der eine Beschleunigerstruktur mit Fortpflanzung in Gegenrichtung im Grundmodus entsprechend der Struktur 14 gemäß Fig. 1 nachfolgt.
Die sechste Spalte definiert den Abstand L für eine Wanderwelle in der Gegenrichtung entsprechend einer Phasenverschiebung von 3π/4, die bevorzugt dann eingesetzt wird, wenn die Geschwindigkeit der Protonen größer ist als das 0,423-fache der Lichtgeschwindigkeit.
Die siebte Spalte definiert annähernd den Zwischenbackenabstand H für die verschiedenen Werte von T und β. Dieser Abstand wird genauer nach einem Optimierungsvorgang zwischen dem Nebenschluß-Widerstand und der größten, auf die Backen wirkenden Feldstärke definiert.
Anzumerken ist, daß zwischen zwei Phasenverschiebungen die Werte von L Überschneidungen aufweisen, um deutlich zu zeigen, daß entsprechend der Geschwindigkeit der Protonen eine Beschleunigungsstruktur gemäß der vorgenannten oder der nachfolgenden bevorzugt werden kann.
Am Ausgang der Protonenquelle 11 neigt der Protonenstrahl dazu, zu divergieren und im Hinblick auf seinen Durchmesser zuzunehmen; um die Zunahme dieses Durchmessers zu begrenzen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, durch eine spezielle Form der Backen 40b, 41b und 42b jeder der Zellen eine Fokussierung im Innern der ersten Beschleunigerstruktur 12 zu bewirken, wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, wobei die letztgenannte einen vergrößerten Schnitt durch die beiden aufeinanderfolgenden Backen 40b und 41b darstellt. In der gemäß Fig. 5 vorgeschlagenen Form ist jeder Backen asymmetrisch und existiert in einer Zelle tatsächlich nur an einer stromaufwärtigen Seite des Strahls 16, wobei der stromaufwärtige Abschnitt nur die Querwand umfaßt. In der gemäß Fig. 6 vorgeschlagenen Form wird die Querwand durch eine Umkehrung beendet, deren Durchmesser größer ist als der des Backens. Diese letztgenannte Form ermöglicht, ein elektrisches Feld E zwischen der inneren Umkehrung der Wandung 40 und dem Ende des nachfolgenden Bakkens 41b auszubilden, dessen Feldlinien 50 und 51 die Flugbahn (16) der Protonen entlang der Achse fokussieren.
Die Tabelle A zeigt, daß die Länge L der Zellen der ersten Beschleunigerstruktur 12 sehr klein (einige Millimeter) und infolgedessen schwer herzustellen ist. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, eine zusätzliche Phasenverschiebung von 2π einzuführen und infolgedessen die Gesamt-Phasenverschiebung von (π/2+2π) auf (π/2+4π) zu bringen, welches einem Betriebsablauf entspricht, der als harmonisch hoch 2 bezeichnet wird und der anzeigt, daß die Protonen während zweier Perioden des durch die Quelle 22 bereitgestellten, hyperfrequenten Signals in den nicht beschleunigenden Röhren bleiben.
Es wird weiter vorgeschlagen, Gleiträume in jede Zelle einzuführen, unter Verwendung Röhren, die zwischen den Wandungen der Zelle angeordnet sind, welche der Protonenstrahl 16 passiert. Im Fall eines Strahls mit einer Energie von T = 1 MeV und β = 0,046 wird vorgeschlagen, vier Röhren 50, 51, 52 und 53 zu verwenden für einen Gleitraum von 8π und ein Halbrohr 54 und 55, welches mit jeder Wandung verbunden ist, um einen zusätzlichen Gleitraum von 2π zu erhalten. Es ergeben sich dann die Strukturen gemäß den Fig. 8-a und 8-b, in welchen jedes Gleitrohr im Innern des Hohlraums beispielsweise durch einen radialen Arm 50' für das Rohr 50, 51' für das Rohr 51 und 52' für das Rohr 52 getragen wird (Fig. 8-b), wobei jeder Arm eine unterschiedliche Winkelposition bezüglich der Achse des Strahls 16 haben kann.
Die Gleitrohre und ihre Tragarme können durch transversale Schäfte 56 ersetzt werden (Fig. 9-a und 9-b), die durch Löcher 57 entlang der Achse des Strahls 16 ragen.
Die Gleitrohre können auch gemäß der Schemata der Fig. 10-a, 10-b und 11-a, 11-b ausgebildet sein. In Fig. 10-a, einem Längsschnitt durch zwei Gleitrohre 58 und 58', deren jedes jeweils eine Krempe 59 und 59' entlang des äußeren Umfangs umfaßt, sind kraftschlüssig in einer dieelektrischen Hülse 60 aufgeschrumpft, welche zwischen den Wandungen 61 und 62 jeder Zelle angeordnet ist und durch Kerben 69' in bezüglich diesen Wandungen konzentrischer Lage gehalten wird. Fig. 10-b ist ein Querschnitt entlang der Achse BB' gemäß Fig. 10-a. In Fig. 11-a werden zwei Gleitrohre 63 und 63', die jeweils eine Krempe 64 und 64' am äußeren Umfang mit einer Schulter 65 und 65' umfassen, durch drei äußere dielektrische Hülsen 66, 67 und 68 an Ort und Stelle gehalten, wobei die äußeren Hülsen 66 und 68 beispielsweise durch Kerben, wie sie durch 69 be zeichnet sind, in bezüglich zu den Wandungen 61 und 62 jeder Zelle konzentrischen Lagen gehalten werden. Fig. 11-b zeigt einen Querschnitt entlang der Achse BB' der Fig. 11-a.
Fig. 12 ist eine vereinfachte Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Protonenbeschleunigers, der insoweit, als er die drei Beschleunigerstrukturen 12, 13 und 14 umfaßt, analog zu der ersten Ausführungsform ist, sich von dieser jedoch insoweit unterscheidet, als er außerdem eine vierte Beschleunigerstruktur 70 aufweist, die zwischen der Struktur 13 und der Struktur 14 angeordnet ist und mit Wan derwellen in Mitrichtung im harmonischen Modus mit einer Phasenverschiebung von (3π/4-2π) arbeitet.
Die Kenngrößen L und H der Zellen der Struktur 70 sind in der fünften Spalte der vorstehenden Tabelle A angegeben.
Die Struktur 70 wird durch das Klystron 22 über einen Wellenleiter 72 gespeist, der die Verlängerung des am Ausgang des mit 27 bezeichneten 3 db-Kopplers angeordneten Wellenleiters 26 bildet. Der Wellenleiter 71 ist mit der ersten Zelle 73 der Struktur 70 über eine an der Peripherie der Zelle ausgebildete magnetische Kopplung verbunden.
Die letzte Zelle 77 der Beschleunigerstruktur 70 ist mit der letzten Zelle 76 der Beschleunigerstruktur 14 durch einen Wellenleiter 72 verbunden, um eine magnetische Kopplung an der Peripherie der Zelle 76 auszubilden.
Diese serielle Versorgung weist verschiedene Vorteile auf, die in dem am 14. Dezember 1989 durch die Anmelderin hinterlegten französischen Patent Nr. 2 656 192 beschrieben sind.
Der Protonenstrahl 162, der am Ausgang 19 der Struktur 13 austritt, dringt durch eine Eingangsöffnung 74 in die Struktur 70 ein und (Pfeil 16'&sub3;) durch eine Ausgangsöffnung 75 aus dieser aus, um sodann in die Struktur 14 einzudringen, aus der er austritt (Pfeil 16'&sub4;).
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, welches drei Beschleunigerstrukturen umfaßt, beträgt die Gesamtlänge, entlang der die Beschleunigung der Protonen erfolgt, unter Verwendung eines Klystrons mit 70 MW Spitzenleistung etwa 12 Meter.
Falls die Menge der Protonendosis, die zugeführt werden muß, einen nicht zu stark erhthten Strom nicht übersteigt, kann alternativ ein System zur Verdichtung von durch die Quelle 22 bereitgestellten Impulsen verwendet werden, um beispielsweise die Impulse von 4,5 µs und 45 MW in Impulse von im Mittel etwa 1 µs und 140 MW zu transformieren; in diesem Fall kann die Gesamtlänge dann auf sechs Meter verringert werden.

Claims

1. Protonen-Linearbeschleuniger der mit Wanderwellen arbeitenden Bauart zum Erzielen eines Protonenstrahls (16) mit einer bestimmten Energie, umfassend eine Quelle (11), die einen Protonenstrahl (16) liefert, der sich mit einer Geschwindigkeit kleiner als die des Lichts fortpflanzt, zumindest eine Beschleunigerstruktur (12, 13, 14 oder 70) nach der mit Wanderwellen mit magnetischer Kopplung arbeitenden Bauart, die dergestalt angeordnet ist, daß der von der Quelle (11) abgegebene Protonenstrahl in die Beschleunigerstruktur (12, 13, 14 oder 70) eindringt und diese mit der bestimmten Energie verläßt, und zumindest ein Klystron (22), welches die Hochfrequenzenergie für die Beschleunigerstruktur liefert, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Beschleunigerstruktur aus Zellen besteht, deren Länge (L) entlang der Fortpflanzungsrichtung des Protonenstrahls (16) variabel ist, um der Schwankung der Geschwindigkeit (v) der Protonen je nach ihrer Beschleunigung in der Struktur Rechnung zu tragen, und

- daß sich die Wanderwelle mit magnetischer Kopplung als Grundschwingung oder harmonische Schwingung im Mitfeld oder im Gegenfeld fortpflanzt.

2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung der Gegenfeld-Wanderwelle mit der Grundschwingung etwa 3π/4 beträgt.

3. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung der harmonischen Gegenfeld- Wanuerwelle (π/2 + 2kπ) beträgt, worin k eine Ganzzahl gleich oder größer als 1 ist und die Phasenverschiebung 2kπ durch eine Verlängerung des Triftraums zwischen den nebeneinanderliegenden Zellen der Beschleunigerstruktur erreicht wird.

4. Beschleuniger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelle der Beschleunigerstruktur zumindest einen Triftraum (50, 51, 52, 53, 58, 58', 63, 63') umfaßt, der zwischen den Querwänden (40, 41, 61, 62) der Zelle angeordnet ist, um die Länge der letztgenannten zu vergrößern.

5. Beschleuniger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitraum (50, 51, 52, 53, 58, 58', 63, 63') zwischen den Querwänden der Zelle aus einem Metallrohr besteht, welches auf der Fortpflanzungsachse des Protonenstrahls zentriert ist.

6. Beschleuniger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr (50, 51, 52, 53) von einem mit der Längswand der Zelle verbundenen Arm (50', 51', 52') gehalten wird.

7. Beschleuniger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr (58, 58', 63, 63') durch zumindest einen Längsstab (60) aus dielektrischem Material getragen wird, der sich gegen die Querwände (61, 62) der Zelle abstützt.

8. Beschleuniger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr (58, 58', 63, 63') durch zumindest eine Muffe (66, 67, 68) aus dielektrischem Material getragen wird, die sich gegen die Querwände (61, 62) der Zelle abstützt.

9. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung der harmonischen Mitfeld-Wanderwelle etwa (π/2 - 2kπ) beträgt, worin k eine Ganzzahl gleich oder größer als 1 ist und wobei die Phasenverschiebung 2kit durch eine Verlängerung des Triftraums zwischen den nebeneinanderliegenden Zellen der Beschleunigerstruktur erzielt wird.

10. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung der harmonischen Mitfeld-Wanderwelle etwa (3π/4 - 2kπ) beträgt, worin k eine Ganzzahl gleich oder größer als 1 ist und wobei die Phasenverschiebung 2kπ durch eine Verlängerung des Triftraums zwischen den nebeneinanderliegenden Zellen der Beschleunigerstruktur erzielt wird.

11. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß er eine erste (12) und eine zweite (13) Beschleunigerstruktur umfaßt, die bezüglich des Protonenstrahls (16) in Reihe angeordnet sind,

- daß die erste Beschleunigerstruktur mit einer harmonischen Gegenfeld-Wanderwelle arbeitet, und

- daß die zweite Beschleunigerstruktur mit einer harmonischen Mitfeld-Wanderwelle arbeitet.

12. Beschleuniger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

- daß die erste (12) und die zweite (13) Beschleunigerstruktur durch ein einziges Klystron (22) erregt werden, welches einerseits mit der letzten Zelle der ersten Beschleunigerstruktur (12) und andererseits mit der ersten Zelle der zweiten Beschleunigerstruktur (13) verbunden ist (24, 27, 25).

13. Beschleuniger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das einzige Klystron mit der ersten (12) und der zweiten (13) Beschleunigerstruktur durch eine einzige Koppelzelle (29) verbunden ist, die zwischen der letzten Zelle der ersten Beschleunigerstruktur (12) und der ersten Zelle der zweiten Beschleunigerstruktur (13) angeordnet ist.

14. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,

- daß er außerdem eine dritte Beschleunigerstruktur (70) umfaßt, die in Reihe auf die erste und die zweite Beschleunigerstruktur folgend angeordnet ist, und

- daß die dritte Beschleunigerstruktur (70) mit harmonischen Mitfeld-Wanderwellen arbeitet.

15. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,

- daß er außerdem eine dritte Beschleunigerstruktur (14) umfaßt, die in Reihe auf die erste und die zweite Beschleunigerstruktur folgend angeordnet ist, und

- daß die dritte Beschleunigerstruktur (14) mit Gegenfeld-Wanderwellen der Grundschwingung arbeitet.

16. Beschleuniger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

- daß er außerdem eine vierte Beschleunigerstruktur (14) umfaßt, die in Reihe auf die erste, die zweite und die dritte Beschleunigerstruktur folgend angeordnet ist, und

- daß die vierte Beschleunigerstruktur (14) mit Gegenfeld-Wanderwellen der Grundschwingung arbeitet.

17. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigerstrukturen (12, 13, 70) parallel versorgt werden.

18. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine (14) der Beschleunigerstrukturen seriell versorgt wird.

19. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigerstrukturen (12, 13, 14, 70) zum Teil parallel (12, 13, 70) und zum Teil (14) seriell versorgt werden.

20. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigerstrukturen durch ein einziges Klystron (22) angeregt werden (24, 25, 26, 72).