3.2 Линейный ускоритель

3.2 Линейный ускоритель

В ускорителях для получения пучка частиц с энергиями, превышающими несколько Мэв, используют принцип многократного ускорения. Реальный прогресс в ускорении частиц наступил с применением высокочастотных генераторов, которые позволили осуществлять ускорение частиц переменным электрическим током.  В хорошо откачанной ускорительной камере последовательно вдоль ее оси располагаются цилиндрические полые электроды. Нечетные электроды (1, 3, 5 и т.д.) соединены с одним полюсом высокочастотного генератора, четные электроды — с другим. Размеры электродов, зазоры между ними и частота высокочастотного генератора подобраны таким образом, что частицы на любом участке между соседними электродами оказываются в ускоряющем электрическом поле. Например, частица, получив ускорение на участке между электродами 1 и 2, пройдя электрод 2, попадет на участок, на котором к этому времени также действует ускоряющее поле в направление электрода 3. Для того чтобы частицы во всех зазорах оказывались в режиме ускорения, они должны двигаться в такт с изменением электрического поля. Поэтому при постоянном напряжении и частоте высокочастотного генератора длины следующих друг за другом цилиндрических электродов (т.е. участков на которых ускорение не происходит) относятся как квадратные корни последовательного ряда чисел. Требование к последовательному увеличению длины цилиндрических электродов связано с сохранением синфазного ускорения частиц по мере увеличения их кинетической энергии. Чем меньше масса частицы, тем длиннее должна быть ускорительная камера и больше частота высокочастотного генератора. Линейные укорители нашли практическое применение в медицине после того, как были разработаны достаточно мощные генераторы сантиметрового диапазона (магнетроны и клистроны ).

Линейные ускорители можно использовать для ускорения заряженных частиц всех видов. Особые трудности до сих пор возникали при ускорении электронов, так как для этого требовалась очень длинная ускорительная камера и релятивистский прирост массы сказывается уже при относительно малых энергиях. Поэтому в современных линейных ускорителях отказались от конструкций с цилиндрическими электродами и перешли к резонансным ускорителям с бегущей волной. При достаточно высокой частоте генератора, а, следовательно, малой длине волны (l?5r, где r-внутренний диаметр ускорительной камеры) в ускорительной камере возбуждается высокочастотное электрическое поле с бегущей волной. Вектор электрического поля направлен параллельно оси камеры, а магнитные силовые линии образуют концентрические окружности. Для уменьшения фазовой скорости бегущей волны ускорительная камера разделяется дисками с концентрическими отверстиями. Пространство между двумя соседними дисками представляет собой объемный резонатор. Таким образом, фазовая скорость снижается в зависимости от емкости и индуктивности резонаторов. Фазовая скорость бегущей волны везде должна быть равной скорости электронов, которые все время должны находиться вблизи бегущей волны и двигаться в такт с ней.

В ускорителях электронов, во избежание рассеяния частиц, в процессе работы должен поддерживаться высокий вакуум. Хотя конструкция электронов уже обеспечивает фокусировку пучка, в большинстве современных ускорителей устанавливают дополнительные фокусирующие устройства типа электромагнитных линз, используемых в электронной оптике. В большинстве электронных ускорителей, предназначенных для медицинских целей, генерирование тормозного рентгеновского излучение осуществляется путем торможения потока ускоренных частиц о мишень из платины или другого тяжелого материала. Пучок ускоренных электронов можно вывести из ускорительной камеры через тонкое окно. Для лучевой терапии можно уже сегодня изготавливать линейные ускорители с энергией десятки Мэв сравнительно небольших размеров. Линейные ускорители генерируют поток частиц высокой плотности и поэтому позволяют получить значительные мощности дозы. Линейные ускорители в отличие от генератора Ван-де-Граафа генерируют импульсное излучение с большой скважностью, так как современные высокочастотные генераторы, питающие ускоритель, могут работать только в импульсном режиме

В настоящее время для лучевой терапии используются линейные ускорители на энергии 4, 6, 8, 15, и 45 Мэв. Наибольшее распространение получил линейный ускоритель на 4 Мэв. Благодаря применению принципа бегущей волны ускоритель может быть создан столь небольшим, что головка для излучения может быть выполнена подвижной и для возможности ротационного облучения. Установки на 8 и 15 Мэв (есть ускорители на энергию 45 МэВ) имеют такую большую длину ускорительных камер, что они уже не могут выполняться подвижными.

В конце пути ускорения электронный пучок с помощью магнитной оптики отклоняется на 90о и потом сбрасывается на мишень. Благодаря этому получается конический пучок рентгеновского излучения, который проходит перпендикулярно вниз. Магнитное отклонение теперь можно повернуть на угол 120о по отношению к оси камеры ускорителя, так что пучок рентгеновского излучения может быть наклонен от 15о к вертикали до 15о к горизонтали. Для ограничения поля служит вставная диафрагма из вольфрамового сплава толщиной 8 см , которая обеспечивает установку прямоугольного поля облучения ступенями в пределах от 4 см до 20 см. В этом ускорители также предусмотрена возможность облучения качающимся полем путем комбинации вращения пучка рентгеновского излучения вокруг горизонтальной оси с одновременным горизонтальным и вертикальным перемещением стола, на котором располагается пациент.

Аппарат предусматривал возможность облучения качающимся полем. По отношению к горизонтально расположенной камере ускорителя пучок электронов с помощью магнитной оптики сначала поворачивался на угол 45о вверх, а потом на угол 135о вниз, так что обеспечивалось вертикальное направление центрального пучка излучения. Одновременно со вторым отклонением достигалась дефокусировка электронного пучка, необходимая для облучения полей большого размера. Благодаря этому возможно облучение качающимся полем, во время которого общая магнитная отклоняющая система вращается вокруг оси камеры ускорителя. Этот ускоритель предусматривает облучение только электронами и находится в стадии испытаний.