Разработка линейных ускорителей электронов с глубокой регулировкой энергии и тока пучка для лучевой терапии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Научно-исследовательски:! институт элоктро^изичесг.е аппаратуры им. Д.З.Ефремова

На правах рукописи

КИРИЛЛИН ¿Ори": Лрьевкч

РАЗРАБОТКА ЛИНЕЙЦХ УСКОРИТЕЛЕ! ЭЛЕКТРОНОВ С ГЛУБОКО Л РЕГУЛГШЖОП ЭНЕРГИИ II ТОКА ПУЧКА Ш ЛУЧЕЗО:; ТЕРАПИИ

01.04.20 - физика пучков зард>:;екшх частиц и ускорительнад техника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград - 1990

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова •

Научный руководитель: доктор технических наук БАХРУШИН Юрий Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Собенин Н.П. (МИФИ, Москва)

кандидат физ.-мат. наук Орлов А.К. (НИИЭФА, Ленинград)

Ведущая организация: Ленинградский институт ядерной физики им.Б.П.Константинова АН СССР

Защита состоится "_"_19 г. на заседании

Специализированного совета K034.05.0I при Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова в помещении Клуба Ученых НИИЭФА в час.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЭФА Автореферат разослан _

Отзывы об автореферате в одном экз., заверенные ученым секретарем и скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 189631, Ленинград, НИИЭФА.

Ученый секретарь Специализированного совета, к.т.н.

Б.Н.Жуков

ОБЩ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.- В начале XX века, вскоре после открытия радиоактивных элементов, рентгеновского излучения и обнаружения выраженного их биологического воздействия на живые организмы, были высказаны предположения о возможности использования этих излучений для лечения онкологических заболеваний, подавления и разрушения опухоли. За прошедшие годы, в результате развития и совершенствования методов и технических средств лечения существенно возросла его эффективность. Применение лучевой терапии является эффективным в 45-50? случаев. Поэтому в настоящее время задача лучевой терапии формулируется более широко, как обеспечение гарантии качества, т.е. воздействуя на злокачественную опухоль ионизирующим излучением, достаточным для разрушения новообразования, свести к минимуму нежелательное облучение нормальных тканей, чтобы предельно снизить возможность возникновения лучевых осложнений или степень их клинического проявления. В связи с этим, возникла необходимость учитывая многолетний опыт разработок терапевтических линейных ускорителей и опыт их клинического использования, современные достижения в области СВЧ- и ускорительной техники, создать новое поколение линейных ускорителей, отвечающих современной задаче лучевой терапии.

При этом создание нового поколения линейных ускорителей электронов (ЛУЭ) для лучевой терапии включает в себя целый комплекс задач: разработка ускорителей с глубокой регулировкой тока и энергии ускоренных электронов, обеспечивающих в каждом из множества режимов работы жесткие требования к энергетическим и геометрическим характеристикам пучка электронов; повышение стабильности и улучшение повторяемости характеристик пучка при частом изменении режимов работы; унификация функциональных частей, снижение габаритов и массы, автоматизации работы ускорителей. Решение этих задач взаимосвязано друг с другом и не может рассматриваться независимо.

Анализ состояния вопроса показал, что в настоящее время отсутствуют работы, в которых в комплексе рассматриваются отмеченные задачи, не сформулированы критерии современных требований с терапевтическим ускорителем с точки зрения ускорительной и СВЧ-техники. Также не достаточно изучено влияние параметров систем

питания на энергетические характеристики пучка электронов при глубокой регулировке выходных параметров электронов применительно к терапевтическим ускорителям. Отсутствуют сведения об особенностях движения пучка заряженных частиц в таких ускорителях.

Цель работы заключалась в. следующем:

1. Разработка методик расчета и определения требований, предъявляемых к транту ускорения терапевтического ускорителя и его системам питания, обеспечивающих глубокую регулировку тока и энергии ускоренных электронов при жестких условиях на энергетические и радиальные характеристики пучка в каждом из множества режимов работы.

2. Проектирование и экспериментальное исследование терапевтического ускорителя с целью проверю! как соответствию медицински значимым параметрам, таге и предложенных методик расчета.

3. Выработка практических рекомендаций по дальнейшему совершенствованию ЛУЭ для лучевой терапии.

Исследования проводятся па примере разработки терапевтических ускорителей моделей ЛУЭР-2Ш и ЛУЭР-40М, позволяющих получать пучки электронов с энергиями от 5 до 20 МэВ и от 5 до 40 МэВ соответственно, с шагом 3-4 МэВ, в диапазоне ускоряемых импульсных токов от долей микроампера до 200 мА.

На защиту выносятся:

1. Методика инженерного расчета влияния вариации параметров систем СВЧ-питания и модулятора источника электронов на прирост энергии электронов в терапевтическом ускорителе на стоячей волне.

2. Результаты разработки тракта ускорения терапевтических ускорителей на основе оптимизационных расчетов трехмерной динамики частиц, показывающие возможность обеспечения всех необходимых режимов работы, позволяющие провести унификацию ряда элементов тракта ускорения, снижение его габаритов и массы.

3. Результаты разработки и экспериментального исследования терапевтического ускорителя модели ЛУЭР-20М, позволяющего получать пучки электронов с требуемыми характеристиками: энергией от 5 до 20 МэВ, ускоренным импульсным током от 100 мкА до 150-200 мА, энергетическим спектром не более ±5%, выходным эмиттансом не более 10 мм.мрад в любом из множества режимов работы.

5 1

4. Апробированные рекомендации по разработке, проектированию, конструированию терапевтических линейных ускорителей электронов на основе ускоряющих структур на стодчей волне.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- сформулированы требования, предъявляемые к современным терапевтическим установкам с точки зрения ускорительной и СВЧ-техники,

- проведен анализ основных факторов, оказывающих влияние на выходные характеристики ускорителей для лучевой терапии,

- определены методы построения тракта ускорения с целью получения всего необходимого спектра режимов медицинского ЛУЭ,

- разработан аналитический метод исследования влияния параметров систем питания на спектральные характеристики пучка электронов в ускорителе на стоячей волне, получены аналитические формулы, позволяющие определить влияние ВЧ-колебаний и наклона амплитуды импульса модулятора клистрона, смещения частоты задающего генератора, модуляции амплитуды импульса тока на изменение выходной энергии пучка электронов, проведены количественные расчеты необходимых допусков на параметра систем питания;

- проведены расчеты трехмерной динамики частиц, на основе которых разработаны тракты ускорения ЛУЭР-20М и Л7ЭР-4Ш, обеспечивающие получение всех необходимых режимов работы ускорителей;

- разработан, изготовлен и экспериментально исследован терапевтический ускоритель модели ЛУЭР-2Ш. Проведенные исследования показали практическое достижение требуемых характеристик пучка электронов и хорошее согласие с расчетными данными;

- выявлены особенности работы ЛУЭР-20М при принятом способе регулировки энергии, позволяющие в случае низких энергий снизить требования к стабилизации параметров систем питания, уменьшить влияние переходных процессов в ускоряющей структуре на спектральные характеристики пучка.

Практическая ценность. Предложенные в диссертационной работе методики позволили определить необходимые требования к тракту ускорения и системам его питания медицинских линейных ускорителей электронов, отвечающих современной задаче лучевой терапии - обеспечению гарантии качества облучения злокачественных новообразований.

Разработанные терапевтические ускорители моделей ЛУЗР-2Ш и ЛУЗР-40?.! позволяют осуществлять лучевую терапию 80^ и 100?' больных, нуждающихся в облучении тормозным излучением или электронами. Они являются высокоэффективными, универсальными ускорите лдми с глубокой регулировкой энергии и тока электронов при требуемых величинах энергетических и геометрических параметров пучка, отличающихся компактностью, значительной унификацией и пониженной массой оборудования , автоматизацией работы ускорителе::.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 1У, У, У1 Всесоюзных совещаниях по применению ускорителей заряженных частиц в народном хоайстве (Ленинград, 1982, 1985 и 1988гг), Симпозиуме "Радиационная аппаратура для лучевой терапии" (Москва, 1989г.), Ж Международной конференции по ускорителям частиц (США, г.Чикаго, 1989г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (87 наименований). Полный объем работы составляет 145 страниц машинописного текста, включая 51 рисунок.

СОДЕРтИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и новизна теш работы, приведено изложение того нового, что вносится в разработку темы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В главе I дан обзор развития ускорителей длд лучевой терапии. Отмечено, что наибольшее распространение, особенно за последние десять лет получили линейные ускорители электронов. Это обусловлено большими преимуществами, которые дает применение линейных ускорителей по сравнению с другими установками. К их числу относятся следующие:

- возможность перекрытия практически всего необходимого в лучевой терапии диапазона энергий тормозного излучения и электронов на одной установке,

- простой способ регулировки энергии и мощности дозы,

- возможность получения больших мощностей дозы тормозного излучения во всем диапазоне энергий,

- простота ввода и вывода ускоряемых частиц,

- малое поперечное сечение пучка,

- возможность простого формирования равномерных шлей облучения больших размеров,

- достаточно малые габариты и масса.

В настоящее время насчитывается около 3500 ЛУЭ для лучевой терапии во всем шаре. В 80-е годы врачи-радиологи совместно с физиками-дозиметристами сформулировали основные требования, которым должны удовлетворять современные ускорители для лучевой терапии, чтобы обеспечить гарантию качества лучевой терапии. Эти требования, сформулированные с медицинской точки зрения, для разработчиков терапевтических ЛУЭ трансформируются в необходимые условия, которые должны быть обеспечены с технической точки зрения. Эти условия определяются как качественной разработкой непосредственно тракта ускорения пучка электронов, так и тщательным конструированием системы формирования полей облучения, включая сюда и различные механические и оптические системы. Однако основу выполнения указанных условий в первую очередь играет именно тракт ускорения, поскольку без создания качественного пучка на входе в систему формирования полей облучения невозможно выполнение современной задачи лучевой терапии. Исходя из уровня развития ускорительной техники, требования к тракту ускорения можно сформулировать следующим образом:

1. Энергия электронов должна изменяться от 4-5 МэВ до максимальной (не ниже 20-25 МэВ) с шагом не более 3-4 МэВ.

2. Должны быть, как минимум, две энергии электронов для режимов тормозного облучения в диапазонах 4-8 и 18-25 МэВ с мощностью дозы не менее 1,5 Гр/г.тн.

3. Средний градиент ускоряющих полей должен быть не менее 13 МВ/м.

4. Диапазон импульсных ускоряемых токов, в зависимости от режимов работы, должен составлять 0,1-200 мА, что обеспечивает при скважности порядка 2000 максимальную мощность дозы не менее 3 Гр/шш.

5. Для всех режимов работы ширина энергетического спектра пучка на уровне 0,5 не должна превышать ±Ъ%.

6. Для формирования терапевтического пучка его размеры на входе в радиационную головку не должны превышать по диаметру

5 мм при полной угловой расходиг,гости не выше 8 мрад.

7. Стабильность поддержания энергии электронов должна быть

не хуже 0,5 МэВ во всех режимах.

Создание ускорителя с такими характеристиками представляет собой достаточно сложную и трудную,но осуществимую задачу. Самым важным вопросом здесь является разработка ускоряющей структуры, достаточно короткой, с высоким темпом ускорения, позволяющей получать пучки с указанными характеристиками. В 80-е годы проблема создания высокоэффективной ускоряющей структуры на энергию 20-25 МэВ в принципе была решена, Однако, вопросы получения низкоэнергетичных режимов работы в таких структурах до сих пор находятся в стадии разработки и решаются различным исследователями применительно к конкретным типам ускоряющих структур.

Обеспечение требуемой стабильности энергии и ширины энергетического спектра связано с качественной разработкой систем питания, таких как модулятор клистрона, модулятор источника электронов, изучением влияния различных изменений параметров систем питания на энергетические характеристики ускоренного пучка. Имеется достаточное количество работ, посвященных изучению этого вопроса, в которых рассматривались ускорители технологического применения и не учитывались особенности терапевтических установок.

Особого внимания требует исследование динамики пучка электронов от источника до выхода ускоряющей структуры, определение требований к системам формирования пучка в источнике электронов, к группирователю и ускоряющей части структуры, к фокусирующей системе. Однако, проблема обеспечения достаточно жестких требований к ширине энергетического спектра и поперечным размерам пучка в широком диапазоне изменения выходной энергии и создание на этой основе тракта ускорения применительно к терапевтическому ускорителю до настоящего момента не исследовалась.

Исходя из вышесказанного и учитывая современное состояние ускорительной техники, определены принципы построения тракта ускорения терапевтических ускорителей. В ускорителе ЛУЭР—40Г.1 однозначно предполагается использование принципа рециркуляции пучка, обеспечивающего весь требуемый набор энергий электронов. В ускорителе Л7ЭР-20М применяется специальное устройство (узел регулировки энергии), позволяющее изменять фазу ускоряющего поля в конечной части ускоряющей структуры на 180°, что дает возможность тормозить электроны до нужной энергии. Здесь также определены необходимые основные параметры ускорителей ЛУЭР-2Ш

и ЛУЭР-40М, которые обеспечивают полный требуемый набор режимов работы по энергиям и ускоренным токам пучка электронов.

Во'второй главе рассматривается влияние параметров систем СВЧ-питания и модулятора источника электронов на прирост энергии электронов в терапевтическом ускорителе на стоячей волне. Первоначально исследуется переходной процесс установления как СВЧ-колебаний, создаваемых клистроном, так и поля излучения, создаваемого сформировавши!,шея сгустками электронов, в том числе и для ускорителя с циркуляцией пучка. Суммарное поле от СВЧ-генерагора и индуцированное пучкогл в зависимости от координаты г и времени { описывается формулой:

где: £г= >Ч„ £<(*) ,

г 1 ' 1 _ *

Ет птр ¿'¿-«Ло С<*'«Л}

Х1 1(3--о( лУ> V «л с •(? I- ) ^ С-Ту£ >

I 1^--« лу 17 ) ,

01 - коэффициент затухания, 14 - длина ускоряющей структуры, к(и)~ волновое число,

IР - фаза частицы относительно центра сгустка,

ьЧ> - фазовая протяженность сгустка,

кп - модуль коэффициента передачи по напряжению,

■5 = -^/-е^] , =

Ф - изменение фазы на длине резонатора,

± - текущее время с начала СВЧ-импульса,

Т - время прохождения волны от точки ввода до конца резонаторного устройства и обратно

юв - рабочая частота,

- нагруженная добростность резонаторного устройства, X - амплитуда тока пучка, I?- шунговое сопротивление, ±' - текущее вреш с начала импульса тока.

Суммарное поле в ускорителе с циркуляцией пучка, с учетом сцвига по фазе на угол jC в магнитном зеркале, описывается аналогичной формулой:

+ Ete")(u е .

Для определения прироста энергии электронов в данном суммарном поле применяется метод интеграла Фурье, позволяющий к тому же описать нестационарные процессы в ускоряющем резонатор-ном устройстве. При этом предполагается, что падающая волна

задана на входе в резонатор в вице импульса протяженностью Ги , коэффициент затухания a^const , а сгустки релятивистских частиц следуют с частотой uj , равной частоте задающего генератора. Волновое число разлагается в ряд и ограничи-

вается двумя первыми членами. Окончательное выражение для прироста энергии электронов при нулевой нагрузке током имеет вид:

Í

где: ^з - время распространения волны от начала до конца резонатора,

- фаза влета частиц,

с - скорость света,

X,- групповая скорость волны.

Потери энергии электронами в случае нагрузки током даются выражением :

2 1

Г о 4-т>о

¿е —> - ±1<±'х< °

W*)--<-¿2 «-e-'tejtt (t-y +и\ в., . ) (/.е-г/0 -тз—с

[о , *-Г<3-4л

Исследование влияния амплитудной и фазовой модуляции высокочастотного импульса и амплитудной модуляции тока пучка на энергию частиц проводится заданием функции определенного вида.

В случае синусоидальной модуляции анодного напряжения на клистроне = /?е (7 ^ <.' Р* £'я" *), где рк - глубина моду-

ляции , - частота модуляции, относительное изменение энер-

гии частиц составит:

-е .... _ , Утг^г »

где:

- V/- сои Ф

О*

V/) - прирост энергии в оптимальном режиме при нулевой нагрузке пучком.

При смещении частоты задающего генератора ускоряющее поле

на входе в структуру задается в виде Е<(х)~ Еа £ + 4^

В этом случае относительное изменение энергии

О) +

4 Я СОЬ( й^з-<*>))-АЫ'-СО*

Линейное изменение анодного напряжения на клистроне задается функцией вида:

V* М (4* ,

где: (V*-V.,) , V«, Vи - значения анодного на-

пряжения на клистроне в начале и конце импульса. Линейное изменение анодного напряжения приводит в первом приближении к постоянному сдвигу частоты - а.(*>„ , где а. - константа,

зависящая от параметров клистрона.

Относительное изменение энергии частиц в предположении, что ускорение осуществляется в максимуме поля, и учитывая, что , составит:

где: . _<х4

Модуляция импульса тока задается функцией

1« = / /'А ^о ,

где р! - глубина модуляции, - частота модуляции.

При этом оценка ^/уу, по максимальному значению соста-

вит :

/_

"р1 /7

В реальной ситуации, при работе ускорителя с пучком, возможны все варианты, рассмотренные здесь, одновременно. Поэтому в общем случае:

I I КМо/ш У V -/ г

что позволяет в предположении, что вклад каждой составляющей одинаков, оценить допустимую величину изменения параметров систем питания из условия, что вносимая ширина энергетического спектра за счет нестабильностей не превышает ±2$.

В третьей главе описывается методика оптимизационных расчетов трехмерной динамики ускоряемых частиц и приведены результаты расчетов. В качестве исходных приняты уравнения движения вида:

где: с = I, 2, ... V ,

Х<.У<.'| г; ~ координаты -ой частицы в единицах рабочей д длины волны Д ,

- скорости частиц в единицах скорости света,

- сила, действующая на с -ю частицу со стороны СЩ-питания,

6 - сумма полей отдельных (фокусирующих линз.

Оптимизируемыми параметрами являются амплитуды поля линз 6о; п координаты центра линз -го: .В качестве минимизирующего функционала принималась функция:

а весовые коэффициенты &- и в полагались равными друг другу.

Выбранные параметры грушшрователя ЛУЗР-40М были определены после просчета большого количества вариантов динамики частиц при различных зависимостях . В результате оптимизации груп-

пирователь длиной 130 мм включает в себя три ячейки с фазовыми скоростями соответственно уЗ^ = 0,34,^3^ = 0,85, = I. Основные ускоряющие резонаторы имеют уЗу, = I. Распределение поля вдоль оси пучка а во всех трех видах резонаторов приведено на рис.1. При заданной энергии инжекции 20 кэВ в ускорение захватывается 39,о частиц, которые приобретают энергию 20,2 МэВ. Требуемая при этом мощность СШ-питания составляет 3,75 МВт. Энергетический спектр для этого режима приведен на рис.2.

Оптимизация поперечного движения приводит к расположению линз вида 1+3, причем первая линза располагается в районе 0,7< г < I ( г дается в единицах Л ), а три остальные стоят вплотную друг к другу, начиная с места, определяемого как 3,1 * € < 3,7. Их положение фиксируется при оптимизации обратного движения пучка. При начальном эмиттансе пучка 35 мм.мрад поперечные эмиттансы в плоскостях хх. и у у на выходе структуры составляют 2 и 4,5 мм.мрад соответственно.

При инжекции электронов в ускоряющую структуру после поворота на 180° расходимость пучка достаточно мала: (0,5-1).ТО"3, поэтому выходные параметры пучка при энергиях выше 20 МэВ удовлетворяют необходимым требованиям. Однако для режимов работы с энергией меньше 20 МэВ расходимость возрастает из-за торможения электронов при движении от конца к началу ускоряющей структуры. Из графика зависимости конечной энергии от фазы влета обратного пучка (рис.3) видно, что каждой энергии соответствуют две фазы. Расчеты показывают, что наилучшие радиальные размер пучка обеспечиваются при фазе торможения, соответствующей большему выходному продольному эмиттансу. В целом при энергиях меньше 12 МэВ обеспечивается фокусировка пучка линзой в

-5" -3 -1

Рис.3. Зависимость конечной энергии IV от фазы Ч* входа обратного пучка.

точке г =0,75. Если конечная энергия больше 12 МаВ, то фокусировка отсутствует, однако 95$ частиц имеют отклонение от оси менее 2,5 мм.

Для ускорителя Л73Р-20М параметры гругашрователя полностью соответствуют группирователю ЛУЭР-4Ш. Однако работа ускорителя ЛУЭР-2Ш отличается некоторыми особенностями. Во-первых, это наличие режима 6 МаВ, который требует ускоренного импульсного тока до 0,2А. Следовательно, необходим учет сил объемного заряда. Учет действия сил объемного заряда осуществляется путем добавления в правые части системы уравнений соответствующих членов. При этом считается, что взаимодействие сводится только к куло-новским силам, экранирующее влияние электронопровода не учитывается. Результаты расчетов показали, что учет объемного заряда приводит к незначительному (около 2%) уменьшению захвата и увеличению низкоэнергетичной компоненты в спектре электронов.

Во-вторых, в 1УЭР-2СМ применен другой способ регулировки энергии электронов. В связи с этим проведено сравнение различных способов изменения энергии электронов по выходным энергетическим и геометрически!,I параметрам пучка. Расчеты показали, что за счет изменения СВЧ-иощности и/или частоты колебаний не удается обеспечить требуемые характеристики пучка при энергиях ниже

12 МэВ. Применение же узла регулировки энергии полностью снимает эту проблему: конечный радиус пучка не превышает 2,5 мм, а сирина энергетического спектра, обусловленная фазовой протяженностью сгустка, составляет не более ±3$ для энергий электронов 5,8 и II МэВ. Для примера на рис.4 приведены расчетные энергетические спектры для ^ = 5 МэВ при двух способах регулировки энергии.

О

I, отн. ед.

Г1

г Л 1~г

-П.

1

Ч.-1

1

Рис.4. Энергетический спектр электронов в режиме и/ = 5 ЫэВ:

^- при применении узла регулировки энергии,

2 - при изменении мощности и частоты СВЧ-колебаний.

М п МэВ

4.5

5.0

5.5

В результате проведенных расчетов показано, что принятые схемы ускорения обеспечивают необходимые параметры щчка электронов.

Глава 4 посвящена экспериментальному исследованию ускорителя для лучевой терапии модели ЛУЭР-2ПЛ. В начале главы дается краткое описание структурной схемы ускорителя. Более подробно описывается тракт ускорения и системы его питания: ускоряющее устройство, источник электронов, импульсный модулятор, усилительный клистрон,задающий генератор, волноводный тракт, модулятор источника электронов. Приведены основные их характеристики.

Исследование параметров пучка электронов и сравнение их с расчетными данными проводилось при двух режимах работы ускоряющего устройства: шсокоэнергетичном и нкзкоэнергетичном. Высоко-энергетичный режим работы соответствует ускорению электронов по всей длине ускоряющего устройства. При низкоэнергетичном режиме

Т7

в последних восьми ускоряющих резонаторах электроны движутся в тормозящем поле.

Изучение влияния СВЧ-мощности на величину средней энергии частиц V»/ и относительной ширины энергетического спектра

на полувысоте спектральной кривой показало достаточно хорошее совпадение экспериментальных результатов с расчетными (рис.5).

Рис.5. Зависимость средней энергии V/ (1,2) и относительной ширины энергетического спектра 4У/Л/ (3, 4] от СШ-мощности Р<« :

1.3 - высокоэ-нергетичный режим ( к, о - расчетные точки;,

2.4 - низкоэнер-гетичный режим

Анализ полученных данных показывает менее резкий ход этих зависимостей в низкоэнергетичном режиме. Этот полезный эффект объясняется тем, что при уменьшении Р<„ уменьшается как прирост энергии электронами при ускорении, так и потери ее при торможении. Следовательно, разность энергий электронов, полученных при различных , изменяется слабее, чем в высокоэнерге-. тичном режиме. Что касается ширины энергетического спектра, то в низкоэнергетичном режиме имеет место компенсация различия в энергии электронов, распределенных по фазовому объему, что обусловлено отсутствием фазовых колебаний при таких энергиях. Электроны, которые получили больший прирост энергии за счет того, что ускорялись в среднем в большем электрическом поле, чем электроны того же сгустка, при торможении в последних резонаторах ускоряющего устройства попадают в большее тормозящее по-

ле и, соответственно, больше теряют свою энергию. Аналогично, электроны, которые в ускоряющемся сгустке получили наименьшую энергию, и потеряют при торможении меньше. Таким образом, имеет место эффект сужения энергетического спектра.

При исследовании влияния частоты СВД-колебаний на энергию и энергетический спектр пучка электронов (рис.6) выявлен тот же эффект, что и в предыдущем случае: менее резкая зависимость энергии и относительйой ширины энергетического спектра от отклонения частоты в низкоэнергетичном режиме, которая обменяется теми же причинами.

Нагрузочные характеристики, а также зависимости относительной ширины энергетического спектра от величины тока ускоренных электронов, приведены на рис.7.

Рис.6. Зависимость

средней энергии V/ (I, 2) и относительной ширины энергетического спектра (3, 4) от отклонения частоты СВЧ колебаний от номинального значеши:

1.3 - высокоэнерге-тичный режшл (х -расчетные точки),

2.4 - низкоэнерге-тичный режим

Изучение влияния напряжения инжекции на энергию и энергетический спектр электронов показало, что при уменьшении имеет место постоянное уширение спектра при незначительном уменьшении средней энергии.

Исследование влияния длительности импульса тока на энергетический спектр и энергию электронов выявило отличие высоко-энергетичного и низкоэнергетичного режимов. В первом при увеличении длительности импульса от 2 до 4 мкс происходит значительное уширение энергетического спектра при несущественном изменении энергии в максимуме спектра. В низкоэнергетичном режиме про-

1У

5

Типп. м А

О

50

100

I

150

Рис.7. Нагрузочные характеристики (1,2) и зависимость относительной ширины энергетического спектра (3,4) от импульсного тока пучка;

1.3 - высокоэнергетцчный решил,

2.4 - низкоэнергетичный режим.

исходит компенсация переходных процессов, ушлрение энергетического спектра практически не наблюдается. Это объясняется уже отмеченным эффектом.

Таким образом, анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что предложенная схема работы ускоряющего устройства з низкоэнергетичном режиме позволяет снизить требования к системам питания по стабильности параметров или целиком создавать ускоритель с таким принципом работы ускоряющего устройстве путей разумного компромисса между требованиями к выходным параметрам пучка, к стабильности параметров систем питания и длине ускоряющего устройства.

Оценка диаметра и расходимости пучка производилась с помощью дозиметрической пленки, устанавливаемой после выходной фольги ускоряющего устройства и на прямом выходе магнитного анализатора. В зависимости от энергии и тока пучка диаметр пучка менялся от 2 до 4,5 глл, расходимость не превышала ¿4,5 мрад.

В заключении сформулированы основные научные результаты

проделанных автором работ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена и разработана аналитическая методика анализа влияния параметров систем питания на спектральные характеристики пучка электронов в ускорителе на стоячей волне, в том числе с циркуляцией пучка. Получены аналитические формулы, позволяющие определить влияние вариации параметров систем питания, таких как синусоидальная модуляция и наклон амплитуды импульса модулятора клистрона, смещение частоты задающего генератора, модуляция амплитуды импульса тока на прирост энергии электронов.

2. Определены допустимые пределы изменения параметров систем питания для обеспечения заданных выходных характеристик терапевтического ускорителя. Сформулированы требования к параметрам модулятора клистрона, задаощего генератора, модулятора источника электронов.

3. Проведены расчеты трехмерной динамики частиц в ускорителях ЛУЭР-20М и ЛУЭР-40М с оптимизацией радиального движения электронов. Показано, что принятые технические решения по регулировке энергии с помощью магнитного зеркала в ЛУЭР-4СМ и узла регулировки энергии в ЛУЭР-20М обеспечивают все требуемые режимы работы в сочетании с необходимыми параметрами пучков электронов.

4. Показана возможность унификации многих элементов трактов ускорения медицинских ускорителей. Оптимизация их обеспечила компактность и облегчение массы установок.

5. Проведено экспериментальное исследование ускорителя ЛУЭР-20Ы, подтвердившее возможность создания универсального, многоре-кимного терапевтического ускорителя с изменением параметров пучка в широких пределах - энергии электронов от 5 до 20 МэВ, импульсного тока пучка от долей миллиампера до 200 мА при требуемых спектральных и геометрических характеристиках пучка.

6. Выявлены особенности работы ускоряющего устройства в низко-энергетичном режиме, способствующие снижению требований к

стабилизации параметров систем питания и уменьшению влияния переходных процессов установления СВЧ-полеи в ускоряющей структуре на спектральные характеристики пучка.

7. При сравнении экспериментальных и расчетных данных показано хорошее совпадение результатов и, следовательно, возможность использования предложенных методик для разработки ускорителей электронов прикладного назначения.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Кириллин ¿О.Ю., Николаев З.М., Прудников И.А. Зарубежные линейные ускорители для лучевой терапии. Обзор 0В-60. НИИЭМ, Ленинград, 1983, 60 С.

2. Кириллин Ю.д)., Свистунов ¡O.A. Динамика частиц в универсальном ускорителе для медицины, ШШЗйА, ПтВ-0652. М., 1984,

22 с.

3. Кириллин iO.iO., Свистунов ¡O.A. Терапевтические ускорители электронов на энергию 20 и 40 МэВ на основе единой схемы ускорения и фокусировки. Рукопись, доп. В1Ш, И Д07301,

1987.

4. Буцтов A.A., Бахрушин ¡О.П., Кириллин .3.-3., Клинов А.П., Николаев Ü.M., Прудников И.А., Смирнов В.Л., Чичикалов Ю.у., Шэхое В.И. Линейные ускорители НИИЭФА им.Д.В.Ефремова для лучевой терапии. Тезисы докладов У Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных частиц з народном хозяйстве , Ленинград, октябрь 1985г., М., ЦНИИАтоминформ, 1985, с.148.

5. Бахрушин Ю.П., Кириллин ä.Ü., Николаев B.W., Прудников И.А., Чичикалов ¡О.Ф., Синицын Р.В. Обеспечение гарантии качества лучевой терапии на медицинских линейных ускорителях электронов единой серии модели ЛУЭР-20М и ЛУЗР-40М. Тезисы докладов У1 Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве, Ленинград, октябрь

1988, М., ШШАтсминформ, 1988, с.243.

S. Прудников И.А., Кириллин й.д)., Николаев В.М., Чичикаяов Ю.Ф., Синицын Р.В. Решение вопросов гарантии качества лучевой терапии в медицинских линейных ускорителях электронов модели ЛУЗВ-ШЯ и ЛУЭР-20'.l. Тезисы докладов Симпозиума "Радиационная аппаратура для лучевой терапии", Москва, май 1989г., М., ВНИИРТ, 1989, e.G.

7. Бахрушин Ю.П., Кириллин Ю.Ю., Николаев В.М., Прудников И.А., Чичикалов Ю.Ф., Петрунин В.И., Черняков Г.И. Принципы автоматизации медицинских линейных ускорителей электронов модели ЛУЭР-2СШ. Там же, с.36.

8. Будтов A.A., Бахрушин Ю.П., Кириллин Ю.Ю., Клинов А.П., Николаев В.М., Прудников И.А., Смирнов В.Л., Чичикалов Ю.Ф., Шахов В.И. Линейные ускорители НИИЭФА для лучевой терапии. Вопросы атомнЬй науки и техники. Сер.: Электрофизическая аппаратура, Вып. 23, 1987, с.5-12.

9. Свидетельство на промышленный образец II 22869 (СССР). Будтов A.A., Бахрушин Ю.П., Кириллин Ю.Ю., Клинов А.П., Куракин В.В., Николаев В.М., Прудников И.А., Шахов В.И. Медицинский линейный ускоритель электронов.

Ю. McJktxrushin VC. p., Kir С It С щ К., ft., KZihov А. P., №'t«ev v.M. J PruJniÂovI.A., Smihnav V.L., ChccAíkaíov Yu. F., V. I.

App£íca.íioñ ef лссл&гаЛегл to mc/ustry ал</ ai ec¿íc¿ л с. Рыси ok Hg о/i/u /9 ¿9 IEEE Part¿c£e. /J Сан-

Je>u«<x. V.2., p. dû SS - 10&* .

11. Будтов A.A., Бахрушин Й.П., Кириллин Ю.Ю., Николаев В.М., Прудников И.А., Смирнов В.Л., Шахов В.И. Выходные характеристики и принципиальная схема терапевтического линейного ускорителя на энергию до 40 МэВ. В кн.: Аннотации докладов 17 Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве, Ленинград, 1982, с.118.

12. Кириллин Ю.Ш., Николаев В.М., Рыбчинский В.М., Смирнов В.Л., Терентьев В.В. Характеристики ускоряющей структуры на стоячей волне для медицинских линейных ускорителей единой серии. В кн.: Труды X Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 21-23 октября 1987, Дубна, Olíffl, 1987, Т.2, с. 170-173.

Зак.гё 5/974. Формат 60x90/16. 7ч.-изд.л. 1,1. Тираж 140 экз. Бесплатно.

Отпечатано в НИИЭФА