專利名稱：環(huán)形加速裝置、電磁波發(fā)生器和電磁波成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠使大電流電子束加速的環(huán)形加速裝置、用來通過使由環(huán)形加速裝置加速的電子撞擊標(biāo)靶來產(chǎn)生電磁波例如X射線的 電磁波發(fā)生器以及用于使用由電磁波發(fā)生器產(chǎn)生的X射線等產(chǎn)生人體、半導(dǎo)體等的放射圖像的電磁波成像系統(tǒng)。
技術(shù)背景在下面的說明書中，假設(shè)環(huán)形加速裝置配備有環(huán)形加速器、電子 注入裝置和驅(qū)動它們所需的電源。環(huán)形加速器將由電子發(fā)生器產(chǎn)生的 電子處理成注入電子，并且使這些注入電子加速直到它們具有預(yù)定的能量，同時使得它們在其軌道中運(yùn)動；該環(huán)形加速器不必是環(huán)形的。 為了方便起見，因?yàn)檫@些電子在其軌道中循環(huán)運(yùn)動，因此使用該術(shù)語 "環(huán)形"。在使用環(huán)形加速器產(chǎn)生X射線的電磁波發(fā)生器等中，已經(jīng)采用電子感應(yīng)加速器和同步加速器作為環(huán)形加速器。但是，在采用電子感 應(yīng)加速器時，由于在電子之間的庫倫排斥作用，所以難以增大電流，從而導(dǎo)致通過使電子撞擊標(biāo)靶而產(chǎn)生的X射線等的電磁波強(qiáng)度較低，因此難以將使用這些加速器的電磁波發(fā)生器應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域。 還有，在使用同步加速器以便產(chǎn)生高能電磁波時，要釆取沒有利用同步輻射但是要使得電子撞擊標(biāo)靶的方法；但是該方法存在與使用電子 感應(yīng)加速器時相同的困難，因?yàn)殡y以增大電流，從而所產(chǎn)生的電磁波 例如X射線的強(qiáng)度變得較低；因此，難以將使用同步加速器的電磁波 發(fā)生器作為高能發(fā)生器應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域。為了改善上述狀況，在日本專利特許公開No.2004-296164(專利 文獻(xiàn)l)中已經(jīng)提出了使用了所謂的混合型加速器的電磁波發(fā)生器。該 混合型加速器為采用了如下加速方法的加速器在加速裝置自從電子 開始注入加速器的時刻起對電子進(jìn)行加速時，由包括在加速器中的偏 轉(zhuǎn)電磁鐵產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)磁場在注入期間保持恒定，并且將它控制成在完 成注入之后改變。在該加速器中，穩(wěn)定的電子軌道擴(kuò)散分布在較寬的 半徑范圍內(nèi)；因此，在按照上述方式注入電子時，這些電子根據(jù)其在 注入時期內(nèi)的注入情況而在每個具有不同直徑的軌道中穩(wěn)定運(yùn)動。因此，加速器使得這些電子在分布在較寬軌道范圍內(nèi)的軌道中運(yùn)動。由 此，可以降低電子的空間密度，從而導(dǎo)致這些電子之間的庫倫排斥減 小，這使大電流加速成為可能。混合加速器采取所謂的通過由加速磁場感應(yīng)出的電場進(jìn)行的感 應(yīng)加速作為加速手段。圖10顯示出根據(jù)專利文獻(xiàn)1的偏轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度 和加速磁場強(qiáng)度隨著時間的變化。在圖10中，"41，，為相對于時間的 加速磁場強(qiáng)度變化，"42"為偏轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度相對于時間的變化；假設(shè)以 脈沖的方式進(jìn)行注入操作。這里"以脈沖方式進(jìn)行注入操作，，指的是， 每次注入在矩形波脈沖到達(dá)其波峰之后的預(yù)定時期內(nèi)進(jìn)行。更具體地 說，因?yàn)槊}沖緊隨其產(chǎn)生之后上升至其峰值，所以如下設(shè)定注入時期 在從已施加脈沖的時刻到脈沖到達(dá)其峰值的時刻的特定時間過去后 開始注入，并且在保持脈沖峰值的同時一直持續(xù)至已經(jīng)過去了特定時 間。因?yàn)榧铀俅艌鰪?qiáng)度41從開始注入電子的時刻開始增大，所以這 些電子在它們已經(jīng)被注入時已經(jīng)被加速。同時，將偏轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度42 控制成從注入開始時刻到注入結(jié)束時刻停留在恒定數(shù)值處； 一旦注入 結(jié)束，與加速磁場強(qiáng)度41類似，將強(qiáng)度42控制為開始增大。在偏轉(zhuǎn) 磁場強(qiáng)度42停留在恒定數(shù)值期間，彼此具有相同能量的注入電子在 其注入之后馬上被加速，并且其偏轉(zhuǎn)曲線逐漸變大。因此，在注入結(jié) 束時刻，根據(jù)在其在注入時期內(nèi)的注入時刻將每個電子進(jìn)行不同的加 速；注入電子在徑向分布的軌道中運(yùn)動。因?yàn)檫@些電子之后繼續(xù)加速 以便具有預(yù)定的能量，所以徑向分布的軌道進(jìn)一步徑向膨脹。在注入 結(jié)束之后，偏轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度42增大；軌道徑向膨脹程度通常比在注入 期間更小。 一旦已經(jīng)將這些電子加速至具有預(yù)定的能量，則可以例如 通過將偏轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度42控制在恒定數(shù)值等處來使電子軌道膨脹。在將標(biāo)靶放置在電子能夠穩(wěn)定地來回運(yùn)動的多個軌道當(dāng)中的具 有預(yù)定半徑的軌道中時，在電子軌道的半徑改變的情況下，電子束能 夠按照受控的方式撞擊標(biāo)靶，從而通過撞擊產(chǎn)生電磁波例如X射線。 這里，因?yàn)闃?biāo)靶具有一定的面積，所以在特定半徑范圍內(nèi)的軌道中運(yùn) 動的電子容易與標(biāo)把撞擊。下面將把這些軌道稱為撞擊軌道。即使在 電子軌道半徑正在改變期間，電子也徑向發(fā)散并且在軌道中運(yùn)動；通 過逐漸改變軌道的半徑，這些電子束能夠連續(xù)撞擊標(biāo)乾，從而能夠連 續(xù)產(chǎn)生X射線。這里，已經(jīng)與標(biāo)靶撞擊的所有電子不總是消失，已經(jīng) 降低能量的電子在其撞擊之后保留在那里。因?yàn)橐话銇碚f殘余電子也 具有能夠在軌道中穩(wěn)定運(yùn)動的能量，所以一部分電子每一圍能夠用來 自加速磁場的充足能量補(bǔ)充能量，以便返回到撞擊軌道。因此，使用 加速器，能夠利用在軌道中運(yùn)動的電子有效地產(chǎn)生電磁波(參見專利文 獻(xiàn)l)。如上所述，在這些加速器中，因?yàn)檫@些電子具有穩(wěn)定的徑向分布 軌道，使得在這些電子之間的庫倫排斥更小，從而容易加速大電流； 因?yàn)槟軌蚋淖冘壍赖奈恢?，所以在通過控制加速磁場強(qiáng)度和偏轉(zhuǎn)磁場 強(qiáng)度來保持讓電子在軌道中穩(wěn)定運(yùn)動的條件的同時，能夠使電子在軌 道中運(yùn)動以便與標(biāo)乾有效撞擊。到目前為止，已經(jīng)描述了混合型加速 器作為 一個典型的例子，但是本發(fā)明不限于能夠通過增大電子軌道半 徑來增大電流的混合型加速器。任意類型的環(huán)形加速器或多或少地具 有一定半徑范圍的電子穩(wěn)定運(yùn)動的軌道；因此，也能夠以類似的方式 通過增大電子軌道的半徑來增大電流。同時， 一些加速器采用了電場 加速方法代替利用磁場的感應(yīng)加速方法。在該情況下，如果將術(shù)語"加 速磁場強(qiáng)度"與在圖10中的術(shù)語"電場加速器"更換，則上面的說明也 一樣。但是，在電子注入期間，混合加速器需要控制加速磁場強(qiáng)度和偏 轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度隨著時間的變化以便在它們之間形成預(yù)定的關(guān)系；這導(dǎo)致 復(fù)雜的電磁體電源控制，其中電子加速裝置和電子偏轉(zhuǎn)裝置產(chǎn)生磁
場，從而造成加速器制造成本高的問題。在采用電場加速方法以及感 應(yīng)加速方法作為電子加速手段時也存在上面的問題。在該情況中，這 導(dǎo)致對用于電場加速的電源和讓電子偏轉(zhuǎn)裝置產(chǎn)生磁場的電磁體電 源的控制復(fù)雜化，從而造成加速器制造成本高的問題。因此，在打算 根據(jù)上述方法增大在環(huán)形加速器中的電流時，不限于混合型加速器，存在的共同問題是對用來向電子加速裝置施加高電壓的電源和用于 給用來產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場的電子偏轉(zhuǎn)裝置輸送電流的電源的控制變得復(fù) 雜，從而造成成本高。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的環(huán)形加速設(shè)備包括用于響應(yīng)從高壓電源施加在電 子發(fā)生器上的脈沖電壓以脈沖方式產(chǎn)生電子的電子發(fā)生器；以及環(huán)形 加速器，它包括使由電子發(fā)生器產(chǎn)生并且注入到環(huán)形加速器中的電子 加速的電子加速裝置和用于使注入的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生 裝置，其中該環(huán)形加速設(shè)備的特征在于，高壓電源設(shè)有用于使施加在 電子發(fā)生器上的脈沖電壓具有緩慢上升邊緣和緩慢下降邊緣中的至 少一個的電路元件。根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)椴捎昧撕喕母邏弘娫?，所以可以獲得這樣一 種環(huán)形加速設(shè)備，它能夠加速更高的電流同時避免對由電子偏轉(zhuǎn)裝置 產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)磁場的控制復(fù)雜。還有，在將該環(huán)形加速設(shè)備應(yīng)用于電磁 波發(fā)生器以及使用該電磁波發(fā)生器的電磁波成像系統(tǒng)的情況下，能夠 實(shí)現(xiàn)可產(chǎn)生增強(qiáng)電磁波例如X射線的發(fā)生器和具有高分辨率的電磁 波成像系統(tǒng)。


圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案1的電磁波發(fā)生器的剖視圖； 圖2A為在才艮據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案1的環(huán)形加速器中由電子加速裝 置和電子偏轉(zhuǎn)裝置產(chǎn)生的電磁場波形圖，并且圖2B為一示意圖，顯 示出在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案l的環(huán)形加速器中施加在電子發(fā)生器上的電壓的時間間隔；圖3為一示意圖，顯示出施加在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案1至實(shí)施方 案3的電子發(fā)生器上的脈沖高壓的波形；圖4為一示意圖，顯示出施加在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案2的電子發(fā) 生器上的脈沖高壓的波形；圖5為用于向根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案4的電子發(fā)生器施加高電壓的 高壓電源的示意性電路圖；圖6為一示意圖，顯示出在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案1的環(huán)形加速器 中由電子發(fā)生器產(chǎn)生的電子的能量如何相對于加速電流擴(kuò)散的關(guān)系；圖7為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案5的電磁波發(fā)生器的剖視圖；圖8為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案6的X射線成像系統(tǒng)的示意性結(jié)構(gòu)圖；圖9為由根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案6的X射線成像系統(tǒng)拍攝的直徑 為1毫米的球體的圖像模擬結(jié)果；圖10為一示意圖，顯示出在與背景技術(shù)相關(guān)的環(huán)形加速設(shè)備中 由電子加速裝置和電子偏轉(zhuǎn)裝置產(chǎn)生的電磁場強(qiáng)度的波形。附圖標(biāo)記1電子發(fā)生器2環(huán)形加速器3用于產(chǎn)生電磁波例如X射線的標(biāo)靶11真空室12電子軌道13電子加速裝置14電子偏轉(zhuǎn)裝置21由電子加速裝置產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度;22由電子偏轉(zhuǎn)裝置產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度23施加在電子發(fā)生器上的脈沖高電壓24第一注入時期25第二注入時期31電子發(fā)生器的等效電路32AC電壓源33整流/平滑電路34開關(guān)器件35高壓變壓器41由傳統(tǒng)電子加速裝置產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度42由傳統(tǒng)電子偏轉(zhuǎn)裝置產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度71電磁波發(fā)生器72人體73圖像檢測器74數(shù)據(jù)處理單元75x射線81常見的吸收反差圖像82釆用根據(jù)本發(fā)明的電磁波發(fā)生器得到的折射反差圖像具體實(shí)施方式
下面將基于這些附圖對根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行說明。 實(shí)施方案l根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案在于，通過將由電子發(fā)生器產(chǎn)生的能量變 化的電子注入到環(huán)形加速器中來增大在環(huán)形加速器中的電子的軌道 半徑。采用該實(shí)施方案，即使在偏轉(zhuǎn)磁場的強(qiáng)度以與加速磁場相同的 模式隨著時間變化時，也能夠增大已經(jīng)注入并且被加速的電子的軌道 半徑，而不用按照如在傳統(tǒng)設(shè)備中所采用的復(fù)雜方式來控制偏轉(zhuǎn)磁場 隨著時間的強(qiáng)度變化。因此，能夠按照簡化的方式明顯降低軌道運(yùn)行 電子的空間密度，從而實(shí)現(xiàn)大電流加速和存儲。下面首先簡要說明根據(jù)該實(shí)施方案的整體設(shè)備；然后說明改變由電子發(fā)生器產(chǎn)生的電子能 量的方法。圖l顯示了才艮據(jù)實(shí)施方案l的電磁波發(fā)生器，它配備有釆用混合加 速器作為環(huán)形加速器的環(huán)形加速設(shè)備；圖l也是從電子在軌道中運(yùn)動
的軌道平面上獲得的剖視圖。在圖1中，"l"為用于產(chǎn)生電子的電子發(fā)生器，"2"為環(huán)形加速器——在該圖中被舉例為混合加速器——用于 將由電子發(fā)生器l產(chǎn)生的電子注入到其中并且在使電子在軌道中運(yùn)動 的同時將電子加速至預(yù)定能量。"3，，為設(shè)置在環(huán)形加速器2中的電子軌 道中的電磁波產(chǎn)生標(biāo)靶，并且被加速至預(yù)定能量的電子與標(biāo)靶3撞擊 以便產(chǎn)生電磁波例如X射線。"4，，為向電子發(fā)生器l施加脈沖電壓以便 產(chǎn)生電子的高壓電源。所有上述部件構(gòu)成電磁波發(fā)生器。下面將對在環(huán)形加速器2中的各個組成部件(下面將混合型加速 器作為環(huán)形加速器的示例)進(jìn)行詳細(xì)說明。"ll"為電子在其中進(jìn)行軌道 運(yùn)行的真空室；"12，，為電子在真空室11中運(yùn)動的軌道并且這些軌道在 該圖中徑向分布。這里在該圖中，每條軌道12顯示為封閉軌道；但是 如將在下面所詳細(xì)說明的一樣，因?yàn)檐壍肋\(yùn)行的電子正在加速，所以 它們可以在相同的固定軌道中或者在響應(yīng)偏轉(zhuǎn)磁場隨時間的強(qiáng)度變 化以螺旋方式連續(xù)變化的軌道中運(yùn)動。但是，即使在出現(xiàn)變化的情況 下，每一圍半徑變化量一般是不可預(yù)測的；構(gòu)造出大致封閉的軌道22。 因此之后，術(shù)語"封閉"將同樣用來意指上面的含義。另外，在該圖中 所示的軌道是電子能夠在其中穩(wěn)定運(yùn)動的軌道；其它穩(wěn)定的軌道可以 存在于在該圖中所示的軌道之間。"13"為環(huán)形加速器2中用于使在軌 道12中運(yùn)動的電子加速的電子加速裝置，"14"為用于使正在運(yùn)動并且 加速的電子在由軌道12形成的平面中偏轉(zhuǎn)的電子偏轉(zhuǎn)裝置。利用電 源，電子加速裝置13和電子偏轉(zhuǎn)裝置14產(chǎn)生頻率在50赫茲至幾萬赫茲 范圍的交變磁場，它們將在下面被分別稱為加速磁場和偏轉(zhuǎn)磁場。如上所述，已經(jīng)由電子加速裝置l產(chǎn)生的電子被注入到環(huán)形加速 器2中，在穿過電子偏轉(zhuǎn)裝置14的同時受到來自偏轉(zhuǎn)磁場的偏轉(zhuǎn)力， 并且在真空室11中的封閉軌道12中運(yùn)動。在這些電子正在軌道中運(yùn)動 期間，在穿過電子加速裝置13時通過從由電子加速裝置13產(chǎn)生的加速 磁場所感應(yīng)出的電場使得它們加速；可以根據(jù)由電子偏轉(zhuǎn)裝置14產(chǎn)生 并且隨著時間變化的偏轉(zhuǎn)磁場的強(qiáng)度來改變軌道的半徑。采用上述方 法來控制通過加速已經(jīng)到達(dá)預(yù)定能級的電子，以使之運(yùn)動到安放有標(biāo)
靶3的軌道中，以便產(chǎn)生電磁波例如X射線，從而這些電子與標(biāo)乾3撞 擊以便沿著電子運(yùn)動方向產(chǎn)生電磁波例如X射線。接下來，將參照圖2對將由電子發(fā)生器1產(chǎn)生的電子注入到環(huán)形加 速器2中的方式進(jìn)行說明。在圖2中，顯示出由在環(huán)形加速器2中的電 子加速裝置13產(chǎn)生的加速磁場強(qiáng)度21、由電子偏轉(zhuǎn)裝置14產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn) 磁場強(qiáng)度22和施加在用于產(chǎn)生電子的電子發(fā)生器1上的脈沖高電壓23 隨著時間變化的波形。圖3為脈沖高電壓23的放大圖。由電子發(fā)生器l 產(chǎn)生的電子的能量取決于施加在其上的脈沖高電壓23的數(shù)值。假設(shè)加速磁場強(qiáng)度21和偏轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度22的波形彼此類似，例如大 致為隨時間變化的正弦波形。在該情況中，將在電子加速裝置13的磁 極之間和在電子偏轉(zhuǎn)裝置14的磁極之間的間隙調(diào)節(jié)至預(yù)定長度，從而 可以使兩個裝置共享一個電源。由此，還不必按照復(fù)雜的方式控制如 圖10所示的偏轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度，從而可以按照非常低的成本制造電源。在 如上所述通過彼此類似的波形來控制磁場時，偏轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度在注入時 期內(nèi)按照與加速磁場強(qiáng)度類似的方式增大；電子軌道在注入時期內(nèi)的 半徑變化變得小于在圖10中所示的情況。因此，電子軌道在注入時期 內(nèi)的半徑比在圖10中所示的情況擴(kuò)展更?。浑娮拥拿芏茸兊孟鄬^ 高。為了避免出現(xiàn)上面的情況，在根據(jù)該實(shí)施方案的電磁波發(fā)生器中 故意大大增大在注入時電子能量波動；由此，即使在那些情況下也使 得電子軌道半徑擴(kuò)大，從而意味著電子的密度降低。下面將采用圖2 和圖3對有關(guān)的細(xì)節(jié)進(jìn)行說明。在圖2中，在由電子加速裝置13產(chǎn)生的磁場21的強(qiáng)度和由電子偏 轉(zhuǎn)裝置14產(chǎn)生的磁場22的強(qiáng)度已經(jīng)上升至預(yù)定數(shù)值之后，將在圖3中 所示的脈沖高電壓23施加在電子發(fā)生器1上。該脈沖高電壓不是已經(jīng) 施加在電子發(fā)生器l上的電壓，而是具有緩慢上升邊緣。由在圖l中的 電子發(fā)生器產(chǎn)生的每個電子其自身的能量與脈沖高電壓23的瞬時數(shù) 值對應(yīng)。脈沖高電壓的波形具有緩慢上升邊緣，它在高壓電源中產(chǎn)生。 在圖3中顯示出施加在電子發(fā)生器1上的脈沖高電壓23的波形形成為 例如在一個微秒內(nèi)緩慢上升至其峰值。同時，在環(huán)形加速器中，存在
讓電子在注入之后能夠穩(wěn)定加速的一定范圍的注入能量。如上所述，由電子發(fā)生器l產(chǎn)生的電子根據(jù)脈沖高電壓數(shù)值獲得能量；脈沖的峰 值被確定為它相當(dāng)于在注入能量范圍中的上限值。同時，在注入能量 范圍中的下限值對應(yīng)于在緩慢上升脈沖電壓波形上的預(yù)定電壓值，如 圖3所示。另外，在環(huán)形加速器2中存在注入時期的上限；這是因?yàn)樽?入太長時間會導(dǎo)致注入的電子在軌道中不穩(wěn)定地運(yùn)動?？紤]到上面的 情況，在正在施加在圖3中的脈沖高電壓23期間，注入時期被確定為 滿足這些電子在注入之后在軌道中穩(wěn)定地運(yùn)動。該注入時期表示為 在圖3中的第一注入時期24。因此，在正在施加脈沖高電壓23期間，在第一時期24內(nèi)根據(jù)波形 產(chǎn)生的電子能量在該時期的初始部分中較低，但是隨著時間逐漸增 大；每個電子在其產(chǎn)生時注入到環(huán)形加速器2中。低能量的電子在所 述時期的初始部分中注入并且從那里開始加速以便具有更大的能量； 因此，其能量變得接近在第一注入時期24內(nèi)的后面階段期間注入的電 子的能量。但是，即使在這些情況下，也能夠確保電子軌道充分?jǐn)U展。 在加速磁場強(qiáng)度21和偏轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度22按照這樣一種方式彼此相關(guān)時， 從而在電子在每個注入時刻具有恒定能量時，如果使得電子在規(guī)定軌 道中運(yùn)動而不考慮每個注入時刻，電子軌道由于在注入電子之間的能 量差異而徑向散開。在兩個情況中，在不對加速磁場強(qiáng)度21和偏轉(zhuǎn)磁 場強(qiáng)度22采取復(fù)雜控制的情況下，可以很容易通過使施加在電子發(fā)生 器1上的脈沖高電壓23的前緣緩慢上升來擴(kuò)展電子軌道的半徑；因此， 可以降低電子的空間填充，從而能夠?qū)崿F(xiàn)增大電流的其中一個初始目 標(biāo)。同時，在傳統(tǒng)的向電子發(fā)生器l施加脈沖電壓的情況中，電子注 入在脈沖電壓到達(dá)恒定數(shù)值時開始，并且在其中脈沖電壓仍然保持在 恒定電壓的時期內(nèi)的某個時刻終止；也就是說，基本上假設(shè)注入了具 有恒定能量的電子。根據(jù)該實(shí)施方案的電磁波發(fā)生器與現(xiàn)有技術(shù)完全 不同之處在于，注入在脈沖電壓到達(dá)恒定電壓之前的某個時刻開始或 者一直持續(xù)到電壓已經(jīng)到達(dá)恒定電壓之后的某個時刻。下面將采用圖6作為實(shí)施例描述電流增大的程度。圖6顯示出在控 時將注入到環(huán)形加速器2中的電子的能量分散(能量差)作為參數(shù)得出 的加速電流的模擬計算結(jié)果。從該圖中可以看出，隨著注入電子的能 量分散，加速電流的最大值增大。但是，在低于5%的能量分散范圍 中不會發(fā)現(xiàn)明顯的增大，這是因?yàn)槊總€能量在低于5%的能量分散范 圍中相差很??；將與每個能量對應(yīng)的自身波束尺寸當(dāng)作決定空間充電 效果的主要因素。在大于5%的能量分散范圍中，隨著能量分散增大， 加速電流大幅度增大；它幾乎線性增大直到能量分散達(dá)到其15%;超 過那個能量分散，則加速電流再次逐漸增大。這是因?yàn)樵谀芰糠稚⑻?大的情況下， 一些電子在環(huán)形加速器2的穩(wěn)定軌道區(qū)域之外運(yùn)動，從 而它們不會在軌道中穩(wěn)定運(yùn)動。在圖6中，發(fā)現(xiàn)加速電流能夠增大至5 倍或更大。另外，才艮據(jù)加速器的設(shè)計，也可以將加速電流增大至10倍 或更大。接下來，為了產(chǎn)生電磁波例如X射線，在軌道中運(yùn)動的電子必須 與電磁波產(chǎn)生標(biāo)靶3撞擊。在圖l中所示的實(shí)施例中，電子發(fā)生器l設(shè) 置在環(huán)形加速器2的外側(cè)中，從而電子從其圓周注入，同時電磁波產(chǎn) 生標(biāo)靶3設(shè)置在環(huán)形加速器2的內(nèi)側(cè)中。在其中加速磁場強(qiáng)度21和偏轉(zhuǎn) 磁場強(qiáng)度22隨著時間變化的情況下，如圖2所示，通過將其強(qiáng)度比預(yù) 設(shè)為預(yù)定數(shù)值，從而根據(jù)該數(shù)值能夠使電子軌道半徑在其加速期間向 內(nèi)徑向減小。如上所述，通過將在加速磁場強(qiáng)度21和偏轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度22 之間的關(guān)系固定在預(yù)定數(shù)值處，從而能夠使已經(jīng)在環(huán)形加速器2中徑 向擴(kuò)散的電子軌道半徑向內(nèi)逐漸減小；這些電子能夠如此與電磁波產(chǎn) 生標(biāo)靶3撞擊，從而在其中軌道半徑根據(jù)每個距離(距離標(biāo)靶的)減小的 時期內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生。在通過在加速完成時使偏轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行微小變化來改 變軌道半徑時，能夠獲得類似的效果，從而電子與電磁波產(chǎn)生標(biāo)耙3 撞擊。如上所述，其電流增大的電子束能夠與電磁波產(chǎn)生標(biāo)靶3撞擊； 即使在電磁波產(chǎn)生標(biāo)靶3變得更小時，也能夠產(chǎn)生其強(qiáng)度與該電流相 當(dāng)?shù)碾姶挪ɡ鏧射線。以上已經(jīng)將混合型加速器例舉為環(huán)形加速器2;但是，環(huán)形加速 器不限于混合型加速器。只要加速器能夠穩(wěn)定加速具有在一定范圍中的能量的注入電子，則該加速器能夠產(chǎn)生與上述加速器類似的效果； 同步加速器和電子感應(yīng)加速器是這些加速器的例子。但是，在增大電 流方面的改進(jìn)程度根據(jù)加速器類型而不同，因?yàn)槊糠N類型具有其自身 的許可注入能量范圍。另外，上面的說明是在假設(shè)電子加速裝置13采 用了其中通過從加速磁場產(chǎn)生的電場加速電子的感應(yīng)磁場加速的情 況下給出的。但是，上述方法不僅限于感應(yīng)磁場加速，而是還可以完 全適用于高頻電場加速。在該情況下，通過用加速電場強(qiáng)度代替在圖 2中的加速磁場強(qiáng)度21，從而可以適用上面的說明。 實(shí)施方案2在當(dāng)前實(shí)施方案中，施加在電子加速器1上的脈沖高電壓23具有 緩慢下降邊緣，并且在該緩慢下降時期內(nèi)產(chǎn)生的電子被注入到環(huán)形加 速器2中。脈沖高電壓的波形具有緩慢下降邊緣，它在高壓電源中產(chǎn) 生。當(dāng)使用在圖3中所示的第二注入時期25作為注入時期時，還可以 使用已經(jīng)在脈沖高電壓23的下降邊緣時期內(nèi)產(chǎn)生的具有較低能量的 電子。圖4為一示意圖，顯示出根據(jù)該實(shí)施方案的脈沖高電壓23的波 形。因?yàn)槭褂昧嗽撁}沖的下降邊緣，所以該脈沖的任意上升邊緣不是 關(guān)鍵的。在該圖中，顯示出如在傳統(tǒng)方式中一樣陡峭上升的脈沖高電 壓。在該圖中，"25"表示在穩(wěn)定加速所需的注入能量范圍和注入時期 的約束條件下確定的笫二注入時期。也就是說，第二注入時期在其中 電壓保持其峰值的時期內(nèi)的某個時刻開始，并且一直持續(xù)到在電壓下 降時期內(nèi)的預(yù)定時刻。在圖3和圖4的每一個中，施加在電子發(fā)生器l 上的高電壓一開始較高，然后隨著時間變得較低；根據(jù)該電壓， 一開 始將具有高能量的電子注入到環(huán)形加速器2中，然后隨著時間將具有 低能量的那些電子注入到其中。因此，在注入完成時，注入電子能量 與在圖3中不同地分散；能量差異變得比在其注入時的那些更大；因 此注入電子的軌道徑向展開。如上所述，可以使得脈沖高電壓23的波 形在下降邊緣處緩慢下降，并且使用與該邊緣對應(yīng)的時期來注入電 子，從而也能夠擴(kuò)展電子軌道的半徑；因此，可以與實(shí)施方案l類似
地增大在環(huán)形加速器中的電流。因此，使用如上所述的環(huán)形加速設(shè)備，可以加強(qiáng)由電磁波發(fā)生器例如x射線發(fā)生器產(chǎn)生的電磁波例如x射線。實(shí)施方案3在該實(shí)施方案中，注入時期包括在圖3中的第一注入時期24和第 二注入時期25。因?yàn)樵搶?shí)施方案具有在實(shí)施方案1和實(shí)施方案2中所述 的兩個效果，所以也能夠使電子軌道的半徑擴(kuò)大，從而與實(shí)施方案l 類似地增大在環(huán)形加速器中的電流。因此，使用如上所述的環(huán)形加速 設(shè)備，可以增強(qiáng)由電磁波發(fā)生器例如X射線發(fā)生器所產(chǎn)生的電磁波例 如X射線。但是，如上所述，注入時期具有上限；在一些情況中，在 實(shí)施方案1和實(shí)施方案2中所述的每個時期不能簡單地合并。在這些情 況中，總脈沖寬度可能變窄，因而兩個時期可合并為注入時期。實(shí)施方案4在本實(shí)施方案中，將在下面描述其中將在圖3中所示的脈沖高電 壓23施加在電子發(fā)生器1上的裝置。用于電子感應(yīng)加速器等的普通高 壓電源通過用由高壓發(fā)生器產(chǎn)生的電能給電容器充電并且用真空管 例如閘流管切換充電來產(chǎn)生脈沖電壓。但是，問題在于，高壓電源變 得笨重而昂貴，并且需要頻繁更換真空管。在根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方 案中，可以通過在圖5中所示的簡單電源電路來產(chǎn)生在圖3中所示的脈 沖高電壓。為了讓電子發(fā)生器1的等效電路31產(chǎn)生預(yù)定的高電壓脈沖，首先 產(chǎn)生低電壓脈沖。也就是說，用整流/平滑電路33將來自AC電源32的 AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓，并且通過開關(guān)裝置34例如絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)或者金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOS-FET)來從DC電壓 中產(chǎn)生預(yù)定低電壓脈沖；然后通過高壓變壓器35使這些脈沖逐步升高 至高電壓脈沖。因?yàn)槊}沖在低電壓側(cè)中形成，所以容易將這些脈沖形 成為任意波形的脈沖，并且變壓器35能夠使得電壓緩慢升高，并且能 夠使得電壓在其上升邊緣單調(diào)增大；因此，能夠很容易形成在圖3中 所示的脈沖高壓23。另外，用來產(chǎn)生這些脈沖的電路能夠只用廉價元
件構(gòu)成；因此能夠大大降低該脈沖高壓電源的制造成本。 實(shí)施方案5在實(shí)施方案l中，電磁波產(chǎn)生標(biāo)靶3在電子軌道12的內(nèi)側(cè)軌道中移 動；在如圖7所示將標(biāo)靶設(shè)置在其外側(cè)軌道中時可以獲得如在實(shí)施方 案l中一樣的效果。采用電磁體電源，電子加速裝置13和電子偏轉(zhuǎn)裝 置14產(chǎn)生其頻率在50赫茲和幾萬赫茲之間的AC磁場；當(dāng)在兩個磁場 的磁場強(qiáng)度之間的關(guān)系設(shè)定為預(yù)定值時，電子束不會大大改變其軌 道，從而電子束在一區(qū)域內(nèi)被穩(wěn)定地加速。已經(jīng)加速的電子束根據(jù)在 電子加速裝置13和電子偏轉(zhuǎn)裝置14的磁場強(qiáng)度之間的稍微關(guān)系變化 向外移動；電子束在穩(wěn)定軌道運(yùn)行區(qū)域中與設(shè)置在軌道中的電磁波產(chǎn) 生標(biāo)靶3撞擊，從而產(chǎn)生電磁波例如X射線。這里，在將標(biāo)把3設(shè)置在 加速器的外部時，部分電子束在其注入之后立即與標(biāo)把撞擊。但是， 只要標(biāo)靶3為幾個微米的數(shù)量級，則在注入時與標(biāo)靶3撞擊的電子數(shù)量 較少，并且大部分電子能夠被穩(wěn)定地加速。在該情況中，電子束在從標(biāo)耙3的位置向內(nèi)的區(qū)域中被加速以便 產(chǎn)生電磁波例如X射線。在已經(jīng)完成加速之后，擴(kuò)大電子束軌道的半 徑，從而使電子移動以到達(dá)標(biāo)靶3，以便產(chǎn)生電磁波例如X射線。使電 子束移動并且產(chǎn)生電磁波例如X射線的詳細(xì)說明與在實(shí)施方案1中相 同。另外，在靠近環(huán)形加速器的外圓周的區(qū)域中產(chǎn)生電磁波例如X射 線時，產(chǎn)生電磁波例如X射線的發(fā)生源比其中在靠近加速器中央的區(qū) 域中產(chǎn)生電磁波例如X射線的情況更靠近輻射標(biāo)靶設(shè)置；因此，可以 提高輻射密度并且縮短輻射時期。另外，容易增大成像放大率。通過 使輻射標(biāo)靶與成像屏幕間隔開能夠?qū)崿F(xiàn)成像放大率的增大。假設(shè)R1 為在輻射標(biāo)靶和用來產(chǎn)生電磁波例如X射線的發(fā)生源之間的距離，R2 為在輻射標(biāo)靶和成像屏幕之間的距離，成像放大率為R2/R1。因?yàn)樵?使R1+R2保持恒定的同時能夠使得R1更小，所以成像放大率變得更 大。相反，當(dāng)R1在第一位置中較大，R2必須增大以便實(shí)現(xiàn)高成像放 大率，這造成這樣一個問題，即不僅需要較大的面積來安裝成像系統(tǒng)， 而且因?yàn)槌上衩娣e變得較大，所以能夠用于成像的單位面積的電磁波強(qiáng)度變得較低，從而降低了在成像數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計精度。在其中R1保持 較小的情況下，輻射面積也因此變小， 實(shí)施方案6圖8為根據(jù)該實(shí)施方案的X射線成像系統(tǒng)(電磁波成像系統(tǒng)，在廣 義上的)的示意性結(jié)構(gòu)圖。該成像系統(tǒng)包括電磁波發(fā)生器71、對象—— 在這里為人體72、圖像檢測器73和數(shù)據(jù)處理單元74。入射在人體72上 的已經(jīng)由電磁波發(fā)生器71產(chǎn)生的加強(qiáng)X射線75由圖像檢測器73檢測 出，然后由數(shù)據(jù)處理單元74處理以便產(chǎn)生放射圖像。因?yàn)殡姶挪òl(fā)生 器71能夠產(chǎn)生其輻射源尺寸在幾個微米至大約幾十個微米的范圍內(nèi) 的增強(qiáng)X射線，所以可以實(shí)現(xiàn)折射反差成像，其中使用了在X射線中 的微小折射。因?yàn)檎凵湫?yīng)小，所以該方法直到輻射源的尺寸變得足 夠小才被實(shí)施。但是，假設(shè)輻射源的尺寸較小，則通常減小了X射線 強(qiáng)度；難以用足夠的統(tǒng)計精度生產(chǎn)出圖像。因此， 一般來說，該方法 只是在高強(qiáng)化同步輻射發(fā)生器例如其直徑為幾百米的超級光子環(huán) 8GeV(Spring8)中實(shí)現(xiàn)，從而在醫(yī)療用途中還有得到應(yīng)用；但是，可 以通過使用根據(jù)本發(fā)明的電磁波發(fā)生器71來獲得折射反差圖像，其尺 寸幾乎等于或小于普通X射線管的尺寸；因此，期望促進(jìn)該方法的醫(yī) 療使用。采用折射反差成像方法，可以在其邊界得到強(qiáng)化的情況下將 具有不同質(zhì)量密度的微小材料混合物成像，并且也能夠獲得其放大圖 像；因此，可以感知大致幾個毫米的小癌癥。另外，因?yàn)橛烧凵浞床?成像方法獲取的圖像可實(shí)現(xiàn)的對比度是由傳統(tǒng)吸收反差成像方法所 獲得圖像的十倍，所以可以在使對象膝露于大約為普通成像方法的十 分之一的輻射劑量的情況下獲得這些圖像。圖9顯示出這樣一種結(jié)果，其中在圖8中所示的系統(tǒng)已經(jīng)模擬了由 相當(dāng)于水的材料構(gòu)成的直徑為l毫米的球體的輻射圖像，這被假設(shè)為 小癌癥。假設(shè)，標(biāo)靶的尺寸為10個微米；電子束的加速能量為100萬 電子伏特；電子束電流在注入電子束的AE/E為15。/。時為3安培。"81" 為傳統(tǒng)的吸收反差圖像，"82"為折射反差圖像。在折射反差圖像82中 清晰出現(xiàn)的環(huán)形線為相當(dāng)于水的球體的邊界，并且與在吸收反差圖像 81中的相應(yīng)部分的差別是明顯的。只能采用上述折射反差成像方法， 因?yàn)槠漭椛湓摧^小并且具有高強(qiáng)度。因此，已經(jīng)驗(yàn)證了這樣的意義， 其中根據(jù)本發(fā)明的輻射源用作X射線成像系統(tǒng)的輻射源。顯然這不僅 對于X射線如此，而且對于所有其它電磁波都如此。另外，X射線成像系統(tǒng)的成像對象不僅僅是人體；例如在利用設(shè) 有折射反差成像方法的系統(tǒng)產(chǎn)生功率半導(dǎo)體器件的輻射圖像時，可以 通過折射反差成像方法感知到器件中的鋁導(dǎo)線，而這些導(dǎo)線不能由傳 統(tǒng)的吸收反差成像方法感知到。因?yàn)檎凵浞床畛上穹椒軌騾^(qū)分原子 量彼此接近的兩種材料，所以該方法還能夠區(qū)分原子量接近硅原子量 的鋁導(dǎo)線。雖然在上面的說明書中，用來減緩脈沖高壓的上升和下降邊緣中 的至少一個邊緣的電路元件被設(shè)在高壓電源中，但是該電路元件也可 以設(shè)在高壓電源的外面。另外，雖然如上所述已經(jīng)參照了這些附圖對根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方 案進(jìn)行了說明，但是具體結(jié)構(gòu)不限于這些實(shí)施方案，在不脫離本發(fā)明 的精神和范圍的情況下可以在本發(fā)明中包括其它結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)形加速設(shè)備，它具有電子發(fā)生器(1)，用于響應(yīng)從高壓電源(4)施加在電子發(fā)生器(1)上的脈沖電壓以脈沖方式產(chǎn)生電子；以及環(huán)形加速器(2)，該環(huán)形加速器(2)包括用于使已經(jīng)由電子發(fā)生器(1)產(chǎn)生并且注入到環(huán)形加速器(2)中的電子加速的電子加速裝置(13)和用于使注入的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生裝置(14)，所述環(huán)形加速設(shè)備的特征在于所述高壓電源(4)設(shè)有用于使施加在電子發(fā)生器(1)上的脈沖電壓具有緩慢上升邊緣和緩慢下降邊緣中的至少一個的電路元件。
2. 如權(quán)利要求1所述的環(huán)形加速設(shè)備，其中在通過將脈沖電壓施 加在電子發(fā)生器(l)上而產(chǎn)生的電子之中，將從在脈沖電壓正在上升至電子注入到環(huán)形加速器(2)中。
3. 如權(quán)利要求1所述的環(huán)形加速設(shè)備，其中在通過將脈沖電壓施 加在電子發(fā)生器(l)上而產(chǎn)生的電子之中，將從在脈沖電壓的峰值時期 內(nèi)的預(yù)定時刻直到在脈沖電壓到達(dá)峰值之后正在下降的時期內(nèi)的預(yù) 定時刻產(chǎn)生的電子注入到環(huán)形加速器(2)中.
4. 如權(quán)利要求1所述的環(huán)形加速設(shè)備，其中在通過將脈沖電壓施 加在電子發(fā)生器(l)上而產(chǎn)生的電子之中，將從在脈沖電壓正在上升至 其峰值的時期內(nèi)的預(yù)定時刻直到在脈沖電壓到達(dá)峰值之后正在下降 的時期內(nèi)的預(yù)定時刻產(chǎn)生的電子注入到環(huán)形加速器(2)中。
5. 如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的環(huán)形加速設(shè)備，其中所述電 子加速裝置(13)通過感應(yīng)加速來加速電子。
6. 如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的環(huán)形加速設(shè)備，其中高壓電 源(4)利用變壓器(35)通過逐步升高一個脈沖低電壓來輸出在上升邊緣 單調(diào)上升的脈沖高電壓，其中所述脈沖低電壓具有與通過電子發(fā)生器 (l)產(chǎn)生的電子脈沖的周期相對應(yīng)的周期，所述變壓器(35)是具有使波 形緩慢上升的功能的電路元件。
7. —種電磁波發(fā)生器，包括 如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的環(huán)形加速設(shè)備；以及 電磁波產(chǎn)生標(biāo)靶(3)，它被設(shè)置在構(gòu)成所述環(huán)形加速設(shè)備的環(huán)形加速器(2)中的電子穩(wěn)定運(yùn)動的軌道中，以便通過與電子撞擊產(chǎn)生電磁波。
8.—種電磁波成像系統(tǒng)，包括 如權(quán)利要求7所述的電磁波發(fā)生器；測量裝置(73)，用于測量由電磁波發(fā)生器產(chǎn)生的電磁波；以及 數(shù)據(jù)處理單元(74)，用于處理由測量裝置測量出的數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種環(huán)形加速設(shè)備，它包括電子發(fā)生器(1)，用于響應(yīng)從高壓電源(4)施加在電子發(fā)生器(1)上的脈沖電壓以脈沖方式產(chǎn)生電子；以及環(huán)形加速器(2)，它包括用于使已經(jīng)由電子發(fā)生器(1)產(chǎn)生并且注入到環(huán)形加速器中的電子加速的電子加速裝置(13)和用于使注入的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生裝置(14)，其特征在于，所述高壓電源(4)設(shè)有用于使施加在電子發(fā)生器(1)上的脈沖電壓具有緩慢上升邊緣和緩慢下降邊緣中的至少一個的電路元件。
文檔編號H05H11/00GK101155464SQ20071016120
公開日2008年4月2日 申請日期2007年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月26日
發(fā)明者頭本信行, 永山貴久, 田中博文 申請人:三菱電機(jī)株式會社