CC BY
11
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 82 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1956
ПОЛУЧЕНИЕ ПУЧКА СВЕРХБЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ЦЕЛЕЙ
А. А. ВОРОБЬЕВ, Б. А. КОНОНОВ, В. А. МОСКАЛЕВ, Л. С. СОКОЛОВ
Сверхжесткое рентгеновское излучение, возникающее при торможении электронов, ускоренных в бетатроне, успешно применяется в современной медицине для лечения глубоко расположенных опухолей. Применение для этой дели непосредственно пучка ускоренных электронов дает возможность во много раз сократить время облучения при минимальном поражении прилегающих здоровых тканей. В нашей работе рассматривается вывод электронов, ускоренных до энергии 15 мэв, из камеры бетатрона.
В бетатроне ускоряемые электроны движутся по равновесной орбите, радиус которой определяется условием Л=300 Вт, где А энергия электронов в эв, В—магнитная индукция на орбите в гауссах и г—радиус орбиты в см. Изменяя величину магнитной индукции В при заданной величине А, соответственно изменяем величину радиуса орбиты электронов. Таким путем можно увеличить радиус орбиты электронов до внутренней поверхности боковой стенки камеры и через окно вывести электроны наружу. В нашем бетатроне г —13 см и £ = 4000 гс при энергии 15 мэв.
В Томском политехническом институте осуществлен вывод ускоренных электронов из камеры индукционного ускорителя на 15 мэв в трех вариантах.
1. Методом увеличения радиуса равновесной орбиты электронов с помощью специальной „заорбитной" смещающей катушки.
2. Методом удаления электронов за пределы действия магнитного поля бетатрона с помощью немагнитного канала.
3. Методом отклонения ускоренных электронов в электрическом поле конденсатора.
Было сконструировано смещающее устройство, с помощью которого электроны, ускоренные в бетатроне до 10 мэв, отводились на стенку камеры.
Пучок электронов, падая на стекло, вызывал его свечение. В этих опытах размеры катушки были 20-~70° по азимуту, а радиальный размер 35 мм. Ширина импульса тока в катушке составляла 30 мк]сек. Катушка располагалась на азимуте инжектора; при этом светящееся пятно на стенке камеры появлялось на азимуте 135°.
Второй метод вывода ускоренных электронов из камеры бетатрона состоит в следующем. Немагнитный канал создается внутри магнитного шунта, изготовленного из листовой трансформаторной стали Э4АА. Шунт помещается на радиусе 165 мм в направлении касательной к мгновенной орбите на этом азимуте. В конце ускорения электронов импульс тока смещающей обмотки нарушает соотношение между магнитными потоками в центре и на орбите. В результате электроны начинают движение по развертывающейся спирали и попадают в немагнитный канал шунта. Магнитное поле внутри канала весьма слабо (десятки эрстэд) и электроны,
двигаясь в нем практически по прямолинейной траектории, выходят за пределы магнитного поля ускорителя. Электроны выпускаются в атмосферу через алюминиевое окно толщиной 0,2 мм, имеющее размеры 10X40 мм. Шунт одинаково хорошо выводит электроны любой энергии в пределах от 5 до 15 мэв.
Регулирование положения магнитного шунта дает возможность в известных пределах изменять направление'электронного пучка в пространстве.
Выведенный электронный ток в пучке, измеренный на расстоянии 5 см от окна с помощью цилиндра Фарадея и усилителя постоянного тока составляет 10"%.
В третьем варианте пластины отклоняющего конденсатора расположены на радиусе 163 мм. Отклоняющий конденсатор состоит из 2 пластин длиною 47 мм, изогнутых в соответствии с радиусом кривизны электронной орбиты. Внутренняя (отсекающая) пластина изготовлена из танталовой жести, толщина которой выбирается из условий обхода электронами лобовой поверхности ее, и механической и электрической прочности. В нашем случае толщина отсекающей пластины 50 микрон. Внешняя (отклоняющая) пластина изготовлена из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Расстояние между пластинами 2 мм. Ускоренные электроны уводятся с орбиты с помощью обычной расширительной обмотки, питае: мой импульсным током. Электроны движутся по развертывающейся спирали, шаг которой на радиусе расположения отклоняющего конденсатора достигает значительной величины; электроны, таким образом, получают возможность войти в конденсатор. На отклоняющую пластину конденсат, тора к моменту смещения электронов подается положительный импульс напряжения до 25 кв, который обеспечивает напряженность поля между пластинами около 80 т\сж. Электроны, подвергаясь действию этого электрического поля, приобретают дополнительное ускорение в радиальном направлении и покидают ускорительную камеру. Электроны выходят* из камеры бетатрона через алюминиевую фольгу толщиной 30 микрон. Выведенный электронный пучок с энергией электронов 5 мэв хорошо сфокусирован и имеет размеры сечения 5X8 мм на расстоянии 50 мм от выводного окна. Размеры пучка электронов на расстоянии 50 см от -окна увеличиваются до 12 см в ширину и 6 а в высоту.
Для вывода электронов, ускоренных цо энергии 10 мэв, длина пластин отклоняющего конденсатора несколько увеличена.
Электронный ток в пучке, выведенном этим методом, измерен с помощью цилиндра Фарадея и гальванометра и составляет не менее 4'10~9а, интенсивность излучения в рентгенах составляет при этом 3300 р/мин в непосредственной близости от выводного окна.
Интересно отметить, что при некотором положении отклоняющего конденсатора наблюдается устойчивый вывод электронного пучка с энергией электронов как 5 мэв, так и 10 мэв, даже при отсутствии напряжения на отклоняющей пластине за счет взаимодействия электронного пучка с пластиной конденсатора. Размеры сечения электронного пучка при этом остаются практически неизменными при достаточно хорошей фокусировке его. Однако электронный ток в этом пучке ниже, примерно, в 20 раз, чем в случае вывода электронов электрическим полем конденсатора.
В обоих вариантах вывода электронного пучка из камеры ускорителя инжектор расположен вне плоскости равновесной орбиты.
Полученный электронный пучок может быть с успехом применен в медицине для электронной терапии злокачественных опухолей.
В настоящее время ведутся работы в направлении усовершенствования методов, увеличения тока в выведенном пучке электронов, а также вывода электронов, ускоренных до энергии 25 мэв.
