2) фазотронов
3) циклотронов
4) синхротронов (+)
Изменение энергии протонов без применения внешних замедлителей обеспечивается в синхротроне за счёт управляемого цикла ускорения. По мере увеличения импульса частиц синхронно изменяются магнитное поле и параметры высокочастотного ускоряющего поля, благодаря чему протоны сохраняют устойчивую фазу относительно ВЧ-поля. Вывод пучка выполняют при заданном значении импульса, поэтому требуемая энергия формируется непосредственно в ускорителе.
Для медицинской физики это принципиально важно: энергия протонов определяет их пробег в тканях и положение пика Брэгга, то есть области максимального выделения дозы. В синхротроне энергию можно выбирать для каждого цикла ускорения в широком диапазоне, что позволяет адаптировать глубину облучения без пропускания пучка через поглотитель. При использовании циклотронов с практически постоянной энергией для её снижения обычно применяют деградеры, сопровождающиеся потерями интенсивности, увеличением энергетического разброса, углового рассеяния и радиационной активации элементов канала.
Циклотрон работает при почти постоянных магнитном поле и частоте ВЧ-напряжения, поэтому его выведенный пучок имеет близкую к фиксированной энергию. В синхроциклотроне, или фазотроне, компенсируют релятивистское увеличение массы снижением частоты ускоряющего поля; такой аппарат также функционирует преимущественно в импульсном режиме и не обеспечивает столь удобного непосредственного выбора энергии, как синхротрон. Следовательно, отмеченный вариант основан на возможности синхронно управлять параметрами ускорения и моментом экстракции пучка.
| Тип ускорителя | Основной принцип | Режим изменения энергии | Особенности медицинского применения |
|---|---|---|---|
| Циклотрон | Постоянное магнитное поле и практически постоянная частота ВЧ-поля | Выходная энергия близка к фиксированной | Для получения разных энергий часто требуется деградер и последующий энергетический селектор |
| Синхроциклотрон | Частота ВЧ-поля снижается по мере роста релятивистской массы протонов | Импульсное ускорение до заданной максимальной энергии; гибкость выбора ограничена | Компактность возможна, но изменение энергии обычно менее удобно, чем в синхротроне |
| Фазотрон | Историческое обозначение ускорителя синхроциклотронного типа | Энергия формируется в пределах установленного режима ускорения | Не является оптимальным решением для широкого оперативного диапазона энергий без дополнительных систем |
| Синхротрон | Магнитное поле и ВЧ-система синхронно изменяются с импульсом частиц; орбита имеет почти постоянный радиус | Энергия задаётся параметрами цикла и моментом экстракции | Прямая вариация энергии без деградера, что удобно для послойного протонного облучения |
| Деградер | Пассивное уменьшение энергии пучка при прохождении через вещество | Энергия снижается после ускорителя, но возникает её разброс | Увеличивает рассеяние, снижает интенсивность и может повышать активацию оборудования |
| Энергетический селектор | Выделение требуемого диапазона энергий магнитными и коллимационными системами | Улучшает моноэнергетичность после деградации | Сопровождается дополнительными потерями пучка и усложнением транспортной системы |
Таким образом, синхротрон изменяет энергию протонов за счёт активного управления ускоряющим циклом, а не за счёт последующего торможения пучка. Это позволяет точнее задавать дальность пробега и уменьшать дозу за пределами мишени. В протонной терапии выбранная энергия определяет глубину расположения пика Брэгга и является одним из ключевых параметров планирования облучения.