2) поперечный размер пучка (+)
3) интенсивность пучка
4) энергию пучка
Система магнитной оптики определяет условия транспортировки и фокусировки пучка, поэтому в первую очередь влияет на его поперечный размер в заданной плоскости, в том числе на размер пятна на мишени или в изоцентре. Основными элементами являются квадрупольные линзы, дипольные магниты и корректирующие секступоли. Квадруполи создают фокусирующее действие в одной поперечной плоскости и дефокусирующее — в другой; их комбинация формирует устойчивую оптическую структуру, которая задаёт огибающую пучка.
Среднеквадратичный поперечный размер пучка определяется параметрами Твисса, эмиттансом и дисперсионным вкладом: приближённо σ² = βε + D²σδ², где β — функция оптики, ε — эмиттанс, D — дисперсия, а σδ — относительный разброс импульсов. Изменяя градиенты квадруполей и их положение, можно получить требуемую фокусировку, размер и форму пятна, а также уменьшить аберрации и хроматические искажения. Это особенно важно в протонной и ионной терапии, поскольку поперечный размер пучка влияет на геометрию дозового распределения, латеральную полутень и точность облучения мишени.
Энергия частиц в основном задаётся ускоряющей системой, радиочастотными параметрами и, при необходимости, деградацией или выбором режима извлечения пучка. Интенсивность определяется током источника, эффективностью инжекции и экстракции, а временные характеристики — системой bunching, радиочастотной синхронизацией и структурой импульса. Магнитные элементы могут участвовать в селекции импульса через магнитную жёсткость Bρ = p/q, однако их первичная оптическая функция заключается в управлении поперечными размерами и угловым распределением пучка.
| Параметр или элемент | Основная функция | Связь с поперечным размером пучка |
|---|---|---|
| Квадрупольная линза | Фокусировка в одной плоскости и дефокусировка в ортогональной | Изменяет функции Твисса и размер пучка по координатам x и y |
| Дипольный магнит | Отклонение траектории и формирование поворотных участков линии | Может создавать дисперсию и влиять на размер пучка при наличии разброса импульсов |
| Секступольный корректор | Компенсация хроматических аберраций | Снижает зависимость фокусировки от энергии отдельных частиц и улучшает качество пятна |
| Эмиттанс пучка | Характеристика фазового объёма и качества пучка | При большей эмиттансе минимально достижимый поперечный размер увеличивается |
| Функция Твисса β | Описание оптического состояния пучка вдоль ускорительной линии | Определяет вклад геометрического эмиттанса в локальный размер пучка |
| Дисперсия и разброс импульсов | Разделение траекторий частиц с различными импульсами | При ненулевой дисперсии увеличивают поперечный размер и могут искажать форму пятна |
| Ускоряющая и радиочастотная системы | Передача энергии и формирование временной структуры bunch’ей | Определяют энергию и временные параметры преимущественно независимо от фокусирующей оптики |
Таким образом, магнитная оптика является ключевым средством формирования требуемого поперечного профиля протонного или ионного пучка. Оценка её качества проводится по размеру и форме пятна, эмиттансу, стабильности положения и соответствию расчётной оптической модели измеренным данным. Нарушение настройки квадруполей или коррекции дисперсии приводит к расширению пучка, росту дозовой полутени и снижению точности доставки дозы. Контроль этих параметров выполняют с помощью профилометров, проволочных сканеров, ионизационных камер и систем мониторинга положения пучка.