一种高梯度返波型行波加速器及其快速能量调节方法
阅读说明：本技术 一种高梯度返波型行波加速器及其快速能量调节方法 (High-gradient backward wave type traveling wave accelerator and rapid energy adjusting method thereof ) 是由 窦为平 何源 王志军 黄燃 马力祯 石健 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高梯度返波型行波加速器及其快速能量调节方法,其由一系列反行波加速单元串联而成,每一反行波加速单元包括加速腔、盘片和反行波漂移管；加速腔为两端开口的筒形结构,盘片一体形成于加速腔内部,且盘片的中心开设有束流中心孔；反行波漂移管沿轴向固定在盘片的束流中心孔内,用于集中加速电场；在位于反行波漂移管两侧的盘片上对称地开设有两磁耦合孔,用于使相邻两个反行波加速单元的加速腔以磁耦合的方式工作；一系列反行波加速单元通过加速腔依次串联在一起,且相邻两个返波型行波加速器加速单元的反行波漂移管之间存在加速间隙。本发明可以提升加速梯度,缩短质子治疗直线加速器的长度,同时可以缩短能量切换时间,增加有效治疗时间。(The invention relates to a high-gradient backward wave type traveling wave accelerator and a rapid energy adjusting method thereof, which are formed by connecting a series of backward wave accelerating units in series, wherein each backward wave accelerating unit comprises an accelerating cavity, a disc and a backward wave drift tube; the accelerating cavity is of a cylindrical structure with openings at two ends, the disc is integrally formed in the accelerating cavity, and a beam central hole is formed in the center of the disc; the reverse traveling wave drift tube is axially fixed in a beam central hole of the disk and is used for concentrating an accelerating electric field; two magnetic coupling holes are symmetrically arranged on the disk sheets positioned on the two sides of the reverse traveling wave drift tube and used for enabling the accelerating cavities of two adjacent reverse traveling wave accelerating units to work in a magnetic coupling mode; a series of backward wave accelerating units are connected in series in sequence through accelerating cavities, and an accelerating gap exists between the backward wave drift tubes of two adjacent backward wave type traveling wave accelerator accelerating units. The invention can improve the acceleration gradient, shorten the length of the proton treatment linear accelerator, and simultaneously can shorten the energy switching time and increase the effective treatment time.)
技术领域
本发明涉及一种质子治疗加速器，具体是关于一种高梯度返波型行波加速器及其快速能量调节方法，属于核医学技术领域。
背景技术
目前的质子治疗加速器通常采用回旋加速器和同步加速器，而重离子加速器通常采用同步加速器。回旋加速器可提供持续稳定的束流，但回旋加速器是弱聚焦结构，传输效率低，会带来较严重的活化问题，并且引出能量固定。
同步加速器虽然可以实现能量可调，但其注入、升能和标准化循环需要占用很长时间，换能时间约秒级，会增加无效治疗时间，而且引出束流平均流强较低，无法适应快速、连续治疗的要求。此外同步加速器占地面积大，整个系统架构复杂。
直线加速器的主要优点是横向尺寸小，引出和注入容易，传输和加速过程中几乎没有束流损失。为此，直线加速器应用到质子治疗领域是研究的主要方向，为缩小加速器的长度，通常采用的加速结构为RFQ(Radio Frequency Quadrupole，射频四极场加速器)+DTL(Drift Tube Linac，漂移管直线加速器)+CCL(Coupled Cavity Linac，耦合腔直线加速器)，该加速结构出口能量固定，却很难满足精准治疗的需要；也考虑使用RFQ+DTL+盘荷波导前向行波，该方案可实现能量的调节，但加速梯度仍较低，230MeV质子治疗加速器长度仍需要数十米，很难满足医院的安装规模。
现有的能量调节主要使用降能片，降能片会带来活化问题，增加屏蔽系统的尺寸，而且通过降能片后，束流品质会变差。当使用行波加速器后，能量调节可通过加速器本身实现，通过对腔体进行扫相完成加速器出口能量的改变，扫相过程通常需要若干分钟的时间，而且对某个输出能量点不用加载的腔体，功率源是关闭状态，处于冷态，当需要转换到别的能量点，该腔体需要重新加载功率，切换到热态，功率加载过程需要分钟级，增加无效治疗时间。
发明内容
针对上述问题，本发明的其中一个目的是提供一种高梯度返波型行波加速器，提升加速梯度，缩短质子治疗直线加速器的长度；本发明的另一个目的是提供一种该高梯度返波型行波加速器的快速能量调节方法，缩短能量切换时间，增加有效治疗时间。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高梯度返波型行波加速器，由一系列反行波加速单元串联而成，每一所述反行波加速单元包括加速腔、盘片和反行波漂移管；其中，所述加速腔为两端开口的筒形结构，所述盘片一体形成于所述加速腔内部，且所述盘片的中心开设有束流中心孔；所述反行波漂移管沿轴向固定在所述盘片的束流中心孔内，用于集中加速电场；在位于所述反行波漂移管两侧的所述盘片上对称地开设有两磁耦合孔，用于使相邻两个所述反行波加速单元的加速腔以磁耦合的方式工作；由此，一系列所述反行波加速单元通过所述加速腔依次串联在一起形成高梯度返波型行波加速器，且相邻两个所述返波型行波加速器加速单元的所述反行波漂移管之间存在加速间隙。
所述的高梯度返波型行波加速器，优选地，由12-20个所述反行波加速单元串联而成，并在所述高梯度返波型行波加速器的前后两端分别附加一功率馈入单元和一功率引出单元；所述功率馈入单元主要由输入波导和第一耦合器组成，其主要作用是通过所述第一耦合器将从射频功率源输出的射频功率从所述输入波导中耦合到所述高梯度返波型行波加速器中，以建立反行波场；所述功率引出单元由输出波导和第二耦合器组成，其主要作用是通过所述第二耦合器将所述高梯度返波型行波加速器内剩余的射频功率耦合到所述输出波导中，以保证所述高梯度返波型行波加速器内是纯的反行波场。
所述的高梯度返波型行波加速器，优选地，所述加速腔的一端具有环形定位凸台，所述加速腔的另一端具有与所述环形定位凸台的环形定位槽，由此相邻两个所述返波型行波加速器加速单元通过所述加速腔上的环形定位凸台和环形定位槽完成装配。
所述的高梯度返波型行波加速器，优选地，相邻两个所述返波型行波加速器加速单元上的磁耦合孔呈90°交错布置。
所述的高梯度返波型行波加速器，优选地，还包括定时系统和低电平控制系统，所述定时系统用于控制束流和高频功率的时序关系，所述低电平控制系统用于调节射频功率大小和相位。
一种上述高梯度返波型行波加速器的快速能量调节方法，该方法通过定时系统控制束流和各个高梯度返波型行波加速器之间的时间顺序，同时通过低电平系统控制各个高梯度返波型行波加速器的功率值和相位关系，以在多个高梯度返波型行波加速器的出口实现数个特定能量的快速切换，切换时间为微秒级。
所述的快速能量调节方法，优选地，单个所述高梯度返波型行波加速器的能量增益步长可在2-10MeV范围内按照预先优化值任意设置。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明的高梯度返波型行波加速器在盘片上增加了磁耦合孔，以磁耦合的方式工作，因此束流中心孔就可以做的很小，再加上返波型行波加速器还增加了反行波漂移管，电场更集中在相邻的两个漂移管之间，因此分路阻抗提升约一倍，有效分路阻抗可大于100MΩ/m，有效加速梯度可达到50-60MV/m。
2、本发明的高梯度返波型行波加速器相比于双周期驻波加速结构，加速梯度提高了2-3倍，相比于前向行波加速结构，加速梯度提高了约1倍，并且将适用能量降低到30MeV，这样可以充分利用其高加速梯度的特点，进一步降低230MeV直线加速器的长度。
3、本发明的快速能量调节方法，缩短了能量切换时间从分钟级到微秒级，增加了有效治疗时间，而且能量切换步长可控制到约2MeV，可以不再使用降能片，降低了活化，简化了屏蔽系统。
附图说明
图1为本发明高梯度返波型行波加速器的立体结构示意图；
图2为本发明高梯度返波型行波加速器的俯视图；
图3为图2的A-A向剖视图；
图4为图2的B-B向剖视图；
图5为束流和高频功率的时间结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。同时在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1至图4所示，本发明提供的高梯度返波型行波加速器由一系列反行波加速单元1串联而成(图中仅示出了两个，但并不限于此)，每一反行波加速单元1包括加速腔11、盘片12和反行波漂移管13。其中，加速腔11为两端开口的筒形结构，盘片12一体形成于加速腔11内部，且盘片12的中心开设有束流中心孔；反行波漂移管13沿轴向固定在盘片12的束流中心孔内，用于集中加速电场，使加速电场幅度更大，由此提高加速能力；在位于反行波漂移管13两侧的盘片12上对称地开设有两磁耦合孔14，用于使相邻两个反行波加速单元1的加速腔11以磁耦合的方式工作，由此可以将束流中心孔做的很小，再加上增加了反行波漂移管13，使得加速电场更集中在相邻的两个反行波漂移管13之间，因此相比于前向行波加速器，分路阻抗提升约一倍，有效分路阻抗可大于100MΩ/m，有效加速梯度可达到50-60MV/m。
由此，一系列反行波加速单元1通过加速腔11依次串联在一起形成一个高梯度返波型行波加速器，且相邻两个返波型行波加速器加速单元1的反行波漂移管13之间存在加速间隙。
上述实施例中，优选地，一个高梯度返波型行波加速器由12-20个反行波加速单元1串联而成，并在高梯度返波型行波加速器的前后两端分别附加一功率馈入单元和一功率引出单元。功率馈入单元主要由输入波导和耦合器组成，其主要作用是通过耦合器将从射频功率源输出的射频功率从输入波导中耦合到高梯度返波型行波加速器中，以建立反行波场。功率引出单元由输出波导和耦合器组成，其主要作用是通过耦合器将高梯度返波型行波加速器内剩余的射频功率耦合到输出波导中，以保证高梯度返波型行波加速器内是纯的反行波场。
上述实施例中，优选地，加速腔11的一端具有环形定位凸台，加速腔11的另一端具有与环形定位凸台的环形定位槽，由此相邻两个返波型行波加速器加速单元1通过加速腔11上的环形定位凸台和环形定位槽完成装配。
上述实施例中，优选地，相邻两个返波型行波加速器加速单元1上的磁耦合孔14呈90°交错布置。
上述施例中，优选地，该高梯度返波型行波加速器还包括定时系统和低电平控制系统，定时系统用于控制束流和高频功率的时序关系，低电平控制系统用于调节射频功率大小和相位。
需要说明的是，现有行波加速器的能量调节过程是依次加载加速器的射频功率，对加速器进行扫相，设置加速器的相位，获得能量的调节输出。扫相过程通常需要若干分钟的时间，而且对某个输出能量点不用加载的腔体，功率源是关闭状态，处于冷态，当需要转换到别的能量点，该腔体需要重新加载功率，切换到热态，功率加载过程需要分钟级。如图5所示，显示了束流和高频功率的时间结构示意图。两种虚线表示高频功率的时间结构，实线表示束流的时间结构。当束流出现时，高频功率存在而且达到预设值，该高梯度返波型行波加速器就会获得预设能量增益。当束流出现时，高频功率不存在或者未到预设值，该高梯度返波型行波加速器就不能获得能量增益或者获得少量能量增益。
由此，基于上述实施例提供的高梯度返波型行波加速器，本发明还提供了一种该高梯度返波型行波加速器的快速能量调节方法，该方法通过定时系统控制束流和各个高梯度返波型行波加速器之间的时间顺序，同时通过低电平系统控制各个高梯度返波型行波加速器的功率值和相位关系，可以在多个高梯度返波型行波加速器的出口实现数个特定能量的快速切换，切换时间为微秒级。
上述实施例中，优选地，单个高梯度返波型行波加速器(12-20个加速单元)的能量增益步长可以在2-10MeV范围内按照预先优化值任意设置。
下面以将束流从230MeV切换到202MeV为例说明本发明的快速能量调节方法，具体过程如下：
首先将束流从70MeV加速到230MeV，16个高梯度返波型行波加速器正常加载，定时系统使束流通过高梯度返波型行波加速器时，稳定地感受到预先设置的加速电场，完成稳定的加速。如果欲将束流快速切换到202MeV，通过定时系统让束流感受不最后2个高梯度返波型行波加速器的加速电场，此过程的响应时间为纳秒级；与此同时，通过低电平控制系统快速调节第13个高梯度返波型行波加速器与第14个高梯度返波型行波加速器之间的相位关系，使第14个高梯度返波型行波加速器的能量增加只有2MeV，此过程的响应时间为微秒级。由此，即完成了束流从230MeV到202MeV的微秒级切换。
需要说明的是，本发明可完成能量输出的微秒级切换的主要原因是高梯度返波型行波加速器不使用时，高频功率仍加载着，因此不需要冷态到热态的加载时间，并且每个能量点下高梯度返波型行波加速器的功率幅度和相位都有预设值，无需扫相过程，可快速地进行设置，从而可实现能量输出的微秒级切换。
此外，如果治疗终端需要提高能量可控的精度，可以在上述快速能量调节方法的基础上，再配合一定厚度的降能片，由于需要降低的能量低，降能片需要的厚度低，因此活化可以得到较好地控制。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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