一种紧凑型束流图像重现的传输系统
阅读说明：本技术 一种紧凑型束流图像重现的传输系统 (Compact beam-stream image reproduction transmission system ) 是由 陈伟龙 何源 王志军 黄玉露 马力祯 石健 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种紧凑型束流图像重现的传输系统,包括：第一横向聚焦单元,输入端与漂移管直线加速器输出端连接；第一聚束器,输入端与第一横向聚焦单元输出端连接；第一横向偏转单元,输入端与第一聚束器输出端连接；第二横向聚焦单元,输入端与第一横向偏转单元输出端连接；第二横向偏转单元,输入端与第二横向聚焦单元输出端连接；第二聚束器,输入端与第二横向偏转单元输出端连接；第三横向聚焦单元,连接在第二聚束器和边耦合漂移管直线加速器之间。本发明能够实现传统直线加速器折叠的功能,解决了其占地空间大的问题,为肿瘤治疗医用直线加速器领域提供了设计思路,使肿瘤治疗设备占地更小、成本更低、运维更方便,更利于质子治疗技术的普及和发展。(The invention relates to a compact beam stream image reproduction transmission system, comprising: the input end of the first transverse focusing unit is connected with the output end of the drift tube linear accelerator; the input end of the first beam condenser is connected with the output end of the first transverse focusing unit; the input end of the first transverse deflection unit is connected with the output end of the first beam bunching device; the input end of the second transverse focusing unit is connected with the output end of the first transverse deflection unit; the input end of the second transverse deflection unit is connected with the output end of the second transverse focusing unit; the input end of the second beam condenser is connected with the output end of the second transverse deflection unit; and the third transverse focusing unit is connected between the second beam condenser and the side-coupled drift tube linear accelerator. The folding linear accelerator can realize the folding function of the traditional linear accelerator, solves the problem of large occupied space, provides a design idea for the field of medical linear accelerators for tumor treatment, enables tumor treatment equipment to occupy smaller occupied space, has lower cost and more convenient operation and maintenance, and is more beneficial to popularization and development of proton treatment technology.)
技术领域
本发明涉及一种束流传输系统，具体是关于一种紧凑型束流图像重现的传输系统，属于质子治疗技术领域。
背景技术
医用质子加速器作为肿瘤治疗设备在国际范围内已被广泛应用，由于质子束流的能量沉积具有较窄的布拉格峰效应，因此针对肿瘤细胞进行靶向杀伤的质子束治疗被誉为全球最尖端的放射治疗技术，相比X射线、电子治疗等传统技术能够极大程度降低肿瘤病灶周边健康组织器官的损伤。
目前的质子治疗加速器通常采用质子回旋加速器、同步加速器或直线加速器等，这三种加速器技术相对较为成熟。但是回旋加速器由于其能量固定，额外降能调节设备的投入增加运行难度、成本及辐射活化等问题；同步加速器所供束流粒子数较少，平均流强低，且占地面积较大；而直线加速器具有注入引出方便等优势，但仍存在束流方向占地空间大等问题。因此，紧凑型折叠直线加速器在肿瘤治疗方面的技术创新是目前国内外业界重点研究方向。
紧凑型折叠直线加速器通过将直线加速器从中间某加速段后面进行截断，通过束流传输线匹配实现束流方向的偏转后，再进行更高能量的加速，从而减少占地空间。但是，偏转型束流传输线的主要难点包括：①从某加速段之间截断加速器并设计偏转传输线，意味着传输线入口及出口束流匹配参数需要实现图像重现，传输线束流动力学设计要求较高，需要传输线具有较高的匹配能力；②偏转段如果未设计消色散结构会导致下游束流品质变差，同时增加偏转段束流丢失几率；③偏转段的实现需要多台二极磁铁及四极磁铁、校正磁铁、聚束器及相应束流诊断元件来保证束流传输匹配，会增加调试难度；④过长的横向聚焦段设计会导致束流纵向相宽变大，增加与下游加速器的纵向匹配难度。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种紧凑型束流图像重现的传输系统，以解决传统直线加速器束流方向占地空间大的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种紧凑型束流图像重现的传输系统，包括通过真空管依次连接的：第一横向聚焦单元，其输入端与漂移管直线加速器的输出端连接，用于束流偏转前的横向匹配；第一聚束器，其输入端与所述第一横向聚焦单元的输出端连接，用于束流纵向的匹配；第一横向偏转单元，其输入端与所述第一聚束器的输出端连接，用于使束流偏转90°；第二横向聚焦单元，其输入端与所述第一横向偏转单元的输出端连接，用于束流的再次横向匹配；第二横向偏转单元，与所述第一横向偏转单元呈对称布置，且所述第二横向偏转单元的输入端与所述第二横向聚焦单元的输出端连接，用于使束流再次偏转90°；第二聚束器，其输入端与所述第二横向偏转单元的输出端连接，用于束流的再次纵向匹配；第三横向聚焦单元，其输入端与所述第二聚束器的输出端连接，其输出端与边耦合漂移管直线加速器的输入端连接，用于束流偏转后的横向匹配。
所述的传输系统，优选地，在所述第一聚束器与所述第一横向偏转单元之间、所述第二横向偏转单元与所述第二聚束器之间以及所述第三横向聚焦单元与所述边耦合漂移管直线加速器之间均设置有经过束流标定的束流位置探测器，用于束流位置和相位信息探测；同时，利用所述束流位置探测器的探头及电子学所提取的束流感应电荷量的模拟数字转换器信号以具备束流流强测量功能，用于对传输系统的传输效率实现非拦截式探测。
所述的传输系统，优选地，所述第一横向聚焦单元为至少三个并排布置且带校正线圈的第一四极透镜。
所述的传输系统，优选地，所述第二横向聚焦单元为至少三个并排布置的第二四极透镜。
所述的传输系统，优选地，所述第三横向聚焦单元为至少两个并排布置且带校正线圈的第三四极透镜。
所述的传输系统，优选地，所述第一聚束器和第二聚束器均采用频率为束流频率二倍频、前后加速单元半倍频的聚束腔体。
所述的传输系统，优选地，在所述第三横向聚焦单元的下游可拆卸地装配有发射度测量仪。
所述的传输系统，优选地，所述第一横向偏转单元和第二横向偏转单元均采用带边缘角的90°二极磁铁。
所述的传输系统，优选地，所述带边缘角的90°二极磁铁的入口边缘角设计范围为20°～30°，出口边缘角设计范围为20°～30°。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用2台90°二极磁铁形成具有180°偏转段设计的束流传输系统，该偏转段能够实现传统直线加速器折叠的功能，能够有效的压缩偏转段占地空间，解决了传统直线加速器占地空间大的问题，为肿瘤治疗医用直线加速器领域提供了设计思路，使肿瘤治疗设备占地更小、成本更低、运维更方便，更利于质子治疗技术的普及和发展。2、本发明采用频率为束流频率二倍频、前后加速单元半倍频的腔体作为纵向聚束器，实现传输线上下游加速段之间的横纵向束流参数的匹配，同时辅以组合四极透镜实现了束流的匹配和消色散的束流传输。
附图说明
图1为本发明的布局示意图；
图2为本发明偏转段动力学3RMS包络图。
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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“横向”、“纵向”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系统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的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供的紧凑型束流图像重现的传输系统包括：第一横向聚焦单元2，其输入端与漂移管直线加速器1(Drift Tube Linac，DTL)的输出端连接，用于束流偏转前的横向匹配，以实现束流的强聚焦，保持较好的束流品质；第一聚束器3，其输入端与第一横向聚焦单元1的输出端连接，用于束流纵向的匹配；第一横向偏转单元4，其输入端与第一聚束器3的输出端连接，用于使束流偏转90°；第二横向聚焦单元5，其输入端与第一横向偏转单元4的输出端连接，用于束流的再次横向匹配，以辅助第一横向偏转单元4实现消色散功能，提高传输线对束流能量抖动及能散的敏感性，降低传输线中束流损失的几率，提高进入下游加速器的束流品质；第二横向偏转单元6，与第一横向偏转单元4呈对称布置，且第二横向偏转单元6的输入端与第二横向聚焦单元5的输出端连接，用于使束流再次偏转90°；第二聚束器7，其输入端与第二横向偏转单元6的输出端连接，用于束流的再次纵向匹配，以使束流能够满足下游加速器聚束结构要求；第三横向聚焦单元8，其输入端与第二聚束器7的输出端连接，其输出端与边耦合漂移管直线加速器9(Side Coupling Drift TubeLinac，SCDTL)的输入端连接，用于束流偏转后的横向匹配，以实现束流的强聚焦，保持较好的束流品质。
上述实施例中，优选地，在第一聚束器3与第一横向偏转单元4之间、第二横向偏转单元6与第二聚束器7之间以及第三横向聚焦单元8与边耦合漂移管直线加速器9之间均设置有经过束流标定的束流位置探测器10(Beam Position Monitor，BPM)，用于束流位置和相位信息探测，以进行束流调试中的轨道校正及基于飞行时间法(Time of flight，TOF)的束流能量测试；同时，利用BPM10的探头及电子学所提取的束流感应电荷量的ADC信号(模拟数字转换器信号)，可具备束流流强测量功能，因此还可以利用BPM10对传输系统的传输效率实现非拦截式探测。需要强调的是，在本实施例中，传输线前后均为加速单元(DTL1和SCDTL9)，BPM10在进行束流位置探测的同时，需要进行束流相位的探测，即具备束流能量标定功能，是聚束器腔体腔压及相位标定必不可少的束诊元件。
上述实施例中，优选地，在靠近漂移管直线加速器1的输出端位置处以及靠近边耦合漂移管直线加速器9的输入端位置处均设置有束流强度探测器11(AC CurrentTransformer，ACCT)，用于探测束流的平均流强，其一方面可以监测传输线的传输效率，另一方面可以为治疗终端提供束流粒子计数。
上述实施例中，优选地，第一横向聚焦单元2为至少三个并排布置且带校正线圈的四极透镜21，第三横向聚焦单元8为至少两个并排布置且带校正线圈的四极透镜81，四极磁铁组合校正线圈，一方面能够实现束流调试中的轨道校正，另一方面能够节约校正线圈所占空间；第二横向聚焦单元5为至少三个并排布置的四极透镜51。
上述实施例中，优选地，由于上游加速器输出的纵向束流相宽较小，同频(束流频率为750MHz)的聚束腔体聚束能力弱，为了完成入口与出口处束流分布完全一致的动力学设计(即束流图像重现)，故第一聚束器3和第二聚束器7均采用频率为束流频率(750MHz)二倍频、前后加速单元(DTL1及SCDTL9)半倍频的聚束腔体，其能够有效降低腔体电压，提高腔体利用率，缩短传输线长度，实现上下游加速器的纵向束流匹配。
上述实施例中，优选地，为了要保证束流能够满足要求，在第三横向聚焦单元8的下游可拆卸地装配有发射度测量仪12，以便于对束流参数进行测量，保证进入下游加速器的束流是满足图像重现要求的。
上述实施例中，优选地，第一横向偏转单元4和第二横向偏转单元6均采用带边缘角的90°二极磁铁，其中边缘角的设计主要是为了补偿横向方向的聚焦因子，实现平滑的横向束流匹配，降低束流包络震荡导致的发射度增长，同时能够减少额外四极磁铁进行动力学补偿带来的造价增高，并节省占地空间。
上述实施例中，优选地，带边缘角的90°二极磁铁的入口边缘角设计范围为20°～30°，出口边缘角设计范围为20°～30°，该边缘角的设计在配合四极磁铁51实现束流消色散时，能够有效的控制二极磁铁4和6内以及二极磁铁4和6之间的束流尺寸，降低束损，提高束流传输效率。
在上述实施例中，优选地，上述各部件之间均通过真空管道连接，用于束流传输过程中的真空保持，保证束流不被散射、丢失。
图2展示了对本发明的紧凑型束流图像重现的传输系统进行仿真模拟分析后得出的偏转段动力学3RMS包络图，其中上图为束流水平/垂直方向束流包络图，中图为色散函数包络图，下图为相宽包络图，由图中可以看出，在匹配段最大色散函数为1400mm，在偏转段通过二极磁铁之后其色散函数为0，实现了消色散，能够满足下游加速器的匹配要求。
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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