具体实施方式

考虑到低能粒子辐照可以满足剂量要求，将低能粒子加速器用于生物体辐照可以作为一个研究方向，然而，对于低能粒子的束流出射而言，存在以下技术难题：一方面由于低能加速器产生的低能粒子的能量相较于高能粒子而言很低，基于现有的封窗结构无法实现一些原子质量较小的轻粒子的出射，或者一些粒子在出射过程中会损失大量能量，导致射程极短，导致无法进行生物学辐照实验或者癌症治疗等。

有鉴于此，本公开提供了一种低能带电粒子引出的隔离窗结构及装置，基于密封薄膜、网格状的内衬结构以及纤维内衬结构与密封薄膜之间的间隙的设置，一方面网格状的内衬结构作为密封薄膜的支撑结构，在真空腔室内侧实现真空的过程中，密封薄膜会发生形变，基于间隙的设置，一方面可以提供形变空间，同时还能够为密封薄膜的形变起到约束和支撑效果，基于网格状的内衬结构的支撑使得密封薄膜的形变量和应力减小，避免密封薄膜在真空度要求下由于形变量过大或强度不够导致的破损或漏气，可以实现真空腔室真空度的保持；另一方面网格状的内衬结构还能够减少低能粒子通过该隔离窗结构的能量损失，保证出射的粒子的能量与剂量可以满足生物辐照要求。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开中，“A和/或B”表示：只包含A，只包含B，或者同时包含A和B。

本公开的第一个示例性实施例提供了一种低能带电粒子引出的隔离窗结构。

图1为根据本公开一实施例所示的低能带电粒子引出的隔离窗结构的示意图。图1中还示意了隔离窗结构1与真空腔室21进行装配的结构。图1中不含虚线的真空腔室21表示为单一的腔室，例如为第二个实施例所要示例的真空腔室21。图1中包含虚线的真空腔室表示为双腔室，例如可以是第三个实施例所要示例的梯度式真空腔室。

参照图1所示，本公开的隔离窗结构1包括：密封件11、密封薄膜12以及网格状的内衬结构13。

密封件11用于与真空腔室进行连接。密封件11设置有开口，密封件11的外侧为大气环境，密封件11的内侧用于形成真空环境，如图1所示，内侧在图1中对应左侧，外侧在图1中对应右侧。上述密封件11可以是法兰盘。

密封薄膜12固定于密封件11上并遮挡于开口处，如图1所示。

网格状的内衬结构13固定于密封件11并位于密封薄膜12的内侧，内衬结构13与密封薄膜12之间具有间隙，该网格状的内衬结构13的投影覆盖密封件11的上述开口，如图1所示。

上述密封薄膜12的材料为聚酯薄膜，可以是hostaphan聚酯薄膜(一种聚酯薄膜的类型)。

图2为根据本公开一实施例所示的由隔离窗结构内侧的内衬结构向外部观察的结构示意图。图3为根据本公开一实施例所示的纤维沿着预定路径在各个通孔之间穿设以形成网格状的示意图。图2中以点填充的圆形示意密封薄膜12，在图2的视角中，看到的密封薄膜12的大小等于开口的大小。图3的视图是在大气环境一侧进行观察的正面视图，虚线示意纤维132在载体131的背面。

根据本公开的实施例，参照图2所示，网格状的内衬结构13包括：环状的载体131以及纤维132。在图2中，内衬结构13的面积大于密封件11设置的开口的面积，以实现内衬结构13的投影覆盖密封件11的开口，本实施例中，环状的载体131的直径大于开口的直径。

参照图2和图3所示，载体131上分布有多个通孔1311，纤维132沿着预定路径在各个通孔1311之间穿设以形成网格状。例如，可以将一根纤维132沿着图3所示例的路径顺序 进行穿设，在各个通孔1311之间穿设，以形成图3示意的网格状。其中，可以是在某个通孔内从正面穿设至背面或者从背面穿设至正面。

结合图1和图3所示，为了使得载体131与密封件11的盘体内侧进行装配时表面平整，尽量使得两个通孔1311之间的不作为网格线的纤维分布于载体131的背面。

以本实施例中的预定路径作为示例，①位置的通孔作为起始点，在该起始点的背面可以通过打结的形式固定纤维的起点，然后从背面穿设至正面后沿着①→②绕线，在②位置的通孔正面穿设至背面绕线到③位置的通孔，以此类推，可以得到图3中示例的网格状，同时还实现了载体131背面分布大量绕线，而正面达到平整且干净的程度。

在用于生物辐照时，除了保证实现真空密封和粒子出射能量要求之外，优选使得出射的粒子中产生尽可能少的次级中子或伽马粒子，上述实施例中，通过设置密封薄膜的材料为聚酯薄膜，和/或，内衬结构选用纤维作为网格材料，在保证粒子出射能量损失较小、真空密封的同时，还可以减少活化，避免由于活化产生的中子和伽马等次级粒子的问题。

需要说明的是，预定路线不局限于本实施例所示例的情况，还可以是其他路径，只要能够形成网格状的路径均在本公开的保护范围之内。

根据本公开的实施例，参照图1所示，隔离窗结构1还包括：第一固定密封件14，用于将密封薄膜12可拆卸式固定于密封件11上；和/或，第二固定密封件15，用于将内衬结构13可拆卸式固定于密封件11上。上述第一固定密封件和第二固定密封件可以是固定用法兰盘。

根据本公开的实施例，参照图1所示，密封件11的外侧设置有第一台阶，第一固定密封件14的形状与第一台阶相匹配，以在实现密封薄膜固定的同时增强密封性。

根据本公开的实施例，参照图1所述，密封件11的内侧边缘设置有第二台阶，第二台阶用于与真空腔室进行装配。

根据本公开的实施例，132纤维的材料为同时具有高强度且在粒子束流通过时使得粒子束流的能量损失很小的材料，例如为PBO(聚对苯撑苯并二噁唑)纤维材料。

根据本公开的实施例，低能带电粒子包括以下带电粒子的至少一种：质子、⁷Li、¹²C、¹⁴N、¹⁶O以及¹⁹F。

本公开的第二个示例性实施例提供了一种低能带电粒子引出的装置。

图4为根据本公开一实施例所示的低能带电粒子引出的装置的结构示意图。本实施例中以附图标记211来表示隔离窗结构，该隔离窗结构可以参照第一实施例描述的隔离窗结构1的内容。

参照图1和图4所示，本实施例的低能带电粒子引出的装置2包括：真空腔室21和隔离窗结构211。隔离窗结构211与真空腔室21进行装配，以使得真空腔室21内的低能带电粒子经过隔离窗结构211引出至大气环境，其中图1和图4中均以箭头示意低能带电粒子的运动方向。

根据本公开的实施例，参照图4所示，上述低能带电粒子引出的装置2还包括：真空泵23以及手动调节阀22。真空泵23与真空腔室21通过管路进行连接，该真空泵23用于满足真空腔室21的真空度要求。手动调节阀22设置于管路上，用于基于手动调节阀22的调节使得真空泵启动到真空腔室达到真空度要求状态之间的时间段内隔离窗结构的密封薄膜发生缓慢形变，例如参照图1所示，在抽真空的过程中，真空腔室内的气压降低，在密封薄膜12内侧和外侧的压强大小不相等，会使得密封薄膜12向内发生凹陷，由于可以通过手动调节阀对抽真空的速率进行调节，从而使得密封薄膜12两端的压差是逐渐缓慢变化的，以减少大气压力对密封薄膜12的损害。上述真空泵可以是机械泵。

根据本公开的实施例，真空腔室21的真空度能够达到1×10^-2Pa的量级。参照图4所示，上述装置2还包括：压差阀24、真空计25和控制器26。压差阀24设置于真空泵23与真空腔室21之间的管路上，用于自动调节压力波动引起的流量变化，以恒定进出口压差。真空计25设置于真空腔室21之内，用于监测真空腔室21内的真空度。控制器26用于在真空腔室21的真空度达到实验要求后，电动控制真空泵23的开启，以实现节能节电和降低环境噪声对生物辐照实验测量的影响。

根据本公开的实施例，参照图1所示，上述低能带电粒子引出的装置2还包括：粒子加速器210，设置于真空腔室21内，用于产生低能带电粒子，低能带电粒子的能量低于200MeV。低能带电粒子的能量低于200MeV指的是从粒子加速器210出射的带电粒子的初始能量低于200MeV。

在一实例中，对上述包含单一真空腔室的低能带电粒子引出的装置2的隔离窗结构的性能进行实验测试。经测试，随着真空腔室21真空度的提高，隔离窗结构的密封薄膜12逐渐发生形变，向内凹陷，此时网格状的纤维内衬结构13实现了支撑密封薄膜12和使密封薄膜12的变形量和应力减小的功能。

在一实例中，对本实施例的装置在达到真空度要求时的状态进行观察，当真空腔室21的真空度达到10^-2Pa时，密封薄膜12未发生漏气或破裂，说明该隔离窗结构能够满足真空度保持的要求。

同时还对该装置进行了粒子引出实验，经过实验验证，该装置可以引出的低能带电粒子包括以下带电粒子的至少一种：质子、⁷Li、¹²C、¹⁴N、¹⁶O以及¹⁹F，经过隔离窗结构出射之后，上述低能带电粒子的能量损失较小，能够满足生物辐照的要求。而且根据实验表明，对于粒子越轻，能量损失越小，射程相对越远。

本公开的第三个示例性实施例提供了一种低能带电粒子引出的装置。

图5为根据本公开另一实施例所示的低能带电粒子引出的装置的结构示意图。

参照图5所示，本实施例的低能带电粒子引出的装置3包括：梯度式真空腔室。该梯度式真空腔室包括：具有真空度差异的第一真空腔室31和第二真空腔室32。第二真空腔室32的一端与第一真空腔室31连接，连接部位设置有第一隔离窗结构311，第二真空腔室32的另一端设置有第二隔离窗结构321。其中，第一隔离窗结构311和第二隔离窗结构321为本公开的隔离窗结构，第一真空腔室31内的低能带电粒子经过第一隔离窗结构311和第二隔离窗结构321引出至大气环境。其中，第一真空腔室31和第二真空腔室32可以是一个腔室，也可以是包含多个子腔室的腔室。

根据本公开的实施例，第二真空腔室32的真空度比第一真空腔室31的真空度小1-2个数量级。例如，第一真空腔室31的真空度为10^-2Pa的量级，第二真空腔室32的真空度为10^-1Pa的量级。

根据本公开的实施例，参照图5所示，上述低能带电粒子引出的装置3还包括：第一真空泵341和第二真空泵342。

第一真空泵341与第一真空腔室31通过第一管路进行连接，用于满足第一真空腔室的真空度要求。第二真空泵342与第二真空腔室32通过第二管路进行连接，用于满足第二真空腔室的真空度要求。其中，第一管路和第二管路的至少之一设置有手动调节阀，用于基于手动调节阀的调节使得第一真空泵启动到第一真空腔室达到真空度要求状态之间的时间段内第一隔离窗结构的密封薄膜发生缓慢形变，和/或，基于手动调节阀的调节使得第二真空泵启动到第二真空腔室达到真空度要求状态之间的时间段内第二隔离窗结构的密封薄膜发生缓慢形变。

本实施例中以第一管路上和第二管路上均设置有手动调节阀进行示例。第一手动调节阀331设置于第一管路上，用于基于第一手动调节阀331的调节使得第一真空泵341启动到第一真空腔室31达到真空度要求状态之间的时间段内第一隔离窗结构的密封薄膜发生缓慢形变。第二手动调节阀332设置于第二管路上，用于基于第二手动调节阀332的调节使得第二真空泵342启动到第二真空腔室32达到真空度要求状态之间的时间段内第二隔离窗结构的密封薄膜发生缓慢形变。

根据本公开的实施例，可以参照图1所示，图1中虚线示意有两个真空腔室，上述低能带电粒子引出的装置还包括：粒子加速器，设置于第一真空腔室内，用于产生低能带电粒子，低能带电粒子的能量低于200MeV。

根据本公开的实施例，低能带电粒子从第二隔离窗结构出射后的射程在微米到毫米量级。

在一实例中，对上述包含两个真空腔室的低能带电粒子引出的装置3的双层隔离窗结构的性能进行实验测试。根据实验中第一真空腔室的第一真空泵和第二真空腔室的第二真空泵同时工作时，作为密封薄膜的聚酯薄膜的形变情况可知，靠内侧的第一隔离窗结构311的左右两侧分别为两个腔室各自的真空环境，不再受到大气压力的影响，但由于两侧的真空度仍然存在一定差异，因此第一隔离窗结构311的聚酯薄膜出现褶皱。靠外侧的第二隔离窗结构321的聚酯薄膜受到大气压力而向内凹陷，PBO衬网起到了减小了薄膜形变的作用。进行粒子引出的实验过程中，第二真空腔室的真空度始终保持不变，这表明聚酯薄膜以及其他可拆卸的组件之间的密封性能良好，聚酯薄膜虽然发生了形变，但没有漏气或损坏，真空泵和真空计均能以正常状态运行。

更进一步的，为了验证上述隔离窗结构的强度，在验证完真空保持特性之后，以梯度式真空腔室的双层隔离窗结构为例进行了破坏性实验。当第一真空腔室和第二真空腔室的真空度稳定后，分别用铅笔、镊子的钝头、内六角和改锥等工具去戳外层膜，观察外层膜的形变和破裂情况，以及里层膜的抗压情况。结果表明，用铅笔、指头、镊子的钝头、内六角撞击靠外侧的第二隔离窗结构的密封薄膜，该密封薄膜由于形变而留下一些痕迹，但没有漏气或破裂。用改锥的尖头用力将靠外侧的第二隔离窗结构的密封薄膜戳破，此时第二真空腔室的第二真空计显示第二真空腔室的真空度迅速下降，观察到靠内侧的第一隔离窗结构的密封薄膜仍然完好，没有破裂或漏气，第一真空腔室内的第一真空计显示第一真空腔室内的真空度保持不变。由此可见，第一实施例的隔离窗结构不论是应用于真空度要求相对较高的单独一个真空腔室，还是梯度式真空腔室的两个腔室连接部分以及外侧引出部分，均具有较高的强度和真空保持特性，同时还能够减少低能粒子通过该隔离窗结构的能量损失，保证出射的粒子的能量与剂量可以满足生物辐照要求。

图6为根据本公开实施例所示的低能带电粒子引出的装置的出射粒子辐照效果示意图，其中，(a)为质子辐照ETB3胶片得到的效果示意图，(b)为⁷Li重离子辐照ETB3胶片得到的效果示意图。图6的(a)和(b)中以手写体标示了方位的“上”和“下”，以便于与标准剂量卡片进行比对。

参照图6中(a)和(b)所示，采用本公开实施例所示的低能带电粒子引出的装置引出的质子(p)和⁷Li重离子辐照EBT3胶片，获得的粒子束照射野能够满足生物辐照要求，其分布较为均匀。

在一实例中，以梯度式真空腔室的双层隔离窗结构为例来说明采用本公开的隔离窗结构进行粒子引出的优点，第二实施例中单层隔离窗结构的粒子引出特性要优于本实例的性能。本实例中，直径约为0.4mm的PBO纤维形成的20mm×20mm的纤维内衬结构，阻挡束流的死面积在5％以内，可达到实验要求。第一隔离窗结构和第二隔离窗结构中的密封薄膜的厚度均为50μm，密封薄膜的材料为聚酯薄膜。抽真空测试结果显示：当上游的第一真空腔室的真空度达到10^-2Pa时，下游的第二真空腔室的真空度达到10^-1Pa，包含第一隔离窗结构和第二隔离窗结构的双层隔离窗结构中的密封薄膜的厚度均未发生漏气或破裂，实现了真空腔室真空度的保持。

表1给出了计算得到的经过梯度式真空腔室的双层隔离窗结构(100μm)出射后，引出粒子的种类、能量、对应的在水中的线性能量转移值(LET值)和射程。由表1可知，本实施例的隔离窗结构完全可满足辐射生物实验的要求。

表1粒子种类及相应物理参数

本公开的第四个示例性实施例提供了一种生物辐照装置。上述生物辐照装置包括：如上所述的隔离窗结构或者低能带电粒子引出的装置；其中，从隔离窗结构或低能带电粒子引出的装置出射的低能带电粒子用于辐照生物体。

综上所述，本公开实施例提供的低能带电粒子引出的隔离窗结构及装置，基于密封薄膜和网格状的内衬结构的设置，一方面网格状的内衬结构作为密封薄膜的支撑结构，在真空腔室内侧实现真空的过程中，密封薄膜会发生形变，基于内衬结构的支撑使得密封薄膜的形变量和应力减小，避免密封薄膜在真空度要求下由于形变量过大或强度不够导致的破损或漏气，可以实现真空腔室真空度的保持；另一方面网格状的内衬结构还能够减少低能粒子通过该隔离窗结构的能量损失，保证出射的粒子的能量与剂量可以满足生物辐照要求。

需要说明的是，虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。