[發(fā)明專利]一種高梯度返波型行波加速器及其快速能量調(diào)節(jié)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011607590.6
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112888141B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 竇為平;何源;王志軍;黃燃;馬力禎;石健
• 申請（專利權(quán)）人: 蘭州科近泰基新技術(shù)有限責(zé)任公司
• 主分類號: H05H9/02
• 分類號: H05H9/02;H05H7/22;H05H7/04;A61N5/10
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 謝斌

本發(fā)明涉及一種高梯度返波型行波加速器及其快速能量調(diào)節(jié)方法，其由一系列反行波加速單元串聯(lián)而成，每一反行波加速單元包括加速腔、盤片和反行波漂移管；加速腔為兩端開口的筒形結(jié)構(gòu)，盤片一體形成于加速腔內(nèi)部，且盤片的中心開設(shè)有束流中心孔；反行波漂移管沿軸向固定在盤片的束流中心孔內(nèi)，用于集中加速電場；在位于反行波漂移管兩側(cè)的盤片上對稱地開設(shè)有兩磁耦合孔，用于使相鄰兩個反行波加速單元的加速腔以磁耦合的方式工作；一系列反行波加速單元通過加速腔依次串聯(lián)在一起，且相鄰兩個返波型行波加速器加速單元的反行波漂移管之間存在加速間隙。本發(fā)明可以提升加速梯度，縮短質(zhì)子治療直線加速器的長度，同時可以縮短能量切換時間，增加有效治療時間。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種質(zhì)子治療加速器，具體是關(guān)于一種高梯度返波型行波加速器及其快速能量調(diào)節(jié)方法，屬于核醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前的質(zhì)子治療加速器通常采用回旋加速器和同步加速器，而重離子加速器通常采用同步加速器。回旋加速器可提供持續(xù)穩(wěn)定的束流，但回旋加速器是弱聚焦結(jié)構(gòu)，傳輸效率低，會帶來較嚴(yán)重的活化問題，并且引出能量固定。

同步加速器雖然可以實現(xiàn)能量可調(diào)，但其注入、升能和標(biāo)準(zhǔn)化循環(huán)需要占用很長時間，換能時間約秒級，會增加無效治療時間，而且引出束流平均流強較低，無法適應(yīng)快速、連續(xù)治療的要求。此外同步加速器占地面積大，整個系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜。

直線加速器的主要優(yōu)點是橫向尺寸小，引出和注入容易，傳輸和加速過程中幾乎沒有束流損失。為此，直線加速器應(yīng)用到質(zhì)子治療領(lǐng)域是研究的主要方向，為縮小加速器的長度，通常采用的加速結(jié)構(gòu)為RFQ(Radio?Frequency?Quadrupole，射頻四極場加速器)+DTL(Drift?Tube?Linac，漂移管直線加速器)+CCL(Coupled?Cavity?Linac，耦合腔直線加速器)，該加速結(jié)構(gòu)出口能量固定，卻很難滿足精準(zhǔn)治療的需要；也考慮使用RFQ+DTL+盤荷波導(dǎo)前向行波，該方案可實現(xiàn)能量的調(diào)節(jié)，但加速梯度仍較低，230MeV質(zhì)子治療加速器長度仍需要數(shù)十米，很難滿足醫(yī)院的安裝規(guī)模。

現(xiàn)有的能量調(diào)節(jié)主要使用降能片，降能片會帶來活化問題，增加屏蔽系統(tǒng)的尺寸，而且通過降能片后，束流品質(zhì)會變差。當(dāng)使用行波加速器后，能量調(diào)節(jié)可通過加速器本身實現(xiàn)，通過對腔體進行掃相完成加速器出口能量的改變，掃相過程通常需要若干分鐘的時間，而且對某個輸出能量點不用加載的腔體，功率源是關(guān)閉狀態(tài)，處于冷態(tài)，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換到別的能量點，該腔體需要重新加載功率，切換到熱態(tài)，功率加載過程需要分鐘級，增加無效治療時間。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明的其中一個目的是提供一種高梯度返波型行波加速器，提升加速梯度，縮短質(zhì)子治療直線加速器的長度；本發(fā)明的另一個目的是提供一種該高梯度返波型行波加速器的快速能量調(diào)節(jié)方法，縮短能量切換時間，增加有效治療時間。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種高梯度返波型行波加速器，由一系列反行波加速單元串聯(lián)而成，每一所述反行波加速單元包括加速腔、盤片和反行波漂移管；其中，所述加速腔為兩端開口的筒形結(jié)構(gòu)，所述盤片一體形成于所述加速腔內(nèi)部，且所述盤片的中心開設(shè)有束流中心孔；所述反行波漂移管沿軸向固定在所述盤片的束流中心孔內(nèi)，用于集中加速電場；在位于所述反行波漂移管兩側(cè)的所述盤片上對稱地開設(shè)有兩磁耦合孔，用于使相鄰兩個所述反行波加速單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單元通過所述加速腔依次串聯(lián)在一起形成高梯度返波型行波加速器，且相鄰兩個所述返波型行波加速器加速單元的所述反行波漂移管之間存在加速間隙。