CN100358397C - 相位（能量）开关－驻波电子直线加速器 - Google Patents

相位（能量）开关－驻波电子直线加速器 Download PDF

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Abstract

相位(能量)开关由一个三腔系统(端耦合腔+边通加速腔+端耦合腔)和一个分开的单耦合腔组成。当失谐三腔系统时(状态‘0’)，相邻加速腔间的相移为π，而当失谐单耦合腔时(状态‘1’)，微波通过三腔系统传输到相邻加速腔，相邻加速腔间相位的改变为2π(或0)。从状态0转换到状态1，系统后面结构中场相位改变π，实现相位开关。二种状态下，整个结构都工作在π/2模式，非常稳定。这对医用加速器是非常重要的。当单耦合腔或三腔系统处于工作状态时，失谐的部件被移到腔外，不存在高频击穿的优虑。通过改变三腔系统中二个端耦合腔与相邻加速腔之间耦合及系统中腔之间耦合，还可实现在相位反转的同时，改变开关二边加速段中的相对场强。它用于6MeV加速器上，可产生100-200KeV成象用束流。用于中能和高能加速器上，可显著提高4-6MeV的输出。

Description

相位（能量）开关－驻波电子直线加速器
技术领域  驻波电子直线加速器，特别是医用驻波电子直线加速器。
背景技术  驻波电子直线加速器在放射治疗上获得广泛的应用。扩展它的工作能量范围，在中能和高能加速器上提高低能(4-6MeV)端的输出剂量，实现一机多用，一直是近三十年来研究的方向。而‘束导放疗’(IGRT)更是近年来主攻的方向。主要相关的专利有：
1.US4,286,192A Tanabe等Varian 8/1981
2.US4,382,208A Meddaugh等Varian  5/1983
3.US4,629,938A Whitham Varian 12/1986
4.US4,746,839A Kazusa等 NEC 5/1988
5.US5,821,694A Young LANL 10/1998
6.US6,366,021B1 Meddaugh等Varian 4/2002
7.PCT/GB00/03004 Allen等 Elekta8/2000
8.CN1237079A 童德春等  清华大学等12/1999
在电子直线加速器前面约20厘米的聚束段中，电子被加速到非常接近光速的速度(能量约1-1.5MeV)，在后面的光速段中电子骑在波上继续被加速到更高的能量。最终输出电子束的性能在很大程度上由聚束段中场强和相速的关系决定。而相速是一个结构参数，场强则随功率而变化。随功率的降低，电子的能量降低。当功率降低到某一值，聚束段中场强和相速的关系远偏离设计值，输出电子束的性能严重变坏，俘获大大减小，加速器无法正常工作。使用相位开关来调节能量就可以避免这一问题。假设加速器的最终输出电子束能量为18MeV，在电子能量达到12MeV处放置一相位开关，当相位开关工作时，它后面的加速段被倒相，亦相位改变180度，电子不再受到加速，而是被减速，能量从12MeV减到6MeV。由于在这二个状态下，聚束段中场强和相速的关系并未改变，6MeV的电子束具有和18MeV电子束一样好的性能。
Tanabe在1981年(US4,268,192A)提出一个设计，在通常的边耦合腔中，一端由可移动的活塞代替，当活塞伸入耦合腔中，TM011或TEM模式的频率降到S波段某一值，结构再次谐振，由于在这个耦合腔中附加的π相移，使它后面的加速段相位改变180度，实现相位反转。但在这个戕态下，耦合腔中存在很强的场强，任何移动的部件会引起高频打火。在相位反转时，也难于独立调节场强。此外，在这一部分，结构不工作在π/2模式。活塞位置的微小变化，不仅影响整个结构的谐振特性，也会改变场强的分布。上列专利中的1，2，3和6都是Varian公司的，其中专利3(US4,629,938A)更一直用于其生产的医用加速器上。清华大学的专利与上述专利3技术相似，但用于轴耦合驻波结构，而Varian的则用于边耦合结构。专利6(US6,366,021A)是最新的。上述几个专利都是在一个耦合腔中的调节机构，通过改变它与相邻二个加速腔的耦合，调节它前后二段加速结构中的相对场强，以提高低能端的输出，故也常称为‘能量开关’。NEC的专利则用二个预先设定的，与相邻加速腔有不同耦合的耦合腔，短路其中一个或另一个，以达到同样的目的。由于它们均不涉及相位反转，在此不作进一步讨论。Elekta的专利(PCT/GB00/03004)用一个垂直加速器轴线的圆柱耦合腔(通常耦合腔轴线与加速器平行)，工作在TE111极化模式，通过机械转动模式的偏振平面，达到连续调节它与相邻加速腔的相对耦合大小，仍至相位反转的目的。正如专利所述，当偏振平面转动时，圆柱耦合腔的频率会发生变化，影响结构的性能和工作的稳定性。
发明内容  相位开关由一个三腔系统(端耦合腔+边通加速腔+端耦合腔)和一个分开的单耦合腔组成，开关有二个状态，状态‘0’，三腔系统(端耦合腔+边通加速腔+端耦合腔)被短路，单耦合腔工作；状态‘1’，三腔系统(端耦合腔+边通加速腔+端耦合腔)工作，而单耦合腔被短路，当开关在这二个状态之间转换时，开关后面的加速段中场强的相位改变π。
我们的发明在物理概念上是一目了然的。在开关二个位置中的任一位置上，整个结构都工作在π/2模式。因而在开关的二个状态下，加速器都能稳定工作。这对医用加速器特别重要。而上面提及的二个具有相位反转功能的专利(专利1和7)并未能做到这一点。而且从开关的一个位置转换到另一个位置，不像上述二个专利那样，要求机械上保证精确的复位。
附图说明
图1显示本专利描述的相位开关的一个状态，也称正常状态‘0’以及它二边加速腔中的场分布，电子到达相位开关后面的加速腔时遇到加速场；
图2显示本专利描述的相位开关的另一个状态，也称反转状态‘1’以及它二边加速腔中的场分布，电子到达相位开关后面的加速腔时遇到减速场；
图3显示相位开关的另一种安排，这种安排特别适合x波段的加速器；
图4相位开关设计为非对称时，例如，κ4大于κ1，则相位反转时，后面加速段中的场强将降低；
图5和图6显示相位开关中三腔系统(端耦合腔+边通加速腔+端耦合腔)的二个不同安排，以更有效地利用有限的纵向空间。图5中未显示用于失谐或短路腔的部件。
图中101和102为加速腔，103为相位开关中单耦合腔，104和106为端耦合腔，105为边通加速腔，107，108，109和116都为用于失谐或短路腔的部件，110为漂移空间，111为聚焦或偏转元件，112为相位开关中端耦合腔104和边通加速腔105的耦合狭缝，113为边通加速腔105和端耦合腔106的耦合狭缝。应当指出，图中的场分布是在某一时刻加速腔中的场分布，而不是电子在每个腔中遇到的场。
κ1为相位开关中加速腔101和端耦合腔104的耦合系数，κ2为端耦合腔104和边通加速腔105的耦合系数，κ3为边通加速腔105和端耦合腔106的耦合系数，κ4为端耦合腔106和加速腔102的耦合系数，κ5为加速腔101和相位开关中单耦合腔103的耦合系数，κ6为单耦合腔103和加速腔102的耦合系数。
具体实施方式
在图1中，显示相位开关的一个状态，也称正常状态‘0’。三腔系统(端耦合腔+边通加速腔+端耦合腔)被完全失谐，而单耦合腔中的失谐部件被完全移出腔外，整个结构象通常的加速结构一样，加速电子到高能。此时，单耦合腔处在工作狀态，在其中没有任何接触部件，无射频击穿问题。而在三腔系统中场非常弱，也不会引起射频击穿。在图2中，显示相位开关另的一个状态，也称反转状态‘1’。单耦合腔被完全失谐，而三腔系统(端耦合腔+边通加速腔+端耦合腔)处在工作狀态。射频场通过三腔系统(端耦合腔+边通加速腔+端耦合腔)达到下一个加速腔。由于三腔系统(端耦合腔+边通加速腔+端耦合腔)也工作在π/2模式，产生附加的π相移，它后面的加速段中场相位被反转(相对正常状态‘0’)，电子在其中被减速。当系统为对称设计时，无论在正常状态‘0’，还是反转状态‘1’，系统二边的场强保持均匀一致。
在图3中，显示相位开关的另一种安排。通常相位开关所在的位置，电子的能量已经很高，非常相对论化。可以放置一段λ/2长度的漂移空间，在漂移空间中根据需要可设置聚焦或偏转元件。这种安排为相位开关提供更多的纵向空间。就相位开关而言，二种安排没有什么不同。但就加速器工作而言，则相位开关二种状态的作用正好相反。这种安排特别适合
x波段的加速器。根据需要漂移空间的长度可以增加到λ，3λ/2…。
我们再回到图1和2的安排。前面曾提及，当系统为对称设计时，即在图1和2中，耦合系数κ1＝κ4，κ2＝κ3和κ5＝κ6。无论在正常状态‘0’，还是反转状态‘1’，系统二边的场强保持均匀一致。当三腔系统(端耦合腔+边通加速腔+端耦合腔)设计为非对称时，则相位反转时，后面加速段中的场强可根据设计要求，升高或降低。例如，若κ4大于κ1，而κ2等于κ3，则相位反转时，后面加速段中的场强将降低，如图4所示。由于存在四个参数(κ1，κ2，κ3和κ4)可以调整，能够得到相当大的场强调节。而在图3的安排中，则可改变κ5和κ6，例如，若κ6大于κ5，则相位反转时，后面加速段中的场强将降低。应该特别强调，相位开关的这二种功能是完全独立的，无论后面加速段中的场强升高或降低，结构始终工作在π/2模式。
为了更有效地利用有限的纵向空间，对三腔系统(端耦合腔+边通加速腔+端耦合腔)可以做一些适当的安排。图5和图6上是二个示例。也许还有其它的安排，但这些都不影响本专利的权利要求。
这一相位开关也可应用在轴耦合驻波结构上。
在通常的6MeV短加速器上，我们应用这一相位开关，在初步调整结构参数后，获得一组有趣的结果，列于下表：
    状态   俘获(％)     束中心能量(KeV)     能量在±7％中电子(％)
    功率1功率2功率3   222117     17313388     403130
由于磁控管工作在低功率狀态，可以大大提高重复频率以增加输出，供成象应用。这一结果提供了一个诱人的前景。使用本发明，即本专利描述的相位开关，制造一根长约30厘米的驻波加速管。使用2.6兆瓦的磁控管，当相位开关在正常状态‘0’时，输出6MeV的电子束供治疗用，而当相位开关转换到反转状态‘1’时，输出100-150KeV的电子束供成象应用。二个源的靶点几乎在同一位置。

Claims (3)

1.一个用于驻波电子直线加速器中的相位(能量)开关，它由一个三腔系统(端耦合腔+边通加速腔+端耦合腔)和一个分开的单耦合腔组成，开关有二个状态，状态‘0’，三腔系统(端耦合腔+边通加速腔+端耦合腔)被短路，单耦合腔工作；状态‘1’，三腔系统(端耦合腔+边通加速腔+端耦合腔)工作，而单耦合腔被短路，当开关在这二个状态之间转换时，开关后面的加速段中场强的相位改变π。
2.如权利要求1所述的相位(能量)开关，其特征在于，在所述“0”状态和“1”状态下，所述相位(能量)开关的驻波边耦合或轴耦合结构都工作在π/2模式。
3.如权利要求1所述的相位(能量)开关，其特征在于，通过改变所述相位(能量)开关中所述三腔系统内部腔间的耦合及二个端耦合腔与相邻加速腔的耦合，以实现在相位反转的同时改变它前后二段结构中场强的相对大小。
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