CN101720566A - 直线加速器的束流输运系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于直线加速器的带电粒子束输运系统和方法，包括具有沿着带电粒子源与直线加速器之间的加速轴线依次地排列的两个电极的透镜堆栈。从粒子源产生和提取带电粒子束(即粒子束流)之后，两个电极之间的电压差在时间上形成坡度变化，以将粒子束纵向压缩为短于加速器中产生的加速脉冲的脉宽。透镜堆栈中可设有另外的电极用于进行带电粒子束的横向聚焦，并独立于粒子束流的电流和能量控制最终束流斑大小。在具有多个可独立地切换脉冲形成线的行波加速器实施例中，也可通过同时触发多个相邻线，使得加速电场的物理尺寸长于带电粒子束，以及通过控制脉冲形成线的触发时序以进行交变相位聚焦，从而控制束流输运。

Description

直线加速器的束流输运系统与方法

相关文件的交叉引用

本申请要求2007年6月11日提交的美国临时申请60/934,213号的优先权。本申请还是2006年10月24日提交的在先申请11/586,378号的部分继续申请，在先申请11/586,378号是2005年1月14日提交的在先申请11/036,431号的部分继续申请，在先申请11/036,431号要求了2004年1月15日提交的美国临时申请60/536,943号的优先权；且申请11/586,378号还要求了2005年10月24日提交的美国临时申请60/730,128号、60/730,129号与60/730,161号以及2006年5月4日提交的美国临时申请60/798,016号的优先权，将其全部内容通过引用并入此处。

联邦赞助的研究或开发

依照美国能源部与劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限公司(LawrenceLivermore National Security，LLC)之间的用于劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的运作的协议DE-AC52-07NA27344号，美国政府对本发明拥有权利。

技术领域

本发明涉及直线加速器，并更具体地涉及用于直线加速器的带电粒子束输运系统与方法，所述直线加速器使得透镜堆栈的两个电极之间的电压差在时间上形成坡度变化，以在带电粒子束被注入加速级之前对其进行纵向压缩，并且在加速级中还使用各种开关触发模态，以操作多个独立切换的脉冲形成线，以对带电粒子束进行纵向压缩/解压缩以及横向聚焦/去聚焦。

背景技术

粒子加速器用于增加例如电子、质子或带电原子核等带电原子粒子的能量，以便于核能与粒子物理学家研究这些粒子。使高能带电原子粒子加速以与靶原子碰撞，就可以用检测器观察因此所生成的产物。在非常高的能量下，带电粒子能打破靶原子的原子核并与其它粒子相互作用。于是就会产生一些转变，以此揭示物质的基本单位的性质和行为。粒子加速器也是开发核聚变装置以及诸如用于治疗癌症的医学应用的重要工具。

通过引用并入此处的Carder的美国专利5,757,146号公开了一种粒子加速器，其提供了一种生成用于加速带电粒子的快速电脉冲的方法。在Carder的专利中，介质壁加速器(DWA)系统表示为包括一系列堆叠的圆形模块，这些堆叠的圆形模块在开关时产生高压。每个所述模块称为非对称Blumlein，其在通过引用并入此处的美国专利2,465,840号中有所描述。在Carder专利的图4A～4B中能最清楚地看到，Blumlein包括两个不同的介电层。在每个表面上以及介电层之间是形成两个平行板状径向输运线的导体。该结构的一侧称为慢线，另一侧是快线。最初，将快线与慢线之间的中央电极充电到高电势。因为两个线极性相反，故没有跨越Blumlein的内径(ID)的净电压。一旦通过表面击穿(flashover)或类似的开关将结构的外侧短路，便会启动两个相反极性的波，这两个波径向地朝着Blumlein的ID向内传播。快线中的波先于慢线中的波到达结构的ID。当快速波到达结构的ID时，仅该线中的该处极性反转，造成跨越非对称Blumlein的ID的净电压。该高压一直存留到慢线中的波最终到达ID为止。在加速器的情况中，可以在此期间注入并加速带电粒子束。以此方式，在Carder专利中的DWA加速器提供了在整个结构上连续以便实现高加速梯度的轴向加速场。

然而，诸如Carder的DWA的现有介电壁加速器存在一些固有的问题，这些问题可影响束流的质量和性能。具体地，Carder的DWA的盘状几何形状存在一些问题，使得整个装置对于加速带电粒子的期望用途而言并非最优。带有中央孔的扁平导体迫使传播的波阵面(wavefront)径向地会聚到该中央孔。在该几何结构中，波阵面遇到变化的阻抗，所述变化的阻抗可以使输出脉冲变形，并阻止了将已定义的与时间无关的能量增益传递给穿越电场的带电粒子束。相反，由所述结构所产生的穿越电场的带电粒子束会接收时变的能量增益，此增益阻止加速器系统恰当地输运所述束流，并使束流的使用受限。

而且，所述结构的阻抗可能远低于需要。例如，通常极其需要在保持所需的加速梯度的同时产生毫安以下的量级的束流。Carder的盘状Blumlein结构可造成在系统中存储有过高等级的电能。不仅电气效率明显低下，而且当系统启动时，未传递给束流的任何能量会残留在结构中。所述过剩能量可对整个装置的性能和可靠性产生不利的影响，可导致系统过早出现故障。

而且，带有中央孔的扁平导体(例如盘状)固有地存在电极外部大幅延伸的圆周。结果，用于启动该结构的平行开关的数目由该圆周确定。例如，在用于产生少于10ns脉冲的6″直径的装置中，每个盘状非对称Blumlein层通常需要至少10个开关位置。由于该盘状Blumlein结构的输出脉冲长度与距离中央孔的径向伸展度直接相关，故当需要长的加速脉冲时，该问题进一步加重。于是，只要需要长的脉宽，就需要也相应地增加开关位置。由于启动开关的优选实施方式是使用激光或其它类似装置，故需要高度复杂的分布系统。而且，长脉冲结构需要大的介电片，这制备起来是比较困难。这也可能增加所述结构的重量。例如，在本配置中，发送50ns脉冲的装置每米可重达几吨。虽然可通过在非对称Blumlein的所有三个导体中使用螺旋槽而使一些长脉冲的缺点得到缓解，但这可导致会抑制运行的破坏性干涉层间耦合。即，在结构的输出上会体现出每级的脉冲振幅显著减少(且因此能量减少)。

而且，已开发出了专用于医疗应用场合的各种加速器，例如用于使用质子束的癌症疗法。例如，Cole等的美国专利4,879,287号公开了位于加利福尼亚州的罗马林达(Loma Linda)的罗马林达大学质子加速器设备中使用的多站点质子束治疗系统。在该系统中，在设备的一个位置进行粒子源的生成，并在设备的另一位置进行加速，同时病人位于设备的另一位置。由于源、加速以及靶彼此远离，故使用具有庞大而笨重的弯曲磁体的复杂支架系统实现粒子输运。且在Bertsche的美国专利6,407,505号和Blosser等的美国专利4,507,616号中公开了已知用于医疗的其它典型系统。在Berstche的专利中，展示了驻波RF直线加速器，而在Blosser的专利中，展示了可旋转地安装于支撑结构上的超导回旋加速器。

此外，由在一定体积内的低压强气体产生等离子体放电的离子源为人们所知。从该体积中提取离子并校准到加速器中以进行加速。所述系统通常限于提取低于0.25A/cm²的电流密度。该低电流密度部分地是由于提取界面处的等离子体放电的强度。在Leung等的美国专利6,985,553号中公开了本领域已知的离子源的一个示例，其具有用于产生超短离子脉冲的提取系统。Wahlin的美国专利6,759,807号展示了另一示例，其公开了具有提取栅格、加速栅格、聚焦栅格以及屏蔽栅格以产生高度校准的离子束流的多栅格离子束源。

关于直线加速器中的粒子动力学，已知的是，由带电粒子源产生的带电粒子束(即粒子束流)并非全部沿着加速器的长度在正确的时间并以正确的速度进入并穿过加速器以完美地与产生的加速能量同步。相反，成束的粒子通常具有一定程度的束流发射度，即不仅在从粒子源提取时，而且在穿过加速器中的加速级时，在粒子速度(动量)以及有限的横向尺寸上有所扩散。束流发射度使加速器中的束流输运富有挑战性，特别是在采用时变能量波形以产生加速梯度的加速器(例如，产生具有正弦时间变化的能量波形的RF驻波直线加速器或者甚至短脉冲的介电壁加速器，由于能量从脉冲形成线存在寄生泄漏，非平顶脉冲形状出现变形)中。这是因为在加速级期间，空间上发散的粒子束会在不同时间并在空间上不同的位置处经历时变能量场，且因此经受纵向运动和横向运动的不同的力。换言之，因为加速的能量波形时间上不恒定，即不是平顶的，故根据每个粒子在束流中的相对位置和每个粒子与能量波形遭遇的时序，传递给束流的不同的粒子的能量或有所变化(即能量扩散)。作为能量扩散的结果，粒子束会经受纵向压缩或解压缩以及径向或横向聚焦或去聚焦，所述纵向压缩或解压缩会影响束长度和相位稳定性，所述径向或横向的聚焦或去聚焦会影响束宽度(束流宽度)，并最终影响靶上的最终束斑大小。如果束长度长于加速能量波形的脉宽，则尤其是束长度的变化可能给捕捉束流中的所有粒子带来问题。尤其是在使用几纳秒的量级的超短脉宽产生非常高的梯度的短脉冲介电壁加速器的情况下，因为所需的压缩幅度更大，故更需要将束长度纵向压缩到短于脉宽。

如Alvarez的美国专利2,545,595号和Good的美国专利2,770,755号所述，已知在加速粒子束的纵向压缩(相位稳定性)和横向聚焦(横向稳定性)之间存在相反关系。Good的专利的图2表示了此关系。如该图所示，沿着加速能量波形的上升沿暴露于时变的能量场的粒子会经受纵向压缩(相位稳定的)和径向去聚焦(横向上不稳定)，而沿着加速能量波形的下降沿经历时变的能量场的粒子会经受纵向解压缩或扩散(相位不稳定)和径向聚焦(横向上稳定)。特别是在Alvarez的专利中，如Alvarez专利的图5所示，漂移管的入口端上布置有薄金属箔12，以便使电场变形，并且在相位稳定运行期间实现径向聚焦。此外，诸如由螺线管或四极管产生的外部磁场也被用于控制在直线加速器的加速孔径内的横向运动。

也有人采用交变相位聚焦(APF)束流输运方法来解决加速级中的相位稳定性与径向聚焦之间的不相容问题。通常，APF操作在加速级中将粒子束的暴露调制到加速能量波形的上升沿或下降沿，以便引起具有径向去聚焦的相应纵向压缩或具有径向聚焦的纵向解压缩。以此方式，粒子束可在经历连续的横向聚焦和去聚焦力的同时被加速，所述横向聚焦和去聚焦力引起适当程度的束流抑制而不依赖于聚焦磁场。APF处于漂移管RF驻波直线加速器和离子直线加速器的环境中，所述漂移管RF驻波直线加速器具有以预定方式间隔的离散数目个加速缝隙，以在每个缝隙中实现同步相位的特定值，且离子直线加速器具有独立地受控的超导短腔的离子直线加速器，其产生相位连续地调制的“行波”电场。

Swenson的美国专利4,211,954号和Good的专利2,770,755号是漂移管RF驻波直线加速器环境中的APF的两个示例。特别是在Good的专利中，使用的漂移管的长度要么少于要么大于普通同步长度，且交替地定位于第二、第六以及第十漂移管位置。该布置用以在跟随每个第二、第六和第十漂移管位置的缝隙处引起径向聚焦和纵向解压缩，而在跟随所有其它漂移管的缝隙处发生径向去聚焦和纵向压缩。且由Sagalovsky等在1992年1月1日发表的出版物“Investigation of Alternating-PhaseFocusing for Superconducting Linacs”是处于不断地相位调节的行波加速器环境的APF的示例。具体地，Sagalovsky的出版物公开了一个描述具有低β超导腔的直线加速器中的APF物理学的分析APF模型，所述低β超导腔被独立地控制以调节电场的相位和振幅。应当意识到，在所述行波直线加速器中，通常每个腔的轴向长度(且因此加速电场)远远长于注入粒子束的物理长度，以便可捕捉整个粒子束。

然而还知道，在注入加速器的加速级之前，来自离子粒子源的离子粒子束(即粒子束流)通常具有发散形状。因此，为了高效地利用加速器，经常有必要在进入加速级之前的飞行过程中对粒子束流横向聚焦。已知有各种离子束的横向聚焦的静电方法以及磁方法。例如，包括沿着轴线依次排列的三组以上通常为柱状电极的单透镜(Einzel lens)，经常被用于在相反极性的电极之间产生曲线电场线以形成单个透镜。具体地，单透镜通常配置为生成去聚焦-聚焦-去聚焦区域，以使净效果(net effect)总是正聚焦，即会聚透镜。虽然在串联加速器的注入端频繁地使用单透镜，然而人们认为单透镜对于束流处理和高能量应用场合的输运是不实用的，除非是在非常低电压的加速器中。如上所述，单透镜通常用于束流大小的最初调节，而不用于控制最终束斑大小，最终束斑大小通常在加速级处理。而且，尽管如本领域所知，单透镜已用于横向聚焦，然而单透镜尚未用于进行纵向束流压缩。

因此，期望的是提供一种改进的束流输运系统与方法，该系统和方法能够在注入加速级之前的提取级以及在加速级期间调节束流发射度，这种方式能够使穿过加速器(特别是使用单独控制的脉冲形成线的短脉冲介电壁型加速器)的粒子束流实现高效的加速并能够控制在靶处的最终束斑大小。具体地说，期望的是提供一种用于在注入加速级之前纵向压缩粒子束的系统与方法，从而能够捕捉接近时变电场的峰值并具有低能量扩散的束流。

发明内容

本发明的一个方面包括直线加速器系统，该系统包括：带电粒子源，其用于产生带电粒子束；直线加速器，其用于沿着加速轴线产生至少一个加速梯度；透镜堆栈，其具有沿着带电粒子源与直线加速器之间的加速轴线依次排列的两个电极；以及电压控制器装置，其用于使得两个电极之间产生的电压差在时间上形成坡度变化，以使该粒子束的上游粒子比下游粒子具有更大的动能，以便在注入直线加速器之前纵向压缩带电粒子束。

本发明的另一方面包括短脉冲介电壁加速器系统，该系统包括：脉冲离子源，其用于产生带电粒子束；介电壁束流管，其围绕加速轴线并具有入口端和出口端；多个脉冲形成线，其横向连接于介电壁束流管并沿着介电壁束流管依次排列，每个脉冲形成线具有可连接到高电势的开关，所述高电势用于使至少一个电波阵面穿过脉冲形成线独立于其它脉冲形成线传播，以产生接近介电壁束流管的相应短轴向长度的短加速脉冲；透镜堆栈，其包括两个纵向压缩电极以及至少一个横向聚焦电极，所有这些电极沿着脉冲离子源和介电壁束流管的入口端之间的加速轴线依次排列；电压控制器装置，其用于使得两个纵向压缩电极之间产生的电压差在时间上形成坡度变化，以使粒子束的上游粒子比下游粒子具有更大动能，从而在注入直线加速器之前纵向压缩带电粒子束，所述电压控制器装置还用于控制横向聚焦电极的电压以控制带电粒子束在注入直线加速器之前的横向聚焦，并进而不依赖于带电粒子束的电流和能量控制束斑大小；以及触发控制器，其用于依次激励对应于邻近的脉冲形成线的组块的包括至少一个开关的开关组中的所述开关，以便由所述开关组依次产生的短加速脉冲的组形成大致与注入带电粒子束同步地沿着加速轴线传播的移动的轴向电场，以将加速能量依次地传递给带电粒子束。

本发明的另一方面包括用于纵向压缩由带电粒子源所产生的带电粒子束的束流输运方法，该方法包括：邻近于带电粒子源提供沿着加速轴线依次排列的两个纵向压缩电极和至少一个横向聚焦电极；使得第一电极和第二电极之间产生的电压差在时间上形成坡度变化，以使粒子束的上游粒子比下游粒子具有更大的动能，从而在沿着加速轴线的飞行过程中纵向压缩带电粒子束；以及在沿着加速轴线的飞行过程中控制横向聚焦电极的电压以控制带电粒子束的横向聚焦。

本发明的另一方面包括用于直线加速器的束流输运方法，该方法包括：提供直线加速器系统，该系统包括：带电粒子源，用于沿着加速轴线产生至少一个加速梯度的直线加速器，以及包括沿着带电粒子源与直线加速器之间的加速轴线依次排列的两个电极的透镜堆栈；从所述带电粒子源产生带电粒子束；将带电粒子束提取到透镜堆栈；使得两个电极之间产生的电压差在时间上形成坡度变化，以使粒子束的上游粒子比下游粒子具有更大的动能，从而在注入直线加速器之前纵向压缩带电粒子束；以及将纵向压缩后的带电粒子束注入到直线加速器中。

附图说明

下面是并入本公开文件并构成本公开文件的一部分的附图：

图1是本发明的紧凑加速器的单个Blumlein模块的第一示例性实施例的侧视图。

图2是图1的单个Blumlein模块的俯视图。

图3是具有堆叠在一起的两个Blumlein模块的紧凑加速器的第二示例性实施例的侧视图。

图4是本发明的单个Blumlein模块的第三示例性实施例的俯视图，其具有宽度小于模块的其它层的中间导体带。

图5是沿着图4的线4的放大横剖面图。

图6是紧凑加速器的另一示例性实施例的平面图，其具有在圆周上围绕并朝着中央加速区域径向地延伸的两个Blumlein模块。

图7是沿着图6的线7的横剖面图。

图8是紧凑加速器的另一示例性实施例的平面图。其具有在圆周上围绕并朝着中央加速区域径向地延伸的两个Blumlein模块，其中，一个模块的平面导体带由环形电极连接到另一模块的相应平面导体带。

图9是沿着图8的线9的横剖面图。

图10是本发明的另一示例性实施例的平面图，其具有各自连接于关联的开关的四个非线性Blumlein模块。

图11是本发明的类似于图10的另一示例性实施例的平面图，其包括连接于四个非线性Blumlein模块的每一个的各自第二端的环形电极。

图12是本发明的与图1类似的另一示例性实施例的侧视图，其具有介电常数相同和厚度相同的第一电介质带和第二电介质带，从而实现对称的Blumlein运行。

图13是本发明的带电粒子发生器的示例性实施例的示意图。

图14是沿着图13的圆14的放大的示意图，表示了本发明的脉冲离子源的示例性实施例。

图15表示由图14的脉冲离子源进行的脉冲离子产生的过程。

图16表示各种栅电极电压下靶上的最终束斑大小的多个屏幕截图。

图17表示在高梯度质子束加速器上的栅电极电压与提取的质子束电流之间的函数关系图。

图18表示表示本发明的带电粒子发生器中的电势等高线的两个图。

图19是在无磁体250MeV高梯度质子加速器中在各种聚焦电极电压设置的情况下的束流输运的对比图。

图20是靶上的边沿束流半径(上面的曲线)和芯半径(下面的曲线)相对于250MeV、150MeV、100MeV以及70MeV质子束的聚焦电极电压的四个图的对比图。

图21是本发明的具有集成的一体化带电粒子发生器和直线加速器的致动型紧凑加速器系统的示意图。

图22是表示医疗应用的本发明的一体化紧凑加速器/带电粒子源的示例性安装布置的侧视图。

图23是本发明的一体化紧凑加速器/带电粒子源的示例性竖直安装布置的立体图。

图24是本发明的一体化紧凑加速器/带电粒子源的示例性轴辐式安装布置的立体图。

图25是本发明的顺序脉冲的行波加速器的示意图。

图26是表示图25的顺序脉冲的行波加速器的短脉冲行波运行的示意图。

图27是表示传统的介电壁加速器的典型单元的长脉冲运行的示意图。

图28是表示经由束流加速对正带电粒子束进行纵向压缩的两个电极之间的电压差在时间上的坡度变化的第一示例的图。

图29是表示经由束流减速对正带电粒子束进行纵向压缩的两个电极之间的电压差在时间上的坡度变化的第二示例的图。

图30是表示经由束流加速对负带电粒子束进行纵向压缩的两个电极之间的电压差在时间上的坡度变化的第三示例的图。

图31是表示经由束流减速对负带电粒子束进行纵向压缩的两个电极之间的电压差在时间上的坡度变化的第四示例的图。

图32是本发明的顺序脉冲的行波加速器的示意图，其以两个邻近的输运线为组块进行顺序触发以产生较大的加速斗(acceleration bucket)，并还表示了通过变化触发时序而进行的交变相位聚焦。

具体实施方式

A.具有带状Blumlein的紧凑加速器

下面转到附图，图1～图12表示本发明中使用的紧凑直线加速器，其具有至少一个带状Blumlein模块，该带状Blumlein模块在第一端与第二端之间引导传播的波阵面并控制第二端处的输出脉冲。每个Blumlein模块具有第一、第二与第三平面导体带，第一电介质带在第一导体带与第二导体带之间，且第二电介质带在第二导体带与第三导体带之间。而且，紧凑直线加速器包括连接用来将第二导体带充电到高电势的高压电源，以及用于将第二导体带中的高电势切换到第一导体带与第三导体带中的至少一个的开关，以便在相应电介质带中启动传播的相反极性的波阵面。

紧凑直线加速器具有至少一个带状Blumlein模块，该带状Blumlein模块引导在第一端与第二端之间传播的波阵面并控制第二端处的输出脉冲。每个Blumlein模块具有第一、第二与第三平面导体带，第一电介质带在第一导体带与第二导体带之间，且第二电介质带在第二导体带与第三导体带之间。而且，紧凑直线加速器包括连接用来将第二导体带充电到高电势的高压电源，以及用于将第二导体带中的高电势切换到第一导体带与第三导体带中的至少一个的开关，以便在相应电介质带中启动传播的相反极性的波阵面。

图1～图2表示总体以附图标记10表示的紧凑直线加速器的第一示例性实施例，且其包括连接于开关18的单个Blumlein模块36。紧凑加速器还包括经由开关18给Blumlein模块36提供高电势的合适的高压电源(未图示)。通常，Blumlein模块具有带状构造、即狭长几何形状，通常有均匀的宽度但不限于此。图1与图2所示的具体的Blumlein模块11具有在第一端11与第二端12之间延伸的加长的束状或板状直线构造，并具有比长度l相对较窄的宽度w_n(图2与图4)。该Blumlein模块的带状构造用于将传播的电信号波从第一端11引导到第二端12，并从而控制第二端处的输出脉冲。具体地，波阵面的形状可通过恰当地配置模块的宽度加以控制，例如通过如图6所示的那样使宽度逐渐变窄。带状构造使紧凑加速器能够克服传播的波阵面的变化的阻抗，如在背景技术中关于Carder的盘状模块讨论的那样，当波阵面径向地传导以会聚到中央孔时，可出现该变化的阻抗。且以此方式，通过模块10的带状或束状构造可产生平坦的输出(电压)脉冲而不使脉冲变形，并从而防止粒子束接收到时变的能量增益。在此处与权利要求书中，第一端11是指连接于例如开关18等开关的端，而第二端12是邻近于诸如用于粒子加速的输出脉冲区域等负载区域的端。

如图1与图2所示，基本Blumlein模块10的窄的束状结构包括三个平面导体，这三个平面导体为薄带状并被同样为加长但较厚的带状的介电材料隔开。具体地，第一平面导体带13与中间的第二平面导体带15由填充在二者之间的空间中的第一介电材料14隔开。且第二平面导体带15与第三平面导体带16由填充在二者之间的空间中的第二介电材料17隔开。优选地，由介电材料产生的隔离将平面导体带13、15与16定位于所示的彼此平行的位置。如图所示，第三介电材料19连接用于为平面导体带与电介质带13～17提供封盖。第三介电材料19用于使波合成并仅允许脉冲电压跨越真空壁，从而减少应力施加到壁的时间并实现更高的梯度。第三介电材料19还可用作变换波的区域，即在将波施加到加速器之前提升电压、改变阻抗等的区域。这样，第三介电材料19与第二端12通常表示为邻近于由箭头20表示的负载区域。具体地，箭头20表示粒子加速器的加速轴线并指向粒子加速的方向。应当意识到，如背景技术中所讨论的，加速的方向取决于快速输运线与慢速输运线通过两个电介质带的路径。

在图1中，开关18表示为连接于平面导体带13、15和16的各自的第一端，即连接于模块36的第一端11。开关用于一开始将外部平面导体带13、16连接到地电势并将中间导体带15连接到高压源(未图示)。随后操作开关18用于在第一端进行短路，以便启动通过Blumlein模块传播的电压波阵面并在第二端产生输出脉冲。具体地，根据Blumlein模块是配置用于对称还是非对称运行，开关18可在至少一个电介质中启动从第一端到第二端传播的相反极性波阵面。当配置为用于非对称运行时，如图1与图2所示，以类似于Carder的专利中描述的方式，Blumlein模块包括介电常数和厚度不同(d₁≠d₂)的介电层14、17。Blumlein的非对称运行产生穿过介电层的不同的传播波速。然而，如图12所示，当Blumlein模块配置为用于对称运行时，电介质带95、98具有相同的介电常数，且宽度与厚度也相同(d₁＝d₂)。此外，如图12所示，磁材料还紧靠第二电介质带98布置，从而在该带中波阵面的传播受到抑制。以此方式，开关用于启动仅在第一电介质带95中传播的相反极性波阵面。应当意识到，开关18是用于非对称或对称Blumlein模块运行的适当的开关，这些开关例如有气体放电闸刀开关、表面击穿闸刀开关、固态开关、光敏开关等。且还应该明白，可恰当地选择开关与介电材料的种类/尺寸，以使紧凑加速器能够以各种加速梯度运行，包括例如超过每米二十兆伏的梯度。然而，根据设计，也可以达到较低的梯度。

在一个优选实施例中，第二平面导体具有由通过第一电介质带的特征阻抗Z₁＝k₁g₁(w₁，d₁)定义的宽度w₁。k₁是由第一介电材料的磁导率与介电常数的比的平方根定义的第一电介质带的第一电常数，g₁是由邻近的导体的几何形状效应定义的函数，且d₁是第一电介质带的厚度。且第二电介质带具有由通过第二电介质带的特征阻抗Z₂＝k₂g₂(w₂，d₂)定义的厚度。这种情况下，k₂是第二介电材料的第二电常数，g₂是由邻近的导体的几何形状效应定义的函数，且w₂是第二平面导体带的宽度，且d₂是第二电介质带的厚度。以此方式，由于非对称Blumlein模块中所需的电介质不同导致阻抗不同，阻抗可通过调节关联的线的宽度而保持恒定。于是可以将更大能量传递给负载。

图4与图5表示Blumlein模块的示例性实施例，其第二平面导体带42的宽度窄于第一平面导体带41与第二平面导体带42以及第一电介质带44与第二电介质带45的宽度。在该具体配置中，通过延伸电极41与43，由于电极42不再能容易地将能量耦合到先前的或随后的Blumlein上，故抑制了背景技术中讨论的破坏性干涉层间耦合。此外，模块的另一示例性实施例优选地具有沿着长度方向l(见图2、图4)变化的宽度，以便控制和定形输出的脉冲形状。这在图6中有所表示，图6表示了随着模块朝着中央负载区域径向地向内延伸而宽度逐渐变窄的情形。且在另一优选实施例中，选择Blumlein模块的介电材料和尺寸，使得Z₁大致等于Z₂。如先前所讨论，匹配的阻抗可防止形成产生振荡输出的波。

而且优选地，在非对称Blumlein配置中，第二电介质带17的传播速度大致地小于第一电介质带14的传播速度，例如是3∶1，其中传播速度分别由v₂和v₁定义，其中v₂＝(μ₂ε₂)^-0.5且v₁＝(μ₁ε₁)^-0.5；磁导率μ₁和介电常数ε₁是第一介电材料的材料常数；且磁导率μ₂和介电常数ε₂是第二介电材料的材料常数。这可通过为第二电介质带选择介电常数为μ₁ε₁的材料实现，所述μ₁ε₁大于第一电介质带的介电常数μ₂ε₂。如图1所示，例如，第一电介质带的厚度表示为d₁，且第二电介质带的厚度表示为d₂，所示的d₂大于d₁。通过将d₂设置为大于d₁，不同的间隔和不同的介电常数的组合导致在第二平面导体带15的两侧具有相同的特征阻抗Z。需要注意，尽管两半的特征阻抗可相同，然而信号通过每一半的传播速度不必一定相同。虽然可恰当地选择电介质带的介电常数和厚度以影响不同的传播的速度，然而应当意识到，实现加长的带状结构和配置不必利用非对称Blumlein概念、即具有不同的介电常数和厚度的电介质。由于通过Blumlein模块的加长的束状几何形状和配置可以实现受控的波形的优点，而且不通过产生高加速梯度的具体方法，故另一示例性实施例可采用交替的切换布置，例如图12所讨论的涉及对称Blumlein运行的布置。

紧凑加速器可替代地配置为具有彼此对齐堆叠的两个以上加长的Blumlein模块。例如，图3表示具有彼此对齐堆叠在一起的两个Blumlein模块的紧凑加速器21。两个Blumlein模块形成平面导体带和电介质带24～32的交替堆栈，其中，平面导体带32由两个模块公用。且导体带将堆叠的模块的第一端22连接到开关33。还设有给堆叠的模块的第二端23提供封盖的介电壁34，介电壁34邻近于由加速轴线箭头35所表示的负载区域。

紧凑加速器还可配置为具有至少两个Blumlein模块，所述两个模块定位为在圆周上围绕中央负载区域。此外，每个在圆周上围绕的模块可另外包括堆叠为与第一模块对齐的一个以上另外的Blumlein模块。例如，图6表示具有两个Blumlein模块堆栈51和53的紧凑加速器50的示例性实施例，这两个堆栈围绕着中央负载区域56。每个模块堆栈表示为四个独立地运行的Blumlein模块(图7)的堆栈，且分别连接于关联的开关52和54。应当意识到，彼此对齐的Blumlein模块的堆栈增加了沿着加速轴线的区段的覆盖范围。

在图8和图9中，以附图标记60表示了紧凑加速器的另一示例性实施例，其具有两个以上导体带，例如61和63，它们各自的第二端被以65表示的环形电极连接。环形电极配置用于克服任何方位角平均，所述方位角平均可发生于诸如图6和图7的布置中，在所述布置中，一个以上在圆周上围绕的模块朝着中央负载区域延伸，而不完全地围绕所述区域。如图9中所能最清楚地看到，由61和63表示的每个模块堆栈分别连接于关联的开关62和64。此外，图8和图9表示了沿着环形电极的内径布置的绝缘体套管68。或者，还表示了环形电极65之间布置有分开的绝缘材料69。作为导体带之间的介电材料的替代，还可使用导电箔66与绝缘箔66′的交替层。交替的层可形成为层叠结构以此代替单个电介质带。

且图10与图11表示紧凑加速器的两个另外的示例性实施例，在图10中总体以附图标记70表示，且在图11中以附图标记80表示，每个紧凑加速器具有带非线性带状构造的Blumlein模块。这种情况下，非线性带状构造表示为曲线或蜿蜒的形式。在图10中，加速器70包括表示为在圆周上围绕且朝着中央区域延伸的四个模块71、73、75和77。每个模块71、73、75和77分别连接于关联的开关72、74、76和78。从该布置中可以看到，每个模块的第一端与第二端之间的直接径向距离小于非线性模块的总长度，这能够使加速器紧凑，同时增加电输运路径。图11表示与图10类似的布置，加速器80具有表示为在圆周上围绕并朝着中央区域延伸的四个模块81、83、85和87。每个模块81、83、85和87分别连接于关联的开关82、84、86和88。此外，模块的径向内端即第二端通过环形电极89彼此连接，这提供了图8中讨论的优点。

B.顺序脉冲的行波加速模式

静态中的感应直线加速器(LIA)沿着其整个长度缩短。于是，带电粒子的加速依赖于结构产生瞬时电场梯度的能力，并将有序的所施加的加速脉冲序列与邻接的脉冲形成线隔离。在现有技术的LIA中，该方法通过以下方式实现，即优选地当存在带电粒子束时，使脉冲形成线在短时间内担任来自结构的内部的一系列堆叠的电压源。用于产生该加速梯度并提供所需的隔离的典型装置通过在加速器内使用磁芯并使用脉冲形成线本身的过渡时间实现。后者包括由任何连接电缆导致的增加的长度。在加速瞬态出现后，因为磁芯的饱和，系统再次沿着其长度出现短路。所述现有技术系统的缺点在于，由于加速区域的有限的空间限度和磁材料昂贵且庞大，从而加速梯度相当低(～0.2-0.5MV/m)。此外，即使最好的磁材料也不能响应快速脉冲而不严重地消耗电能。于是如果需要芯的话，要建立这种高梯度加速器，最好的情况是不实际，最差的情况是在技术上不可行。

图25表示总体以附图标记160表示的本发明的具有长度l的顺序脉冲的行波加速器的示意图。加速器的每个输运线表示为具有长度ΔR和宽度δl，且束流管具有围绕加速轴线的直径d。设有触发控制器161用于触发一组开关162，每个开关能够激励单个输运线，且束流管壁的相应的短轴向长度δl具有电长度(即脉宽)为τ的加速脉冲。具体地，触发控制器161能够依次触发开关，以产生穿过触发的输运线并朝着束流管传播的波阵面164。随着触发的输运线中的传播的波阵面到达束流管，移动的轴向电场、即“行波”在束流管中产生并与轴向穿越的脉冲带电粒子束同步地沿着束流管传播，以依次地传递能量给粒子。触发控制器161可单独地触发每个开关，以便沿着束流管壁的轴向长度δl产生对应于激励线的加速脉冲；且还依次地单独切换邻近的输运线，从而行波加速场的物理轴向长度也是δl。

或者，触发控制器161能够同时地切换形成组块的至少两个邻近的输运线，以便对应于沿着束流管壁的轴向长度nδl产生对应于该组块的加速脉冲，这里n是任何时刻的相邻的被激励线的数目，且n≥1。而且，触发控制器161能够依次切换相邻的组块，以便行波加速场的物理轴向长度也是nδl。以此方式，形成大的加速“斗”以捕捉粒子束的整个长度用于加速。这在短脉冲介电壁加速器的情况下特别有用，在短脉冲介电壁加速器中，通过触发单个输运线产生的行波的空间宽度、即轴向长度δl短于或与带电粒子的压缩后的束流长度相当。图29表示了包括两个邻近的输运线的组块的顺序触发，从而行波的轴向长度为2δl。

应当意识到，无论在单个线序触发还是在多个相邻线的组块触发的情况下，不是所有脉冲形成线或组块都需要为了运行加速器而被触发。具体地，根据应用要求，一些脉冲形成线可不被触发，使得加速梯度仅沿着加速轴线的某些区段产生，且系统的总能量可控制。在这种情况下，优选地不切换下游线和/或组块，而利用上游线和/或组块。此外，还应明白，线和/或组块的顺序触发可能不要求首先触发的线或组块和最后触发的线或组块之间的所有线和/或组块都被切换。例如，可仅利用偶数号的脉冲形成线。

一些示例尺寸用于说明目的：d＝8cm，τ＝几纳秒(例如1～5纳秒用于质子加速，100皮秒到几纳秒用于电子加速)，v＝c/2，其中c＝光速。然而，应当明白，实际上本发明可伸缩到任何尺寸。优选地，束流管的直径d和长度l满足标准l＞4d，以便降低在电介质束流管的输入端和输出端处的边缘场。此外，束流管优选地满足标准：γτv＞d/0.6，其中v是波在束流管壁上的速度，d是束流管的直径，τ是脉宽，其中 $\mathrm{\τ}=\frac{2\mathrm{\ΔR}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}}{c},$ 且γ是洛伦兹(Lorentz)系数，其中 $\mathrm{\γ}=\frac{1}{\sqrt{1-\frac{{\mathrm{\υ}}^2}{c^2}}}.$ 应当注意，ΔR是脉冲形成线的长度，μ_r是相对磁导率(通常＝1)，且ε_r是相对介电常数。以此方式，沿着加速轴线产生的脉冲的高梯度至少为大约30MeV/米，且最大约150MeV/米。

与多数要求芯以产生加速梯度的这类加速器系统不同，本发明的加速器系统不需要芯即可运行，这是因为如果满足标准nδl＜1，则沿着一小段束流管的在给定时间出现的束流管的电激励可以避免短路。通过不使用芯，本发明避免了与使用芯关联的各种问题，诸如由于可达到的电压限于ΔB而使加速受到限制，其中Vt＝AΔB，其中A是芯的横截面积。因为需要脉冲电源以使芯复位，故芯的使用还会限制加速器的重复率。由于靠近给定的轴向段的未激励的输运线的瞬时隔离属性，以nδl给定脉冲的加速与导电壳体隔离。应当意识到，由于一些开关电流分流到未激励的输运线上，故因未激励的输运线的不完全的瞬时隔离属性而出现寄生波。在没有磁芯隔离以防止该分流时，这种情况当然会发生。在一些条件下，诸如在下面示例说明的那样，寄生波可以加以有利使用。在包括非对称带Blumlein的开路Blumlein堆栈的配置中，所述配置中仅切换快速/高阻抗(低介电常数)线，在未激励的输运线中产生的寄生波将在未激励的线上产生更高压，所述未激励的输运线的电压升高为超过最初的带电状态，同时较少地升高慢线上的电压。这是因为两个线串联为分压器，以经受相同的注入电流。在加速器壁出现的波升高到比最初充电的值大的值，使得可达到更高的加速梯度。

图26与图27表示长度为L的束流管中产生的梯度的不同。图26表示单个脉冲行波具有的宽度vτ少于长度L。相比之下，图27表示同时地触发所有输运线以产生跨越加速器的整个长度L的梯度的堆叠的Blumlein模块的典型运行。这种情况下，vτ大于或等于长度L。

C.带电粒子发生器：集成的脉冲离子源和注入器

图13表示本发明的带电粒子发生器110的示例性实施例，带电粒子发生器110具有诸如脉冲离子源112的离子源以及集成于单个单元中的注入器113。为了产生强脉冲离子束，需要调制提取的束流并随后需要进行聚束。首先，粒子发生器通过使用脉冲离子源112使用表面击穿放电以产生非常密集的等离子体，从而产生强脉冲离子束。等离子体密度的估计量超过7个大气压，且所述放电是迅速的，以便允许生成极其短的脉冲。传统的离子源从一定体积内的低压强气体产生等离子体放电。从该体积提取并校准离子，以用于在加速器加速中。这些系统通常限于低于0.25A/cm²的提取电流密度。该低电流密度部分地是由于在提取界面处的等离子体放电的强度造成的。

本发明的脉冲离子源具有以绝缘体桥接的至少两个电极。可用的气体种类要么溶于金属电极或在两个电极之间呈现固体形式。该几何形状引起在绝缘体上产生火花，以接收放电并电离以提取成束流的物质。优选的是，至少两个电极通过绝缘、半绝缘或半导电材料桥接，火花通过所述材料在这两个电极之间放电。包含期望的离子种类的材料是原子或分子形式或者位于电极附近。优选地，包含需要的离子种类的材料是氢(例如H2)或碳的同位素。此外，优选地至少一个电极是半多孔的，且包含原子或分子形式的期望离子种类的存储池处于电极下方。图14与图15表示以附图标记112总体表示的脉冲离子源的示例性实施例。陶瓷121表示为具有在陶瓷的表面上的阴极124与阳极123。阴极表示为围绕钯中央片124，钯中央片为其下面的H₂存储池114提供封盖。应当意识到，阴极与阳极可以反过来。且孔径板、即栅电极115定位为使其孔径与钯顶帽124对齐。

如图15所示，在阴极与阳极电极之间施加高压以产生电子发射。由于这些电极最初处于近真空条件下，在足够高的电压下，电子从阴极进行场发射。这些电子穿越空间到阳极，且一旦冲击阳极即引起局部加热。该加热释放随后被电子作用的分子，从而引起分子电离。这些分子可能是或不是期望的种类。电离后的气体分子(离子)加速回到阴极并在这种情况下冲击Pd顶帽并引起加热，Pd具有当加热时允许气体、特别是允许氢气渗透通过该材料的性能。于是，随着离子的加热足够引起氢气体局部泄漏到体积中，这些泄漏的分子被电子电离并形成等离子体。且随着等离子体积聚到足够的密度，将形成自维持的弧。于是，布置于孔径板反面的脉冲的带负电电极可用于提取离子并将这些离子注入到加速器中。在不存在提取电极时，可类似地使用合适极性的电场提取离子。且弧一旦中止，气体就会去电离。如果电极由吸气材料制成，则气体被吸收到金属电极中以随后用于下一循环。未被再次吸收的气体被真空系统排出。这种源的优点在于在脉冲的应用中真空系统的气体负载被最小化。

来自于诸如脉冲离子源112的离子源的带电粒子的提取、聚焦并输运到直线加速器由图13所示的集成的注入器段113提供。具体地，带电粒子发生器的注入器段113还用于将带电离子束横向聚焦到靶上，所述靶可以是处于带电粒子治疗设备中的病人，或用于同位素产生的靶，或用于带电粒子束的任何其它合适的靶。此外，本发明的集成的注入器使带电粒子发生器能够仅使用聚焦电场输运束流并聚焦在病人身上。系统中没有磁体。系统可独立地发送宽范围的束流电流、能量和斑大小。

图13表示与脉冲离子源112有关的注入器113的示意性布置，且图21表示集成有直线加速器131的组合带电粒子发生器132的示意图。由注入器控制整个紧凑高梯度加速器的束流提取、输运和聚焦，注入器优选地包括位于带电粒子源与高梯度加速器之间的栅电极115、提取电极116、聚焦电极117以及栅格电极119。然而值得注意，最小输运系统应包括提取电极、聚焦电极以及栅格电极。且如果需要，可对每个功能使用多于一个电极。如图18所示，所有电极的形状可以被确定为使系统的性能最优化。具有快速脉冲电压的栅电极115用于在几纳秒内导通和关闭带电粒子束。图17表示了在设计用于质子疗法的高梯度加速器中，栅极电压与提取出的束流电流之间的仿真函数关系，且各种栅极电压下的最终束斑如图16所示。在由本发明人进行的仿真中，额定的栅电极的电压是-9kV，提取电极处于-980kV，聚焦电极处于-90kV，栅格电极处于-980kV，且高梯度加速器的加速梯度是100MV/m。由于图16表示最终束斑大小对栅电极的电压设置不敏感，栅极电压提供了如图17指示的导通/关闭束流电流的简便控制方式(easy knob)。

高梯度加速器系统的注入器使用栅电极与提取电极以提取和捕捉以空间电荷为主的束流，该束流的电流由提取电极上的电压确定。加速器系统使用一组至少一个聚焦电极117以将束流聚焦在靶上。图18所示的电势等高线图表示提取电极与聚焦电极如何工作。这种情况下使用了最小聚焦/输运系统，即使用一个提取电极与一个聚焦电极。提取电极、聚焦电极以及在高梯度加速器入口处的栅格电极上的电压是-980kV、-90kV以及-980kV。图18表示定形的提取电极电压设置栅电极与提取电极之间的缝隙电压。图18还表示了在定形的提取电极、定形的聚焦电极以及栅格电极上的电压产生静电聚焦-去聚焦-聚焦区域的情形，该区域也即单透镜(Einzel lens)，单透镜对带电粒子束提供了强的净聚焦力。

尽管使用单透镜聚焦束流并不新奇，然而本发明的加速器系统完全地摒除了聚焦磁体。此外，本发明还将单透镜与其它电极结合以使靶处的束斑大小可调且不依赖于束流的电流与能量。在注入器的出口或本发明的高梯度加速器的入口处设有栅格电极119。提取电极与栅格电极设置有相同的电压。通过使栅格电极的电压与提取电极的电压相同，无论定形的聚焦电极上的电压设置如何，注入加速器的束流能量将保持相同。因此，改变定形的聚焦电极上的电压仅会改变单透镜的强度而不改变束流能量。由于束流电流由提取电极的电压确定，故可以通过调节定形的聚焦电极的电压自由地调节最终束斑，所述定形的聚焦电极的电压与束流电流和能量无关。还应当意识到，在所述系统中，其它的聚焦来自于轴向电场中的合适的梯度(即dE_z/dz)，而且是电场的时间变化率(即在z＝z_o时的dE/dt)的结果。

图19表示了在各种聚焦电极电压设置下的通过无磁体250MeV质子高梯度加速器的束流输运的仿真的束流包络图。其相应聚焦电极电压在左边给出，这些图清楚地表明通过调节聚焦电极电压可以容易地调节250MeV质子束在靶上的束斑大小。且图20表示了束斑大小相对于用于各种质子束能量的聚焦电极电压的曲线图。对每个质子能量绘制两条曲线。上面的曲线显示束流的边沿半径，且下面的曲线显示芯半径。这些图表明，对于70～250MeV、100mA的质子束，通过以100MV的加速梯度调节高梯度质子疗法加速器上的聚焦电极电压，可得到宽范围的束斑大小(2mm～2cm直径)。

采用所述集成的带电粒子发生器的紧凑高梯度加速器系统可独立地发送宽范围的束流电流、能量与束斑大小。整个加速器的束流提取、输运和聚焦由位于带电粒子源与高梯度加速器之间的栅电极、定形的提取电极、定形的聚焦电极与栅格电极控制。提取电极与栅格电极具有相同的电压设置。提取电极与栅格电极之间的定形的聚焦电极设为低电压，其形成单透镜并提供了束斑大小的调节旋钮。尽管最小输运系统包括提取电极、聚焦电极和栅格电极，如果系统需要实现强的聚焦力，可在定形的聚焦电极与栅格电极之间加设更多具有交变电压的单透镜。

D.束流输运系统与策略

本发明的另一方面利用了束流输运系统与方法，所述系统和方法可以控制两个依次排列的电极之间的电压差在时间上的坡度变化，以在注入到加速级之前纵向压缩带电粒子束。如先前讨论，可设有另外的电极以进行横向聚焦(例如在单透镜布置中)，并控制最终的束斑大小。此外，束流输运方法与系统可采用多个邻近脉冲形成线的同时切换，以产生物理尺寸大于束流长度的加速电场。此外，作为在顺序脉冲的行波加速器结构的加速级中进行交变相位聚焦的手段，所述束流输运系统与方法还可控制开关触发的时序。

如用于顺序脉冲的行波加速器的B部分中讨论的，无芯短脉冲介电壁加速器可产生非常高的梯度，且因此高度符合需要。然而，该结构存在一些缺点。首先，脉冲形成线存在寄生能量泄漏，如背景技术部分中讨论，寄生能量泄漏可导致脉冲形状的变形，使得加速的波形几乎没有平顶。且第二个缺点和限制在于，为了使介电壁具有高击穿强度，脉宽必须很短，通常在几纳秒的量级上。因为加速波形没有平顶，除非电荷束的束长度远短于波形的脉宽，否则难以维持横跨束的低能量扩散。然而，从带电粒子发生器(例如脉冲离子源)提取的带电粒子束长度上通常与加速波形E_z(t)的脉宽相当。换言之，对于经历加速脉冲的给定的轴向区段，提取的带电粒子束的所有粒子进入轴向区段并经受加速脉冲的时间与脉冲的持续时间相当，所述提取的带电粒子束具有给定的束长度和各自的粒子速度。因此，带电粒子束需要在注入短脉冲介电壁加速器之前纵向压缩。优选地，必要的纵向压缩大致是十分之一。而且，为了降低横跨束的能量扩散，整个粒子束优选地在加速级中沿着其窄段沿着上升沿或下降沿与能量(E_z)波形一致，且优选地定位于接近加速波形的峰值，以便以最大可能的加速梯度加速带电粒子束。

本发明利用带电粒子源与加速器级之间的注入器级以在带电粒子束被注入加速级之前进行纵向压缩。具体地，沿着加速轴线依次排列的两个电极优选地通过在时间上使得两个电极之间的电压差形成坡度变化以进行必要的纵向压缩，从而使粒子束的上游粒子比下游粒子具有更大的动能(动量)，以引起粒子束的纵向压缩。应当意识到，根据被加速的带电粒子的种类(正或负)以及是否通过使粒子束加速或使粒子束减速来影响纵向压缩，电压差的坡度变化既可以是向上的坡度也可以是向下的坡度。且还应当明白，诸如本领域已知的电压控制器，例如可以通过控制时间上的坡度变化的斜率而实现时间上的坡度变化操作。

两个电极之间的电压差在时间上的坡度变化的类型取决于被纵向压缩的粒子是带正电还是带负电。对带正电的粒子，使用正极性电极减速粒子，而使用负极性电极加速粒子。图28与图29表示针对带正电粒子的引起带电粒子束进行纵向压缩的电压差V_D-V_U在时间上的向下坡度变化的两个图，其中V_D是下游电极的电压，且V_U是上游电极的电压。具体地，图28的图表示借助于束流减速进行纵向压缩的情况，且图29的图表示借助于束流加速进行纵向压缩的情况。且对于带负电粒子，使用正极性电极加速粒子，而使用负极性电极减速粒子。且图30与图31表示针对带负电粒子的引起带电粒子束进行纵向压缩的电压差V_D-V_U在时间上的向上坡度变化的两个图。具体地，图30的图是借助于束流减速进行纵向压缩的情况，且图29的图是借助于束流加速进行纵向压缩的情况。

如图32所示，透镜堆栈的各种电极可用作通过时间上的电压差坡度变化进行纵向压缩的电极对。具体地，图32表示直线加速器系统200，其中，例如可选择栅电极115与提取电极116进行纵向压缩。如图所示，连接于电极的电压控制器206用于进行注入器级中的电场的时变坡度变化。然而，应当注意，可使用其它电极对(不必是栅极与提取电极)进行纵向压缩。例如，作为代替，可由图32所示的提取电极116与聚焦电极117实现电场在时间上的坡度变化调制以引起纵向压缩。

包括用于纵向压缩的坡度变化电极在内，还可沿着加速轴线设置并依次地排列至少一个横向聚焦电极，以在注入加速级之前进行粒子束的横向聚焦。如图32所示，用于控制时间上的坡度变化操作的相同电压控制器206还可用于控制横向聚焦电极以进行横向聚焦。或者，可使用单独的专用电压控制器(未图示)控制横向聚焦。在任一情况中，可使用至少一个横向聚焦电极控制产生于靶上的最终束斑大小，而与粒子束的电荷和能量无关。此外，横向聚焦电极可与一个以上坡度变化电极一起或独立于坡度变化电极排列，以进行横向聚焦。例如，在第一情况中，两个坡度变化电极与第三电极可排列成单个聚焦透镜堆栈，例如单透镜。这种情况下，第三电极的电压可设置为与第一电极相同的电压，或相对于电极117上的电压单独进行调制以影响横向聚焦的幅度。例如，在图32中，包括电极116、117与119的单透镜堆栈既可用于纵向压缩又可用于径向聚焦，通过电压控制器206使得电极116与117之间的电压差在时间上形成坡度变化，而电极119上的电压保持与电极116相同的电势。且在与通过时间上的坡度变化的纵向压缩无关地实现横向聚焦的第二情况中，一个示例性实施例可包括专用于进行纵向压缩的两个电极，同时以三个不同的电极单独用于进行横向聚焦。

第二束流输运策略涉及之前在这里B部分中讨论的依次激励的行波加速器结构和运行中使用的多个脉冲形成线。具体地，输运策略涉及同时切换多个邻近的脉冲形成线以产生物理尺寸大于束流长度的加速电场。尽管以移动的加速波已完成了短带电粒子束的捕捉，然而这些加速场的波长远长于注入的带电粒子束的物理长度。在短脉冲介电壁加速器结构中，来自单个输运线的行波的空间宽度短于或与压缩后的带电粒子束长度相当。为了以移动的加速波捕捉整个压缩后的粒子束，需要大的加速波斗。为实现较大的波斗，需要同时地接通几个输运线‘开关’的开关。这在图32中加以图示，图32表示具有多个脉冲形成线203的顺序脉冲的行波加速器结构，当由触发控制器201触发时，一组开关202产生穿过各自的线传播的波阵面(例如204与205)。加速器系统还表示为具有脉冲离子源121，脉冲离子源121与注入器部分一起形成如这里先前讨论的带电粒子发生器110。关于输运线，图32具体地表示了形成组块的两个邻近的输运线，组块被触发控制器201依次触发。以此方式，电场的空间宽度(轴向长度)由线宽度δl和组块宽度nδl限定，这里n是每个组块中的线的数目。

第三束流输运策略涉及通过控制开关触发的时序进行交变相位聚焦，使得能量脉冲在波形的上升沿或在波形的下降沿截住轴向移动的带电粒子束，以操作并控制粒子束(横向聚焦/去聚焦/纵向压缩/解压缩)以达到需要的最终靶斑大小。交变相位聚焦、即开关触发的时序(是使其纵向聚焦还是去聚焦，以及横向聚焦/去聚焦)是从注入器(单透镜堆栈)注入的已知束流大小的函数，用于实现最终束斑大小。根据束流的最初的长度及其相对于加速波形的准确相位位置，通过使空间电荷力的纵向束流扩张与上升的加速场的纵向束流压缩相平衡，对束流缓和地进行纵向压缩，或保持束流长度。在图32中，交变相位聚焦操作表示为穿过输运线组块传播的波阵面的非均匀间隔。具体地，波阵面204表示为稍微延迟且因此与在前的组块中的波阵面进一步间隔开，而波阵面205表示为稍微超前且于是更接近于在前的组块中的波阵面。交变相位聚焦表示为也受触发控制器201控制。

轴向电场在时间上的脉冲式的急速变化导致大的横向电场，如背景技术部分中讨论，该横向电场会在波形的上升沿横向地使粒子束去聚焦，并在下降沿横向地使粒子束聚焦。为使大的横向电场最小化并使加速场最大化，优选地在加速能量(E_z(t))波形的峰点附近将粒子束注入加速器。在注入器级处的纵向压缩产生当进入加速级时仍在收缩的束流的情况中，优选地将束流注入加速级，从而沿着峰值附近的上升沿遭遇能量波形。相比之下，在注入器级处的纵向压缩产生过于收缩以致再次开始扩大的束流的情况中，优选地将束流注入加速级，从而沿着峰值附近的下降沿遭遇能量波形。在任一情况中，使束流在峰点附近注入，上升的加速场的横向去聚焦力小。可选择注入器中单透镜的合适的设置以接纳加速器中的这些横向去聚焦力。

E.用于医疗的致动型紧凑加速器系统

图21表示本发明的紧凑加速器系统130的示例性示意图，其具有一体地安装或位于紧凑直线加速器131的输入端以形成带电粒子束的带电粒子发生器132，带电粒子发生器132将束流沿着加速轴线注入紧凑加速器。通过以此方式将带电粒子发生器集成到加速器中，通过如箭头135所示的致动器机构134以及束流136～138进行一体化致动能够实现相对紧凑的单元构造尺寸。在现有系统中，因为其尺寸，需要磁体从远处输运束流。相比之下，因为本发明中显著减少了尺寸，故可在紧靠期望的靶位置处全部产生、控制以及输运诸如质子束的束流，且不必使用磁体。所述紧凑系统对例如医疗加速器应用中的使用将是理想的。

所述一体化设备可安装于以133总体表示的支撑结构上，所述设备配置为使集成的粒子发生器-直线加速器致动以直接控制带电粒子束的位置和由此产生的束斑。用于安装紧凑加速器与带电粒子源的一体化组合的各种配置如图22～图24所示，但不限于这些。具体地，图22～图24表示本发明的示例性实施例，图22～图24表示了安装在各种支撑结构上的组合紧凑加速器/带电粒子源，以便于通过致动以控制束流指向。加速器与带电粒子源可从固定的底座上悬挂和铰接并指向病人(图22和图23)。在图22中，通过围绕以143表示的重心旋转单元设备可以实现一体化致动。如图22所示，集成的紧凑发生器-加速器可优选地围绕其重心作枢轴致动，以降低使加速束流定位所需的能量。然而，应当明白，在本发明的范围内可以有其它安装配置和支撑结构，以使紧凑加速器与带电粒子源的这样的紧凑且一体化的组合受到致动。

应当意识到，各种加速器结构可用于与带电粒子发生器集成在一起，这实现了紧凑的致动结构。例如，加速器结构可采用先前描述的Blumlein模块构造中的两条输运线。输运线优选地是平行板输运线。此外，输运线优选地具有如图1～图12所示的带状结构。而且，可使用具有快速的(纳秒)关闭时间的各种高压开关，例如SiC光敏开关、气体开关或油开关。

且可使用本领域已知的各种致动机构和系统控制方法控制加速器系统的致动和运行。例如，可使用简单的球形螺钉、步进电机、螺线管、电激励的平移装置和/或气动装置等控制加速器束流定位和运动。这使得束流路径的编程与CNC设备中普遍使用的编程语言即使不同也非常类似。应当意识到，致动机构用于使集成的粒子发生器-加速器进行机械动作或运动，以便控制加速束流方向和束斑位置。出于这种考虑，系统具有至少一个旋转自由度(例如用于绕质心做枢轴转动)，但优选地具有六个自由度(DOF)，这是完全地规定物体或系统的移位或形变位置的一组独立的位移，如本领域所知，这六个自由度包括三个平移和三个转动。平移表示在三个维度中的每一个中移动的能力，而转动表示绕三个垂直轴改变角度的能力。

加速束流参数的精度可由以图22中的测量盒147表示的主动定位、监测以及反馈定位系统(例如位于病人145处的监视器)控制，所述系统设计用于控制和定向加速器的系统。且系统控制器146表示为可以基于下述参数的至少一个控制加速器系统，所述参数有束流方向、束斑位置、束斑大小、剂量、束流强度以及束流能量。基于布拉格(Bragg)峰以能量相对精确地控制深度。系统控制器优选地还包括前馈系统，以用于监视和提供关于至少一个参数的前馈数据。且由带电粒子和加速器产生的束流可配置为向病人产生振荡投影。优选地，在一个实施例中，振荡投影是具有不断地变化的半径的圆。在任何情况下，束流的应用可基于下述参数的一个或组合进行主动地控制：位置、剂量、束斑大小、束流强度、束流能量。

尽管描述和/或表示了具体操作顺序、材料、温度、参数以及具体实施例，然而这些不是限制。改进和变化对本领域的普通技术人员而言是显而易见的，且期望本发明仅由所附权利要求书的范围进行限制。

Claims (18)

1.一种直线加速器系统，其包括：

带电粒子源，其用于产生带电粒子束；

直线加速器，其用于沿着加速轴线产生至少一个加速梯度；

透镜堆栈，其具有沿着所述带电粒子源与所述直线加速器之间的加速轴线依次排列的两个电极；以及

电压控制器装置，其用于使得所述两个电极之间产生的电压差在时间上形成坡度变化，以使所述粒子束的上游粒子比下游粒子具有更大的动能，从而在所述带电粒子束被注入所述直线加速器之前对所述带电粒子束进行纵向压缩。

2.如权利要求1所述的直线加速器系统，

其中，所述透镜堆栈还包括至少一个另外的电极，其沿着所述带电粒子源与所述直线加速器之间的所述加速轴线依次排列；并且

所述直线加速器系统还包括控制所述至少一个另外的电极的电压的电压控制器装置，该电压控制器装置用于控制所述带电粒子束被注入所述直线加速器之前的横向聚焦，并从而与所述带电粒子束的电流与能量无关地控制束斑大小。

3.如权利要求1所述的直线加速器系统，

其中，所述直线加速器包括：

介电壁束流管，其围绕所述加速轴线；

多个脉冲形成线，其横向延伸到所述介电壁束流管并沿着所述介电壁束流管依次排列，每个所述脉冲形成线具有可连接到高电势的开关，所述高电势用于使至少一个电波阵面穿过所述脉冲形成线独立于其它脉冲形成线传播，以产生邻近于围绕所述加速轴线的所述介电壁束流管的对应的短轴向长度的短加速脉冲；以及

触发控制器，其用于依次激励对应于邻近的脉冲形成线的组块的包括至少一个开关的开关组中的所述开关，从而由此依次产生的短加速脉冲的组形成与所述注入带电粒子束大致同步地沿着所述加速轴线传播的移动轴向电场，以将加速能量依次地传递给注入的所述带电粒子束。

4.如权利要求3所述的直线加速器系统，

其中，所述触发控制器用于依次激励所述开关组，从而使所述移动的轴向电场的轴向长度大于注入的所述带电粒子束。

5.如权利要求3所述的直线加速器系统，

其中，所述触发控制器用于通过控制每个所述开关组相对于所述移动的轴向电场的E_z(t)能量波形的峰值的激励时序来进行交变相位聚焦，从而沿着所述移动的轴向电场的所述E_z(t)能量波形的显著的上升沿或显著的下降沿将加速能量传递给注入的所述带电粒子束。

6.如权利要求3所述的直线加速器系统，

其中，所述触发控制器用于给第一开关组的所述激励定时，从而沿着所述移动的轴向电场的所述E_z能量波形的所述显著的上升沿并在所述峰值附近，将加速能量首先传递给注入的所述带电粒子束。

7.如权利要求1所述的直线加速器系统，

其中，所述透镜堆栈的第一所述电极是用于从所述带电粒子源提取所述带电粒子束并将所述带电粒子束注入到所述直线加速器中的提取电极。

8.一种短脉冲介电壁加速器系统，其包括：

脉冲离子源，其用于产生带电粒子束；

介电壁束流管，其围绕加速轴线并具有入口端与出口端；

多个脉冲形成线，其从横向上连接于所述介电壁束流管并沿着所述介电壁束流管依次地排列，每个所述脉冲形成线具有可连接到高电势的开关，所述高电势用于使至少一个电波阵面穿过所述脉冲形成线独立于其它脉冲形成线传播，以产生邻近于所述介电壁束流管的对应的短轴向长度的短加速脉冲；

透镜堆栈，其包括两个纵向压缩电极以及至少一个横向聚焦电极，所有这些电极沿着所述脉冲离子源与所述介电壁束流管的所述入口端之间的所述加速轴线依次地排列；

电压控制器装置，其用于使得所述两个纵向压缩电极之间产生的电压差在时间上形成坡度变化，以使所述粒子束的上游粒子比下游粒子具有更大的动能，从而在所述带电粒子束被注入所述直线加速器之前对所述带电粒子束进行纵向压缩，所述电压控制器装置还用于控制所述横向聚焦电极的电压以控制所述带电粒子束被注入所述直线加速器之前的横向聚焦，并从而与所述带电粒子束的电流与能量无关地控制束斑大小；

以及

触发控制器，其用于依次激励对应于邻近的脉冲形成线的组块的包括至少一个开关的开关组中的所述开关，从而由所述开关组依次产生的短加速脉冲的组形成与所述注入带电粒子束大致同步地沿着所述加速轴线传播的移动的轴向电场，以将加速能量依次地传递给注入的所述带电粒子束。

9.如权利要求8所述的短脉冲介电壁直线加速器系统，

其中，所述触发控制器用于依次激励所述开关组，从而使所述移动的轴向电场的轴向长度大于注入的所述带电粒子束。

10.如权利要求8所述的短脉冲介电壁直线加速器系统，

其中，所述触发控制器用于通过控制每个所述开关组相对于所述移动的轴向电场的E_z(t)能量波形的峰值的激励时序来进行交变相位聚焦，从而沿着所述移动的轴向电场的所述E_z(t)能量波形的显著的上升沿或显著的下降沿将加速能量传递给注入的所述带电粒子束。

11.一种用于纵向压缩由带电粒子源产生的带电粒子束的束流输运方法，该方法包括：

沿着邻近于所述带电粒子源的所述加速轴线提供依次地排列的两个纵向压缩电极与至少一个横向聚焦电极；

使得第一电极与第二电极之间产生的电压差在时间上形成坡度变化，以使得所述粒子束的上游粒子比下游粒子具有更大的动能，从而在所述带电粒子束沿着所述加速轴线的飞行过程中对所述带电粒子束进行纵向压缩；以及

控制所述横向聚焦电极的电压，以控制所述带电粒子束在沿着所述加速轴线的飞行过程中的所述横向聚焦。

12.一种用于直线加速器的束流输运方法，该方法包括：

提供直线加速器系统，该系统包括：带电粒子源；直线加速器，其用于沿着加速轴线产生至少一个加速梯度；以及透镜堆栈，其包括沿着所述带电粒子源与所述直线加速器之间的所述加速轴线依次排列的两个电极；

从所述带电粒子源产生带电粒子束；

将所述带电粒子束提取到所述透镜堆栈中；

使得所述两个电极之间产生的电压差在时间上形成坡度变化，以使所述粒子束的上游粒子比下游粒子具有更大的动能，从而在所述带电粒子束被注入所述直线加速器之前对所述带电粒子束进行纵向压缩；以及

将所述纵向压缩后的带电粒子束注入到所述直线加速器中。

13.如权利要求12所述的束流输运方法，

其中，所述透镜堆栈还包括沿着所述带电粒子源和所述直线加速器之间的所述加速轴线依次排列的至少一个另外的电极；以及

所述方法还包括控制所述至少一个另外的电极的电压，以控制所述带电粒子束在注入所述直线加速器之前的横向聚焦，并从而与所述带电粒子束的电流与能量无关地控制束斑大小。

14.如权利要求12所述的束流输运方法，

其中，所述直线加速器包括：多个脉冲形成线，其横向延伸到所述加速轴线并沿着所述加速轴线依次排列，每个所述脉冲形成线具有可连接到高电势的开关，所述高电势用于使至少一个电波阵面穿过所述脉冲形成线独立于其它脉冲形成线传播，以产生邻近于所述加速轴线的相应短轴向长度的短加速脉冲；并且，

所述方法还包括依次激励对应于邻近的脉冲形成线的组块的包括至少一个开关的开关组中的所述开关，从而由此依次产生的短加速脉冲的组形成与所述注入带电粒子束大致同步地沿着所述加速轴线传播的移动的轴向电场，以将加速能量依次地传递给注入的所述带电粒子束。

15.如权利要求14所述的束流输运方法，

其中，所述依次激励的步骤包括为第一开关组的所述激励进行定时，从而沿着所述移动的轴向电场的E_z能量波形的显著的上升沿并在峰值附近，将加速能量首先传递给注入的所述带电粒子束。

16.如权利要求14所述的束流输运方法，

其中，所述依次激励的步骤包括依次激励所述开关组，从而所述移动的轴向电场具有的轴向长度大于注入的所述带电粒子束。

17.如权利要求14所述的束流输运方法，

其中，所述依次激励的步骤包括通过控制每个所述开关组相对于所述移动的轴向电场的所述E_z(t)能量波形的峰值的激励时序来进行交变相位聚焦，从而沿着所述移动的轴向电场的所述E_z(t)能量波形的显著的上升沿或显著的下降沿，将加速能量传递给注入的所述带电粒子束。

18.如权利要求12所述的束流输运方法，

其中，通过控制所述两个电极中的上游的一个电极作为提取电极，将所述带电粒子束提取到所述透镜堆栈中。

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