CN101815399A - 重离子治癌同步加速器中射频激励引出方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种将重离子治癌同步加速器中的重离子束在一定时间内(通常是秒量级)均匀引出到治癌终端的方法及其装置。一种重离子治癌同步加速器中射频激励引出方法，包括有如下步骤：1.采用四极磁铁调整储存束流的水平包络振荡波数Q接近同步加速器三分之一共振线；2.在引出开始阶段，改变六极磁铁强度，使束流动力学孔径缩小，最终同步加速器相空间稳定区域刚好大于储存束流的发射度；3.在引出过程中，在储存环激励处施加射频电场，并保证在相空间中，同一个离子被射频电场作用的位置相同；离子在射频电场的作用下，发射度逐渐增大，最终逃逸出相空间稳定区域，进入静电偏转板被引出。

Description

重离子治癌同步加速器中射频激励引出方法及其装置

技术领域：

本发明主要涉及一种将重离子治癌同步加速器中的重离子束在一定时间内(通常是秒量级)均匀引出到治癌终端的方法及其装置。

背景技术：

由于重离子束照射中倒转的深度剂量分布(Bragg峰)、侧向散射小、较高的相对生物学效应(RBE)和低的氧增比(OER)等特点，使重离子束治癌成为当今国际上先进有效的癌症放射治疗方法。目前，只有少数发达国家及我国开展相应研究，初步临床治疗试验研究结果显示重离子束治癌具有非常显著的疗效，且没有明显的毒副作用。

同步加速器是质子、重离子治癌最常用的加速器装置。其运行模式是将预加速器(如回旋加速器)提供的重离子束注入同步加速器，在同步储存环中将离子累积到临床需要的流强，并加速至临床所需能量，然后引出到治癌终端进行肿瘤治疗。癌症治疗对束流的基本要求是质子或重离子需要均匀照射在病灶处，这要求同步加速器能够在秒量级内将环内重离子逐渐均匀的引出。

公知的重离子治癌同步加速器中实现引出的方法都是1/3共振引出，在实际应用中往往采用缩小束流相空间的稳定区域的方法，让同步加速器中的离子运动在稳定区域之外。在非稳定区域运动的离子，其横向位置逐渐偏离中心轨道，最终进入静电偏转板引出。

这种引出方法的一个缺陷在于，缩小束流相空间稳定区域需要采用快四极磁铁，而快四极磁铁要求有非常快速的充放电电源，造成了工艺的复杂和成本提高。

发明内容：

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种重离子治癌同步加速器中重离子的引出方法及其装置，实现同步加速器中重离子的秒量级时间内均匀引出，满足重离子治癌的需要。本发明方法通过在位于同步加速器中一直线段内施加射频电场，并配合同步加速器内已有的四极磁铁、六极磁铁，而不需要增加特殊和复杂设备，即可实现同步加速器内束流长时间、均匀的引出。

本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现：一种重离子治癌同步加速器中射频激励引出方法，包括有如下步骤：

1)用四极磁铁调整储存束流的水平包络振荡波数Q接近同步加速器三分之一共振线，即(Q＝2n±1/3)，其中n是正整数；

2)在引出开始阶段，改变六极磁铁强度，使束流动力学孔径缩小，最终同步加速器相空间稳定区域刚好大于储存束流的发射度。六极磁铁的规范化强度 $S={\mathrm{\β}}_x^{3/2}{l}_s{k}_2/2,$ 其中β_x是六极磁铁位置处的包络振荡振幅，l_s是六极磁铁长度，k₂是六极磁体的强度；由于六极磁铁的施加，使得储存束流在相空间的稳定区域的面积为 $48\sqrt{3}\mathrm{\π}{\left(\mathrm{\δQ}\right)}^2\mathrm{\π}/S^2,$ 其中δQ＝Q-n±1/3是振荡波数距离共振条件的大小，|δQ|＜＜1/3；

3)在引出过程中，在储存环激励处施加射频电场，并保证在相空间中，同一个离子被射频电场作用的位置相同；离子在射频电场的作用下，发射度逐渐增大，最终逃逸出相空间稳定区域，进入静电偏转板被引出。

所述的重离子治癌同步加速器中射频激励引出方法，其步骤3)中所述的射频电场的频率为同步加速器中储存离子的回旋频率与振荡频率小数部分的乘积：(n+q)×f_rev；

其中n是正整数，q是振荡频率的小数部分，f_rev是同步加速器中存储离子的回旋频率。

所述的一种重离子治癌同步加速器中射频激励引出装置，其主要特点在于，包括四极磁铁(7-1至7-30)、六极磁铁(8-1至8-8)、射频电场激励装置(10)、静电偏转板(9-1至9-2)和切割磁铁(6)。

所述的重离子治癌同步加速器中射频激励引出装置，在同步加速器靠近引出点的直线段(2-2)和弯曲段(1-3)分别设有静电偏转板(9-1和9-2)，在直线段(2-1至2-8)设有用于聚焦和调整振荡频率的四极磁铁(7-1至7-30)，在直线段(2-1、2-3、2-5和2-7)分别设有用于色品校正和激发束流共振的六极磁铁(8-3/8-4、8-8/8-7、8-5/8-6、8-1/8-2)，在直线段(2-8)设有用于激励束流发生横向共振的射频激励装置(10)，偏转出同步加速器后用于调整束流方向的环外切割磁铁(6)。

所述的重离子治癌同步加速器中射频激励引出装置，其特征是，所述的射频激励装置(10)，包括用于产生激励电场的极板(11)和(12)。

本发明的有益效果是，射频激励装置结构简单，实现了同步加速器中储存束流在长时间内的均匀引出，在重离子治癌的临床实践中，长时间的引出束流可以使肿瘤细胞接受的有效剂量增大，同时良好的均匀性也保证了肿瘤细胞周围的健康组织不受损伤。

附图说明：

本发明的最佳实施例结合附图进一步阐述。

图1为最佳实施例的同步加速器结构示意图的上半部分；

图2为最佳实施例的同步加速器结构示意图的下半部分；

图3为最佳实施例的射频激励装置示意图；

图4为引出轨道示意图；

图5为相空间内离子束从3个方向射出的示意图。射出方向的个数反映了离子共振的阶数，射出方向可以通过八个单独可调的六极磁铁进行调节。

图中所述本发明所述系统部件名称如下：

1-1至1-8——同步加速器弯曲段；

2-1至2-8——同步加速器直线段；

3-1至3-16——二极磁铁；

4-1至4-4——踢轨磁铁；

5——注入切割磁铁；

6——引出切割磁铁；

7-1至7-30——四极磁铁；

8-1至8-8——六极磁铁；

9-1至9-2——静电偏转板；

10——射频激励装置；

11——垂直激励极板；

12——水平激励极板；

具体实施方式：

实施例1：具体以该发明装置实施一次治癌终端癌症照射治疗研究为实施例说明本发明方法，图1和图2是本发明的最佳实施例，其运行过程描述为：

1.ECR离子源提供¹²C⁴⁺离子，经过扇聚焦回旋加速器SFC(能量常数K＝69)加速至能量为7.0MeV/u，并输送至CSR主环入口，流强为4.8微安；

2.采用多圈注入方法，将¹²C⁴⁺离子注入到CSR主环中，并在电子冷却作用下，累积到离子数目为10⁸量级，此时通过四极磁铁设置的水平振荡频率为3.62；

3.在高频加速腔的作用下，7.0MeV/u的¹²C⁴⁺离子束被加速至200MeV/u；

4.当¹²C⁴⁺离子束流能量达到引出能量200MeV/u时，开始引出过程，首先通过调节30台单独可调的四极磁铁，使水平振荡频率为3.615，将静电偏转板电压设定为对应200MeV/u¹²C⁴⁺离子束流的45kV；

5.将8块单独可调节的六极磁铁设定到计算强度；此计算值对应为相空间内束流稳定区域刚好等于同步加速器内束流在相空间内的面积；

6.施加射频激励电场，电压峰-峰值5kV，频率1.758MHz，重离子束流在3秒内被均匀引出。

实施例2：一种重离子治癌同步加速器中射频激励引出装置，见图1、图2，包括四极磁铁7-1至7-30、六极磁铁8-1至8-8、射频电场激励装置10、静电偏转板9-1至9-2和切割磁铁6。

在同步加速器靠近引出点的直线段2-2和弯曲段1-3分别设有静电偏转板9-1和9-2，在直线段2-1至2-8设有用于聚焦和调整振荡频率的四极磁铁7-1至7-30，在直线段2-1、2-3、2-5和2-7分别设有用于色品校正和激发束流共振的六极磁铁8-3/8-4、8-8/8-7、8-5/8-6、8-1/8-2，在直线段2-8设有用于激励束流发生横向共振的射频激励装置10，偏转出同步加速器后用于调整束流方向的环外切割磁铁6。

所述的射频激励装置10，包括用于产生激励电场的垂直对称极板11和水平对称极板12。

图3示意性显示了最佳实施例上射频激励装置，其具有水平对称极板12和垂直对称极板11的两对极板，射频激励信号施加在极板上，在束流通过的轨道上产生激励电场，射频电场是离子运动发生振荡。

图4示意性显示了射频激励引出的束流运动轨迹。示意图显示了束流逐渐靠近静电偏转板9-1、9-2而被引出。

图5示意性显示了射频激励引出过程中，束流被振荡而尺寸逐渐增大的过程，其发射方向的个数说明引出为三分之一共振引出，其发射方向可以通过调整六极磁铁8-1至8-8的强度改变。

Claims (5)

1.一种重离子治癌同步加速器中射频激励引出方法，包括有如下步骤：

1)采用四极磁铁调整储存束流的水平包络振荡波数Q接近同步加速器三分之一共振线，即(Q＝2n±1/3)，其中n是正整数；

2)在引出开始阶段，改变六极磁铁强度，使束流动力学孔径缩小，最终同步加速器相空间稳定区域刚好大于储存束流的发射度。六极磁铁的规范化强度 $S={\mathrm{\β}}_x^{3/2}{l}_s{k}_2/2,$ 其中β_x是六极磁铁位置处的包络振荡振幅，l_s是六极磁铁长度，k₂是六极磁体的强度；由于六极磁铁的施加，使得储存束流在相空间的稳定区域的面积为其中δQ＝Q-n±1/3是振荡波数距离共振条件的大小，|δQ|＜＜1/3；

3)在引出过程中，在储存环激励处施加射频电场，并保证在相空间中，同一个离子被射频电场作用的位置相同；离子在射频电场的作用下，发射度逐渐增大，最终逃逸出相空间稳定区域，进入静电偏转板被引出。

2.如权利要求1所述的重离子治癌同步加速器中射频激励引出方法，其步骤3)中所述的射频电场的频率为同步加速器中储存离子的回旋频率与振荡频率小数部分的乘积：(n+q)×f_rev；

其中n是正整数，q是振荡频率的小数部分，f_rev是同步加速器中存储离子的回旋频率。

3.如权利要求1所述的一种重离子治癌同步加速器中射频激励引出装置，其特征在于，包括四极磁铁(7-1至7-30)、六极磁铁(8-1至8-8)、射频电场激励装置(10)、静电偏转板(9-1至9-2)和切割磁铁(6)。

4.如权利要求3所述的重离子治癌同步加速器中射频激励引出装置，其特征是在同步加速器靠近引出点的直线段(2-2)和弯曲段(1-3)分别设有静电偏转板(9-1和9-2)，在直线段(2-1至2-8)设有用于聚焦和调整振荡频率的四极磁铁(7-1至7-30)，在直线段(2-1、2-3、2-5和2-7)分别设有用于色品校正和激发束流共振的六极磁铁(8-3/8-4、8-8/8-7、8-5/8-6、8-1/8-2)，在直线段(2-8)设有用于激励束流发生横向共振的射频激励装置(10)，偏转出同步加速器后用于调整束流方向的环外切割磁铁(6)。

5.如权利要求3所述的重离子治癌同步加速器中射频激励引出装置，其特征是，所述的射频激励装置(10)，包括用于产生激励电场的极板(11)和(12)。

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