CN105517316B - 加速管、加速带电粒子的方法以及医用直线加速器 - Google Patents

Abstract

一种加速管，包括至少三个加速腔以及与相邻的加速腔耦接的边耦合腔，至少一个边耦合腔内设置有开关组件，所述开关组件至少包括开关元件，所述开关元件是可移动的从而所述边耦合腔耦合的相邻加速腔的谐振耦合相位不变情况下所述边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数的比值是可调节的。根据本发明的加速管，因为加速管可以根据出束能量要求在各种模式间变化，所以出束能量的可选择性强，而且，可以得到出束能量连续变化的电子束。

Description

加速管、加速带电粒子的方法以及医用直线加速器

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，具体涉及一种加速管、在加速管中加速带电粒子的方法及医用直线加速器。

背景技术

加速管是加速器的关键部件，它把从电子枪注入的电子在射频电场作用下加速到高能，最后打靶产生高能X射线。根据加速电子的方式的不同，加速管分为行波加速管和驻波加速管两种。

影像引导放射治疗(Image Guide Radiation Therapy，IGRT)是一种放射治疗技术，在放射治疗领域中具有广泛的应用。应用IGRT技术的加速器即IGRT加速器。

IGRT加速器通常采用驻波加速管对电子进行加速。在工作时，既可以产生千伏级的电子束，也可以产生兆伏级的电子束。其中所述千伏级的电子束打在所述IGRT加速器的成像靶上，可以产生用于成像的X射线。所述兆伏级的电子束可以用于对患者体内的病灶进行放射治疗。其中，所述千伏级的电子束以及所述兆伏级的电子束既可以由具有同一个放射源的IGRT加速器即同源的IGRT加速器产生，也可以由具有不同放射源的IGRT加速器产生。

因此，所述IGRT加速器不仅可以用于放射治疗，还可以在治疗前或治疗过程中，对患者体内的病灶或者正常器官进行监控，通过产生的影像来引导放射治疗，可以减少由于病灶移动等原因所引起的放射治疗的误差。

目前，有些同源IGRT加速管，虽然可以达到一定的成像质量，但实现方法较复杂。总体而言，现有的加速管难以通过简单的结构获得不同能量的电子束。

另外，现有的加速管出束能级一般都是确定的，即，一般只有能级相差较大的两级，一级用于兆伏级治疗另一级用于千伏级的成像。然而，目前，将电子治疗和光子治疗在一个医用直线加速器中实现是比较令人期待的，而且，治疗中能级的可选择性强也是令人期待的。

发明内容

本发明解决的问题包括如下其中之一：如何实现一种结构更加简单且能量分布更加广泛或能级分布区间大的加速管。

为解决上述问题，本发明提供了一种加速管，包括至少三个加速腔以及与相邻的加速腔耦接的边耦合腔，至少一个边耦合腔内设置有开关组件，所述开关组件至少包括开关元件，所述开关元件是可移动的从而所述边耦合腔耦合的相邻加速腔的谐振电场相位不变情况下与开关元件所在的边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与开关元件所在的边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数的比值是可调节的。

优选地，所述边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数的比值是可连续调节的。

具体地，所述开关组件还包括位移传感器位移传感器，其用于检测所述开关元件的位置。更具体地，所述位移传感器为光栅。

具体地，所述开关组件还包括驱动器，其用于驱动所述开关元件。更具体地，所述驱动器可以为电动的或气动的，例如为电机/气动装置。

更进一步地，所述开关组件还包括控制器，所述控制器根据所述位移传感器检测的所述开关元件的位置以及所述加速管的出束能量要求控制所述驱动器以驱动所述开关元件到预定位置。

具体地，所述开关元件包括平行于所述加速管的束流通道并相对布置的第一杆状件和第二杆状件。

根据本发明的另一个方面，公开了一种加速管，包括至少三个加速腔以及与相邻的加速腔耦接的边耦合腔，至少一个边耦合腔内设置有开关组件，所述开关组件包括：第一杆状件和第二杆状件，其在基本平行于所述加速管的束流通道的方向上相对地布置；位移传感器，用于检测所述第一杆状件和所述第二杆状件的位置；驱动器，用于驱动所述第一杆状件和所述第二杆状件的至少其中之一者；以及控制器，其被配置成：根据出束能量要求以及所述位移传感器检测到的所述第一杆状件和所述第二杆状件的位置，控制所述驱动器移动所述第一杆状件和所述第二杆状件以在不改变所述开关组件所在的边耦合腔耦合的相邻加速腔的谐振耦合相位的情况下改变所述边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数的比值。

具体地，控制器被配置成还具有以下至少一种出束模式：在第一出束模式下，所述控制器控制所述驱动器以使所述开关组件所在的边耦合腔所耦合的两相邻加速腔的电场相位相同；以及在第二出束模式下，所述控制器控制所述驱动器以使所述开关组件将所在的边耦合腔短路。

根据本发明的再一个方面，公开了一种加速管，包括至少三个加速腔以及与相邻的加速腔耦接的边耦合腔，至少一个边耦合腔内设置有开关组件，所述开关组件至少包括开关元件，所述加速管具有第一出束模式以及第二、第三和第四出束模式中的至少一个出束模式，其中，在所述第一出束模式下，所述开关元件所在的边耦合腔耦合的两相邻加速腔的谐振电场相位相反而所述开关元件所在的边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数的比值是可调节的；在所述第二出束模式下，所述开关元件所在的边耦合腔所耦合的两相邻加速腔的谐振电场相位相反同时所述开关元件所在的边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与所述开关元件所在的边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数之比为1；在所述第三出束模式下，所述开关元件所在的边耦合腔耦合的两相邻加速腔的谐振电场相位相同；在所述第四出束模式下，所述开关元件所在的边耦合腔被短路；其中，所述开关元件被配置为在所述第一出束模式以及所述第二、第三和第四出束模式中的至少一个出束模式之间是可调节的。

根据本发明的一个方面，还公开了一种在加速管中加速带电粒子的方法，其中，所述加速管包括至少三个加速腔以及与相邻的加速腔耦接的边耦合腔，至少一个边耦合腔内设置有开关组件，所述方法包括：将带电粒子沿着所述加速管的束流通道注入到所述加速腔内；向加速腔馈入能量以使所述加速腔和所述边耦合腔在基本相同的电场频率下谐振；通过开关组件调节与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数的比值而不改变所述边耦合腔耦合的相邻加速腔之间的电场相位以得到出束能量。

优选地，同所述边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数之比为1时相比，通过调节耦合系数之比，出束能量的变化量在20％-50％之间。

优选地，所述出束能量通过连续地调节开关组件是可连续变化的。

具体地，所述开关组件包括与所述加速管的束流通道基本平行且彼此相对的第一杆状件和第二杆状件，在调节时，所述第一杆状件和所述第二杆状件同时远离或朝向所述开关组件所在的边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合孔移动。

具体地，继续调节开关组件使所述开关组件所在的边耦合腔耦合的相邻加速腔的电场相位相同或者使所述开关组件所在的边耦合腔短路。

具体地，在通过开关组件调节与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数的比值而不改变所述边耦合腔耦合的相邻加速腔之间的电场相位以得到最终束流能量的步骤之前，还包括调节开关组件使所述开关组件所在的边耦合腔耦合的相邻加速腔的电场相位相同或者使所述开关组件所在的边耦合腔短路的步骤。

根据本发明的一个方面，还公开了一种医用直线加速器，包括电子枪及与所述电子枪耦接的加速管以接收来自电子枪的电子束，其中，所述加速管为前述的加速管。

根据本发明的加速管，因为加速管可以根据出束能量要求在各种模式间变化，所以出束能量的可选择性强，而且，可以得到出束能量连续变化的电子束。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式的加速管处于一种正常持续加速模式时的剖面结构示意图；

图2是图1的加速管在某一时刻时的电场分布示意图；

图3是本发明的一种实施方式的加速管处于加速-减速模式时的剖面结构示意图；

图4是图3的加速管在某一时刻时的电场分布示意图；

图5是本发明的一种实施方式的加速管处于部分加速模式时的结构示意图；

图6是图5的加速管在某一时刻时的电场分布示意图；

图7是本发明的一种实施方式的加速管处于加速可调模式时的剖面结构示意图；

图8(a)是图7的加速管在某一时刻时的电场分布示意图；

图8(b)是图7的加速管在另一时刻时的电场分布示意图；

图9是图7的加速管的开关组件的第一杆状件和第二杆状件的位移量和开关组件所关联的边耦合腔耦合的后一加速腔的电场强度关系图；

图10是根据本发明的一种实施方式的加速管的开关组件的示意图；

图11是本发明的一种实施方式的放射治疗系统的结构示意图；

图12是本发明的一种实施方式的加速管的控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例作详细地说明。

如图1-图8所示，图1、图3、图5和图7分别示出了一种实施方式的加速管在不同模式下的剖面示意图，图2、图4、图6和图8分别示出了与图1、图3、图5和图7分别对应的某时刻的各加速腔的电场分布示意图。更具体地，在图2、图4、图6和图8中，横坐标表示束流方向上各加速腔的物理长度，纵坐标表示各加速腔内的电场强度，其中，电场强度是矢量，正值表示使电子加速的电场方向，负值表示使电子减速的电场方向。若相邻的两个加速腔中，其中一个加速腔内的电场强度值大于等于0，另一个加速腔内的电场强度值小于等于0，则所述相邻两加速腔内的电场方向反相。

具体地，如图1-8所示，根据本发明的一种实施方式，公开了一种加速管10，具体地，该加速管10为驻波加速管。该加速管10的一端可以与产生电子束的电子枪30相耦接，该加速管10的另一端可以与靶组件耦接以使得从加速管10射出的电子束撞击到靶材料上并因而产生光子束，该加速管10还耦接诸如真空泵的真空源以使加速管10内部是真空环境的，另外，该加速管10还通过加速腔107的波导耦合口与包括诸如磁控管和波导的微波系统耦接以使微波能量馈入到加速管10内以形成加速和/或减速电场，进一步地，该加速管10的周围还布置有束流元件，诸如磁铁等，以使加速管10内的电子按照预定路径行进。

可以理解，以加速管10加速后的电子束来治疗也是可行的，即，本发明的加速管对最终出束是光子还是电子不作限定。

具体到该加速管10，该加速管10包括加速腔101、103、105、107、109、111、113，还包括边耦合腔102、104、106、108、110、112，其中，边耦合腔102耦接加速腔101、103，边耦合腔104耦接加速腔103、105，边耦合腔106耦接加速腔105、107，边耦合腔108耦接加速腔107、109，边耦合腔110耦接加速腔109、111，边耦合腔112耦接加速腔111、113。边耦合腔102、104、106、108、110、112均偏离开加速管10的纵向中心轴线，其作用在于电磁耦合相邻的加速腔，具体地，除了边耦合腔108外，其他的边耦合腔均包括圆筒形的侧壁部分以及从圆筒形的侧壁部分向内突伸的部分；边耦合腔108包括圆筒形的侧壁部分以及布置在侧壁上的开关组件，其中开关组件将于下文予以详述。加速腔101、103之间、加速腔103、105、加速腔105、107、加速腔107、109以及加速腔109、111之间还具有漂移管11，漂移管11基本同轴地布置在加速腔的中央以便于来自电子枪30的电子依次地通过各加速腔和加速腔之间的漂移管11。由各漂移管11在电子行进方向上限定的通道为束流通道。

如图1、图3、图5、图7和图10所示，在本发明的实施方式中，开关组件20布置在边耦合腔108中。因此，加速腔101为聚束段，其余加速腔103、105、107、109、111、113为主加速段，其中，加速腔109、111、113为可调段。具体地，该开关组件20包括两个开关元件，所述两个开关元件分别为第一杆状件202、第二杆状件204，它们均能在平行于束流通道(或者加速管10的纵向中心轴线方向上)可滑动或者可移动地调节，它们的位于边耦合腔108内的端部是相对布置的。该第一杆状件202和第二杆状件204由电导率较高的金属材料，诸如无氧铜或银，制成。如图10所示，该开关组件20还包括驱动器206、位移传感器208和控制器210，其中，驱动器206具体地包括第一电机2062和第二电机2064，其中，第一电机2062用于驱动第一杆状件202，第二电机2064用于驱动第二杆状件204；位移传感器208包括第一光栅2082和第二光栅2084，其中，第一光栅2082用于检测第一杆状件202的端部的当前位置，第二光栅2084用于检测第二杆状件204的端部的当前位置；控制器210根据第一光栅2082、第二光栅2084检测到的位置信息以及所需的束流模式来控制第一电机2062和第二电机2064从而驱动第一杆状件202和/或第二杆状件204来实现选定的束流模式。本领域技术人员可以理解，该驱动器206除了可以是电动的，也可以是气动的。本领域技术人员也应当可以理解，上述的加速管结构只是示意性的，可以对其做各种变形，例如，在一种实施方式中，聚束段可以包括两个腔，主加速段可以包括五个腔，边耦合腔可以有六个，本发明不受限于加速腔、耦合腔的数目。

参见图1和图2，这里示出了该加速管10在开关组件20的控制下可以实现正常的持续加速模式，这种加速模式与没有该开关组件20同时将该边耦合腔108设置成与其他边耦合腔大致相同的加速情形是基本相同的。

在这种模式下，在同一时刻，加速管中所有腔体101、103、105、107、109、111、113都在来自诸如磁控管的微波能量的激励下在TM010模式谐振在一个频率上，所有加速腔的相邻两加速腔内的电场相位相差180°，即，相邻加速腔内的电场场强反相，而且所有主加速腔的电场强度幅值都基本相同。电子在一个加速腔飞跃的时间为t＝D/v，其中，v为飞行速度，t等于加速管中电磁场振荡的半周期，相邻加速腔间的距离为D，电子的飞跃时间与加速场改变方向的时间一致使得电子束流到达每个腔体时都被加速，实现电子束沿束流方向持续加速。结果，如果在一个加速腔的平均能量增益为E₁，则总共N个加速腔的最终能量E＝NE₁，其中，N为加速腔总数，在图中所示的加速管结构中，N＝7，E＝7E₁。

对于中能加速管而言，电子束在束流方向上被持续地加速，可以得到最终输出能量10MeV，该射束可以进行放射治疗。

参见图3和图4，这里示出了该加速管10在开关组件20的控制下可以实现的加速-减速模式。

可以理解，图3和图4所示的模式可以在前述图1和图2的模式下通过单独向内滑动或移动第一杆状件202或第二杆状件204但同时保持另一杆状件静止来实现。具体地，例如，如图所示，第一杆状件202从实线向虚线滑动而第二杆状件204静止。在滑动或移动过程中，第一光栅2082和第二光栅2084可即时地获取第一杆状件202和第二杆状件204的位置信息并将其传送给控制器210，控制器210根据预存的应移动量控制第一电机2062或第二电机2064。

在滑动或移动过程中，电容增加且TM010模式下的频率降低，边耦合腔108不再在TM010模式下与其耦接的加速腔107、109的谐振频率下谐振；当第一杆状件202或第二杆状件204到达预定位置处时，边耦合腔108可以在TM011模式下以加速腔107、109的谐振频率谐振。

在这种模式下，在同一时刻，加速管中所有腔体101、103、105、107、109、111、113都在来自诸如磁控管的微波能量的激励下在TM010模式谐振在一个频率上。并且，在任一具体时刻，加速腔101、103、105、107的相邻两加速腔内的电场相位相差180°，加速腔109与加速腔107的电场相位是相同的，加速腔111与加速腔109的电场相位相差180°、加速腔113与加速腔111的电场相位相差180°。进一步地，各加速腔的电场强度幅值是相同的。因为电磁场震荡半周期大致为电子从一个加速腔的起点到达相邻的另一个加速腔起点的时间，所以，电子在加速腔101、103、105、107内持续地加速，在加速腔109、111、113中持续地减速。结果，如果在一个加速腔的平均能量增益为E₁，则总共N个加速腔的最终能量E＝(N-2N₁)E₁，其中，N为加速腔的总数，N₁为被开关组件将电场反向后的加速腔个数，在图中所示的加速管结构中，N＝7，N₁＝3，E＝E₁。

对于正常的持续加速模式为10MeV的中能加速管举例而言，在这种加速-减速模式下，其最终能量理论上约为1.43MeV，实际上大致在1.5MeV-2.5MeV之间，这样，加速管在保持开关组件所在的边耦合腔之前的加速腔的电场不变的情况下，大幅度地降低加速管中电子束的最终输出能量。这可以保证电子束保持良好聚束条件且不调节微波功率源的前提下，实现中高能加速管进行成像束输出的目的。这既保证了成像束的能谱质量，又大幅提高了成像束的剂量率，大大缩短了成像时间。

参见图5和图6，这里示出了该加速管10在开关组件20的控制下可以实现的部分加速模式。

可以理解，图5和图6所示的模式可以在前述图1和图2的模式下通过单独向内滑动或移动第一杆状件202或第二杆状件204直到与另一杆状件接触同时保持另一杆状件来实现。在滑动或移动过程中，第一光栅2082和第二光栅2084可即时地获取第一杆状件202和第二杆状件204的位置信息并将其传送给控制器210，控制器210根据预存的应移动量控制第一电机2062或第二电机2064到达预定位置，即，接触位置。

当第一杆状件202或第二杆状件204到达预定位置处时，由于加速腔109、111、113几乎没有能量馈入，故，在任一具体时刻，加速腔101、103、105、107的相邻两加速腔内的电场相位相差180°，加速腔109、111、113几乎没有电场。结果，如果在一个加速腔的平均能量增益为E₁，则总共最终能量E＝N₂×E₁，其中，N₂为被开关组件前的加速腔个数，在图中所示的加速管结构中，N₂＝4，E＝4E₁。

对于正常加速模式为10MeV的中能加速管举例而言，在这种模式下，其最终能量的理论上大约为5.71MeV，实际值在5.5MeV-6.6MeV之间。

参见图7、图8(a)和图8(b)，这里示出了该加速管10在开关组件20的控制下可以实现的加速可调模式。

可以理解，图7和图8(a)所示的模式可以在前述图1和图2的模式下通过同时向内滑动或移动第一杆状件202和第二杆状件204来实现。在滑动或移动过程中，第一光栅2082和第二光栅2084可即时地获取第一杆状件202和第二杆状件204的位置信息并将其传送给控制器210，控制器210根据预存的应移动量控制第一电机2062和第二电机2064。在此，当第一杆状件202和第二杆状件204同时向左移动，即，远离边耦合腔108与加速腔109之间的耦合孔，加速腔107的电场强度不变，，因此，相应地，加速腔109的磁场强度和电场强度变小，如图8(b)所示。这样，边耦合腔108和加速腔107之间的耦合系数与边耦合腔108和加速腔109之间的耦合系数的比值变小。反之，当第一杆状件202和第二杆状件204同时向右移动，即，靠近边耦合腔108与加速腔109之间的耦合孔，如图7所示，加速腔107的电场强度依然保持不变，因此，相应地，加速腔109的磁场强度和电场强度变大，如图8(a)所示。这样，边耦合腔108和加速腔107之间的耦合系数与边耦合腔108和加速腔109之间的耦合系数的比值变大。第一杆状件202和第二杆状件204的移动量和加速腔109的电场强度之间的关系参见附图9，其中，图9中的ΔL表示某一杆状件相对于正常持续加速模式时实际移动的位移，L表示该杆状件单位移动步距，此处，所谓单位移动步距指的是在第一电机2062和第二电机2064的单位步进下所引致的杆状件的移动长度；E1表示加速腔107的电场强度，E2表示加速腔109的电场强度。移动量和电场强度之间的关系被预存在与控制器210关联的存储器内以便于从图1和图2所示的正常持续加速模式变化到图7和图8(a)所示的加速可调模式或者从图7和图8(a)所示的一种能量级别的加速模式变化到另一种能量级别的加速模式时控制第一电机2062和第二电机2064。在此，较优地，当从图1和图2所示的正常持续加速模式向图7和图8(a)所示的加速可调模式调节，或者从图7和图8(a)所示的一种能量级别的加速模式向另一种能量级别的加速模式时控制第一电机2062和第二电机2064调节时，第一杆状件202和第二杆状件204可以基本同时同速同方向地被驱动和停止。可以理解，前述第一杆状件202和第二杆状件204的移动量和加速腔109的电场强度之间的关系也可以以第一杆状件202和第二杆状件204的具体位置和加速腔109的电场强度之间的关系来替代。例如，若中央位置为0，杆状件向左移动可达至的最大位置值设为X(如，10)，向右移动可达最小位置值设为-Y(如，-10)，两杆状件在任一具体时刻会对应一个具体位置值，两杆状件分别对应的具体位置值与电场强度有关。

当第一杆状件202和第二杆状件204到达预定位置处时，加速腔109、111、113的相位与正常加速状态相同，但幅值发生改变，假定当前的电场强度幅值与加速腔101、103、105、107相比为α，则在任一具体时刻，加速腔101、103、105、107、109、111、113的相邻两加速腔内的电场相位相差180°，加速腔109、111、113的电场幅值为之前的电场幅值的α倍。结果，如果在一个加速腔的平均能量增益为E₁，则总共最终能量E＝N₂×E₁+α×N₁×E₁，其中，N₁为开关组件之后的加速腔个数，N₂为开关组件之前的加速腔个数，在图中所示的加速管结构中，N₂＝4，N₁＝3，E＝4E₁+3αE₁。由此可知，通过本加速管的结构，可以获得比7E1更大的能量，也可以获得比7E₁更小的能量但至少大于4E₁。经过多次试验证明，当正常持续加速模式在10MeV时，则加速可调模式的最终能量可以在6-14MeV之间连续调节，当正常持续加速模式在6MeV，则加速可调模式的最终能量可以在4-8MeV之间连续调节。由于在6-14MeV或者4-8MeV之间的能量调节是连续性的，这样，医师就可以根据所要治疗的肿瘤类型以及所做的治疗计划来选择合适的能量值。

系列性实验显示，如果与正常持续加速模式下边耦合腔108与加速腔109的耦合系数以及边耦合腔108与加速腔107的耦合系数之比1相比，通过在加速可调模式下调节边耦合腔108和加速腔107的耦合系数与边耦合腔108和加速腔109之间的耦合系数之比，出束能量的变化量在20％-50％之间，且是可以连续变化的。

上文中，在对加速可调模式的描述中，是从正常持续加速模式到加速可调模式的切换来叙述的。然而，事实上，如前所述，在一种实施例中，当正常持续加速模式在10MeV时，加速可调模式的最终能量可以在6-14MeV之间连续调节，在另一种实施例中，当正常持续加速模式在6MeV，则加速可调模式的最终能量可以在4-8MeV之间连续调节，即，α的值在边耦合腔108与束流通道上游的加速腔107的耦合系数同边耦合腔108与束流通道下游的加速腔109之间的耦合系数的比值的变化过程中可以为1，易言之，作为可以连续变化的该加速可调模式实际上包括表示状态点的正常的持续加速模式。

根据上述四个模式的描述可知，如果正常加速状态下每个加速管的能量增益是E₁，则通过本加速管，可以获得N×E₁、(N-2N₁)×E₁、N₂×E₁、(N₂+α×N₁)E₁的最终能量，具体到本发明所示实施方式的七个加速腔的加速管，最终能量分别为7E₁、E₁、4E₁、(4+3α)E₁，可以理解，这些值为理论值，实际值可能与此有偏差，这样，能量范围的调节能力增强，可调节范围加大。

通过本发明的前述四个模式的描述可知，通过调节开关组件的单个杆状件，使得电子束经过开关组件之后的加速腔由加速模式转为减速模式，可大幅度降低电子束的获取能量；同时保证电子束能够较好的能谱以及较高的剂量率。保证在低能X射线成像的图像质量。

通过本发明的前述四个模式的描述可知，通过同步调节开关组件20的第一杆状件202和第二杆状件204，保证开关组件20所在的边耦合腔108保持原有的电磁场分布模式。这种调节方式可以连续地调节开关组件20所在的边耦合腔108和与其耦合的束流通道上游的前加速腔107的耦合系数与边耦合腔108和与其耦合的束流通道下游的后加速腔109的耦合系数的比值，最终可以实现电子束能量连续改变。

可以理解，在本发明的一种实施方式中，加速管10除了可以包括前述加速可调模式外还可以包括正常持续加速模式、加速-减速模式以及部分加速模式中的任一个，如果将正常持续加速模式视为加速可调模式中的一个状态点，则加速管10除了可以包括前述加速可调模式外还可以包括加速-减速模式以及部分加速模式中的任一个。进一步地，加速管10可以根据出束能量要求在各种模式间变化。

如图11所示，本发明还公开了一种医用直线加速器40，该医用直线加速器40设置有电子枪和加速管10，其中，加速管10接收来自电子枪的电子并将其加速到希望的出束能量，该加速管10至少具有前述的加速可调模式，优选地，除了具有加速可调模式外，还具有正常持续加速模式、加速-减速模式和部分加速模式中的至少一种。如果将正常持续加速模式视为加速可调模式的一个状态点，则，该加速管10除了包括加速可调模式外，还具有加速-减速模式和部分加速模式中的至少一种。

如图12所示，本发明还公开了一种加速管的加速带电粒子的方法，其中，加速管10的结构如前文所述。具体地，该方法包括：

S1：将带电粒子沿着所述加速管10的束流通道注入到所述加速腔101、103、105、107、109、111、113内；

S2：向加速腔馈入能量以使加速腔101、103、105、107、109、111、113和边耦合腔102、104、106、108、110、112在基本相同的电场频率下谐振；

S3：通过开关组件20调节开关组件20所在的边耦合腔108和与其耦合的束流通道上游的加速腔107之间的耦合系数与边耦合腔108和与其耦合的束流通道下游的加速腔109之间的耦合系数的比值而不改变边耦合腔108耦合的相邻加速腔107、109之间的电场耦合相位以得到出束能量。

在步骤S3中，所述出束能量通过连续地调节开关组件20是可连续变化的。

在步骤S3中，在调节时，第一杆状件202和第二杆状件204同时远离或朝向开关组件20所在的边耦合腔108和与其耦合的束流通道下游的加速腔109之间的耦合孔移动。

在上述方法中，还包括步骤：

S4：继续调节开关组件20使开关组件20所在的边耦合腔108耦合的相邻加速腔107、109的电场相位相同或者使所述开关组件20所在的边耦合腔108短路。

在上述方法中，还包括步骤：

S0：在通过开关组件20调节边耦合腔108和与其耦合的束流通道下游的加速腔109之间的耦合系数而不改变所述边耦合腔108耦合的相邻加速腔107、109之间的电场耦合相位以得到最终束流能量的步骤之前，还包括调节开关组件20使所述开关组件20所在的边耦合腔108耦合的相邻加速腔107、109的电场相位相同或者使所述开关组件20所在的边耦合腔108短路的步骤。

在步骤S4或步骤S0中，所述开关组件20包括与所述加速管10的束流通道基本平行且彼此相对的第一杆状件202和第二杆状件204，在调节开关组件20使所述开关组件20所在的边耦合腔108耦合的相邻加速腔107、109的电场相位相同时，包括移动所述第一杆状件202和第二杆状件204的其中一个朝向另一个同时所述另一个杆状件保持静止的步骤。

在步骤S4或步骤S0中，所述开关组件20包括与所述加速管10的束流通道基本平行且彼此相对的第一杆状件202和第二杆状件204，在调节开关组件20使所述开关组件20所在的边耦合腔108短路时，包括移动所述第一杆状件202和第二杆状件204的其中一个朝向另一个直至接触到所述另一个杆状件的步骤。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (14)

1.一种加速管，包括至少三个加速腔以及与相邻的加速腔耦接的边耦合腔，至少一个边耦合腔内设置有开关组件，所述开关组件包括：

第一杆状件和第二杆状件，其在基本平行于所述加速管的束流通道的方向上相对地布置；

位移传感器，用于检测所述第一杆状件和所述第二杆状件的位置；

驱动器，用于驱动所述第一杆状件和所述第二杆状件的至少其中之一者；以及

控制器，其被配置成：根据出束能量要求以及所述位移传感器检测到的所述第一杆状件和所述第二杆状件的位置，控制所述驱动器移动所述第一杆状件和所述第二杆状件以在不改变所述开关组件所在的边耦合腔耦合的相邻加速腔的谐振耦合相位的情况下改变所述边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数之比；

其中，控制器被配置成还具有以下至少一种出束模式：

在第一出束模式下，所述控制器控制所述驱动器以使所述开关组件所在的边耦合腔所耦合的两相邻加速腔的电场相位相同；以及

在第二出束模式下，所述控制器控制所述驱动器以使所述开关组件将所在的边耦合腔短路。

2.根据权利要求1所述的加速管，其中，所述位移传感器为光栅。

3.根据权利要求1所述的加速管，其中，所述驱动器至少包括两个电机，所述第一杆状件和所述第二杆状件是由两个电机分别驱动的。

4.一种加速管，包括至少三个加速腔以及与相邻的加速腔耦接的边耦合腔，至少一个边耦合腔内设置有开关组件，所述开关组件至少包括开关元件，所述加速管具有第一出束模式，以及第二、第三和第四出束模式中的至少一个出束模式，其中，在所述第一出束模式下，所述开关元件所在的边耦合腔耦合的两相邻加速腔的电场相位相反而所述开关元件所在的边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数的比值是可调节的；在所述第二出束模式下，所述开关元件所在的边耦合腔所耦合的两相邻加速腔的电场相位相反同时所述开关元件所在的边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与所述开关元件所在的边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数之比为1；在所述第三出束模式下，所述开关元件所在的边耦合腔耦合的两相邻加速腔的电场相位相同；在所述第四出束模式下，所述开关元件所在的边耦合腔被短路；其中，所述开关元件被配置为在所述第一出束模式，以及所述第二、第三和第四出束模式中的至少一个出束模式之间是可调节的。

5.根据权利要求4所述的加速管，其中，在所述第一出束模式下，所述开关元件所在的边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数之比是可连续调节的。

6.根据权利要求4或5所述的加速管，其中，所述开关元件包括与所述束流通道基本平行且彼此相对布置的第一杆状件和第二杆状件，所述第一出束模式是通过同向移动第一杆状件和第二杆状件远离或接近所述开关组件所在的边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合孔来实现的。

7.一种在加速管中加速带电粒子的方法，其中，所述加速管包括至少三个加速腔以及与相邻的加速腔耦接的边耦合腔，至少一个边耦合腔内设置有开关组件，所述方法包括：将带电粒子沿着所述加速管的束流通道注入到所述加速腔内；向加速腔内馈入能量以使所述加速腔和所述边耦合腔在基本相同的电场频率下谐振；通过开关组件调节所述边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数的比值而不改变所述边耦合腔耦合的相邻加速腔之间的电场相位以得到出束能量；其中，继续调节开关组件使所述开关组件所在的边耦合腔耦合的相邻加速腔的电场相位相同或者使所述开关组件所在的边耦合腔短路。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，同所述边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数之比为1时相比，通过调节耦合系数之比，出束能量的变化量在20％-50％之间。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述出束能量通过连续地调节开关组件是可连续变化的。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述开关组件包括与所述加速管的束流通道基本平行且彼此相对的第一杆状件和第二杆状件，在调节时，所述第一杆状件和所述第二杆状件同时远离或朝向所述开关组件所在的边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合孔移动。

11.根据权利要求7所述的方法，其中，在通过开关组件调节与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道上游的加速腔之间的耦合系数与所述边耦合腔和与其耦合的束流通道下游的加速腔之间的耦合系数之比而不改变所述边耦合腔耦合的相邻加速腔之间的电场耦合相位以得到最终束流能量的步骤之前，还包括调节开关组件使所述开关组件所在的边耦合腔耦合的相邻加速腔的电场相位相同或者使所述开关组件所在的边耦合腔短路的步骤。

12.根据权利要求7或11所述的方法，其中，所述开关组件包括与所述加速管的束流通道基本平行且彼此相对的第一杆状件和第二杆状件，在调节开关组件使所述开关组件所在的边耦合腔耦合的相邻加速腔的电场相位相同时，包括移动所述第一杆状件和第二杆状件的其中一个朝向另一个同时所述另一个杆状件保持静止的步骤。

13.根据权利要求7或11所述的方法，其中，所述开关组件包括与所述加速管的束流通道基本平行且彼此相对的第一杆状件和第二杆状件，在调节开关组件使所述开关组件所在的边耦合腔短路时，包括移动所述第一杆状件和第二杆状件的其中一个朝向另一个直至接触到所述另一个杆状件的步骤。

14.一种医用直线加速器，包括电子枪及与所述电子枪耦接的加速管以接收来自电子枪的电子束，其中，所述加速管为权利要求1-6任一项所述的加速管。