CN106851958B

CN106851958B - 加速管

Info

Publication number: CN106851958B
Application number: CN201710079650.3A
Authority: CN
Inventors: 贺守波
Original assignee: Shanghai United Imaging Healthcare Co Ltd
Current assignee: Shanghai United Imaging Healthcare Co Ltd
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2019-02-12
Anticipated expiration: 2037-02-14
Also published as: CN106851958A

Abstract

一种加速管，包括：多个加速腔；至少一个耦合腔，其与所述多个加速腔中两个相邻的加速腔耦合，所述耦合腔的腔壁在预定范围内是可弹性变形的；调节组件，其配置在所述耦合腔之外，所述调节组件至少包括致动件和驱动件，所述致动件与所述耦合腔的腔壁耦合并且是可由所述驱动件驱动的，该耦合腔的腔壁在所述致动件的作用下弹性变形从而改变该加速管的输出能量。

Description

加速管

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，具体涉及一种加速管。

背景技术

加速管是医用电子直线加速器的关键部件，它的作用是产生用于临床癌症治疗和成像的高能射线。但为了提高临床癌症治疗的精准度，目前很多医用电子直线加速器都在发展能够同时输出用于成像的keV级射线的医用加速管。而keV级射线一般是通过在加速管上设置有能量调变功能的开关来实现，目前具有keV级成像功能的带有能量开关的加速管一般都是通过钎焊和刀口密封法兰等来装配完成，例如目前在售的Varian的CL2300系列产品等。

大部分现有技术都是通过在边耦合驻波加速管内中的某一个边耦合腔内增加一个外置的金属调节结构直接插入到边耦合腔内部，通过往复拉伸该金属调节机构来实现调变整个加速管输出能量的目的。而外置的金属调节机构与边耦合腔体的连接主要是通过密封法兰及波纹管结构进行密封连接，这里会涉及到两个很难克服的问题，即，连接处既要做好真空密封，又要做好高频电磁场的屏蔽；前者需要考虑密封法兰、波纹管结构及高频屏蔽材料能够承受450度的烘烤温度下依然保持10^-9mbar·L/s以上水平的系统真空漏率；后者要考虑解决在非常有限的空间内设计出严格的电磁场屏蔽结构，防止出现微波泄漏最终导致严重打火的情况。

以上这两类问题不可避免地出现在这种插入式开关边腔类的加速管设计方案中，大大增加了加工工艺的难度，同时降低了加速管运行的稳定可靠性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种加速管，包括：多个加速腔；至少一个耦合腔，其与所述多个加速腔中两个相邻的加速腔耦合，所述耦合腔的腔壁在预定范围内是可弹性变形的；调节组件，其配置在所述耦合腔之外，所述调节组件至少包括致动件和驱动件，所述致动件与所述耦合腔的腔壁耦合并且是可由所述驱动件驱动的，该耦合腔的腔壁在所述致动件的作用下弹性变形从而改变该加速管的输出能量。

具体地，所述耦合腔包括圆筒形侧壁和其两侧的端壁，该圆筒形侧壁的中心轴线与所述加速腔的中心轴线基本平行，所述端壁被构造成以与所述加速腔的中心轴线基本平行且穿过所述端壁的中心的轴线对称的且逐渐内缩的凹陷形状。

具体地，两侧的凹陷形状的端壁在它们之间共同限定了中间细两端开口逐渐变大的双漏斗形。

具体地，所述端壁包括与所述圆筒形侧壁连接或者从所述圆筒形侧壁延伸的大致平坦的环形的第一部分、位于中心的大致平坦的第二部分以及第一部分和第二部分之间的第三部分，其中，所述致动件作用到所述第二部分上。更具体地，所述第三部分与所述第一部分和第二部分均是平滑过渡的。更具体地，所述第三部分与所述第一部分的平滑过渡区域的曲率半径为3-9mm，优选地，为5-7mm。具体地，所述第三部分与所述第二部分的平滑过渡区域的曲率半径为2-5mm，优选地，为3-4mm。具体地，所述第一部分和第二部分的距离为4-20mm。优选地，所述第一部分和第二部分的距离为8-12mm。

选择性地，所述端壁上还固定有加强筋，所述加强筋从端壁的中心向外径向地延伸。

选择性地，所述调节组件包括第一调节组件和第二调节组件；其中，所述第一调节组件包括第一致动件和第一驱动件，所述第一致动件与所述耦合腔的上游侧腔壁耦合并且是可由所述第一驱动件驱动的以使所述上游侧腔壁弹性变形；所述第二调节组件包括第二致动件和第二驱动件，所述第二致动件与所述耦合腔的下游侧腔壁耦合并且是可由所述第二驱动件驱动的以使所述下游侧腔壁弹性变形。

具体地，所述加速管为边耦合驻波加速管。

在另一个方面，公开了一种加速管，包括：多个加速腔；耦合腔，其与所述多个加速腔中两个相邻的加速腔耦合，所述耦合腔的腔壁在预定范围内能被弹性变形的以改变该加速管的输出能量。

在另一个方面，公开了一种加速管，包括：多个加速腔；耦合腔，其与所述多个加速腔中两个相邻的加速腔耦合；能量开关，其耦合到所述耦合腔上，以调节所述加速管的输出能量；其中，所述加速管的系统真空漏率为小于等于1×10^-10mbar·L/s。进一步地，所述加速管的系统真空度为小于等于5×10^-8Pa。具体地，所述能量开关包括调节组件，所述调节组件配置在所述耦合腔之外，所述调节组件至少包括致动件和驱动件，所述致动件与所述耦合腔的腔壁耦合并且是可由所述驱动件驱动的，该耦合腔的腔壁在所述致动件的作用下弹性变形从而改变该加速管的输出能量。

在另一个方面，公开了一种加速管，包括：多个加速腔；耦合腔，其与所述多个加速腔中两个相邻的加速腔耦合；能量开关，其耦合到所述耦合腔上，以调节所述加速管的输出能量；其中，所述加速管的系统真空度为小于等于5×10^-8Pa。进一步地，所述加速管的系统真空漏率为小于等于1×10^-10mbar·L/s。具体地，所述能量开关包括调节组件，所述调节组件配置在所述耦合腔之外，所述调节组件至少包括致动件和驱动件，所述致动件与所述耦合腔的腔壁耦合并且是可由所述驱动件驱动的，该耦合腔的腔壁在所述致动件的作用下弹性变形从而改变该加速管的输出能量。

本发明至少可以实现下面的优点：

一、该调节组件设于边耦合腔的外部，保证了具有能量开关的整个加速管系统的真空度；

二、该外置调节组件不需要承受加速管必须要进行的高温烘烤(约450度)过程，整个调节组件的设计可以采用常规材料进行设计加工，减少了因常规的能量开关的装配引起的长期的烘烤排气过程，节约研发制造成本；

三、避免了微波泄漏问题，进一步降低了加速管打火的风险。

附图说明

图1是根据本发明的一种实施方式的加速管的示意图；

图2是图1的加速管的一部分的透视图；

图3是图2的边耦合腔的部分透视图；

图4是图3的轴截面的示意图；

图5为图3的边耦合腔设有加强筋的示意图；

图6是根据本发明的加速管的第一状态的电场分布示意图；

图7是根据本发明的加速管的第二状态的电场分布示意图；以及

图8是根据本发明的加速管的耦合腔腔壁在第一状态和第二状态的示意图。

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1-3所示，公开了一种加速管100。该加速管100示例性地为边耦合驻波加速管，其包括多个加速腔102、104、106、108以及相邻的加速腔102、104以及104、106以及106、108之间耦合的边耦合腔110、112、114。加速腔102、104、106、108之间通过漂移管116限定了束流通道。如图所示，在该示例性实施方式中，边耦合腔110、114采用了通常的设计，即，边耦合腔110、114内部具有彼此相对的上游侧鼻锥和下游侧鼻锥，这两个鼻锥将各自的边耦合腔分成了远离耦合孔的部分和靠近耦合孔的部分，其中，耦合孔为加速腔和边耦合腔之间限定的开口。边耦合腔112采用了与边耦合腔110、114不同的设计，并且用于调节加速管100输出能量的调节组件是与边耦合腔112相关联地设置的。

具体地，参见图2和图3，该边耦合腔112包括圆筒形侧壁118，该圆筒形侧壁118的中心轴线与加速腔的中心轴线是基本平行的。边耦合腔112还包括位于圆筒形侧壁118两端的端壁120，该端壁120同侧壁118一起形成封闭的空间，该端壁120的每一个被构造成以与加速腔的中心轴线基本平行且穿过端壁120的中心的轴线对称的且逐渐内缩的凹陷形状。例如，若观察者看端壁120外侧形成的形状，两个端壁120分别呈向上游侧开口和向下游侧开口的大致碗状；如观察者看端壁120内侧形成的形状，两个端壁120限定了中间细两端开口逐渐变大的双漏斗形。可以理解，该端壁120与侧壁118的一部分或者端壁120的一部分与侧壁118或者端壁120的一部分与侧壁118的一部分可以是一体的，也可以是分开的零件并随后被通过诸如焊接(诸如钎焊或电子焊等)的方式连接在一起的。因此，这里所说的端壁和侧壁仅仅是对已经形成特定形状的边耦合腔腔壁的某部分的称谓，与它们在形成腔壁整体形状前是一体的还是分开的并随后以诸如焊接的连接方式连接在一起无关。

更具体地，该端壁120包括与圆筒形侧壁118连接或者从圆筒形侧壁118延伸的大致平坦的环形的第一部分1201、位于中心的大致平坦的第二部分1203以及第一部分1201和第二部分1203之间的第三部分1205。参见图3和图4，该圆筒形侧壁118的半径Ra为15-40mm，较优地，为15-30mm，更优地，为20mm。该圆筒形侧壁118的厚度为4-10mm，该端壁120的厚度为2-4mm。该端壁120的第一部分1201和侧壁118之间是平滑过渡的，该过渡的曲率半径R1为2-5mm，较优地，为3-4mm，更优地，为4mm；该端壁120的第一部分1201和第三部分1205之间是平滑过渡的，该过渡的曲率半径R2为3-9mm，较优地，为5-7mm，更优地，为6mm；该端壁120的第二部分1203和第三部分1205之间是平滑过渡的，该过渡的曲率半径R3为2-5mm，较优地，为3-4mm，更优地，为4mm。端壁120的第三部分1205除过渡部分外的主要部分1205a与平行于加速腔的中心轴线的夹角a在25-60度之间，较优地为33度。端壁120的第一部分1201和第二部分1203之间的距离D(即，凹陷部分的深度)为4-20mm，较优地，为8-12mm。

如图5所示，该端壁120还固定有加强筋122，所述加强筋122从端壁120的中心沿外径向放射状地延伸。其中，该加强筋122的数目为多个，其均匀地分布到端壁120的外表面，在一种例子中，加强筋122的宽度为2-4mm。加强筋122可以稳固边耦合腔112腔壁，进而提高加速腔的频率稳定性。可以理解，加强筋122并非必需的，其是选择性的。

该耦合腔112的侧壁118和端壁120是由满足预定导电系数以及预定屈服强度的金属材料制成的，例如，铜材料，选择性地，该铜材料为无氧铜材料。也可以理解，金材料和银材料也是可行的。这样，耦合腔112除了起到微波耦合传递作用之外，还可以在致动件的致动力的作用下在预定范围内能够弹性变形的以改变该加速管100的输出能量。

该加速管100还包括调节组件200，其配置在耦合腔112之外，调节组件200至少包括致动件和驱动件，致动件与耦合腔112的腔壁耦合并且是可由驱动件驱动的，该耦合腔112的腔壁在致动件的作用下弹性变形从而改变该加速管100的输出能量。此处的耦合指的是有作动的关联关系，包括直接或间接接触而引起的作动关系，也包括刚性或者非刚性连接而引起作动关系；例如，在一种例子中，致动件可以抵靠到耦合腔112的腔壁上并且在驱动件的驱动下朝向耦合腔112的基本垂直于加速腔的中心轴线的轴线方向运动以使耦合腔腔壁向内形变，在另一种例子中，致动件可以螺纹连接到耦合腔腔壁固定的法兰盘上，从而可以向内推动或者向外拉动耦合腔腔壁以使耦合腔腔壁向内或者向外弹性变形。

在示例性实施例中，该调节组件200包括第一调节组件202和第二调节组件204。具体地，第一调节组件202至少包括第一致动件2021以及第一驱动件2023，第一致动件2021抵靠到耦合腔112的上游侧腔壁(即，上游侧端壁的第二部分)上并且是可由第一驱动件2023驱动的以使上游侧腔壁弹性变形。第二调节组件204包括第二致动件和第二驱动件(未示出)，第二致动件抵靠到耦合腔112的下游侧腔壁(即，下游侧端壁的第二部分)上并且是可由第二驱动件驱动的以使下游侧腔壁弹性变形。该第一致动件2021、第二致动件可以均为杆状件，第一驱动件2023、第二驱动件可以均为电机，该电机可以为步进电机或者伺服电机。进一步地，可以理解，第一致动件2021和第一驱动件2023之间以及第二致动件和第二驱动件之间可以包括传动机构，例如，减速机构和/或转动-平动转换机构。可以理解，该调节组件200还可以包括控制器以及与控制器关联的存储器，存储器内预存储有加速管100的输出能量与第一调节组件202的第一驱动件2023和/或第二调节组件204的第二驱动件的驱动控制信号的关系，或者预存储有加速管100的输出能量与第一调节组件202的第一致动件2021和/或第二调节组件204的第二致动件的伸出或缩回长度(可统称致动长度)的关系。当通过人机界面手动输入或切换加速管100的能量输出模式，或者当通过程序自动执行或切换加速管100的能量输出模式时，控制器会调取存储器存储的对应关系数据控制第一驱动件2023和/或第二驱动件将第一致动件2021和/或第二致动件驱动到预定位置处。

参见图6和图7，图6为加速管100在该第一调节组件202的第一致动件2021和第二调节组件204的第二致动件均没有被对应的驱动件驱动的第一状态下的加速腔电场分布示意图，图7为加速管100在第一调节组件202的第一致动件2021被第一驱动件2023驱动同时第二调节组件204的第二致动件没有被第二驱动件驱动的第二状态下的加速腔电场分布示意图。根据图6可知，在第一状态下，来自电子枪的电子束在加速管100内的加速腔内依次被加速。根据图7可知，在第二状态下，对于某个具体时刻，加速腔106的电场相位发生180度的变化(即，与加速腔104的电场相位相同)，因此，来自电子枪的电子束在加速管100的加速腔102、104依次被加速，但在加速腔106、108依次被减速。因此，加速管100在第二状态下的输出能量比第一状态小。

若当前加速管100的输出能量处于第一状态，但希望被降低到第二状态时，则可以在人机界面输入能量转换指令或者自动执行能量转换指令，控制器控制第一驱动件2023驱动第一致动件2021朝着下游侧方向移动预定长度，上游侧端壁因而从如图8所示的实线开始向内发生弹性变形，并且最终变形为如图8的虚线所示的形状，此时，加速管100的各加速腔的电场分布如图7所示，因此，输出能量得以切换。反之，若希望加速管100的输出能量从第二状态切换回第一状态时，则可以在人机界面输入能量转换指令或者自动执行能量转换指令，控制器控制第一驱动件2023驱动第一致动件2021朝着上游侧方向移动预定长度，该预定长度与从第一状态向第二状态切换时的预定长度实质相同，上游侧端壁因而从如图8所示的虚线向外发生弹性回复变形，并且最终回复为如图8的实线所示的形状，此时，加速管100的各加速腔的电场分布如图6所示，因此，输出能量得以切换。

藉由上面的描述，可以理解，加速管100在第一调节组件202的第一致动件2021没有被第一驱动件2023驱动同时第二调节组件204的第二致动件被第二驱动件向内驱动的第三状态，还可以获得一种输出能量。加速管100在第一调节组件202的第一致动件2021被第一驱动件2023驱动同时第二调节组件204的第二致动件被第二驱动件驱动的第四状态，例如，第一致动件2021向内压端壁同时第二致动件向外拉端壁，或者第一致动件2021向外拉端壁同时第二致动件向内压端壁，还可以获得另外的输出能量。对于如何通过致动件来实现输出能量的变化，可以参考申请人于2015年12月30日申请的、于2016年4月20日公布的、发明名称为《加速管、加速带电粒子的方法以及医用直线加速器》的CN201511024603.6的发明专利申请进行理解。

还可以理解，加速管100的某一状态向另一状态变化的过程中，也存在很多不同的输出能量，如果这些输出能量本身是有用的，就可以作为一种状态预存储下来以供使用。

可以理解，对于某种特定应用场合，调节组件200可以仅包括第一调节组件202或者仅包括第二调节组件204。

虽然图中，该调节组件200的致动件压置耦合腔腔壁使腔壁弹性变形的，然而如所述的，调节组件200的致动件也可以连接到耦合腔的腔壁上以向外拉动该腔壁以使其变形，本发明包括且不限于这种实施例。

在本发明中，加速管100的输出能量的变化通过腔壁的弹性变形来实现的，即，实质上，该调节组件200起到了能量开关的作用。相比于常规的加速管，系统真空度和系统真空漏率都得以显著提升。在此需要提及的是，系统真空度和系统真空漏率通常是相对于加速管系统而言的参数，而且，在此，加速管系统通常指的是图1所示的加速管被装配上能量开关(如需要的话)、电子枪、真空泵和/或钛窗等连接附件后的系统。对于常规的带有能量开关的加速管，其系统真空度一般达到1×10^-7Pa，系统真空漏率在2×10^-9mbar·L/s。根据本发明，加速管的系统真空漏率可以达到小于等于1×10^-10mbar·L/s，同时，系统真空度可以达到小于等于5×10^-8Pa，这样的漏率和/或真空度指标对于具有常规能量开关的加速管而言是难以实现的。这样，因为本发明的加速管的系统真空度或系统真空漏率更高，所以可以保证加速管运行的稳定性，避免加速管内发生高电场梯度下的放电击穿打火、维持医用直线加速管剂量率的稳定性、延长电子枪的使用寿命，并且降低维护成本。

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

1.一种加速管，包括：

多个加速腔；

至少一个耦合腔，其与所述多个加速腔中两个相邻的加速腔耦合，所述耦合腔的腔壁在预定范围内是可弹性变形的；

调节组件，其配置在所述耦合腔之外，所述调节组件至少包括致动件和驱动件，所述致动件与所述耦合腔的腔壁耦合并且是可由所述驱动件驱动的，该耦合腔的腔壁在所述致动件的作用下弹性变形从而改变该加速管的输出能量。

2.根据权利要求1所述的加速管，其中，所述耦合腔包括圆筒形侧壁和其两侧的端壁，该圆筒形侧壁的中心轴线与所述加速腔的中心轴线基本平行，所述端壁被构造成以与所述加速腔的中心轴线基本平行且穿过所述端壁的中心的轴线对称的且逐渐内缩的凹陷形状。

3.根据权利要求2所述的加速管，其中，两侧的凹陷形状的端壁在它们之间共同限定了中间细两端开口逐渐变大的双漏斗形。

4.根据权利要求2所述的加速管，其中，所述端壁包括与所述圆筒形侧壁连接或者从所述圆筒形侧壁延伸的大致平坦的环形的第一部分、位于中心的大致平坦的第二部分以及第一部分和第二部分之间的第三部分，其中，所述致动件作用到所述第二部分上。

5.根据权利要求4所述的加速管，其中，所述第三部分与所述第一部分和所述第二部分均是平滑过渡的。

6.根据权利要求5所述的加速管，其中，所述第三部分与所述第一部分平滑过渡的曲率半径为3-9mm。

7.根据权利要求6所述的加速管，其中，所述第三部分与所述第一部分平滑过渡的曲率半径为5-7mm。

8.根据权利要求5所述的加速管，其中，所述第三部分与所述第二部分平滑过渡的曲率半径为2-5mm。

9.根据权利要求8所述的加速管，其中，所述第三部分与所述第二部分平滑过渡的曲率半径为3-4mm。

10.根据权利要求4所述的加速管，其中，所述第一部分和第二部分的距离为4-20mm。

11.根据权利要求10所述的加速管，其中，所述第一部分和第二部分的距离为8-12mm。

12.根据权利要求2所述的加速管，其中，所述端壁上还固定有加强筋，所述加强筋从端壁的中心向外径向地延伸。

13.根据权利要求1所述的加速管，其中，所述调节组件包括第一调节组件和第二调节组件；其中，所述第一调节组件包括第一致动件和第一驱动件，所述第一致动件与所述耦合腔的上游侧腔壁耦合并且是可由所述第一驱动件驱动的以使所述上游侧腔壁弹性变形；所述第二调节组件包括第二致动件和第二驱动件，所述第二致动件与所述耦合腔的下游侧腔壁耦合并且是可由所述第二驱动件驱动的以使所述下游侧腔壁弹性变形。

14.根据权利要求1所述的加速管，其中，所述加速管为边耦合驻波加速管。

15.一种加速管，包括：

多个加速腔；

耦合腔，其与所述多个加速腔中两个相邻的加速腔耦合，所述耦合腔的腔壁在预定范围内能被弹性变形的以改变该加速管的输出能量。

16.根据权利要求15所述的加速管，还包括：

能量开关，其耦合到所述耦合腔上，以调节所述加速管的输出能量；

其中，所述加速管的系统真空漏率为小于等于1×10^-10mbar·L/s。

17.根据权利要求16所述的加速管，其中，所述加速管的系统真空度为小于等于5×10^- ⁸Pa。

18.根据权利要求15所述的加速管，还包括：

其中，所述加速管的系统真空度为小于等于5×10^-8Pa。

19.一种加速管，包括：

多个加速腔；

耦合腔，其与所述多个加速腔中两个相邻的加速腔耦合；

其中，所述加速管的系统真空漏率为小于等于1×10^-10mbar·L/s，所述能量开关包括调节组件，所述调节组件配置在所述耦合腔之外，所述调节组件至少包括致动件和驱动件，所述致动件与所述耦合腔的腔壁耦合并且是可由所述驱动件驱动的，该耦合腔的腔壁在所述致动件的作用下弹性变形从而改变该加速管的输出能量。

20.一种加速管，包括：

多个加速腔；

耦合腔，其与所述多个加速腔中两个相邻的加速腔耦合；

其中，所述加速管的系统真空度为小于等于5×10^-8Pa，其中，所述能量开关包括调节组件，所述调节组件配置在所述耦合腔之外，所述调节组件至少包括致动件和驱动件，所述致动件与所述耦合腔的腔壁耦合并且是可由所述驱动件驱动的，该耦合腔的腔壁在所述致动件的作用下弹性变形从而改变该加速管的输出能量。