CN107333380B - 直线加速器及其稳定射线束流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直线加速器及其稳定射线束流的方法。直线加速器包括微波功率源、电子注入器、加速管和自动频率控制系统。微波功率源产生微波脉冲。电子注入器产生电子脉冲。加速管引入微波脉冲和电子脉冲，且根据微波脉冲对电子脉冲进行加速。自动频率控制系统连接微波功率源且调谐微波脉冲的频率，其中在加速管处于有载状态时，自动频率控制系统的采样点在微波脉冲持续期间且不在电子脉冲持续期间。

Description

直线加速器及其稳定射线束流的方法

技术领域

本发明主要涉及直线加速器领域，尤其涉及一种直线加速器及其稳定射线束流的方法。

背景技术

直线加速器是利用具有一定能量的高能电子与大功率微波的微波电场相互作用，从而获得更高的能量。

在直线加速器中，束流是由微波系统和加速管系统相互配合产生的。具体地说，电子注入器产生电子且发射到加速管中，微波功率源(例如磁控管)产生微波脉冲且馈入到加速管中。电子在加速管中会被微波加速而获得很高的能量，进而轰击靶，激发出射线。磁控管输出的微波馈入到加速管中能量称为入射波，同时还会有部分的能量被反射回来，这部分能量称为反射波。加速管的设计结构决定只有特定频率的电磁场才能馈入到加速管中，这称为加速管的工作频率。通过调节微波功率源的频率，可以使其与加速管的工作频率一致。

无论是磁控管还是加速管，两者作为真空器件，在工作过程中都会受到环境温度、输出功率、负载等因素的影响，进而它们的工作频率会发生微小的变化。因此需要自动频率控制系统来维持保证两者的工作频率保持动态平衡。工作原理为：微波功率源输出的微波和加速管的工作频率有一个小的频率差Λf，而Λf和入射波、反射波两者之间的相位差有近似的线性关系，即自动频率控制系统可以通过定期的采样来获得相位差其进一步被自动频率控制系统转化为电压差ΛV，电压差就可以转化为驱动信号来改变微波功率源的输出频率。

目前的技术中，将自动频率控制系统的微波采样点位于加速管同时被注入电子和微波时，如图1所示，这种方法有两个缺点。首先，作为评价射线束流的关键因素的靶电流需要经历一个过程才能趋于稳定，通常地，从电子脉冲的初始注入时刻起经过多个脉冲周期后，例如，二十个脉冲周期后，靶电流才从幅值较小的状态变到正常的幅值状态。作为结果，射线束流也是经历了这段时间后才趋于稳定。根据现有技术，一旦有电子脉冲，即开始采样，这就造成了射线束流起始阶段不稳定。其次，系统的工作流中可能存在有载和空载来回切换的过程，在该过程中，加速管的工作频率会发生变化，而自动频率控制系统相应地要等加速管工作频率变化结束后，才能将束流调节稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供直线加速器及其稳定射线束流的方法，可以提高射线束流的稳定度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种直线加速器，包括微波功率源、电子注入器、加速管和自动频率控制系统。微波功率源产生微波脉冲。电子注入器产生电子脉冲。加速管引入微波脉冲和电子脉冲，且根据微波脉冲对电子脉冲进行加速。自动频率控制系统连接微波功率源且调谐微波脉冲的频率，其中在加速管处于有载状态时，自动频率控制系统的采样点在微波脉冲持续期间且不在电子脉冲持续期间。

根据本发明的一个方面，所述加速管在一初始时间内处于空载状态。

根据本发明的一个方面，在所述初始时间内，所述电子注入器不向所述加速管注入所述电子脉冲，或者注入的所述电子脉冲相对于所述微波脉冲是异步的。

根据本发明的一个方面，所述自动频率控制系统根据采样触发信号确定所述采样点。

根据本发明的一个方面，所述电子注入器根据注入触发信号产生所述电子脉冲。

根据本发明的一个方面，所述直线加速器还包括频率分配器，输出注入触发信号给所述电子注入器，以及输出采样触发信号给所述自动频率控制系统。

根据本发明的一个方面，所述采样点与所述微波脉冲的上升沿和下降沿均有预设距离，以便避开所述上升沿和下降沿处的反射波不稳定期间。

本发明还提出一种稳定射线束流的方法，用于直线加速器，所述直线加速器包括微波功率源、电子注入器、加速管和自动频率控制系统，微波功率源产生微波脉冲，电子注入器产生电子脉冲，加速管引入所述微波脉冲和所述电子脉冲，且根据微波脉冲对注入电子脉冲进行加速；自动频率控制系统，连接微波功率源且调谐微波脉冲的频率；上述方法包括：在加速管处于有载状态时，使自动频率控制系统的采样点在微波脉冲持续期间且不在电子脉冲持续期间。

根据本发明的一个方面，上述方法还包括在一初始时间内将所述加速管置于空载状态。

根据本发明的一个方面，在所述初始时间内，所述电子注入器不向所述加速管注入所述电子脉冲，或者注入的所述电子脉冲相对于所述微波脉冲是异步的。

根据本发明的一个方面，上述方法还包括提供采样触发信号给所述自动频率控制系统，使所述自动频率控制系统确定所述采样点。

根据本发明的一个方面，上述方法还包括提供注入触发信号给所述电子注入器，使所述电子注入器产生所述电子脉冲。

根据本发明的一个方面，所述采样点与所述微波脉冲的上升沿和下降沿均有预设距离，以便避开所述上升沿和下降沿处的反射波不稳定期间。

与现有技术相比，本发明中自动频率控制系统的采样点在有载状态和空载状态时保持一致，避免了加速管在空载和有载时频率差异。并且由于将在一初始时间内将加速管置于空载状态，也避免造成电子在刚进入加速管的射线束流发生变化。

附图说明

图1是现有的直线加速器中自动频率采样时序图。

图2是根据本发明一实施例的直线加速器的电路结构图。

图3是根据本发明一实施例的直线加速器在有载状态下的自动频率采样。

图4是根据本发明一实施例的直线加速器在有载和空载状态切换下的自动频率采样。

图5是根据本发明一实施例的直线加速器包含初始空载状态的自动频率采样。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

本发明的实施例描述直线加速器。直线加速器可以在生物医学上用来对肿瘤进行放射治疗。直线加速器还可以在科学研究领域使用。

图2是根据本发明一实施例的直线加速器的电路结构图。参考图2所示，本实施例的直线加速器10可包括频率发生器11、频率分配器12、调制器13、磁控管14、电子注入器15、环流器16、自动频率控制系统17、电机18以及加速管19。调制器13是向磁控管14这种微波功率源提供脉冲功率的电源，其工作原理是利用储能放电的原理形成高压脉冲，经脉冲变压器将该电压进一步放大后供磁控管14使用。磁控管14作为微波功率源能够产生微波脉冲。微波脉冲经微波传输系统馈入加速管19中。电子注入器15产生电子脉冲注入到加速管19中。加速管19引入微波脉冲和电子脉冲，且根据微波脉冲对注入电子脉冲进行加速。频率发生器11发出触发信号，然后经过频率分配器12分别分配给调制器13、自动频率控制系统17和电子注入器15。频率分配器12需要根据不同的部件13、15和17的工作特性来设置不同的脉冲和延时，确保电子注入器15产生的电子发射到加速管19中时，调制器13加高压使磁控管14产生的微波刚好馈入到加速管19中，这样电子就会被微波加速而获得很高的能量，进而轰击靶(图中未示出)，从而激发射线。

磁控管14输出的微波馈入到加速管19中能量为入射波，同时还会有部分的能量被反射回来而被环流器16上的负载吸收掉，这部分能量叫反射波，入射波和反射波的波形可以参考图3。

磁控管14作为微波功率源，其工作频率是可调谐的。举例来说，可以利用电机18驱动磁控管14在一定的频率范围内改变频率。

由于磁控管14和加速管19在工作过程中会受到环境温度、输出功率、负载等因素的影响，工作频率会发生微小的变化。因此自动频率控制系统17，连接电机18以调谐微波脉冲的频率。具体地说，自动频率控制系统17可以通过定期的采样来获得入射波、反射波两者之间的相位差其进一步被自动频率控制系统转化为电压差ΛV，电压差就可以转化为驱动信号来驱动电机18，从而改变磁控管14的输出频率。

图2所示的结构仅仅是示例性的，直线加速器10的一些部件未被示出以避免混淆本申请的重点，本领域技术人员可以根据其知识增加、减少或者替换部分部件。例如，作为微波功率源的磁控管14还可以是速调管。加速管19有行波和驻波两种类型，微波脉冲经耦合波导馈入后，在其中分别产生行波和驻波电磁场。

根据本发明的实施例的直线加速器10，在加速管19处于有载状态时，自动频率控制系统17的采样点在微波脉冲持续期间且不在所述电子脉冲持续期间。在此，有载状态是有出射的射线束流的状态，通常地，该射线束流为X射线束流。与之相对的是空载状态，是无出射的射线束流的状态。通常，有载状态包括电子脉冲与微波脉冲同步的状态；空载状态包括电子脉冲与微波脉冲异步的状态或者有微波脉冲但无电子脉冲的状态。以上只是为了便于理解而作出的描述而非限制性的。

图3是根据本发明一实施例的直线加速器在有载状态下的自动频率采样。参考图3所示，入射波是根据馈入加速管19的微波脉冲产生，其波形基本与微波脉冲一致，反射波是入射波经加速管19反射后的波形。在此有载状态下，电子是在微波脉冲持续期间注入，因此电子注入脉冲与微波脉冲在时间上重叠。自动频率控制系统17的采样点则是在微波脉冲持续期间且不在电子脉冲持续期间。也就是说，自动频率控制系统17的采样点避开了电子注入到加速管19的期间。

另一方面，图4是根据本发明一实施例的直线加速器的自动频率采样。参考图4所示，直线加速器在有载状态和空载状态重复地切换，其中，在此有载状态下，电子是在微波脉冲持续期间注入，因此电子注入脉冲与微波脉冲在时间上重叠；在此空载状态下，在微波脉冲持续期间没有电子注入。在图4所示的有载状态下，自动频率控制系统17的采样点是在微波脉冲持续期间且不在电子脉冲持续期间，在图4所示的空载状态下，自动频率控制系统17的采样点落在微波脉冲持续期间，同样地，也不在电子脉冲持续期间(因为在整个微波脉冲持续期间内均无电子脉冲)。

参见图4可以看出，本实施例的自动频率控制系统17的采样点始终落在没有电子注入的时期，无论是有载状态和空载状态。由于直线加速器需要在有载状态和空载状态之间切换，而本实施例中自动频率控制系统17的采样点在有载状态和空载状态时保持一致，避免了像现有技术那样因采样点在有载状态时落到电子脉冲持续期间而使磁控管跟随加速管在该状态下的一种频率、但在空载状态因无电子脉冲而使磁控管跟随加速管在该状态下的另一种频率导致的频率差异。这样直线加速器在运行时，就可以保证空载时加速管19和磁控管14的工作频率一致，这时无论注入电子或是不注入电子，都不会影响自动频率控制系统17的稳定性，从而使束流一直稳定。

另一方面，射线需要经历一个过程才能趋于稳定，因此本发明的一实施例中，让直线加速器包含一初始空载状态。在此初始空载状态中，仍然向加速管19周期性注入微波脉冲，但是不向加速管注入电子脉冲。或者在此初始空载状态中，仍然向加速管19周期性注入微波脉冲，但是向加速管注入的电子脉冲与微波脉冲异步。图5是根据本发明一实施例的直线加速器包含初始空载状态的自动频率采样。参考图5所示，在直线加速器开始工作的前N个微波脉冲中，均没有电子脉冲注入。在此期间，自动频率控制系统17保持定期的采样，使得微波脉冲的频率与加速管19的工作频率一致。在第N+1个微波脉冲，电子注入器15向加速管19注入电子脉冲，直线加速器进入有载状态。在此时，靶电流已经趋于稳定，因而射线束流的稳定性会较高。可以理解，电子注入器15不注入电子脉冲的时延的配置是可以通过频率分配器12来实现。

因为本发明中磁控管14工作频率匹配的是没有束流时的加速管频率，与图1所示的磁控管最佳工作频率相比，该频率是略低的，因而射线束流能量也略低，然而，对于射线束流能量不需很高但稳定性要求很高的场合是很适合的。具体地，在某些应用中，能量略小但更稳定的射线束流是必须的，比如光子成像。在以低剂量率射束的治疗中，这种能量略小但更稳定的射线束流也是较优的选择。

回到图2所示，根据本发明的实施例，自动频率控制系统17是根据采样触发信号确定上述的采样点。电子注入器15则根据注入触发信号产生电子脉冲。调制器13根据MOD触发信号产生脉冲电压给磁控管14使其输出入射波。频率分配器12分别提供前述MOD触发信号、采样触发信号和注入触发信号，也负责控制三者的时序关系，使得采样点满足图3-5所示的条件。例如，频率分配器12可以在每个周期，按照特定的时延提供MOD触发信号、注入触发信号和采样触发信号，以触发微波脉冲和电子脉冲的产生，并且让采样点避开电子脉冲。又如，频率分配器12可以在某些周期提供MOD触发信号而不提供注入触发信号，以得到如图4所示的空载状态。又如，频率分配器12可以在系统开始工作的一系列周期提供MOD触发信号而不提供注入触发信号，以得到如图5所示的空载状态。频率分配器12的MOD触发信号、采样触发信号和注入触发信号可以来自频率发生器11。

参考图3所示，反射波在入射波(对应微波脉冲)的上升沿和下降沿处均有不稳定期间，在这一期间存在尖峰。采样点较佳地与微波脉冲的上升沿和下降沿均有预设距离。这一时间距离可以根据事先检测的尖峰持续时间来确定，并在频率分配器12中预设。除了这些限制之外，采样点可以在微波脉冲持续期间的任意时刻，既可以在反射波的上升沿尖峰与电子注入脉冲之间，也可以在电子注入脉冲与反射波的下降沿尖峰之间。

从另一角度看，本发明的实施例提供一种稳定射线束流的方法，用于直线加速器，例如上述的直线加速器。这一方法包括：在加速管处于有载状态时，使自动频率控制系统的采样点在微波脉冲持续期间且不在电子脉冲持续期间。

根据这一方法，在一初始时间内将加速管置于空载状态。

根据这一方法，在初始时间内，电子注入器不向加速管注入电子脉冲，或者注入的电子脉冲相对于微波脉冲是异步的。

根据这一方法，提供采样触发信号给自动频率控制系统，使自动频率控制系统确定所述采样点。

根据这一方法，提供注入触发信号给电子注入器，使电子注入器产生所述电子脉冲。

在一个实施例中，自动频率控制系统的采样点与微波脉冲的上升沿和下降沿均有预设距离，以便避开上升沿和下降沿处的反射波不稳定期间。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (13)

1.一种直线加速器，包括：

微波功率源，产生微波脉冲；

电子注入器，产生电子脉冲；

加速管，引入所述微波脉冲和所述电子脉冲，且根据所述微波脉冲对电子脉冲进行加速；以及

自动频率控制系统，连接所述微波功率源且调谐所述微波脉冲的频率；

其特征在于，在所述加速管处于有载状态时，所述自动频率控制系统的采样点在所述微波脉冲持续期间且不在所述电子脉冲持续期间。

2.根据权利要求1所述的直线加速器，其特征在于，所述加速管在一初始时间内处于空载状态。

3.根据权利要求2所述的直线加速器，其特征在于，在所述初始时间内，所述电子注入器不向所述加速管注入所述电子脉冲，或者注入的所述电子脉冲相对于所述微波脉冲是异步的。

4.根据权利要求1所述的直线加速器，其特征在于，所述自动频率控制系统根据采样触发信号确定所述采样点。

5.根据权利要求1所述的直线加速器，其特征在于，所述电子注入器根据注入触发信号产生所述电子脉冲。

6.根据权利要求1-3任一项所述的直线加速器，其特征在于，还包括频率分配器，输出注入触发信号给所述电子注入器，以及输出采样触发信号给所述自动频率控制系统。

7.根据权利要求1所述的直线加速器，其特征在于，所述采样点与所述微波脉冲的上升沿和下降沿均有预设距离，以便避开所述上升沿和下降沿处的反射波不稳定期间。

8.一种稳定射线束流的方法，用于直线加速器，所述直线加速器包括微波功率源、电子注入器、加速管和自动频率控制系统，所述微波功率源产生微波脉冲，所述电子注入器产生电子脉冲，所述加速管引入所述微波脉冲和所述电子脉冲，且根据所述微波脉冲对注入电子脉冲进行加速；所述自动频率控制系统，连接所述微波功率源且调谐所述微波脉冲的频率；其特征在于，还包括：在所述加速管处于有载状态时或者处于能相互切换的有载状态和空载状态中的任一状态时，使所述自动频率控制系统的采样点在所述微波脉冲持续期间且不在所述电子脉冲持续期间。

9.根据权利要求8所述的稳定射线束流的方法，其特征在于，还包括在一初始时间内将所述加速管置于空载状态。

10.根据权利要求9所述的稳定射线束流的方法，其特征在于，在所述初始时间内，所述电子注入器不向所述加速管注入所述电子脉冲，或者注入的所述电子脉冲相对于所述微波脉冲是异步的。

11.根据权利要求8所述的稳定射线束流的方法，其特征在于还包括提供采样触发信号给所述自动频率控制系统，使所述自动频率控制系统确定所述采样点。

12.根据权利要求8所述的稳定射线束流的方法，其特征在于，还包括提供注入触发信号给所述电子注入器，使所述电子注入器产生所述电子脉冲。

13.根据权利要求8所述的稳定射线束流的方法，其特征在于，所述采样点与所述微波脉冲的上升沿和下降沿均有预设距离，以便避开所述上升沿和下降沿处的反射波不稳定期间。