CN107864546B - 一种回旋加速器的束流强度稳定调制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回旋加速器的束流强度稳定调制装置，包括：第一静电偏转装置、第二静电偏转装置和垂直限流狭缝；第一静电偏转装置和第二静电偏转装置结构相同，均包括：关于回旋加速器中心平面上下对称的上下极板；垂直限流狭缝包括：一对L型截面且关于中心平面上下对称的板；第一、第二静电偏转装置和垂直限流狭缝分别安装于回旋加速器中三个峰区磁极的上、下表面；第一、第二静电偏转装置的组合作用使束流产生垂直轨道突起；垂直限流狭缝用于拦截垂直偏转较大的束流；通过改变束流垂直突轨大小，调节刮束比例实现束流强度调节。本发明，通过将刮束后的束流矫正回中心平面，抑制束流垂直运动不稳定性，从而实现引出束流强度稳定调节。

Description

一种回旋加速器的束流强度稳定调制装置

技术领域

本发明属于回旋加速器领域，更具体地，涉及一种回旋加速器的束流强度稳定调制装置。

背景技术

精准快速放疗是粒子束放疗的发展方向，基于回旋加速器的质子放疗装置由于其体积、成本等优势占据了更多市场。但是，回旋加速器只能输出恒定能量的束流，为满足临床治疗中对不同深度肿瘤的治疗要求，需要调整传输线上束流穿过降能器石墨的厚度来进行束流能量调制。这种能量调节方式会造成高能粒子束传输效率与低能粒子束之间相差数十倍甚至上百倍，不利于临床应用，因而需要对不同能量的粒子束做束流强度调节。另一方面，当前粒子束精准放疗前沿技术要求能对束流强度进行连续稳定调节，从而在连续扫描曲线上实现特定剂量分布，缩短治疗时间，最大限度地发挥和开拓粒子束放疗的剂量优势。因此，需要对回旋加速器引出束流强度实现快速稳定调节。

回旋加速器的束流强度调节主要有三种实现方法：(1)调节离子源偏压和气流，但是这种调节方式响应慢，且会造成离子源运行不稳定；(2)在输运线上使用四极磁铁对束流进行扩束，利用准直器刮束，这种方法使准直器处高能束流损失严重，造成局部辐射剂量高，且调节速度较慢；(3)在中心区，利用一个静电偏转装置对束流施加垂直电场进行垂直偏转，再通过垂直限流孔进行刮束，从而实现束流强度的调节。

由于单静电偏转装置方案是对低能束流进行操作，束损造成材料活化问题较轻，且响应速度快，因此多被采用。但是，通过垂直限流孔的束流仍然保留垂直电场偏转作用下获得的垂直动量和垂直轨道偏移，当束流邻近相稳定区边界时，会因为较小的扰动而丢失。在实验测量的“偏转电极偏压vs引出束流强度”映射关系显示，当静电偏转装置的偏转电极之间偏压比较大时，引出束流强度对偏转电极偏压的变化趋势呈现非线性，影响束流强度调节精度。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种回旋加速器的束流强度稳定调制装置，旨在解决现有技术中针对单静电偏转装置在束流强度调制时引入束流轴向动量导致束流调节非线性的问题，影响束流强度调节精度的问题。

本发明提供了一种回旋加速器的束流强度稳定调制装置，包括：第一静电偏转装置、第二静电偏转装置和垂直限流狭缝；第一静电偏转装置和第二静电偏转装置结构相同，均包括：关于回旋加速器中心平面上下对称设置的上极板和下极板；垂直限流狭缝包括：一对L型截面且对称放置的板，其中，一块板设置在所述回旋加速器中第二峰区磁极的上表面，另一块板设置在所述回旋加速器中第二峰区磁极的下表面；所述垂直限流狭缝用于让垂直偏转较大的束流运动到狭缝壁上损失掉，实现束流强度调节。

更进一步地，第一静电偏转装置的上极板设置在所述回旋加速器中第一峰区磁极的上表面，所述第一静电偏转装置的下极板设置在所述回旋加速器中第一峰区磁极的下表面；所述第二静电偏转装置的上极板设置在所述回旋加速器中第三峰区磁极的上表面，所述第二静电偏转装置的下极板设置在所述回旋加速器中第三峰区磁极的下表面。

更进一步地，工作时，通过在所述第一静电偏转装置的上、下极板之间施加一个第一偏转电压，使得所述第一静电偏转装置的上、下极板之间形成了一个垂直向上的第一静电场，在所述第二静电偏转装置的上、下极板之间施加与所述第一偏转电压相反的第二偏转电压，使得所述第二静电偏转装置的上、下极板之间形成了一个垂直向下的第二静电场；当束流通过时，由于第一静电场的第一次作用在垂直方向发生向上偏移，沿前进方向运行1/4圈后达到垂直限流狭缝，垂直方向偏移较大的束流都被垂直限流狭缝拦截，只有部分束流通过并继续向前运动；通过垂直限流狭缝的束流运动1/4圈后达到第二静电偏转装置，并在第二静电场的作用下束流沿垂直方向运动反向开始向下运动；当束流在前进方向运动1/2圈后再次达到第一静电偏转装置处，并在第一静电场的作用下，束流在垂直方向的速度逐渐为零，且垂直轨道也回到了中心平面。

更进一步地，当回旋加速器需要引出强度较弱的束流时，通过同时调节第一静电偏转装置和第二静电偏转装置的偏压大小控制束流在垂直方向形成较大轨道凸起，使得束流中更多粒子被所述垂直限流狭缝拦截，更少的束流粒子通过束流通道实现强度较弱的束流引出；当回旋加速器需要引出强度较强的束流时，通过同时调节所述第一静电偏转装置和所述第二静电偏转装置的偏压大小控制束流在垂直方向形成较小轨道凸起，使得束流中少数粒子被所述垂直限流狭缝拦截，更多的束流粒子通过束流通道实现强度较强的束流引出。

本发明通过在回旋加速器中心区的第一峰区磁极和第三峰区磁极的上下表面分别安装第一静电偏转装置的一对电极板和第二静电偏转装置的一对电极板，在相距90度位置的第二峰区磁极上下表面安装垂直限流狭缝；通过调节第一静电偏转装置的上下电极板之间的电压差，对离子源出来的粒子束进行垂直偏转，使符合强度要求的束流通过垂直限流狭缝；通过调节第二静电偏转装置的上下电极板之间的电压差，将束流偏转向中心平面运动；再次通过第一静电偏转装置时，束流回到中心平面并沿水平方向运动。从而在实现束流强度调节的同时，抑制束流的垂直方向振荡运动，提高束流的垂直方向运动稳定性。

在第一静电偏转装置的上下电极板施加偏转电压后，在两个电极板之间形成垂直方向的第一静电场，当粒子束通过时，会在静电场的作用下发生垂直偏转；当通过垂直限流狭缝时，偏离中心平面较大的粒子被刮掉，只有中间狭缝为束流通道。在第二静电偏转装置的上下电极板施加偏转电压后，在两个电极板之间形成与第一静电偏转装置中相反的垂直方向第二静电场，当粒子束通过时，会在第二静电场的作用下发生垂直方向偏转，往中心平面运动。当束流继续向前运动，再次达到第一静电偏转装置时，束流在静电场作用下垂直方向动量完全消除，开始沿水平方向运动，且垂直轨道回到中心平面。从而抑制束流的垂直方向振荡，减小垂直方向运动不稳定性。

通过组合调节第一静电偏转装置和第二静电偏转装置中偏转电极板上的偏转电压，保证符合强度要求的束流通过垂直限流狭缝，并将调节强度后的束流调制回到中心平面，稳定运行。

附图说明

图1是本发明实施例提供的回旋加速器的束流强度稳定调制装置结构示意图。

图2是本发明实施例提供的回旋加速器的束流强度稳定调制装置中第一静电偏转装置、第二静电偏转装置、垂直限流狭缝作用位置与束流水平轨道的相对位置示意图。

图3是本发明实施例提供的回旋加速器的束流强度稳定调制装置中静电偏转装置剖面结构示意图。

图4是本发明实施例提供的回旋加速器的束流强度稳定调制装置中垂直限流狭缝结构示意图。

图5是本发明实施例提供的回旋加速器的束流强度稳定调制原理示意图。

其中，1为第一静电偏转装置，2为第二静电偏转装置，3为垂直限流狭缝，4为第一峰区磁极，5为第二峰区磁极，6为第三峰区磁极，7为第四峰区磁极，8为第一静电场，9为第二静电场，10为束流。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明在实现束流强度调节的基础上，将回旋加速器中束流校正回中心平面提高其垂直方向运动稳定性，从而提高回旋加速器引出束流强度调节精度和稳定度。本发明针对单静电偏转装置在束流强度调制时引入束流垂直方向动量，导致束流调节非线性的问题，影响束流强度调节精度的问题，提出了一种新型回旋加速器的束流强度调制方法，从而在实现快速束流强度调节的基础上，同时保证引出束流的稳定性，提高束流强度调节精度。

本发明实施例提供的回旋加速器的束流强度稳定调制装置包括：在回旋加速器中心区的第一峰区磁极4的上、下表面分别设置第一静电偏转装置1中的上、下极板，在回旋加速器中心区的第三峰区磁极6的上、下表面分别设置第二静电偏转装置2中的上、下极板，第一静电偏转装置1作用区域覆盖束流连续两次通过区域，在第二峰区磁极5上、下表面分别设置垂直限流狭缝3中的两块板；通过调节第一静电偏转装置1上、下电极板之间的电压差，对粒子束进行垂直轨道偏转，使符合强度要求的束流10通过垂直限流狭缝3；通过调节第二静电偏转装置2的上、下电极板之间的电压差，将束流10偏转往中心平面运动；再次经过第一静电偏转装置1的作用区域使得束流再次得到一个垂直方向作用力，回到中心平面。从而在实现束流强度调节的同时抑制束流垂直方向振荡，提高束流强度调节精度。

在本发明实施例中，通过在第一静电偏转装置1的偏转电极板上施加偏转电压后，在两个电极板之间形成垂直方向第一静电场8，当粒子束通过时，会在第一静电场8的作用下发生垂直方向偏转；当通过垂直限流狭缝3时，偏离中心平面较大的粒子被刮掉，只有通过中间狭缝束流通道的粒子束通过。通过在第二静电偏转装置2的偏转电极板上施加偏转电压后，在两个电极板之间形成与第一静电偏转装置1中相反的垂直方向第二静电场9，当粒子束10通过时，会在第二静电场9的作用下发生垂直方向偏转，往中心平面运动。束流再次经过第一静电偏转装置1的作用区域时，束流在静电场的作用下开始沿水平方向运动，同时运动轨道回到中心平面。

本发明实施例中，通过组合调节第一静电偏转装置1和第二静电偏转装置2中偏转电极板上的偏转电压，保证符合强度要求的束流通过垂直限流狭缝3，并偏转回到中心平面，稳定运行。

本发明通过组合调节两对第一静电偏转装置1，2中的偏压，调节偏转电极板之间的电场强度8，9，从而在束流强度调节的同时，消除束流垂直方向位置和动量偏移。该束流强度调节方式可以实现快速、精准、稳定的束流强度调节。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的回旋加速器的束流强度稳定调制装置，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，在本发明实施例中，回旋加速器包括：第一峰区磁极4，第二峰区磁极5，第三峰区磁极6和第四峰区磁极7；各峰区磁极位置沿回旋加速器中心旋转相差90度角；基于回旋加速器的束流强度稳定调制装置包括：第一静电偏转装置1、第二静电偏转装置2和一对L型截面的板组成垂直限流狭缝3。垂直限流狭缝3用于拦截偏离中心平面较大的束流，实现束流强度调节。垂直限流狭缝3之所以设置为L型，其原因是可以延长束流运动纵向距离，提高束流垂直偏转运动时间，降低对偏转装置1的偏压要求。

第一静电偏转装置1包括两个形状结构相同的电极板，两个电极板关于回旋加速器中心平面上下对称。第一静电偏转装置1的两个电极板分别安装在第一峰区磁极4下表面及其对应的上部峰区磁极表面。

L型垂直限流狭缝3中的两块板分别安装在与第一峰区磁极4旋转90度位置的下峰区磁极表面及其对应的上部峰区磁极表面；第二静电偏转装置2的两个电极板分别安装在与第一峰区磁极4呈180度对称位置设置的峰区磁极下表面及其对应的上部峰区磁极表面。

如图2所示，第一静电偏转装置1水平剖面近似梯形，安装于第一峰区磁极4的上下表面，径向尺寸覆盖束流运动的第2-3圈运动路径，形状和尺寸可适当调整以便安装；第二静电偏转装置2与第一静电偏转装置1类似，径向尺寸覆盖束流运动第3圈运动路径，垂直限流狭缝3安装在第一静电偏转装置1和第二静电偏转装置2之间。

如图3所示，静电偏转装置的电极板呈立体T形结构，嵌套在框形结构底座中，以便将电极板固定于磁极表面。

如图4所示，垂直限流狭缝的上下板分别呈L形，束流中部分粒子在两个L形极头上被拦截掉，从而调节从狭缝中间通过的粒子束，实现回旋加速器引出束流强度的调节。

如图5所示，束流强度稳定调制装置处于工作状态时，第一静电偏转装置1的偏转电极板上施加一个偏转电压，在其电极板之间形成一个垂直向上的第一静电场8，第二静电偏转装置2的偏转电极板上施加与1相反的偏转电压，在其电极板之间形成一个垂直向下的第二静电场9。当束流10通过时，由于第一静电场8的第一次作用在垂直方向发生向上偏移，沿前进方向运行1/4圈后达到垂直限流狭缝3，如图所示，垂直方向偏离中心平面较大的束流都被垂直限流狭缝3拦截，只有部分束流通过并继续向前运动。通过垂直限流狭缝3的束流运动1/4圈后达到第二静电偏转装置2，在第二静电场9的作用下束流垂直方向运动反向开始向下运动，在前进方向运动1/2圈后再次达到第一静电偏转装置1处，在第一静电场8的作用下，其垂直方向的速度逐渐降为零，其垂直轨道位置也回到中心平面。

第二静电场9的强度与第一静电场8的强度有一定的调节关系，其强度随第一静电场8的强度变化而变化。第一静电场8对束流10的第一次作用使束流发生足够的垂直方向偏转，从而使束流10的部分粒子被垂直限流狭缝3拦截，从而实现束流强度的调节，因此通过调节第一静电场8的强度即第一静电偏转装置1的偏压大小可以实现束流强度的调节。第二静电场9对束流10的作用和第一静电场8对束流10的第2次作用的组合将束流10从偏离中心平面位置矫正到中心平面，从而抑制束流的垂直方向振荡，提高束流稳定度和调节的精确度。

当回旋加速器需要引出强度较弱的束流时，可以通过组合调节第一静电偏转装置1和第二静电偏转装置2的偏压大小，使束流在垂直方向形成较大的轨道凸起，从而使束流中更多粒子被垂直限流狭缝3拦截，更少束流粒子通过束流通道，实现强度较弱的束流引出。

当回旋加速器需要引出强度较强的束流时，可以通过调节第一静电偏转装置1和第二静电偏转装置2的偏压大小，使束流在垂直方向发生较小偏移，从而使束流中少数粒子被垂直限流狭缝3拦截，更多束流粒子通过束流通道，从而实现强度较强的束流引出。

在本发明的指导下，可以调节第一静电偏转装置1、第二静电偏转装置2、垂直限流狭缝3的位置、尺寸、形状、作用次数等，以实现束流的稳定调节。

在本发明的指导下，通过增加静电偏转装置或垂直限流狭缝数量，都属于本发明涵盖范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种回旋加速器的束流强度稳定调制装置，其特征在于，包括：第一静电偏转装置(1)、第二静电偏转装置(2)和垂直限流狭缝(3)；

所述第一静电偏转装置(1)和所述第二静电偏转装置(2)结构相同，均包括：关于回旋加速器中心平面上下对称设置的上极板和下极板；

所述垂直限流狭缝(3)包括：一对L型截面且对称放置的板，其中，一块板设置在所述回旋加速器中第二峰区磁极(5)的上表面，另一块板设置在所述回旋加速器中第二峰区磁极(5)的下表面；所述垂直限流狭缝(3)用于让垂直偏转较大的束流运动到狭缝壁上损失掉，实现束流强度调节；

工作时，通过在所述第一静电偏转装置(1)的上、下极板之间施加一个第一偏转电压，使得所述第一静电偏转装置(1)的上、下极板之间形成了一个垂直向上的第一静电场(8)，在所述第二静电偏转装置(2)的上、下极板之间施加与所述第一偏转电压相反的第二偏转电压，使得所述第二静电偏转装置(2)的上、下极板之间形成了一个垂直向下的第二静电场(9)；

当束流(10)通过时，由于第一静电场(8)的第一次作用在垂直方向发生向上偏移，沿前进方向运行1/4圈后达到垂直限流狭缝(3)，垂直方向偏移较大的束流都被垂直限流狭缝(3)拦截，只有部分束流通过并继续向前运动；通过垂直限流狭缝(3)的束流运动1/4圈后达到第二静电偏转装置(2)，并在第二静电场(9)的作用下束流沿垂直方向运动反向开始向下运动；当束流在前进方向运动1/2圈后再次达到第一静电偏转装置(1)处，并在第一静电场(8)的作用下，束流在垂直方向的速度逐渐为零，且垂直轨道也回到了中心平面；

当回旋加速器需要引出强度较弱的束流时，通过同时调节所述第一静电偏转装置(1)和所述第二静电偏转装置(2)的偏压大小控制束流在垂直方向形成较大轨道凸起，使得束流中更多粒子被所述垂直限流狭缝(3)拦截，更少的束流粒子通过束流通道实现强度较弱的束流引出；

当回旋加速器需要引出强度较强的束流时，通过同时调节所述第一静电偏转装置(1)和所述第二静电偏转装置(2)的偏压大小控制束流在垂直方向形成较小轨道凸起，使得束流中少数粒子被所述垂直限流狭缝(3)拦截，更多的束流粒子通过束流通道实现强度较强的束流引出；

所述第一静电偏转装置(1)的上极板设置在所述回旋加速器中第一峰区磁极(4)的上表面，所述第一静电偏转装置(1)的下极板设置在所述回旋加速器中第一峰区磁极(4)的下表面；

所述第二静电偏转装置(2)的上极板设置在所述回旋加速器中第三峰区磁极(6)的上表面，所述第二静电偏转装置(2)的下极板设置在所述回旋加速器中第三峰区磁极(6)的下表面。