CN109195301B - 一种加速管和直线加速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加速管和直线加速器。该加速管包括：至少两个加速腔；至少一个轴耦合结构和至少两个边耦合结构，在相邻两个所述加速腔之间设置所述轴耦合结构或所述边耦合结构；至少一个能量开关，所述能量开关与所述轴耦合结构耦合连接，用于调节所述轴耦合结构下游的电磁场的幅值。本发明提供的加速管结构简单合理，有利于保持加速管的结构的对称性，避免了能量开关的设置对电磁场在横向方向上的影响。

Description

一种加速管和直线加速器

技术领域

本发明实施例涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种加速管和直线加速器。

背景技术

医用直线加速器是指利用微波电磁场加速电子并且具有直线运动轨道的加速装置。它能产生高能X射线和电子线，具有剂量率高，照射时间短，照射野大，剂量均匀性和稳定性好，以及半影区小等特点。

在现有技术中，对于直线加速器来说，优化在单能上是方便的。但是单能的直线加速器用途极窄，所以对带多档能量开关的直线加速器提出了需求。能量开关作为目前主流医用加速器最重要部分之一，它的运行既不影响直线加速器在优化模式下的加速性能，又方便直线加速器输出多档能量，大大扩展了直线加速器的利用价值。然而，在现有的加速器中设置能量开关影响了电磁场在横向方向上的分布，使得加速器存在电磁场分布不均匀的问题。

发明内容

本发明提供一种加速管和直线加速器，以提升电磁场的均匀性。

第一方面，本发明实施例提供了一种加速管，该加速管包括：

至少两个加速腔；

至少一个轴耦合结构和至少两个边耦合结构，在相邻两个所述加速腔之间设置所述轴耦合结构或所述边耦合结构；

至少一个能量开关，所述能量开关与所述轴耦合结构耦合连接，用于调节所述轴耦合结构下游的电磁场的幅值。

可选地，所述能量开关为金属棒；

所述轴耦合结构上设置有通孔，所述金属棒插接于所述通孔中；所述金属棒用于在所述通孔内移动调节所述轴耦合结构下游的电磁场的幅值。

可选地，所述通孔的轴向方向垂直于所述加速腔的电子束流方向。

可选地，所述加速管还包括：传动电机，所述传动电机与所述金属棒机械连接，用于移动所述金属棒。

可选地，所述轴耦合结构包括腔体和多个耦合孔，所述腔体和所述相邻两个加速腔通过所述耦合孔耦合连接；

所述能量开关与所述耦合孔耦合连接。

可选地，所述耦合孔包括两个上游耦合孔和两个下游耦合孔；所述腔体和位于其上游的所述加速腔通过所述上游耦合孔耦合连接，所述腔体和位于其下游的所述加速腔通过所述下游耦合孔耦合连接，且所述能量开关与至少一个耦合孔耦合连接。

可选的，两个所述上游耦合孔关于第一方向对称；两个所述下游耦合孔关于第二方向对称；所述第一方向和所述第二方向垂直，所述第一方向和所述第二方向所在的平面垂直于所述加速腔的电子束流方向。

可选地，所述能量开关的数量为两个。

可选地，两个所述能量开关分别与两个所述上游耦合孔耦合连接，或者，两个所述能量开关分别与两个所述下游耦合孔耦合连接。

可选地，所述轴耦合结构的数量为一个。

第二方面，本发明实施例还提供了一种直线加速器，该直线加速器包括：粒子源、微波源和如任意实施例所述的加速管；

其中，所述粒子源设置于所述加速管的一端，所述粒子源用于向所述加速管注入电子束流；所述微波源和所述加速管耦合连接，所述微波源用于向所述加速管耦合电磁场。

本发明实施例提出了一种边耦合结构和轴耦合结构混合的加速管结构，在加速腔之间设置边耦合结构或轴耦合结构，将能量开关与轴耦合结构耦合连接，调节轴耦合结构下游的电磁场的幅值，使得边轴混合耦合结构的加速管实现了能量调节。本发明提供的加速管结构简单合理，有利于保持加速管的结构的对称性，避免了能量开关的设置对电磁场在横向方向上的影响；以及加速器中用来安装加速管的空间有限，本发明实施例可以减小加速管横截面的尺寸，有利于将加速管设置于加速器内，从而减小了加速器的体积。

附图说明

图1为现有的一种加速管的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种加速管的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种加速管的电场分布图；

图4为沿图2中A-A'的剖面结构示意图；

图5为图4中金属棒移动后的一种结构示意图；

图6为图4中金属棒移动后的另一种结构示意图；

图7为图2中的加速管以电子束流方向为轴旋转90°的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种加速管的结构示意图；

图9为沿图8中B-B'的剖面结构示意图；

图10为图9中金属棒移动后的一种结构示意图；

图11为图9中金属棒移动后的另一种结构示意图；

图12为图9中金属棒移动后的又一种结构示意图；

图13为本发明实施例提供的一种直线加速器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

正如背景技术所述，现有的加速管中设置能量开关影响了电磁场在横向方向(电子束流方向)上的分布，使得加速管存在电磁场分布不均匀的问题。经发明人研究发现，出现这种问题的原因在于，现有的能量开关多设置于边耦合结构中。具体地，图1为现有的一种加速管的结构示意图。参见图1，该加速管包括多个加速腔110和设置于相邻两个加速腔110边缘的边耦合结构120，边耦合结构120与加速腔110耦合连接。每个边耦合结构120设置于两个加速腔110之间，以提供加速腔110之间的边耦合。为了实现对能量的控制，在边耦合结构120上安装一个能量开关130，该能量开关130可以改变与边耦合结构120耦合的加速腔110的腔间耦合系数，进而改变位于该边耦合结构120的下游加速腔110的电场幅值。示例性地，采用该能量开关130的设置可以使加速管实现输出电子射束能量不同的两种工作模式：在第一工作模式下，能量开关130不起作用，边耦合结构120和加速腔110以初始耦合状态耦合，馈入各加速腔110的电磁场的幅值相等，电子射束在各加速腔110中获得一定的能量并输出，输出的电子射束具有第一能量；在第二工作模式下，能量开关130对边耦合结构120产生扰动，进而改变了馈入该边耦合结构120下游的加速腔110的电磁场，电子射束在各加速腔110中获得一定的能量并输出，输出的电子射束具有第二能量。然而，由于边耦合结构120设置于加速腔110的一侧，在边耦合结构120中安装能量开关130，当该能量开关130工作时，其对加速腔110靠近能量开关130一侧的电磁场的影响较大，而对加速腔110远离能量开关130一侧的电磁场的影响较小，这必然会使得电磁场在横向方向(垂直于电子束流方向)上的分布不均匀。

基于以上原因，本发明实施例提供了一种加速管，该加速管包括：至少两个加速腔、至少一个轴耦合结构、至少两个边耦合结构和至少一个能量开关。其中，在相邻两个加速腔之间设置轴耦合结构或边耦合结构。能量开关与轴耦合结构耦合连接，用于调节轴耦合结构下游的电磁场的幅值。

本发明实施例提出一种边耦合结构和轴耦合结构混合的加速管结构。在加速腔之间设置边耦合结构或轴耦合结构，且能量开关与轴耦合结构耦合连接，调节轴耦合结构下游的电磁场的幅值。本发明提供的加速管结构简单合理，有利于保持加速管的结构的对称性，避免了能量开关的设置对电磁场在横向方向上的影响；以及加速器中用来安装加速管的空间有限，本发明实施例可以减小加速管横截面的尺寸，有利于将加速管设置于加速器内，从而减小加速器的体积。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2为本发明实施例提供的一种加速管的结构示意图。参见图2，该加速管包括：至少两个加速腔210、至少一个轴耦合结构220、至少一个能量开关230和至少两个边耦合结构240。图2示例性地示出了四个加速腔210、一个轴耦合结构220、一个能量开关230和两个边耦合结构240。其中四个加速腔210从左向右依次为第一加速腔、第二加速腔、第三加速腔和第四加速腔，两个边耦合结构240从左向右为第一边耦合结构和第二边耦合结构。第一边耦合结构设置于第一加速腔和第二加速腔之间，并分别与第一加速腔和第二加速腔耦合连接；第二边耦合结构设置于第三加速腔和第四加速腔之间，并分别与第三加速腔和第四加速腔耦合连接；轴耦合结构220设置于第二加速腔和第三加速腔之间，并分别与第二加速腔和第三加速腔耦合连接，第一加速腔和第二加速腔位于轴耦合结构220上游，第三加速腔和第四加速腔位于轴耦合结构220下游。能量开关230与轴耦合结构220耦合连接，用于调节轴耦合结构220下游的电磁场的幅值，即通过调节能量开关230可以改变腔间耦合系数，从而调节第三加速腔和第四加速腔的电磁场的幅值。

以驻波加速管为例介绍该加速管的工作原理，微波源向加速管提供类型为驻波的电磁场，即电磁场在某一加速腔210中的值在正向最大值和负向最大值之间振荡。示例性地，在某一时刻，电磁场的值在第一加速腔中是正的，在第二加速腔中是负的，在第三加速腔中是正的，在第四加速腔中是负的，以此类推。因此，电磁场在各加速腔210中具有交变的极性。加速腔210的尺寸和电磁场的频率相关，使得当电子束流从一个加速腔210运动到另一个加速腔210时，电磁场完成半周期。例如，当电子束流到达第一加速腔时，第一加速腔的电场值为正值，当电子束流到达第二加速腔时，第二加速腔中的电场值为正值，因而，在每一个加速腔210中，就电子束流来看，电场是正的，电子束流在每一个加速腔210中获得能量。由此，定义电子束流的运动方向为电子束流方向100。当能量开关230工作于第一工作模式时，腔间耦合系数不变，位于轴耦合结构220下游的加速腔210和位于轴耦合结构220上游的加速腔210具有相同幅值的电磁场，使得电子束流获得的能量最大。当能量开关230工作于第二工作模式时，腔间耦合系数改变，使得位于轴耦合结构220下游的加速腔210的电磁场的幅值减小。图3为本发明实施例提供的一种加速管的电场分布图。参见图3，位置F对应图2中轴耦合结构220的位置，由于能量开关230的作用，位于轴耦合结构220下游的电磁场的幅值明显小于位于轴耦合结构220上游的电磁场的幅值，这使得电子束流获得的能量减小。由此可见，本发明实施例提供的能量开关230可以调节输出电子束流的能量；且加速腔210始终工作在同相位下，即电子束流在各加速腔210中的运动不存在减速状态，电子射束中的电子数量在各加速腔210中损失的较少，加速管输出的电子数量较多，即俘获率较高。以及，由于轴耦合结构220设置于加速腔210之间，而并非设置于加速腔210的一侧，确保了加速管结构上的对称性，从而确保了位于轴耦合结构220下游的电磁场在横向方向上对称分布，电磁场比较均匀。因此，相对现有技术中在边耦合结构中设置能量开关的方式，本发明实施例提供的加速管至少具有以下优点：结构简单合理，有利于保持加速管的结构的对称性，避免对电磁场在横向方向上的影响；加速器中用来安装加速管的空间有限，本发明实施例可以减小加速管横截面的尺寸，有利于将加速管设置于加速器内，从而减小加速器的体积。

图4为沿图2中A-A'的剖面结构示意图。参见图4，在上述各实施例中，可选地，能量开关230为金属棒。轴耦合结构220上设置有通孔，金属棒插接于通孔中；金属棒用于在通孔内移动调节轴耦合结构220下游的电磁场的幅值。其中，金属棒的制作方法简单，且在调节过程中，可以根据金属棒在轴耦合结构220中的位置调节腔间耦合系数，金属棒插入轴耦合结构220中的长度越长，下游的加速腔210的电磁场的幅值越小，使得能量具有调节便利和连续可调的效果。

继续参见图2，在上述各实施例的基础上，可选地，轴耦合结构220包括腔体221和多个耦合孔222，腔体221和相邻两个加速腔210通过耦合孔222耦合连接，能量开关230与至少一个耦合孔222耦合连接，通过移动能量开关使得能量开关可以和耦合孔222形成干涉，也可以避开耦合孔222，使得下游的加速腔210中的电磁场的幅值按要求改变。由于轴耦合结构220通过耦合孔222与加速腔210耦合连接，且耦合孔222相对于腔体221的空间较小，将能量开关230与耦合孔222耦合连接，可以使得能量开关230移动较小的距离就可以实现对腔间耦合系数的大范围调节，提高了能量调节效率。

图5为图4中金属棒移动后的一种结构示意图，图6为图4中金属棒移动后的另一种结构示意图。参见图4-图6，对本发明实施例提供的加速管的能量调节工作模式进行说明。示例性地，当能量开关230工作于第一工作模式时，参见图4，将金属棒置于耦合孔222顶端，即金属棒对耦合孔222没有干涉，腔间耦合系数不变，位于轴耦合结构220下游的加速腔210和位于轴耦合结构220上游的加速腔210具有相同幅值的电磁场，下游的加速腔210的电磁场的幅值最大，使得电子束流获得的能量最大，输出最高档能量的电子束流。当能量开关230工作于第二工作模式时，参见图5和图6，金属棒置于耦合孔222中间位置或金属棒将耦合孔222完全挡住，腔间耦合系数改变。具体地，参见图5，轴耦合结构220与下游的加速腔210的腔间耦合系数变小，下游的加速腔210的电磁场的幅值变小，输出中间档能量的电子束流。参见图6，轴耦合结构220与下游的加速腔210的腔间耦合系数最小，下游的加速腔210的电磁场的幅值最小，输出最低档能量的电子束流。由此可见，本发明实施例通过移动金属棒插入耦合孔222中的深度可以调节下游的加速腔210的电磁场的幅值。需要说明的是，图4-图6示例性地示出了对电子束流输出能量的三档调节，并非对本发明的限定，在实际应用中，可以根据需要连续调节金属棒插入耦合孔222中的深度，从而实现对电子束流输出能量的无级多档调节。在其它实施例中，也可以用同一个能量开关与多个耦合孔耦合连接，用于进行能量调节。

在上述各实施例的基础上，可选地，通孔的轴向方向400垂直于加速腔210的电子束流方向100。下面以图6为例对本发明实施例产生的技术效果进行说明，当金属棒沿垂直于加速腔210的电子束流方向100由通孔的位置移动到耦合孔222的底端时，金属棒移动的距离为最小距离；当金属棒不沿垂直于加速腔210的电子束流方向100由通孔的位置移动到耦合孔222的底端时，金属棒移动的距离势必会增加。因此，通孔这样设置可以使得金属棒沿垂直于加速腔210的电子束流方向100移动，使得金属棒在轴耦合结构220中移动最小的距离实现对能量最大范围的调节。

图7为图2中的加速管以电子束流方向为轴旋转90°的结构示意图。参见图2和图7，在上述各实施例的基础上，可选地，耦合孔222包括两个上游耦合孔222A和两个下游耦合孔222B。腔体221和位于其上游的加速腔210通过上游耦合孔222A耦合连接，且两个上游耦合孔222A关于第一方向200对称；腔体221和位于其下游的加速腔210通过下游耦合孔222B耦合连接，且两个下游耦合孔222B关于第二方向300对称；第一方向200和第二方向300垂直，第一方向200和第二方向300所在的平面垂直于加速腔210的电子束流方向100。耦合孔222这样设置使得轴耦合结构220和加速腔210的耦合连接对称，进一步提升了电磁场的均匀性。

需要说明的是，在上述各实施例中，能量开关230的数量为一个，且能量开关230与上游耦合孔222A耦合连接，并非对本发明的限定。在其他实施方式中，能量开关230还可以与下游耦合孔222B耦合连接，在实际应用中可以根据需要设置。以及，在其他实施方式中，能量开关230的数量还可以设置为多个，在实际应用中可以根据需要设置。

图8为本发明实施例提供的另一种加速管的结构示意图。参见图8，可选地，能量开关230的数量为两个。其中，两个能量开关230的设置方式有多种，例如，一个能量开关与上游耦合孔222A耦合连接，另一个能量开关与下游耦合孔222B耦合连接，相比于设置一个能量开关的技术方案，该方案可以提升输出电子束流的能量调节精度。

可选地，两个能量开关230均与上游耦合孔222A耦合连接，或者，两个能量开关230均与下游耦合孔222B耦合连接。图8中示例性地示出了两个能量开关230均与上游耦合孔222A耦合连接情况。下面以图8为例，对本发明实施例提供的加速管的能量调节工作模式进行说明。图9为沿图8中B-B'的剖面结构示意图，图10为图9中金属棒移动后的一种结构示意图，图11为图9中金属棒移动后的另一种结构示意图，图12为图9中金属棒移动后的又一种结构示意图。参见图9-图12，示例性地，当两个能量开关230工作于第一工作模式时，参见图9，将一个金属棒置于上游耦合孔222A-1顶端，将另一个金属棒置于上游耦合孔222A-2底端，即两个金属棒对上游耦合孔222A-1和上游耦合孔222A-2没有干涉，腔间耦合系数不变，位于轴耦合结构220下游的加速腔210和位于轴耦合结构220上游的加速腔210具有相同幅值的电磁场，下游的加速腔210的电磁场的幅值最大，使得电子束流获得的能量最大，输出最高档能量的电子束流。当两个能量开关230工作于第二工作模式时，参见图10-图12，金属棒将耦合孔222完全挡住，腔间耦合系数改变。具体地，参见图10，将一个金属棒置于上游耦合孔222A-1底端，将另一个金属棒置于上游耦合孔222A-2底端，即金属棒对上游耦合孔222A-1产生干涉，金属棒对上游耦合孔222A-2没有干涉，轴耦合结构220与下游的加速腔210的腔间耦合系数变小，下游的加速腔210的电磁场的幅值变小，输出中间档能量的电子束流。参见图11，将一个金属棒置于上游耦合孔222A-1顶端，将另一个金属棒置于上游耦合孔222A-2顶端，即金属棒对上游耦合孔222A-1没有干涉，金属棒对上游耦合孔222A-2产生干涉，轴耦合结构220与下游的加速腔210的腔间耦合系数变小，下游的加速腔210的电磁场的幅值变小，输出中间档能量的电子束流。参见图12，将一个金属棒置于上游耦合孔222A-1底端，将另一个金属棒置于上游耦合孔222A-2顶端，即两个金属棒对上游耦合孔222A-1和上游耦合孔222A-2产生干涉，轴耦合结构220与下游的加速腔210的腔间耦合系数最小，下游的加速腔210的电磁场的幅值最小，近似为0，输出最低档能量的电子束流。由此可见，本发明实施例通过移动两个金属棒分别插入耦合孔222中与耦合孔222产生干涉调节下游的加速腔210的电磁场的幅值。与其他调节方式相比，下游的加速腔210的电磁场的幅值可以近似为0，增大了下游加速腔210的电磁场的幅值的调节范围，从而增大了能量的调节范围，而且，相对于上述图4-6的实施例，本实施例的调节精度更高。

需要说明的是，图9-图12示例性地示出了对电子束流输出能量的三档调节，其中，中间档能量有两种实现方式，并非对本发明的限定，在实际应用中，可以根据需要连续调节金属棒插入耦合孔222中的深度，从而实现对电子束流输出能量的无级多档调节，提升能量调节的精度。

在上述各实施例的基础上，可选地，该加速管还包括传动电机，传动电机与金属棒机械连接，用于移动金属棒。本发明实施例通过传动电机调节金属棒的位置，有利于精确调节金属棒的位置，从而精确调节电磁场的幅值。

需要说明的是，图2和图4示例性地示出了轴耦合结构220的数量为一个，具体地，可以在边耦合加速管的结构中插入一个轴耦合结构220，且在该轴耦合结构220耦合连接能量开关230，从而构成边轴混合耦合结构的加速管，并非对本发明的限定。本发明对轴耦合结构220和边耦合结构240的数量和设置方式不做限定，在实际应用中可以根据需要设置。

本发明实施例还提供了一种直线加速器。图13为本发明实施例提供的一种直线加速器的结构示意图。参见图13，该直线加速器包括：粒子源、微波源和如本发明任意实施例所提供的加速管。其中，粒子源设置于加速管的一端，粒子源用于向加速管注入电子束流；微波源和加速管耦合连接，微波源用于向加速管耦合电磁场。

本发明实施例提出了一种边耦合结构和轴耦合结构混合的加速管结构，在加速腔之间设置边耦合结构或轴耦合结构，将能量开关与轴耦合结构耦合连接，调节轴耦合结构下游的电磁场的幅值，使得边轴混合耦合结构的加速管实现了能量调节。本发明提供的直线加速器结构简单合理，有利于保持加速管的结构的对称性，避免了能量开关的设置对电磁场在横向方向上的影响；以及直线加速器中用来安装加速管的空间有限，本发明实施例可以减小加速管横截面的尺寸，有利于将加速管设置于直线加速器内，从而减小了直线加速器的体积。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种加速管，其特征在于，包括：

至少两个加速腔；

至少一个轴耦合结构和至少两个边耦合结构，在相邻两个所述加速腔之间设置所述轴耦合结构或所述边耦合结构；

至少一个能量开关，所述能量开关与所述轴耦合结构耦合连接，用于调节所述轴耦合结构下游的电磁场的幅值；

所述轴耦合结构包括腔体和多个耦合孔，所述腔体和所述相邻两个加速腔通过所述耦合孔耦合连接；

所述能量开关与所述耦合孔耦合连接。

2.根据权利要求1所述的加速管，其特征在于，所述能量开关为金属棒；

所述轴耦合结构上设置有通孔，所述金属棒插接于所述通孔中；所述金属棒用于在所述通孔内移动调节所述轴耦合结构下游的电磁场的幅值。

3.根据权利要求2所述的加速管，其特征在于，所述通孔的轴向方向垂直于所述加速腔的电子束流方向。

4.根据权利要求3所述的加速管，其特征在于，还包括：传动电机，所述传动电机与所述金属棒机械连接，用于移动所述金属棒。

5.根据权利要求1所述的加速管，其特征在于，所述耦合孔包括两个上游耦合孔和两个下游耦合孔；所述腔体和位于其上游的所述加速腔通过所述上游耦合孔耦合连接，所述腔体和位于其下游的所述加速腔通过所述下游耦合孔耦合连接，且所述能量开关与至少一个耦合孔耦合连接。

6.根据权利要求5所述的加速管，其特征在于，两个所述上游耦合孔关于第一方向对称；两个所述下游耦合孔关于第二方向对称；所述第一方向和所述第二方向垂直，所述第一方向和所述第二方向所在的平面垂直于所述加速腔的电子束流方向。

7.根据权利要求5所述的加速管，其特征在于，所述能量开关的数量为两个。

8.根据权利要求7所述的加速管，其特征在于，两个所述能量开关分别与两个所述上游耦合孔耦合连接，或者，两个所述能量开关分别与两个所述下游耦合孔耦合连接。

9.根据权利要求1所述的加速管，其特征在于，所述轴耦合结构的数量为一个。

10.一种直线加速器，其特征在于，包括：粒子源、微波源和如权利要求1-9任一项所述的加速管；

其中，所述粒子源设置于所述加速管的一端，所述粒子源用于向所述加速管注入电子束流；所述微波源和所述加速管耦合连接，所述微波源用于向所述加速管耦合电磁场。

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