CN109257865A - 缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法，包括如下步骤：S1、当满足束流关断条件时，停止横向电压的输出；以及S2、增大同步加速器水平方向的相稳定区的面积，从而缩短束流的关断时间。本发明最大限度的缩短了束流的关断时间，可以将束流的关断时间控制在100us以内，将极大的提高剂量控制精度和束流的辐照精度。

Description

缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法

技术领域

本发明涉及同步加速器领域，尤其涉及一种缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法。

背景技术

与常规放射线相比，质子重离子束流因为具有倒转的深度剂量分布，因而可以精确的将剂量沉积在肿瘤区域，可将对正常组织的伤害降低到最小。同步加速器可以根据治疗计划的需要，不需要使用降能器就可以主动提供各种能量的束流，是质子重离子治疗常用的加速器类型。

在原子核物理实验、质子重离子治癌等方面，同步加速器采用慢引出方法，以达到精确控制辐照剂量的目的。射频击出(Radio Frequency Knock Out，RF-KO)方法因为能保持同步加速器的参数固定、保持引出束流的位置和角度恒定、引出束流强度易于调节、束流关断时间短等优点，成为质子重离子治疗领域最为常见的慢引出方法。但随着质子重离子治疗技术的发展，点扫描技术逐步取代均匀扫描，因此对加速器的束流性能要求越来越高，其中就包括束流的关断时间。采用点扫描方法进行治疗时，每个点上的束流停留时间在ms量级，个别情况下甚至低于1ms，而通常采用RF-KO方法时，会利用纵向高频来提高束流的均匀性，导致束流在纵向产生同步振荡，再加上主四极铁的纹波等因素，从而导致束流的关断时间在ms量级，即溢出的多余剂量将与一个点上的剂量相当，不利于剂量的精确控制。因此，若要满足点扫描的需要，就必须进一步缩短束流的关断时间。

发明内容

为了克服上述问题的至少一个方面，本发明实施例提供一种缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法，该方法可以在100us内实现加速器束流的关断，从而可以提高剂量控制精度和束流辐照精度。

根据本发明的一个方面，提供一种缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法，包括如下步骤：S1、当满足束流关断条件时，停止横向电压的输出；以及S2、增大同步加速器水平方向的相稳定区的面积，从而缩短束流的关断时间。

根据本发明的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法的一些实施例，相稳定区的面积定义如下：

其中，S_Δ表示相稳定区的面积，q表示束流的工作点与1/3共振线的差值，S表示所有六极铁的总共振强度。

根据本发明的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法的一些实施例，增大相稳定区的面积包括如下步骤：增大束流的工作点与1/3共振线的差值，和/或减弱六极铁的总共振强度。

根据本发明的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法的一些实施例，增大束流的工作点与1/3共振线的差值包括如下步骤：S2a1、将快四极铁的磁场从零上升到所需要的磁场值，所需要的磁场值与主四极铁的电源纹波的大小、同步振荡的幅度以及加速器的色品有关；S2a2、束流关断且结束引出后，将快四极铁的磁场降低到零。

根据本发明的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法的一些实施例，减弱六极铁的总共振强度包括：S2b1、将快六极铁的磁场从零上升到所需要的磁场值，所需要的磁场值与主四极铁的电源纹波的大小、同步振荡的幅度以及加速器的色品有关；S262、束流关断且结束引出后，将快六极铁的磁场降低到零。

根据本发明的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法的一些实施例，一组快四极铁和/或快六极铁均呈中心对称地设置在加速器中。

根据本发明的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法的一些实施例，一组快四极铁施加至加速器的磁场相同，一组快六极铁施加至加速器的磁场的绝对值相同，方向相反，当快四极铁磁场从0增加到所需的磁场值时，增大束流工作点与1/3共振线的差值；当快六极铁磁场从0增加到所需的值时，六极铁的总共振强度减弱。

根据本发明的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法的一些实施例，一组快四极铁和/或快六极铁靠近水平聚焦四极铁设置。

根据本发明的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法的一些实施例，同一组快四极铁和/或快六极铁采用同一个电源供电。

根据本发明的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法的一些实施例，快四极铁和/或快六极铁采用陶瓷真空室，以减小真空室的涡流对磁场延时的影响。

与现有技术相比，本发明至少具有如下优点之一：

(1)操作方便快捷，能够大幅减少束流的关断时间；

(2)能够提高剂量控制精度和束流的辐照精度。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是射频击出的慢引出的原理示意图；

图2是根据本发明实施例的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的快四极铁的安装布局示意图；

图4是常规的束流的关断流程图；

图5是根据本发明实施例的束流关断流程图；

图6是根据本发明实施例的快六极铁的安装布局示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

射频击出(RF-KO)的慢引出方法为：通过设置同步加速器的主四极铁的参数，使得水平工作点设置在1/3共振线附近，然后利用六极铁将相空间分成相稳定区和不稳定区，再利用横向电场促使束流发射度增大，从而控制束流逐步引出。本发明针对RF-KO的引出特点，在慢引出束流关断时，利用快速响应四极铁(简称快四极铁)迅速改变同步加速器的工作点，或者利用快六极铁迅速改变同步加速器的总共振强度，从而迅速的将三角形面积(相稳定区)在原来的基础上略微增大，使处于三角形边界的粒子囊括到三角形内部，并将三角形内部的粒子牢牢锁定在相稳定区，从而缩短束流的关断时间。该方法不仅可以用于质子重离子治癌，还可以用于生物辐照、材料制造、原子核物理实验等方面。

下面结合附图对本发明实施例作进一步的说明。

图1是射频击出的慢引出的原理示意图。如图1所示，束流在归一化的横向相空间被六极铁分割成了两个部分，一部分是三角形内部的区域，称为相稳定区，一部分是三角形外部的区域，称为不稳定区。束流的初始横向分布是圆形，受到六极铁的作用后，分布逐渐变成三角形，在受到横向电场的作用后，束流发射度开始增大，逐渐从三角形内部(相稳定区)移动到三角形外部(不稳定区)。到达三角形外部的粒子，发射度迅速增大，并沿着三角形的三条边的延长线而引出。

若要关断束流(即停止引出)，通常采用的方法是停止横向电压的输出，此时束流不再受到横向电场的作用，在三角形内的粒子，其发射度将保持不变，也即是继续待在相稳定区，而在三角形外部的粒子(处于不稳定区)发射度继续增大，直到这些粒子到达引出通道从而被引出。此时，束流的理论关断时间为几百微秒。

事实上，一方面由于已经到达三角形边界的部分粒子需要更多的时间，例如几百微秒，发射度才会增大到进入引出通道的状态，另一方面由于同步加速器的四极铁、六极铁电源存在纹波，会造成相稳定区，也即是图1中的三角形的大小发生轻微振荡，即便已经停止横向电压的输出，此时依然会由于三角形的大小发生变化而导致处于三角形内部的部分粒子溢出到三角形外部，从而导致束流的关断时间延长。其中，四极铁的纹波占主导因素，同等情况下，六极铁纹波对束流引出的影响可以忽略，因此，主要是考虑同步加速器主四极铁电源纹波的影响。除此以外，在加速器色品不为0的情况下，束流的纵向振荡也会导致束流相稳定区大小对应的发生振荡，从而导致束流关断时间延长。

由于相稳定区增大后会将位于三角形边界上的部分粒子囊括到稳定区内部，且束流不会受到磁铁的电源纹波和束流同步振荡的影响，所以能将束流关断时间压缩到最短。

图2是根据本发明实施例的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法的流程图。如图2所示，缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法包括如下步骤：

S1、当满足束流关断条件时，停止横向电压的输出；以及

S2、增大同步加速器水平方向的相稳定区的面积，从而缩短束流的关断时间。

相稳定区的面积定义如下：

其中，S_Δ表示相稳定区的面积，q表示束流的工作点与1/3共振线的差值，S表示所有六极铁的总共振强度。根据上式可知，相稳定区的面积与束流的工作点与1/3共振线的差值和六极铁的总共振强度有关，也即是只需要调整q和S的值就可以改变相稳定区的面积。束流的工作点可以通过改变快四极铁的磁场强度从而改变同步加速器的磁聚焦结构进行调节，六极铁的总共振强度可以通过改变快六极铁的磁场强度进行调节。快四极铁和快六极铁的磁场强度与电流强度一一对应，快四极铁和快六极铁的磁场强度的改变也即是电流强度的改变。

同步加速器上既含有快四极铁和/或快六极铁，也含有主四极铁和主六极铁，但是由于主四极铁/主六极铁电源电流的上升和下降速度太慢，通常升降速度在秒量级，难以满足要求，因此，本实施例中选用安装在同步加速器上的一组快四极磁铁和/或快六极铁实现三角形大小的迅速改变。

对于快四极铁，磁场从零增加到最大值时，束流的工作点远离1/3共振线，也即是上述公式中的q值增大；而对于快六极铁，磁场从零增大到最大值，六极铁的总共振强度为减弱的状态，也即是上述公式中的S值减小。因此，为了增大相稳定区的面积，可以增大束流的工作点与1/3共振线的差值，或者减弱六极铁的总共振强度，或者两者同时进行。

根据优选的实施例，同一组快四极铁或快六极铁关于同步环呈中心对称安装，且快四极铁极性相同，施加至加速器的磁场相同，这样可以尽可能的保持同步加速器的磁聚焦结构；而快六极铁所施加至加速器的磁场的绝对值相同，方向相反。

根据优选的实施例，一组快四极铁或快六极铁尽可能安装在水平聚焦四极铁附近，这样给快四极铁或快六极铁供电的电流值会尽可能小，一方面可节约电能，另一方面在规定时间内电源上升到额定值所需的时间可以更少，也即是对电源性能的要求也越低。

根据优选的实施例，同一组快四极铁或快六极铁采用同一个电源供电，从而最大限度的保持两个磁铁同时响应。

根据优选的实施例，快四极铁或快六极铁的电流上升到所需值的时间越短越好，根据理论计算以及结合当前产品可达到的实际性能，上升时间可以小于100us。

根据优选的实施例，快四极铁或快六极铁的真空室采用陶瓷真空室，以减小真空室的涡流对磁场延时的影响，从而进一步缩短束流关断的时间。

根据不同的治疗需求，束流引出的能量也会不同。快四极铁和快六极铁的最大磁场强度与束流的磁刚度成正比，束流引出的能量的改变会使得快四极铁和快六级铁的最大磁场强度改变。

本发明实施例以重离子医疗机(heavy ion medical machine，HIMM)的同步加速器为例，对增大束流的工作点与1/3共振线的差值和减弱六极铁的总共振强度分别进行说明。

图3是根据本发明实施例的快四极铁的安装布局示意图。如图3所示，一组快四极铁呈中心对称设置在同步加速器上，并且安装在水平聚焦四极铁附近，采用同一个电源供电，真空室采用陶瓷真空室。

图4是常规的束流的关断流程图。如图4所示，当束流的辐照剂量达到预定值时，终端会发出联锁信号，也即是关闭信号，横向高频电场收到联锁信号后会停止输出电压，从而关断束流。

图5是根据本发明实施例的束流关断流程图。如图5所示，当束流的辐照剂量达到预定值时，终端会同时发出两路联锁信号，第一路联锁信号发送到横向高频电场，第二路联锁信号发送到快四极铁控制系统。横向高频电场收到第一路联锁信号后，立即关闭横向电场，原则上此时位于相稳定区的束流不再引出，但由于电源纹波和束流同步振荡的影响，还是会有部分粒子从相稳定区进入不稳定区。快四极铁控制系统收到第二路联锁信号后，控制电源迅速响应，在100us内，将快四极铁的电流从零上升到所需要的电流值，而由于磁铁的磁场是由电流值决定的，电流值和磁场值一一对应，也即是快四极铁的磁场从零上升到所需要的磁场值。这个磁场值与同步环主四极铁的电源纹波大小以及同步振荡的幅度有关，纹波和同步振荡的幅度越大快四极铁所需电流越大，纹波和同步振荡的幅度越小，所需电流越小。束流或者同步加速器的工作点由四极铁的磁场强度决定，只要改变任一四极铁的强度，就会改变工作点，在本实施例中，只需快四极铁产生的工作点的移动大于主四极铁电源的纹波所造成的工作点的移动和同步振荡造成的工作点的移动即可。

在束流关断且结束引出后，将快四极铁的电流返回到零，以节约电能并降低电源的风险。

采用快六极铁改变总共振强度时，方法与采用快四极铁改变工作点完全类似。六极铁的总共振强度，通常是指同步加速器上的多个六极铁的共振强度之和。每一个六极铁都会对总共振强度产生影响，快六极铁是六极铁的一种类型，它的强度也会对总共振强度产生影响，从而改变总共振强度。

图6是根据本发明实施例的快六极铁的安装布局示意图。如图6所示，在HIMM同步环的注入引出直线节加装一组快六极铁，这一组快六极铁呈中心对称设置在同步加速器上，并且安装在水平聚焦四极铁附近，采用同一个电源供电，真空室采用陶瓷真空室。

当束流的辐照剂量达到预定值时，终端会同时发出两路联锁信号，第一路联锁信号发送到横向高频电场，第二路联锁信号发送到快六极铁控制系统。当然，在某些其他的实施例中，终端会同时发出三路联锁信号，第一路联锁信号发送到横向高频电场，第二路联锁信号发送到快六极铁控制系统，第三路联锁信号发送到快四极铁控制系统，从而实现快六极铁和快四极铁的双重控制。横向高频电场收到第一路联锁信号后，立即关闭横向电场。快六极铁控制系统收到第二路联锁信号后，控制电源迅速响应，在100us内，将快六极铁的磁场从零上升到所需要的磁场值。在本实施例中，只需快六极铁产生的面积的改变量大于主四极铁电源的纹波以及同步振荡所造成的相稳定区面积的改变量即可。在束流关断且结束引出后，将快六极铁的电流返回到零，以节约电能并降低电源的风险。

本发明通过迅速改变同步加速器的工作点或者六极铁的总共振强度，增大相稳定区的面积，从而将束流束缚在相稳定区以内。由于相稳定区增大后会将部分位于三角形边界上的粒子囊括到相稳定区内部，且束流不会受到磁铁的电源纹波和束流同步振荡的影响，所以能将束流关断时间压缩到最短。本发明最大限度的缩短了束流的关断时间，可以将束流的关断时间控制在100us以内，极大的提高了剂量控制精度和束流的辐照精度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、当满足束流关断条件时，停止横向电压的输出；以及

S2、增大同步加速器水平方向的相稳定区的面积，从而缩短束流的关断时间。

2.根据权利要求1所述的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法，其特征在于，所述相稳定区的面积定义如下：

其中，S_Δ表示相稳定区的面积，q表示束流的工作点与1/3共振线的差值，S表示所有六极铁的总共振强度。

3.根据权利要求2所述的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法，其特征在于，所述增大相稳定区的面积包括如下步骤：

增大束流的工作点与1/3共振线的差值，和/或减弱六极铁的总共振强度。

4.根据权利要求3所述的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法，其特征在于，所述增大束流的工作点与1/3共振线的差值包括：

S2a1、将快四极铁的磁场从零上升到所需要的磁场值，所述所需要的磁场值与主四极铁的电源纹波的大小、同步振荡的幅度以及加速器的色品有关；

S2a2、束流关断且结束引出后，将所述快四极铁的磁场降低到零。

5.根据权利要求3所述的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法，其特征在于，所述减弱六极铁的总共振强度包括：

S2b1、将快六极铁的磁场从零上升到所需要的磁场值，所述所需要的磁场值与主四极铁的电源纹波的大小、同步振荡的幅度以及加速器的色品有关；

S2b2、束流关断且结束引出后，将所述快六极铁的磁场降低到零。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法，其特征在于，一组所述快四极铁和/或快六极铁均呈中心对称地设置在所述加速器中。

7.根据权利要求6所述的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法，其特征在于，一组所述快四极铁施加至所述加速器的磁场相同，一组所述快六极铁施加至所述加速器的磁场的绝对值相同，方向相反，当快四极铁磁场从0增加到所需的磁场值时，增大束流工作点与1/3共振线的差值；当快六极铁磁场从0增加到所需的值时，六极铁的总共振强度减弱。

8.根据权利要求7所述的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法，其特征在于，一组所述快四极铁和/或快六极铁靠近水平聚焦四极铁设置。

9.根据权利要求7-8中任一项所述的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法，其特征在于，同一组快四极铁和/或快六极铁采用同一个电源供电。

10.根据权利要求9所述的缩短同步加速器慢引出束流的关断时间的方法，其特征在于，所述快四极铁和/或快六极铁采用陶瓷真空室，以减小真空室的涡流对磁场延时的影响。