CN109496052B - 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：波导和多个加速腔，所述波导与一个所述加速腔耦合连接；耦合度调节装置，所述耦合度调节装置与所述波导耦合连接，用于调节所述波导和所述加速腔的耦合度。本发明实施例没有改变原有的加速腔的结构，仅将引导至加速腔的电磁波进行调节，无需在加速腔内对电磁波进行调节，因此，不会破坏加速腔结构的稳定性，从而提升了加速管工作的稳定性。

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束流并且具有直线运动轨道的加速装置，电子束流在电磁场中加速并获得能量，轰击金属靶产生X射线，其具有剂量率高、照射时间短、照射野大、剂量均匀性以及半影区小等特点。

在现有技术中，通常一台加速器只优化工作在一种能量，当需要多档能量时(例如，成像能量和治疗能量)，需要改变微波源的输出功率，从而使得输出电子的能量可选为15MeV、10MeV、1.5MeV以及1.5MeV以下。然而，不同能量档位的调节，意味着微波功率源功率的大范围调节，这会影响微波功率源长期工作的稳定性；另外，微波源只能在一定的功率范围内稳定工作，当需要的电磁场的幅值很低(例如，输出成像能量)时，需要将微波源的功率调低，导致了微波源的工作极不稳定。为了解决微波源工作不稳定的问题，现有技术中采用在加速管上设置能量开关的方案，例如，公开号为CN 1408196A和CN 102256434A等专利申请。然而，该现有技术的方案容易破坏加速管结构的稳定性。因此，现有的加速管存在工作稳定性差的问题。

发明内容

本发明提供一种加速管和直线加速器，以提升加速管工作的稳定性。

第一方面，本发明实施例提供了一种加速管，该加速管包括：

波导和多个加速腔，所述波导与一个所述加速腔耦合连接；

耦合度调节装置，所述耦合度调节装置与所述波导耦合连接，用于调节所述波导和所述加速腔之间的耦合度。

可选地，所述耦合度调节装置包括调节杆，所述调节杆穿设于所述波导内，所述调节杆穿设于所述波导内的深度可调。

可选地，在所述调节杆穿设于所述波导内的深度介于预设深度范围时，所述耦合度和所述调节杆穿设于所述波导内的深度呈正相关。

可选地，所述调节杆的轴向方向平行于所述加速管的束流传输方向，所述调节杆距离所述波导上边界和下边界的距离相等。

可选地，所述加速管还包括弹性密封部件，所述弹性密封部件套设于所述调节杆外部。

可选地，所述调节杆位于所述波导外的一端设置有限位部；所述弹性密封部件的一端与所述波导的波导壁密封连接，所述弹性密封部件的另一端与所述限位部密封连接。

可选地，所述弹性密封部件为波纹管。

可选地，加速管还包括：传动电机，所述传动电机与所述调节杆通过传动机构连接，用于调节所述调节杆穿设于所述波导的深度。

可选地，所述调节杆的外径介于3mm至7mm之间。

可选地，所述调节杆的截面形状为圆形、多边形或扇形中的至少一种。

可选地，所述调节杆的材质为金属。

可选地，所述调节杆的材质为无氧铜、金或银中的至少一种。

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、微波源和如本发明任意实施例所述的加速管。

本发明在波导上设置耦合度调节装置，且耦合度调节装置与波导耦合连接，用于调节波导和加速腔的耦合度。与现有技术相比，本发明实施例没有改变原有的加速腔的结构，仅将引导至加速腔的电磁波进行调节，无需在加速腔内对电磁波进行调节，因此，不会破坏加速腔结构的稳定性，从而提升了加速管工作的稳定性。

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耦合度随调节杆穿设于波导内的深度变化的波形图；

图4为本发明实施例提供的另一种加速管的结构示意图；

图5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。

图1为现有的一种加速管的结构示意图。参见图1，该加速管包括波导110、多个加速腔120和多个耦合腔130。波导110和加速腔120耦合连接，将微波源产生的固定功率的电磁波引导至多个加速腔120。多个加速腔120设置成一直线阵列，并通过在每个加速腔120中心线上的孔连通，加速的电子束流沿着该通路通过每个加速腔120。耦合腔130设置在相邻的加速腔120之间，并在加速腔120之间提供电磁场耦合，从而对加速腔120内的电磁场进行调节。该加速管的工作原理为，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120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，在第一耦合腔130中是零，在第二加速腔中是负的，在第二耦合腔130中是零，在第三加速腔中是正的，在第三耦合腔130中是零，在第四加速腔中是负的，以此类推。因此，电磁场在各加速腔120中具有交变的极性。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120中，就电子束流来看，电场是正的，电子束流在每一个加速腔120中获得能量。为了使加速腔120能够输出多档能量，将加速腔120内的电磁场进行进一步地调节，现有技术在其中一个耦合腔中设置能量开关，例如将设置于第三个加速腔120和第四个加速腔120之间的耦合腔130替换为一可变耦合腔140，该可变耦合腔140包括一圆柱形腔体，其内设置一可转动的叶片141。通过调整叶片141的角度，可以调节第四个加速腔120和其下游的加速腔120内的电磁场的方向和幅值，对输出的电子束流的能量进行调节。现有的加速管工作过程包括：电子束流在上游加速腔120内和下游加速腔120内均以第一加速度加速，输出具备第一能量的电子束流；或者，电子束流在上游加速腔120内以第一加速度加速，在下游加速腔120内以第二加速度加速，输出具备第二能量的电子束流；或者，电子束流在上游加速腔120内以第一加速度加速，在下游加速腔120内以第三加速度减速，输出具备第三能量的电子束流。由此可见，现有的加速管将可变耦合腔140设置在两个加速腔120之间，破坏了加速腔120结构的稳定性，使得加速管存在工作稳定性差的问题。

有鉴于此，本发明提供了一种加速管，该加速管包括波导、多个加速腔和耦合度调节装置，波导与一个加速腔耦合连接，例如，耦合度调节装置置于波导内，用于调节波导和加速腔之间的耦合程度，即耦合度。本实施例中的加速管还可以包括本领域的公知结构，例如边耦合腔或轴耦合腔等，在此不再赘述。在一实施例中，耦合度调节装置置于波导内并与所述波导耦合连接。

与现有技术中将可变耦合腔设置于两个加速腔之间不同的是，本发明实施例在波导上设置耦合度调节装置，且该耦合度调节装置与波导耦合连接，用于调节波导和加速腔的耦合度。与现有技术相比，本发明实施例没有改变原有的加速腔的结构，仅将引导至加速腔的电磁波进行调节，无需在加速腔内对电磁波进行调节，因此，不会破坏加速腔结构的稳定性，从而提升了加速管工作的稳定性。

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的前提下，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，该加速管包括波导210、多个加速腔220和耦合度调节装置230，波导210与一个加速腔220耦合连接，耦合度调节装置230与波导210耦合连接，用于调节波导210和加速腔220的耦合度。其中，波导210是指由引导电磁波的一组物质边界或构件制成，或者说波导210是一种引导电磁波的结构。具体地，波导210的结构可以是截面为矩形、圆形或其他形状的空心金属波导管。波导210与一个加速腔220耦合连接使得波导210和加速腔220之间具有一定的耦合度，波导210将微波源产生的电磁波引导至各加速腔220，从而在加速腔220内产生加速电子束流所需要的电磁场，例如该电磁场可以是驻波电磁场。耦合度调节装置230与波导210耦合连接，相当于改变了波导210的结构，从而使得耦合度调节装置230可用于调节波导210和加速腔220的耦合度，从而改变引导至各加速腔220的电磁场的幅值。因此，本发明实施例在微波源功率固定不变的情况下，可以调节加速腔220的电磁场的幅值，从而调节加速管出口的电子束流能量，实现能量的多档调节。另外，与现有技术相比，本发明实施例没有改变原有的加速腔220的结构，仅将引导至加速腔220的电磁波进行调节，无需在加速腔内对电磁波进行调节，因此，不会破坏加速腔220结构的稳定性，从而提升了加速管工作的稳定性。

继续参见图2，在上述实施例中，可选地，耦合度调节装置230包括调节杆，调节杆穿设于波导210内，调节杆穿设于波导210内的深度可调。即本发明实施例通过调节调节杆在波导210内的深度来调节波导210和加速腔220之间的耦合度，进而调节引导至加速管的电磁场的幅值，调节加速管出口的电子束流的能量。

具体地，电子束流的能量大小可以用电子束流的功率大小来表示，电子束流的功率越大，其能量也最大。加速管出口的电子束流的功率Pb满足如下公式：

Pb＝Pg-Pc-Pr

式中，Pg为微波源的功率，Pc为腔损耗，Pr为反射功率。示例性地，当调节杆穿设于波导210内的深度为零时，根据束流参数设计波导210和加速腔220之间的耦合度为最优耦合度，在最优耦合度下，从加速腔220反射回波导210的微波功率为0，即Pr为0，微波源产生的微波功率Pg的损耗仅包括腔损耗Pc。当改变调节杆穿设于波导210内的深度，波导210和加速腔220之间的耦合度也随之改变，偏离最优耦合度，此时，Pr不再为零，并随着调节杆穿设于波导210内的深度的变化而变化，电子束流的功率Pb随之变化。该调节杆的调节能量的具体调节方式为，当需要调大电子束流的能量时，移动调节杆使调节杆穿设于波导210的深度减小，从而增大电子束流的能量；当需要调小能量时，移动调节杆使调节杆穿设于波导210的深度增大，从而减小电子束流的能量。

图3为本发明实施例提供的一种耦合度随调节杆穿设于波导内的深度变化的波形图。在上述各实施例的基础上，可选地，在调节杆穿设于波导210内的深度介于预设深度范围时，波导210和加速腔220之间的耦合度和调节杆穿设于波导210内的深度呈正相关。参见图3，示例性地，预设深度范围为15mm-30mm，在该预设深度范围内，随着调节杆插入波导210内的深度越深，耦合度越大，加速腔220内的电磁场的幅值越小，耦合度从约为1调节至接近200，实现耦合度的大范围调节，进而实现了能量的大范围调节。以及，通过调节调节杆穿设于波导210内的深度仅需移动调节杆的位移即可实现耦合度的调节，调节过程简单便捷。

需要说明的是，在图3中，以预设深度范围为15mm-30mm为例进行说明，并非对本发明的限定，在实际应用中，可以在加工好加速管且对加速管进行冷测时，对耦合度随深度之间的关系进行实测标定。

需要说明的是，经过发明人的研究表明，波导210和加速腔220之间的耦合度还与调节杆距离波导210的上边界和下边界的长度、调节杆的外径大小和形状有关。下面就几种具体的调节杆的设置方式进行说明，但不构成对本发明的限定，其他可以实现耦合度和调节杆穿设于波导210内的深度呈正相关设置方式均在本发明的保护范围内。

继续参见图2，可选地，调节杆的轴向方向平行于加速管的束流传输方向100，调节杆距离波导210上边界的距离d1和下边界的距离d2相等，即调节杆设置于波导210轴向方向200的中心位置，在进行能量调节时，可以将调节杆沿加速管的束流传输方向100进行移动，且调节杆穿设于波导210的深度越深，波导210和加速腔220之间的耦合度越大，从而实现耦合度和调节杆穿设于波导210内的深度呈正相关。

在上述各实施例的基础上，可选地，调节杆的外径介于3mm至7mm之间，优选为5mm。本发明实施例提供的加速管，波导210和加速腔220之间的耦合度与波导210的尺寸没有相关性，对于任意尺寸的波导210，将调节杆的外径介于3mm至7mm之间可以起到调节范围大，且实现耦合度和调节杆穿设于波导210内的深度呈正相关。

在上述各实施例的基础上，可选地，调节杆的材质为金属，优选为无氧铜、金或银中的至少一种，本发明实施例这样设置可以起到调节范围大，且实现耦合度和调节杆穿设于波导210内的深度呈正相关。

继续参见图2，在上述各实施例的基础上，可选地，本发明实施例还提供了一种具体的耦合度调节装置230，该耦合度调节装置230为一调节杆，调节杆的轴向方向平行于加速管的束流传输方向，调节杆距离波导210上边界的距离d1和下边界的距离d2相等，调节杆的外径介于3mm至7mm之间，调节杆的材质为金属，耦合度调节装置230这样设置可以实现波导210和加速腔220之间的耦合度和调节杆穿设于波导210内的深度呈线型相关，进一步方便了耦合度的调节。

需要说明的是，本发明对调节杆的截面形状不作限定，调节杆的截面形状可以为圆形、多边形或扇形中的至少一种，在实际应用中可以根据需要进行设定。

图4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4，可选地，加速管还包括弹性密封部件232，弹性密封部件232套设于调节杆外部。其中，弹性密封部件232具有一定的弹性，可以随着调节杆的移动压缩或延展。具体地，当需要调大能量时，移动调节杆使调节杆穿设于波导210的深度减小，位于波导210外的调节杆的长度变长，弹性密封部件232随调节杆的移动而延展；当需要调小能量时，移动调节杆使调节杆穿设于波导210的深度变大，位于波导210外的调节杆的长度变短，弹性密封部件232随调节杆的移动而压缩。调节杆这样设置，使得波导210不会因调节杆的移动而发生漏气和破坏波导210的真空度的现象，提升了波导210的密封性能，进一步提升了加速管的结构的稳定性。

继续参见图4，可选地，调节杆位于波导210外的一端设置有限位部231，弹性密封部件232的一端与波导210的波导210壁密封连接，弹性密封部件232的另一端与限位部231密封连接。其中，限位部231用于对弹性密封部件232进行限位和密封。调节杆位于波导外的一端例如可以位于调节杆的端部的最外侧，或者位于靠近调节杆的端部的一区域，而不局限于调节杆的端部的最外侧的位置。在调节杆的调节过程中，当调节杆穿设于波导210的深度减小时，限位部231向靠近波导210的方向移动，弹性密封部件232随限位部231的移动而延展；或者，当调节杆穿设于波导210的深度变大时，限位部231向靠近波导210的方向移动，弹性密封部件232随限位部231的移动而压缩。

继续参见图4，可选地，弹性密封部件232为波纹管。由于波纹管的弹性较好，当调节杆插入波导210的深度较浅时，位于波导210外部的调节杆的长度较长，波纹管随限位部231伸展；当调节杆插入波导210的深度较深时，位于波导210外部的调节杆的长度较短，波纹管随限位部231压缩。弹性密封部件232这样设置，使得波导210不会因调节杆的移动而发生漏气和破坏波导210的真空度的现象，提升了波导210的密封性能，进一步提升了加速管的结构的稳定性。

在上述各实施例的基础上，可选地，加速管还包括：传动电机，传动电机与调节杆通过传动机构连接，用于调节调节杆穿设于波导210的深度。其中，传动电机例如可以是步进电机，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，从而达到准确定位的目的。传动机构例如可以包括滚珠丝杆和蜗轮蜗杆变速机构，传动机构和传动电机配合使用以调节调节杆穿设于波导210中的位置，有利于精确调节金属棒的位置，从而提升了调节杆的移动位置的精确度，提升了能量调节的精确度。

本发明实施例还提供了一种直线加速器。图5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5，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。

本发明实施例提供的直线加速器在波导上设置耦合度调节装置，且耦合度调节装置与波导耦合连接，用于调节波导和加速腔的耦合度。与现有技术相比，本发明实施例没有改变原有的加速腔的结构，仅将引导至加速腔的电磁波进行调节，无需在加速腔内对电磁波进行调节，因此，不会破坏加速腔结构的稳定性，从而提升了加速管工作的稳定性。

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 (12)

1.一种加速管，其特征在于，包括：

波导和多个加速腔，所述波导与一个所述加速腔耦合连接；

耦合度调节装置，所述耦合度调节装置与所述波导耦合连接，用于调节所述波导和所述加速腔之间的耦合度，并且仅将引导至加速腔的电磁波进行调节；

所述耦合度调节装置包括调节杆，所述调节杆穿设于所述波导内，所述调节杆穿设于所述波导内的深度可调。

2.根据权利要求1所述的加速管，其特征在于，在所述调节杆穿设于所述波导内的深度介于预设深度范围时，所述耦合度和所述调节杆穿设于所述波导内的深度呈正相关。

3.根据权利要求2所述的加速管，其特征在于，所述调节杆的轴向方向平行于所述加速管的束流传输方向，所述调节杆距离所述波导上边界和下边界的距离相等。

4.根据权利要求1所述的加速管，其特征在于，所述加速管还包括弹性密封部件，所述弹性密封部件套设于所述调节杆外部。

5.根据权利要求4所述的加速管，其特征在于，所述调节杆位于所述波导外的一端设置有限位部；

所述弹性密封部件的一端与所述波导的波导壁密封连接，所述弹性密封部件的另一端与所述限位部密封连接。

6.根据权利要求4所述的加速管，其特征在于，所述弹性密封部件为波纹管。

7.根据权利要求1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调节杆通过传动机构连接，用于调节所述调节杆穿设于所述波导的深度。

8.根据权利要求1所述的加速管，其特征在于，所述调节杆的外径介于3mm至7mm之间。

9.根据权利要求1所述的加速管，其特征在于，所述调节杆的截面形状为圆形、多边形或扇形中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的加速管，其特征在于，所述调节杆的材质为金属。

11.根据权利要求10所述的加速管，其特征在于，所述调节杆的材质为无氧铜、金或银中的至少一种。

12.一种直线加速器，其特征在于，包括粒子源、微波源和如权利要求1-11任一项所述的加速管。

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