CN112424877A - 辐射阳极靶标系统和方法 - Google Patents

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Abstract

所提出的系统和方法便于辐射的高效和有效的生成和输送。辐射生成系统可以包括：粒子束枪、高能耗散阳极靶标(HEDAT)和液体阳极控制组件。在一些实施例中，粒子束枪生成电子束。HEDAT包括固体阳极部分(HEDAT‑SAP)和液体阳极部分(HEDAT‑LAP)，HEDAT‑SAP和HEDAT‑LAP被配置为接收电子束，从电子束吸收能量，生成辐射束，并且耗散热。辐射束可以包括光子，光子可以具有辐射特性(例如，X射线波长、电离能力等)。液体阳极控制组件可以控制到HEDAT的液体阳极流动。HEDAT‑SAP和HEDAT‑LAP可以在辐射生成中协同操作，并且它们的配置可以基于相应HEDAT‑SAP和HEDAT‑LAP特性对辐射生成的贡献来选择。

Description

辐射阳极靶标系统和方法
技术领域
本发明涉及辐射束生成和控制领域。在一个实施例中，系统和方法便于辐射治疗的快速和有效应用。
背景技术
辐射束可以用于很多不同的应用中，并且准确地应用适当数量的辐射可能非常重要。辐射束治疗通常包括将辐射束引导在组织区域处。可以有各种不同类型的辐射束(例如，光子、电离粒子等)。辐射束通常用于通过杀死靶标组织细胞或降低其细胞分裂能力，来停止其生长或扩散。虽然通常认为辐射治疗是有益的，但可能会有很多潜在的副作用。副作用可能包括意外损害健康组织细胞的DNA。辐射治疗的有效性主要是根据在避免对健康细胞的影响的同时应用到癌细胞的电离辐射的剂量或数量。
应用到组织的辐射数量通常是根据剂量率和靶标组织暴露于辐射的时间。在一些实现中，剂量率对应于用于生成辐射的带电粒子的“电流”。带电粒子(例如，质子、电子等)可以被引导在组织处，或者可以被引导在产生另一基础或基本粒子(例如，光子、中子等)的中间靶标处，该另一基础或基本粒子被引导在组织处。基本粒子可以具有辐射特性(例如，X射线波长、电离能力等)。较高的剂量率通常实现较短的暴露时间，并且可以带来很多好处，包括减少无关事件影响治疗的机会、提高生产率、以及对患者的更大便利。一些常规方法已经尝试通过更高的MeV值来增加剂量率。然而，对于常规的阳极方法，开发与更高的MeV值兼容的系统和方法可能是困难的且成问题的。例如，使用更高的MeV值可能产生过量的中子，这导致与用于抵消过量中子的影响的措施(例如，增加屏蔽等)相关联的成本增加。
一个相当大的常规障碍是保持性能(例如，辐射输出水平、组件结构完整性等)，同时避免有问题的状况(例如，过热、环境影响等)。(例如，用于入射电子束减速，用于产生轫致辐射等的)传统固体阳极靶标的热负荷能力通常在高能密度(例如，进入靶标的功率)处不提供足够的散热，并且靶标开始熔化并且失去性能特性。对固体阳极靶标(例如，旋转的固体阳极靶标等)的常规改进通常难以用作输运靶标，并且通常不能在散热方面提供很多改进。使用自由流动的液体阳极喷射流的传统方法可能导致减少和不一致的辐射生成。
发明内容
所提出的系统和方法便于辐射的高效和有效的生成和输送。在一些实施例中，一种辐射生成系统包括：粒子束枪、高能耗散阳极靶标(HEDAT)和液体阳极控制组件。辐射系统可以是治疗辐射系统。在一个示例性实施例中，粒子束枪生成电子束。HEDAT包括固体阳极部分(HEDAT-SAP)和液体阳极部分(HEDAT-LAP)，HEDAT-SAP和HEDAT-LAP被配置为接收电子束，从电子束吸收能量，生成辐射束，并且耗散热。辐射束可以包括光子，光子可以具有辐射特性(例如，X射线波长、电离能力等)。液体阳极控制组件被配置为控制液体阳极到HEDAT的流动。
HEDAT-SAP和HEDAT-LAP在辐射生成和控制中协同操作。HEDAT-SAP和HEDAT-LAP的配置可以基于相应HEDAT-SAP和HEDAT-LAP特性对辐射生成和散热的贡献来选择。所接收的电子束可以具有等于或大于1MeV的能量特性。HEDAT包括约束液体阳极通过HEDAT的流动的固体表面。约束液体阳极通过HEDAT的流动的表面还可以是固体阳极靶标的表面。液体阳极控制组件可以控制液体阳极的压力和温度。液体阳极可以吸收来自液体阳极内的电子束碰撞的热、以及经由传导来自固体能量阳极的热。在一些实施例中，HEDAT可以包括形成通道的壁的表面，该通道被配置为约束液体阳极的流动。HEDAT-SAP可以由具有以下特性中的至少一种特性的材料制成：低密度、低原子序数、高热容、高热导率、高熔点、在高温度处的高屈服强度、高电导率、抗辐射、耐HEDAT-LAP腐蚀特性等。HEDAT-SAP和HEDAT-LAP协同操作，以增强HEDAT的能量兼容性特性。液体阳极可以包括具有以下特性中的至少一种特性的材料：高热容、低熔点、高热导率、高沸点、高密度、高原子序数、低粘度、无腐蚀性等。
在一些实施例中，一种辐射方法包括：在高能耗散阳极靶标(HEDAT)处接收电子束；在HEDAT的固体阳极部分(HEDAT-SAP)和液体阳极部分(HEDAT-LAP)中生成辐射；耗散热；以及控制液体阳极材料到HEDAT-LAP和从HEDAT-LAP的流动。辐射生成可以包括吸收由于HEDAT-SAP和HEDAT-LAP中的电子束碰撞而产生的能量。耗散由于固体阳极靶标和液体阳极靶标中的能量吸收而产生的热。在一个实施例中，HEDAT-LAP耗散通过HEDAT-LAP内的粒子碰撞而在内部生成的热，并且还耗散由于从HEDAT-SAP的传导传递而产生的热。耗散热包括使冷的液体阳极材料流入HEDAT中，并且使暖的液体阳极材料流出HEDAT(例如，离开HEDAT的液体阳极比进入HEDAT的液体阳极更暖)。辐射方法还可以包括将所得到的所生成的辐射束转送给处理靶标。
在一些实施例中，一种辐射治疗系统包括：束生成系统，其根据指定的处理计划生成并且传输辐射束；以及控制组件，其接收关于与辐射束相关联的辐射输送的信息，并且引导指定的处理计划的执行。辐射束可以包括具有辐射特性的基本粒子。在一些实施例中，束生成系统包括：粒子束枪、高能耗散阳极靶标(HEDAT)和液体阳极控制组件。束生成系统可以包括线性加速器、和在朝向并且进入靶标的方向上引导基本粒子束的组件。靶标可以安装在固定的、旋转的或可移动的台架上或作为台架的部分，使得靶标可以相对于支撑患者的支撑设备移动。
附图说明
附图和描述一起被并入本说明书中并且形成本说明书的部分。它们图示了示例性实施例，并且解释了本公开的示例性原理。它们并不旨在将本发明限制于本文中图示的特定实施例。除非另有明确说明，否则附图不是按比例的。
图1是根据一个实施例的示例性辐射系统的框图。
图2是根据一个实施例的示例性HEDAT的框图。
图3是根据一个实施例的示例性HEDAT和系统组件的框图。
图4是根据一个实施例的示例性HEDAT和常规固体阳极靶标中的辐射发射碰撞的框图比较。
图5是根据一个实施例的示例性热传递的框图。
图6是根据一个实施例的不同示例性HEDAT-LAP流动系统的框图。
图7是根据一个实施例的液体阳极元件的表。
图8是根据一个实施例的示例性HEDAT的框图。
图9是根据一个实施例的HEDAT的示例性不同侧视图的框图。
图10是根据一个实施例的另一示例性HEDAT-LAP配置的框图。
图11是根据一个实施例的具有辅助组件的示例性HEDAT的框图。
图12是根据一个实施例的示例性粒子束生成方法的框图。
具体实施方式
现在将详细参考附图中图示的示例性实施例。尽管将结合示例性实施例描述本发明，但是将理解，它们并不旨在将本发明限制于这些实施例。相反，本发明旨在涵盖可以被包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围之内的替代、修改和等效物。此外，在本发明的以下详细描述中，阐述了众多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员将明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他实例中，没有详细描述公知的方法、过程、组件和电路，以免不必要地使本发明的方面不清楚。
所提出的系统和方法便于高效和有效的辐射生成和控制。在一个实施例中，高能耗散靶标能够利用高能束进行操作。高能耗散靶标可以操作作为用于产生辐射的阳极。在一个示例性实现中，高能耗散阳极靶标(HEDAT)包括固体阳极部分(HEDAT-SAP)和液体阳极部分(HEDAT-LAP)。HEDAT-SAP和HEDAT-LAP可以被配置为协作贡献于辐射发射、能量吸收、散热等。HEDAT-LAP可以使得能够利用具有某些配置特性(例如，散热特性、辐射生成特性等)的HEDAT-SAP，反之亦然。HEDAT-SAP和HEDAT-LAP协同操作以增强HEDAT的能量兼容性特性。在一个实施例中，HEDAT能够接收高能输入(例如，大于1MeV)并且高效地生成辐射，同时保持系统完整性(例如，提供准确的辐射输出，实现输出保真度，避免过热等)。
图1是示例性辐射治疗系统100的框图。辐射治疗系统100包括加速器和束传输系统110、多叶准直器(MLC)120、控制系统150和支撑设备190。在一个示例性实现中，加速器和束传输系统110生成并且传输具有辐射特性的基本粒子(例如，光子等)的辐射束。在一个实施例中，多个基本粒子在实质上相同的方向上行进，并且被包括在束中。基本粒子束可以形成辐射束。在一个示例性实现中，辐射束包括X射线。
加速器和束传输系统110包括枪子系统111、漂移管115和高能耗散阳极靶标(HEDAT)117。枪子系统111生成粒子束(例如，电子束等)。在一个实施例中，枪子系统111与微波频率范围中的束生成操作的定时控制兼容。加速器和束传输系统110可以包括粒子加速器，粒子加速器加速由枪子系统111生成的粒子。
该系统与多种加速器(例如，连续波束加速器、电子感应加速器、等时性回旋加速器、脉冲加速器、同步回旋加速器、同步加速器等)兼容。在一个实施例中，加速器和束传输系统110包括线性加速器(LINAC)。在一个示例性实现中，加速器能够相对连续波输出，并且提取具有指定能量的粒子。LINAC漂移管115允许由枪子系统111发射的电子行进到HEDAT117。在一个实施例中，电子被HEDAT减速，HEDAT用于产生在高能(例如，1-25MeV等)处的轫致辐射。
在一个实施例中，枪子系统111生成初级电子粒子束，该初级电子粒子束用于创建次级光子辐射束。初级电子粒子束生成器可以被配置为使次级光子发射的时间与初级电子粒子束生成相关(例如，以进一步改进信噪比等)。HEDAT 117可以接收高能输入(例如，大于1MeV等)并且生成相对大量的辐射，同时保持系统完整性，包括耗散过量的热。在一个示例性实现中，HEDAT生成X射线形式的辐射。高能阳极的附加描述在本说明书的稍后部分中给出。
加速器和束传输系统110可以包括在朝向并且进入MLC 120的方向上引导(例如，弯曲、转向、指引等)束通过系统的各种其他组件(例如，偶极磁体、弯曲磁体等)。加速器和束传输系统110还可以包括用于调整进入MLC 120的束能量的组件。
在一个实施例中，MLC 120包括控制束形状的组件。在一个示例性实现中，可以独立地调整(例如，来回移动等)MLC叶，以动态地成形孔，束可以穿过该孔。调整可以由控制系统150引导。孔可以阻挡或不阻挡束的部分，并且从而控制束的形状和暴露时间。束可以被认为是相对良好限定的束。MLC 120可以用于将束瞄准对象(例如，患者、靶标组织等)内的各种位置。在一个实施例中，MLC 120在“X和Y方向”上控制辐射束，以扫描靶标组织体积。
对象(例如，患者中的靶标组织体积等)可以位于处理房间中的支撑设备190(例如，椅子、沙发、长凳、桌子等)上。在一个实施例中，支撑设备是可移动的。MLC 120可以安装在固定的、旋转的或可移动的台架(未示出)上，或可以是该台架的部分，使得MLC 120可以相对于支撑设备190移动。加速器和束传输系统110也可以安装在该台架上，或者可以是该台架的部分。在另一实施例中，束生成系统与台架分开。在一个示例性实现中，分开的束生成系统与台架连通。
在一个实施例中，控制系统150接收指定的处理计划，并且引导指定的处理计划的执行。在一个示例性实现中，控制系统150包括计算机系统，该计算机系统具有处理器、存储器和用户接口组件(例如，键盘、鼠标、显示器等)。控制系统150可以控制加速器和束传输系统110、MLC 120和支撑设备190的参数和操作，包括诸如束的能量、强度、方向、尺寸和形状之类的参数。控制系统150可以接收与系统100的操作有关的数据，并且根据其接收的数据来控制组件。数据可以被包括在指定的处理计划中。在一个实施例中，控制系统150接收信息，并且分析由辐射治疗系统100正在提供的性能和处理。在一个实施例中，控制系统150可以基于对剂量和剂量率的分析，来引导对辐射治疗系统100的调整。
要理解，高能耗散阳极靶标(HEDAT)可以与各种辐射处理方法兼容。HEDAT可以用于高剂量率处理。在一个实施例中，HEDAT用于输送能够具有如下剂量率的辐射治疗，该剂量率对应于在处理靶标中冻结移动或不移动的时间间隔。在一个示例性实现中，辐射处理剂量率与在如下时间间隔中向胸部区域中的处理靶标的辐射输送兼容，该时间间隔对应于在该胸部区域中没有由于吸气或呼气而导致的移动(例如，没有由于肺扩展、收缩等而导致的移动)。
一些处理或治疗方法包括称为FLASH放射治疗的超高剂量率处理或模式。与FLASH治疗相关联的治疗窗口通常使得能够降低正常组织的毒性，同时保持癌组织肿瘤的控制。在一个实施例中，HEDAT用于输送FLASH辐射治疗。在一种示例性实现中，FLASH放射治疗的剂量率可以在不到一秒钟内为至少4戈瑞(Gy)，并且在不到一秒钟内高达20Gy或40Gy。FLASH放射治疗的剂量率可以在不到一秒钟内超过40Gy。辐射治疗系统和方法还可以与多种场处理方法兼容，其中不同的场与特定处理轨迹相关联，并且每个场的剂量是总剂量输送的部分或分数。
图2是根据一个实施例的示例性HEDAT 200的框图。HEDAT 200包括固体阳极部分(HEDAT-SAP)210和液体阳极部分(HEDAT-LAP)220。HEDAT-LAP 220包括壁221、222、223和224。壁221和224包括访问区域227和229。液体阳极可以流过访问区域227和229。要理解，HEDAT-LAP的其他壁或表面也可以包括访问区域。在一个示例性实现中，壁221、222、223和224可以形成通道，以容纳并且控制液体阳极的流动。HEDAT-SAP可以形成HEDAP-LAP的壁。在一个实施例中，HEDAT-SAP 210可以用作HEDAT-LAP 220的壁222。HEDAT-SAP 210和HEDAT-LAP 220在辐射生成中协同操作，以增大或增加HEDAT与高能输入的兼容性特性。HEDAT-SAP 210和HEDAT-LAP 220可以被配置为协作贡献于辐射发射、能量吸收、散热等。
图3是示例性高能辐射生成系统300的框图。高能辐射生成系统300包括枪子系统321、LINAC漂移管322和HEDAT 330。在一个实施例中，枪子系统321、LINAC漂移管322和HEDAT 330与枪子系统111、LINAC漂移管115和高能阳极117相似。在一个示例性实现中，枪子系统321生成电子束，该电子束通过LINAC漂移管322被传送到HEDAT 330。HEDAT 330包括HEDAT-SAP 331和HEDAT-LAP 333。当电子束中的电子行进通过HEDAT 330时，存在与HEDAT-SAP 331和HEDAT-LAP 333的成分的碰撞，并且碰撞导致生成或发射辐射。辐射可以包括基本粒子。辐射可以包括光子。发射可以被配置在辐射束中。发射可以包括X射线。在一些实施例中，液体阳极从液体阳极输入310流入HEDAT-LAP 333中，并且流出到液体阳极输出390。HEDAT 330可以便于对高能输入电子束(例如，大于1MeV等)的利用。
在一些实施例中，辐射束的生成是电子与HEDAT-SAP和HEDAT-LAP两者中的基本粒子碰撞的结果，这与配置有仅一种类型的阳极材料的典型常规系统不同。与完全依赖于固体阳极的典型传统方法相比，液体阳极部分对辐射生成和散热两者的贡献可以使得能够利用更高能输入。图4是根据示例性实施例的示例性常规固体阳极靶标410和示例性HEDAT420的框图比较。在常规固体阳极靶标410中，所有或大部分碰撞和所产生的热生成发生在固体阳极靶标410内。固体阳极靶标410具有相对较小的散热能力(例如，基本上限于通过外表面和/或传导等的非电离热辐射)。大多数热被困在固体阳极靶标410内。应用电子束471的时间越长，热累积越大，最终达到塌陷或熔点。
在示例性HEDAT 420中，碰撞发生在HEDAT-SAP 421和HEDAT-LAP 422两者中。在一个示例性实现中，大多数碰撞发生在HEDAT-LAP 422内的液体阳极中。即使电子束491可以应用到HEDAT 420达相对较长的时间段，液体阳极流的移动也确保了液体阳极流的给定部分不会经受或暴露于电子束达电子束491被应用到HEDAT 420的全时间段。因此，在应用电子束491的全部时间中，热不会继续在液体阳极的单个给定部分中累积。在一些实施例中，固体窗口423还包括发射辐射和热的材料。在一个示例性实现中，固体窗口423也被认为是HEDAT 420的HEDAT固体阳极部分或HEDAT-SAP。在一个示例性实现中，固体窗口423准许来自HEDAT-SAP 421和HEDAT-LAP 422的辐射通过或流过并且从固体窗口423发射，而固体窗口423中生成的辐射可忽略或很少。固体窗口423可以被认为是HEDAT 420的非阳极部分。
HEDAT-SAP 421、固体窗口423和HEDAT-LAP 422被配置为使得热的生成和耗散避免HEDAT-SAP 421和固体窗口423中的熔化或塌陷点。要理解，在HEDAT-SAP 421、固体窗口423和HEDAT-LAP422的配置选择中可以包括很多因素和特性。在一些实施例中，与完全依赖于固体阳极进行辐射生成的常规方法固体部分相比，HEDAT-SAP比常规方法固体部分薄。
在一些实施例中，来自粒子碰撞的热生成的位置以及从生成位置的热传递可以影响HEDAT的配置。图5是根据一个实施例的示例性HEDAT 500的框图。在HEDAT 500中，在HEDAT-SAP 510、HEDAT-LAP 520和固体窗口530中发生粒子碰撞和热生成。通过经由液体阳极流从HEDAT-LAP 520去除加热的液体阳极，可以发生所产生的热的至少一部分的传递。在一些实施例中，所产生的热的至少一部分的传递通过经由HEDAT-LAP 520中的液体阳极的对流热传递而发生。在一个示例性实施例中，HEDAT-SAP 510和固体窗口530经由传导将热的至少一部分(例如，在HEDAT 500内部等)传送到HEDAT-LAP 520中的液体阳极，并且还通过非电离热辐射在外部传送到环境。要理解，HEDAT-SAP 510和固体窗口530还可以包括参与热传递的其他热去除组件(例如，散热器、线圈、风扇等)。在一个示例性实施例中，HEDAT-SAP 510耦合到热交换组件570。热交换组件570可以经由各种附加的被动和主动热传递机制(例如，散热器、线圈、风扇等)，来增强或补充通过液体阳极的热去除。
在一些实施例中，熔融金属被用作液体阳极材料。在空闲时间(例如，电子枪不主动生成电子束，系统不生成辐射束等)期间，液体阳极材料被加热到至少最低熔化温度。当辐射生成系统主动产生辐射束，并且HEDAT中液体阳极温度增加时，液体阳极材料可以进行再循环并且冷却至较低温度，但仍然足够热以保持液态。在一些实施例中，熔融金属液体阳极具有合理地或实际上可能的低的熔化温度，使得可以在系统空闲期间更容易地保持流动，同时限制在系统操作期间循环系统(例如，管壁、通道壁等)的绝对温度。
图6是根据一个实施例的示例性液体阳极循环系统600的框图。液体阳极循环系统600包括液体阳极控制组件610、HEDAT 620、液体阳极输入组件630和液体阳极输出组件640。HEDAT 620包括HEDAT-SAP 621和HEDAT-LAP 622。液体阳极可以从液体阳极控制组件610通过液体阳极输入组件630流到HEDAT-LAP 622。流动可以继续通过HEDAT-LAP 622到达液体阳极输出640，并且回到液体阳极控制组件610。液体阳极控制组件610可以控制液体阳极在它离开液体阳极控制组件时的各种特性(例如，温度、流速、压力、液体阳极组件或元件的选择等)。在一些实施例中，在液体阳极控制组件610中存在液体阳极材料的储存器615，该储存器615被预加热，以在适当的温度处将阳极材料转换成液体。液体阳极控制组件610还可以包括冷却组件或系统，以用于冷却所返回的液体阳极，并且还参与将储存器保持在适当的温度。在一些实施例中，将液体的温度保持在不会不利地影响液体或固体组件的水平(例如，不熔化固体组件，蒸发阳极材料本身，造成过高的密度变化等)。
液体阳极循环系统600的组件协同操作以使液体阳极流移动通过系统。液体阳极输入组件630将液体阳极从液体阳极控制组件610传送到HEDAT-LAP 622。液体阳极输出组件640将液体阳极从HEDAT-LAP 622传送到液体阳极控制组件610。在一些实施例中，液体阳极输出组件640被认为是冷却套。液体阳极循环系统600可以包括参与液体阳极流动控制的各种其他组件。在一些实施例中，液体阳极循环系统600可以包括用于控制液体阳极的各种方面的组件，包括控制流动的组件(例如，泵619、阀631等)、用于从系统中添加或去除液体阳极的组件(例如，访问点611、排放部612、排放部623等)、用于去除或添加热的热传递组件(例如，组件617、加热器、冷却器、线圈、风扇等)等。系统还可以在各种位置处包括执行影响(例如，加热、泵送、排放等)液体阳极的若干功能的中间组件(例如，632、641等)。
要理解，HEDAT可以具有各种不同的配置。可以选择HEDAT的一些表面或壁以用于辐射性发射特性，并且可以选择其他表面或壁(例如，不在电子束道路中的侧壁、表面部分等)，重点是增加热传导特性。在一些实施例中，还可以针对辐射抗性或阻挡能力选择表面或壁(例如，以便于抑制来自不期望的发射的辐射等)。在一些实施例中，HEDAT的固体阳极组件具有各种特性，包括以下中的一种或多种特性：低原子序数、低密度、高热容、高热导率、高熔点、高沸点、高电导率、高屈服强度、相对不受辐射影响的物理性质(辐射硬的或抗辐射)、无腐蚀等。固体阳极可以由各种材料(例如，铍、钛、碳等)构成。在一些实施例中，固体阳极具有以下特性中的一种或多种特性：密度小于或等于5g/cm3，原子序数小于或等于25，热容大于或等于0.03J/gC，热导率大于或等于4W/(mK)，熔点大于或等于1000℃，沸点大于或等于2000℃，屈服强度大于或等于200MPa，以及电导率大于或等于l.0E+5。在一些实施例中，固体和液体阳极避免或最小化铅和镉的包含。在一些实施例中，液体阳极具有以下特性中的一种或多种特性：密度大于或等于6g/cm3，原子序数大于或等于30，热容大于或等于0.03J/gC，热导率大于或等于4.0W/(mK)，熔点低于或等于150℃，沸点大于或等于2,000℃，以及粘度低于或等于0.02Pa-s。图7是根据一个示例性实施例的液体阳极元件的表。表中列出了几种候选低熔化温度金属和低共熔物。
要理解，HEDAT-SAP和HEDAT-LAP的配置可以根据各种特性和目的来协调，以实现辐射束的高效生成。在一个实施例中，HEDAT-SAP和HEDAT-LAP的配置基于协作操作和对应影响来选择。在一个示例性实现中，在配置选择中考虑了HEDAT-SAP和HEDAT-LAP特性对热生成和散热的独立和协作影响。
在一个实施例中，在暴露于相似的相对高能水平下，HEDAT-SAP生成的热少于典型的常规固体阳极。HEDAT可以依赖于HEDAT-LAP产生一些或大部分辐射生成，以满足期望的辐射输出，因此，HEDAT-SAP可以比典型的常规固体阳极薄。在一个示例性实现中，相对高能输入的粒子可以比常规固体阳极更容易穿透HEDAT-SAP，具有较少热生成。较少的热生成意味着必须由HEDAT-SAP耗散较少的热，并且HEDAT的热容具有更好的机会来跟上热生成，而不会过热。液体阳极可以流过HEDAT-LAP：1)允许相对较冷的液体阳极流入；2)参与HEDAT-LAP中的粒子碰撞和辐射生成，同时吸收对应的能量和热生成，以及3)允许相对较暖的液体阳极流出，而没有过多的热累积或过热。液体阳极还可以帮助吸收从HEDAT-SAP传递的热，并且将热包括在相对较暖的液体阳极中以流出，而没有过多的热累积或过热。
HEDAT-SAP可以被配置为帮助控制液体阳极流。在一些实施例中，HEDAT-SAP被配置为将液体阳极流制约或约束到指定的区域。在一些实施例中，约束可以引起液体阳极的压实或压缩，这转而可以贡献于增加辐射发射。在HEDAT的不同组件中可以利用具有不同特性的不同材料。因此，HEDAT-SAP和HEDAT-LAP的协调配置便于性能增强。
要理解，HEDAT-LAP内的配置也可以变化。HEDAT-LAP可以配置有多个液体阳极通道。在一些实施例中，液体阳极通道可以提供改进的流体动力学和/或在多种能量处操作的能力。可以控制(例如，打开、关闭、增加、减少等)通道中的液体阳极流。可以利用阀来实现控制。流的数量可以基于束能量。在较低能量处，需要较少的阳极材料来停止入射电子，而在较高能量处，需要较多的阳极材料。通道的使用可以有助于保持流型，并且减少HEDAT-LAP通道或HEDAT-LAP室内的涡流或局部再循环。通道可以包含不同的阳极材料，该不同的阳极材料有助于增加通量，同时使电子散乱最小化。在一个实施例中，较高能量的通道包含较高的Z液体阳极(例如，像菲尔德金属等)，并且低能量的通道包含较低的Z液体阳极(例如，镓等)。
图8是示例性HEDAT 800的框图。HEDAT 800包括HEDAT-SAP810和HEDAT-LAP 820。HEDAT-LAP 820包括多个HEDAT-LAP通道(例如，821、822、823、824等)。HEDAT-LAP通道可以具有不同的配置和特性。HEDAT-LAP通道可以具有相同或不同的液体阳极流(例如，相同或不同的流速、压力、温度、方向等)。液体阳极通道可以传送不同的液体阳极材料或成分。液体阳极可以具有不同的特性(例如，粘度、腐蚀性、温度传导率等)。多个不同的液体阳极可以对应于来自液体阳极表700的液体阳极。在一些实施例中，HEDAT-LAP通道821可以包括菲尔德金属合金，HEDAT-LAP通道822可以包括伍德金属合金，HEDAT-LAP通道823可以包括罗斯金属合金，并且HEDAT-LAP通道821也可以包括菲尔德金属合金。要理解，形成不同液体阳极通道的壁或组件的材料可以变化。
在一些实施例中，通道流面积尺寸和形成它们的壁的配置是相同的。在另一实施例中，通道流面积尺寸和形成它们的壁的配置变化。图9是具有不同通道尺寸的HEDAT 800的示例性侧视图的框图。图9中的侧视图是通过图8的剖切线AA得到的。HEDAT-LAP通道(例如，821、822、823、824等)可以具有不同的尺寸。在一些实施例中，液体阳极通道821和824的高度和宽度尺寸是相同的，液体阳极通道822和823的高度尺寸与液体阳极通道821和824不同，并且液体阳极通道823的宽度尺寸与液体阳极通道821、822和824不同。形成HEDAT-LAP通道的壁(例如，871、872、873、874、878等)可以具有不同的尺寸。在一些实施例中，通道壁872和874的高度和宽度尺寸是相同的，通道壁873的高度尺寸不同于通道壁872和874，并且通道壁872和878的宽度尺寸不同于872和874。在一些实施例中，HEDAT-SAP(例如，871、875等)用作通道壁或表面。还要理解，内部HEDAT-LAP通道壁(例如，872、874、877、878等)可以包括固体阳极材料，并且既用作阳极又用作通道壁。
图10是另一HEDAT-LAP 1000配置的示例性实施例。HEDAT-LAP 1000包括由通道壁1011、1012、1013、1014和1015形成的液体阳极通道1021、1022、1023和1024。通道壁1011、1012、1013、1014和1015的形状可以不同。通道壁的形状可以被配置为影响液体阳极流特性(例如，增加或减少流速、压力、密度等)。液体阳极流特性转而可以影响各种因素或特性(例如，辐射生成、温度耗散等)。
在一些实施例中，与常规的液体喷射应用相比，HEDAT使得能够提高控制性和性能。与较少约束空间中的开放式喷射流相比，HEDAT-LAP的通道将液体阳极约束为更可预测的行为。液体阳极在输入/输出组件中的密度可以小于在HEDAT-LAP中的密度，以使得能够容易向液体阳极靶标和从液体阳极靶标流动。然而，可以在HEDAT-LAP中改变流。在一个示例性实施例中，通道壁1012和1013可以用于影响液体阳极流特性(例如，流速降低、液体压缩、密度增加等)，以改进冷却并且实现更大的辐射生成。在一些实施例中，壁1014和1015是倾斜的，以便于从HEDAT-LAP排放液体阳极。当不使用时，可以将液体阳极(例如，经由排放部1033等)排放，以防止或最小化HEDAT中液体阳极的凝结或固化。
要理解，通道中的流可以被分开地配置和控制。图11是HEDAT1100的示例性实施例的框图。HEDAT 1100包括液体阳极通道1121、1122、1123和1124。液体阳极可以在液体阳极通道中在不同的方向上流动。通道中的液体阳极流可以具有独立的控件(例如，阀1131、1132、1133等)。
要理解，输入和输出组件的配置可以包括通道，并且通道和形成通道的壁的配置可以变化。在一些实施例中，输入和输出组件的配置可以包括与HEDAT-LAP内的通道和壁的配置相似的通道和壁。在一个示例性实现中，使用滑环台架，并且冷却液体可以经由包括旋转接头的路径而上和下台架。
图12是示例性辐射生成方法1200的框图。
在框1210中，在高能耗散阳极靶标(HEDAT)处接收电子束。在一些实施例中，接收高能电子束(例如，大于1MeV等)。
在框1220中，通过电子束粒子与HEDAT的成分的碰撞，生成辐射。在一些实施例中，通过电子束粒子与高能耗散靶标中包括的HEDAT-SAP和HEDAT-LAP两者的碰撞，生成辐射。由于电子束碰撞而产生的能量被HEDAT-SAP和HEDAT-LAP吸收。
在框1230中，耗散由于HEDAT-SAP和HEDAT-LAP中的能量吸收而产生的热。在一些实施例中，在固体阳极中生成的热的部分通过HEDAT-LAP中的液体阳极流而被耗散。
在框1240中，控制液体阳极材料到HEDAT-LAP和从HEDAT-LAP的流动。在一些实施例中，控制液体阳极的温度。
在一些实施例中，流速足够高，使得可以吸收所需要的束功率，而不会引起温度升高，该温度升高使容纳阳极材料本身的室的壁熔化，使阳极材料本身蒸发，或引起过高的密度改变。在示例性实施例中，菲尔德金属具有约7.9gm/cc的密度和285J/kg的热容。因此，为了将温度升高限制为+100deg X，流速应当大于被输送到靶标的每kW约44.4cc/s。为了输送20kW，流速应当大约为88cc/sec(约6Tbsp/sec)。
在一些实施例中，HEDAT与辐射束的精确可控性兼容。在一些实施例中，HEDAT便于生成和控制相对较小直径或周长的辐射束。在一些实施例中，辐射生成控制便于具有高保真度输送的超高辐射剂量率。系统和方法可以与脉冲宽度调制兼容，并且定时控制分辨率被配置为便于接近脉冲内和微束团水平(例如，对应于脉冲宽度中每个射频周期的个体束团等)的输送保真度。射频可以在微波范围中。系统和方法还与多种场处理方法兼容，并且可以使针对每个分数/场的剂量输送能够被有效控制。HEDAT系统可以在大于1.5kW的功率水平处运行的系统中实现。
要理解，已经关于诸如阳极之类的辐射生成靶标描述了高能耗散靶标(HEDT)。要理解，HEDT可以与其中靶标经受高能束的各种其他应用一起利用。在一些实施例中，HEDAT被包括在监控器组件中。监控器组件可以测量和跟踪束电流和束电荷，束电流和束电荷分别用于得出与剂量率和剂量数量的相关性。
因此，所提出的系统和方法便于高效和有效的辐射束生成。在一些实施例中，与受限的传统阳极靶标方法相比，HEDAT系统和方法实现在更高的能量水平处的性能改进。与常规方法相比，HEDAT的固体部分和液体部分的配置选择实现了改变和改进，包括在更高的能量处操作，耗散大的热发射等。在一些实施例中，与常规水平相比，X射线注量可以至少以数量级增加。在一些实施例中，包括HEDAT的辐射系统产生的固有束注量具有与常规仅固体的阳极靶标所产生的固有束注量可比或更好的频谱质量。HEDAT配置还可以便于更好的分辨率和减小的处理斑尺寸。在一些实施例中，包括HEDAT配置的辐射系统便于用于新的和当前的处理的小焦斑。HEDAT系统配置可以便于在处理期间的更锐利的边缘清晰度。
要理解，HEDAT配置可以用于除医学辐射应用之外的其他应用。在一些实施例中，HEDAT配置可以用于各种应用(例如，医学、工业、安全性等)。HEDAT配置可以便于对封闭容器(例如，包装、行李、货物扫描等)的改进(例如，更快、更好的图像分辨率等)的扫描。
具体实施方式的一些部分根据过程、逻辑块、处理、以及对计算机存储器内的数据位的操作的其他符号表示来呈现。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员通常用来向本领域其他技术人员有效传达其工作实质的手段。此处并且通常，将过程、逻辑块、处理等视为产生期望结果的步骤或指令的自洽序列。步骤包括对物理量的物理操纵。通常，尽管不是必要的，这些量采用能够在计算机系统中存储、传递、组合、比较和以其他方式操纵的电、磁、光或量子信号的形式。已经证明，主要出于常用的原因，有时将这些信号称为位、值、元件、符号、字符、项、数等是方便的。
然而，应当记住，所有这些和相似术语均与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便标记。除非另外明确陈述，否则如从以下讨论中明显的，要理解，在本申请通篇中，利用诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“显示”等术语的讨论是指操纵和变换数据的计算机系统或相似处理设备(例如，电、光或量子计算设备)的动作和处理，该数据被表示为物理(例如，电子)量。术语是指处理设备的如下动作和处理，该动作和处理将计算机系统的组件(例如，寄存器、存储器、其他这样的信息存储装置、输运或显示设备等)内的物理量操纵或变换为其他组件内相似地表示为物理量的其他数据。
出于说明和描述的目的，已经呈现了本发明的特定实施例的前述描述。它们并不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式，并且显然根据上述教导，很多修改和变化是可能的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而通过适于所设想的特定用途的各种修改，使得本领域其他技术人员能够最好地利用本发明以及各种实施例。所旨在的是，本发明的范围由所附的权利要求及其等效物来限定。除非在权利要求中明确陈述，否则方法权利要求内的步骤列表并不表示执行这些步骤的任何特定顺序。

Claims (21)

1.一种治疗辐射生成系统，包括：
粒子束枪，其生成电子束；
高能耗散阳极靶标(HEDAT)，其中所述HEDAT包括固体阳极部分(HEDAT-SAP)和液体阳极部分(HEDAT-LAP)，所述固体阳极部分和所述液体阳极部分被配置为接收所述电子束，从所述电子束吸收能量，生成辐射束，并且耗散热，以及
液体阳极控制组件，被配置为控制液体阳极到所述HEDAT的流动。
2.根据权利要求1所述的治疗辐射生成系统，其中所述辐射束包括X射线。
3.根据权利要求1所述的治疗辐射生成系统，其中所述HEDAT-SAP和所述HEDAT-LAP的配置是基于所述HEDAT-SAP和所述HEDAT-LAP特性对辐射生成的相应贡献来选择的。
4.根据权利要求1所述的治疗辐射生成系统，其中所述HEDAT-SAP和所述HEDAT-LAP在辐射束生成中协同操作。
5.根据权利要求1所述的治疗辐射生成系统，其中接收的所述电子束具有等于或大于1MeV的能量特性。
6.根据权利要求1所述的治疗辐射生成系统，其中约束所述液体阳极通过所述HEDAT的所述流动的表面还是所述固体阳极靶标的表面。
7.根据权利要求1所述的治疗辐射生成系统，其中所述液体阳极控制组件控制液体阳极流的压力和温度。
8.根据权利要求1所述的治疗辐射生成系统，其中所述液体阳极吸收来自所述液体阳极内的电子束碰撞的热、以及经由传导来自所述固体能量阳极的热。
9.根据权利要求1所述的治疗辐射生成系统，其中所述HEDAT包括形成通道的壁的表面，所述通道被配置为约束液体阳极的流动。
10.根据权利要求1所述的治疗辐射生成系统，其中所述HEDAT-SAP包括具有以下特性中的至少一种特性的材料：低密度、低原子序数、高热容、高热导率、高熔点、高温度处的高屈服强度、高电导率、辐射硬度和耐所述HEDAT-LAP腐蚀特性。
11.根据权利要求1所述的治疗辐射生成系统，其中所述液体阳极包括具有以下特性中的至少一种特性的材料：高热容、低熔点、高热导率、高沸点、高密度、高原子序数、低粘度和无腐蚀性。
12.一种辐射方法，包括：
在高能耗散阳极靶标(HEDAT)处接收电子束；
在所述HEDAT的固体阳极部分(HEDAT-SAP)和液体阳极部分(HEDAT-LAP)中生成辐射，包括吸收由于所述HEDAT-SAP和所述HEDAT-LAP中的电子束碰撞而产生的能量；以及
耗散由于所述固体阳极靶标和所述液体阳极靶标中的能量吸收而产生的热。
13.根据权利要求12所述的辐射方法，其中所述HEDAT-LAP还耗散由于从所述HEDAT-SAP的传导传递而产生的热。
14.根据权利要求12所述的辐射方法，其中耗散所述热包括使冷的液体阳极材料流入所述HEDAT中，并且使暖的液体阳极材料流出所述HEDAT。
15.根据权利要求12所述的辐射方法，还包括控制液体阳极材料到所述HEDAT-LAP和从所述HEDAT-LAP的流动。
16.根据权利要求12所述的辐射方法，还包括将辐射束转送给处理靶标。
17.一种辐射治疗系统，包括：
束生成系统，其根据指定的处理计划生成并且传输辐射束，其中所述束生成系统包括：
粒子束枪，其生成粒子束；
高能耗散阳极靶标(HEDAT)，其中所述HEDAT包括固体阳极部分(HEDAT-SAP)和液体阳极部分(HEDAT-LAP)，所述固体阳极部分和所述液体阳极部分被配置为接收所述粒子束，从所述粒子束吸收能量，生成辐射，并且耗散热，以及
液体阳极控制组件，被配置为控制液体阳极到所述HEDAT的流动；以及
控制组件，其接收关于与所述辐射束相关联的辐射输送的信息，并且引导指定的处理计划的执行。
18.根据权利要求17所述的辐射治疗系统，其中所述束生成系统包括线性加速器、和在朝向并且进入喷嘴的方向上引导辐射束的组件。
19.根据权利要求17所述的辐射治疗系统，其中喷嘴能够安装在固定的、旋转的或可移动的台架上或作为所述台架的部分，使得所述喷嘴能够相对于支撑设备移动。
20.根据权利要求17所述的辐射治疗系统，其中所述HEDAT-SAP和所述HEDAT-LAP协同操作以增强所述HEDAT的能量兼容性特性。
21.根据权利要求17所述的辐射治疗系统，还包括滑环台架，并且液体阳极能够经由包括旋转接头的路径而上和下所述台架。
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