CN112891758B - 一种适用于浅层质子治疗的紧凑型直线加速器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于浅层质子治疗的紧凑型直线加速器系统，包括：离子源，用于产生质子束流；直线加速器模块，通过低能传输线与所述离子源连接，用于对所述离子源引出的质子束流进行加速和传输，以得到不同能量值的加速质子束流；剂量分配模块，与所述直线加速器模块连接，用于对不同能量值的加速质子束流进行分离并配送至两个以上的浅层终端。本发明采用射频四极场加速器+交叉指型漂移管直线加速器+边耦合漂移管直线加速器的直线加速器方案，相比于现有方案，加速器和功率源等系统更为紧凑，加速器长度缩短3‑4m，功率源数目减少为原来的1/4，而且调试更为方便和容易。

Description

一种适用于浅层质子治疗的紧凑型直线加速器系统

技术领域

本发明涉及一种质子治疗加速器，具体是关于一种适用于浅层质子治疗的紧凑型直线加速器系统，属于核医学技术领域。

背景技术

目前的质子治疗加速器通常采用质子回旋加速器和同步加速器，技术相对成熟，但在紧凑性、活化等问题上，各自存在不足。直线加速器具有横向尺寸小，引出和注入容易，并且传输和加速过程中几乎没有束流损失等优点，近年来将直线加速器作为质子治疗加速器开始成为热点研究。但是，常规的直线加速器要成为满足质子治疗需要的加速器，需要对各系统进行改进和优化。

在常规的直线加速器中，斩波器放置于低能传输线上，极板上加载正高压，并保持不变，通过的束流时间长度最短只能到约5us，虽然足以满足常规加速器运行的要求，但对于质子治疗加速器，最关注的是保证人的安全，故需要严格控制通过束流的时间，从而控制作用于人身上的剂量。

现有浅层质子治疗直线加速器通常为射频四极场(Radio FrequencyQuadrupole，RFQ)加速器和分离作用的漂移管直线加速器(Separate Drift Tube Linac，SDTL)组合，先通过RFQ加速器将束流能量加速到数个MeV，再通过SDTL继续加速到适合浅层质子治疗的60-80MeV，即RFQ+SDTL的直线加速器方案。由于加速器长度要求，漂移管直线加速器需要进行跳频，其频率通常是RFQ加速器的4倍，RFQ加速器在数个MeV能量段的跳频会带来严重的束流损失，虽然治疗所需要的流强较低，但会带来活化问题；另外一方面，在数个MeV-10MeV能量段，SDTL的分路阻抗较低。

此外，SDTL的加速腔体以短腔的形式出现，腔体之间放置四极透镜实现束流的横向约束，加速器本身实现了紧凑，但需要功率源数目较多，一方面的问题是功率源所需空间大，另一面是调试时需要调节每个功率源之间的相对关系，由于可调节参数多，因此调试复杂和困难。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种适用于浅层质子治疗的紧凑型直线加速器系统，该系统束流损失几率小，结构紧凑，且粒子数精准可控，剂量可控。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种适用于浅层质子治疗的紧凑型直线加速器系统，包括如下部件：离子源，用于产生质子束流；直线加速器模块，通过低能传输线与所述离子源连接，用于对所述离子源引出的质子束流进行加速和传输，以得到不同能量值的加速质子束流；剂量分配模块，与所述直线加速器模块连接，用于对不同能量值的加速质子束流进行分离并配送至两个以上的浅层终端。

所述的紧凑型直线加速器系统，优选地，所述直线加速器模块包括：射频四极场加速器，所述射频四极场加速器的入口与所述低能传输线连接，用于对从所述低能传输线输入的质子束流进行第一次加速；交叉指型漂移管直线加速器，所述交叉指型漂移管直线加速器的入口与所述射频四极场加速器的出口连接，用于将所述射频四极场加速器引出的质子束流继续进行第二次加速；边耦合漂移管直线加速器，所述边耦合漂移管直线加速器的入口与所述交叉指漂移管直线加速器的出口连接，用于将所述交叉指漂移管直线加速器引出的质子束流继续进行第三次加速。

所述的紧凑型直线加速器系统，优选地，所述交叉指型漂移管直线加速器中的至少前两个聚集单元与所述射频四极场加速器的末端单元之间进行横向匹配，所述交叉指型漂移管直线加速器中的至少前两个加速单元与所述射频四极场加速器进行纵向匹配。

所述的紧凑型直线加速器系统，优选地，所述边耦合漂移管直线加速器包括：加速腔，至少两个的所述加速腔并排间隔设置，相邻两个所述加速腔之间通过真空管道连接；耦合腔，一体形成于每一所述加速腔的两顶角处，且相邻两个所述加速腔通过所述耦合腔连接成一体，所述耦合腔用于实现功率在各所述加速腔之间的传输；边耦合漂移管，多个所述边耦合漂移管通过支持结构并排设置在所述加速腔内，用于集中加速电场和屏蔽反向电场，且相邻两个所述边耦合漂移管之间形成加速间隙；永磁铁，对称设置在位于所述边耦合漂移管两侧的相邻两个所述加速腔之间，用于对质子束流进行横向聚集。

所述的紧凑型直线加速器系统，优选地，所述边耦合漂移管直线加速器在工作时，每一所述加速腔的工作模式为0模，质子束流通过所述边耦合漂移管之间的加速间隙时获得能量增益以加速；而当电场反向时，质子束流进入所述边耦合漂移管得到屏蔽，从而使质子得到持续加速；同时，相邻两个所述加速腔通过所述耦合腔进行耦合，共同工作模式为π模。

所述的紧凑型直线加速器系统，优选地，所述射频四极场加速器的工作频率范围优选在714MHz-750MHz之间，出口处的束流能量范围为2-3MeV；所述交叉指型漂移管直线加速器的工作频率范围优选在714MHz-750MHz之间，出口处的束流能量范围为7-10MeV；所述边耦合漂移管直线加速器的工作频率范围优选在2856MHz-3000MHz之间，出口处的束流能量范围为60-80MeV。

所述的紧凑型直线加速器系统，优选地，所述离子源为电子回旋共振离子源或者RF源，电所述子回旋共振离子源的工作频率为2.45GHz，RF源的工作频率为13.56MHz，出口处的束流能量范围为20-25keV。

所述的紧凑型直线加速器系统，优选地，所述低能传输线用于接收所述离子源输出的质子束流，并将其匹配送到所述射频四极场加速器中。

所述的紧凑型直线加速器系统，优选地，在所述低能传输线上设置可进行粒子数精确控制的斩波器，所述斩波器的极板高压可由负高压向正高压变化，使得所述低能传输线能够用于对束流粒子数的精确控制，从而保证人身安全。

所述的紧凑型直线加速器系统，优选地，所述剂量分配模块包括依次连接的多通道二极铁、偏转磁铁和高能传输线；其中，所述多通道二极铁设置在所述边耦合漂移管直线加速器的出口延长线上，用于将不同能量值的质子束流进行分离；多个所述偏转磁铁设置在所述多通道二极铁的分离路径上，用于将质子束流偏转到对应的所述高能传输线上；所述高能传输线用于将质子束流配送至两个以上的所述浅层终端。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明采用射频四极场加速器+交叉指型漂移管直线加速器+边耦合漂移管直线加速器的直线加速器方案，相比于现有方案，加速器和功率源等系统更为紧凑，加速器长度缩短3-4m，功率源数目减少为原来的1/4，而且调试更为方便和容易。

2、本发明在射频四极场加速和边耦合漂移管直线加速器之间增加交叉指型漂移管直线加速器是必要的，有两方面的明显优点：一方面，750MHz的射频四极场加速器和3GHz边耦合漂移管直线加速器会存在跳频，跳频可能会带来束流的损失，低能量跳频会增加损失的风险；另一方面，相比于边耦合漂移管直线加速器，交叉指型漂移管直线加速器可以将束流能量从2-3MeV增加到7-10MeV，有效加速梯度可增加约4-5倍，整个系统长度缩短为1/4-1/5。

3、本发明利用极板高压可由负高压向正高压变化的斩波器，且电压变化率在333V/ns-1333V/ns之间，使可通过RFQ加速器的束流长度在18ns-6ns之间，通过改变电压变化率，对束流时间结构进行精确控制，使束流粒子数控制精度可高于10^-6，从而保证人身安全。

附图说明

图1为本发明紧凑型直线加速器系统的结构框图；

图2为本发明边耦合漂移管直线加速器的结构示意图；

图3为本发明该可进行粒子数精确控制的斩波器波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需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。

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。同时在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供的适用于浅层质子治疗的紧凑型直线加速器系统包括：离子源1，用于产生质子束流；直线加速器模块3，通过低能传输线2与离子源1连接，用于对离子源1引出的质子束流进行加速和传输，以得到不同能量值的加速质子束流；剂量分配模块4，与直线加速器模块3连接，用于对不同能量值的加速质子束流进行分离并配送至两个以上的浅层终端5。

上述实施例中，优选地，直线加速器模块3包括：射频四极场加速器31，射频四极场加速器31的入口与低能传输线2连接，用于对从低能传输线2输入的质子束流进行第一次加速，相比于常规的RFQ加速器，本实施例的射频四极场加速器31在结构上进行了改进(具体结构详见公开号为CN110267426A的中国发明专利，在此不再赘述)，可实现加速后中心束团和低能粒子的分离，降低束流损失功率，降低空间剂量和设备活化风险；交叉指型漂移管直线加速器32，交叉指型漂移管直线加速器32的入口与射频四极场加速器31的出口连接，用于将射频四极场加速器31引出的质子束流继续进行第二次加速；边耦合漂移管直线加速器33，边耦合漂移管直线加速器33的入口与交叉指漂移管直线加速器32的出口连接，用于将交叉指漂移管直线加速器32引出的质子束流继续进行第三次加速。

上述实施例中，优选地，交叉指型漂移管直线加速器32中的至少前两个聚集单元与射频四极场加速器31的末端单元之间进行横向匹配，交叉指型漂移管直线加速器32中的至少前两个加速单元与射频四极场加速器31进行纵向匹配，由此以取代通常用的中能传输线的匹配功能，可使整个直线加速器模块3的长度缩短约2-3米。需要说明的是，交叉指型漂移管直线加速器32与射频四极场加速器31之间的横向匹配是通过逐渐增大射频四极场加速器31的末端单元半径、调整射频四极场加速器31的末端单元长度和交叉指型漂移管直线加速器32至少前两个聚焦单元的四极铁梯度完成的。通常的射频四极场加速器的末端单元半径保持恒定，横向聚焦过大，而交叉指型漂移管直线加速器的横向聚焦相对较弱，很难实现横向匹配。当射频四极场加速器的末端单元半径逐渐增大后，其横向聚焦逐渐减弱，直至与交叉指型漂移管直线加速器的横向聚焦相当，横向匹配的难度就会降低。

上述实施例中，优选地，如图2所示，边耦合漂移管直线加速器33包括：加速腔331，至少两个的加速腔331并排间隔设置，相邻两个加速腔331之间通过真空管道连接(未示出)；耦合腔332，一体形成于每一加速腔331的两顶角处，且相邻两个加速腔331通过耦合腔332连接成一体，耦合腔332用于实现功率在各加速腔331之间的传输，因此所需功率源数量少，且各加速腔331之间的相位相对关系已经确定，可调节参数量，调试方便和容易；边耦合漂移管333，多个边耦合漂移管333通过支持结构并排设置在加速腔331内，用于集中加速电场和屏蔽反向电场，且相邻两个边耦合漂移管333之间形成加速间隙；永磁铁334，对称设置在位于边耦合漂移管333两侧的相邻两个加速腔331之间，用于对质子束流进行横向聚集，由于永磁铁334的长度与耦合腔332的长度相当，因此相比于SDTL不会带来长度的增加。本实施例中的边耦合漂移管直线加速器33在工作时，每一加速腔331的工作模式为0模，质子束流通过边耦合漂移管333之间的加速间隙时获得能量增益以加速；而当电场反向时，质子束流进入边耦合漂移管333得到屏蔽，不会减速，从而使质子得到持续加速；同时，由于相邻两个加速腔331通过耦合腔332进行耦合，共同工作模式为π模，因此具有更高的加速效率。此外，随着束流能量的增加，一个加速腔331内的加速间隙数量可以逐渐增加的，最多可达10-14个。

上述实施例中，优选地，射频四极场加速器31的工作频率范围优选在714MHz-750MHz之间，出口处的束流能量范围为2-3MeV；交叉指型漂移管直线加速器32的工作频率范围优选在714MHz-750MHz之间，出口处的束流能量范围为7-10MeV；边耦合漂移管直线加速器33的工作频率范围优选在2856MHz-3000MHz之间，出口处的束流能量范围为60-80MeV。

上述实施例中，优选地，离子源1为电子回旋共振(Electron CyclotronResonance,ECR)离子源或者RF源，电子回旋共振离子源的工作频率优选为2.45GHz，RF源的工作频率优选为13.56MHz,出口处的束流能量范围为20-25keV。

上述实施例中，优选地，低能传输线2用于接收离子源1输出的质子束流，并将其匹配送到射频四极场加速器31中。同时，还可以在低能传输线2上设置可进行粒子数精确控制的斩波器，以使得低能传输线2也可用于对束流粒子数的精确控制(束流粒子数控制精度可高于10^-6，斩波器的上升曲率为200V/ns)。

常规的斩波器极板上加载正高压，并保持不变，通过的束流时间长度最短只能到约5us，这足以满足常规加速器运行的要求，但对于癌症治疗用的加速器，最关注是保证人的安全，缩短通过的束流时间是必须的。如图3所示，在本实施例中斩波器极板上的高压是由负高压向正高压变化的，t1是束流进斩波器极板的时刻，t2是束流出斩波器极板的时刻。t1和t2是关于纵轴对称的，从而使束流受到的净偏转为0，可正常进入射频四极场加速器31而获得进一步加速，相对于t1时刻，提前或者晚到的束流将会受到偏转作用，不能进入射频四极场加速器31，通过改变不同电压变化率，能控制比t1时刻中心束早(晚)多少时间的束流能通过射频四极场加速器31，从而使能进入射频四极场加速器31的束团长度改变，继而对束流粒子数进行精准控制。例如，电压变化率为1333-333V/ns，可通过的束团长度为6ns-18ns，从而保证人身安全。

上述实施例中，优选地，本实施例中，剂量分配模块4包括依次连接的多通道二极铁41、偏转磁铁42和高能传输线43。其中，多通道二极铁41设置在边耦合漂移管直线加速器33的出口延长线上，用于将不同能量值的质子束流进行分离；多个偏转磁铁42设置在多通道二极铁41的分离路径上，用于将质子束流偏转到对应的高能传输线43上，高能传输线43用于将质子束流配送至两个以上的浅层终端5。

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 (9)

1.一种适用于浅层质子治疗的紧凑型直线加速器系统，其特征在于，包括如下部件：

离子源(1)，用于产生质子束流；

直线加速器模块(3)，通过低能传输线(2)与所述离子源(1)连接，用于对所述离子源(1)引出的质子束流进行加速和传输，以得到不同能量值的加速质子束流；

剂量分配模块(4)，与所述直线加速器模块(3)连接，用于对不同能量值的加速质子束流进行分离并配送至两个以上的浅层终端(5)；

所述直线加速器模块(3)包括：

射频四极场加速器(31)，所述射频四极场加速器(31)的入口与所述低能传输线(2)连接，用于对从所述低能传输线(2)输入的质子束流进行第一次加速；

交叉指型漂移管直线加速器(32)，所述交叉指型漂移管直线加速器(32)的入口与所述射频四极场加速器(31)的出口连接，用于将所述射频四极场加速器(31)引出的质子束流继续进行第二次加速；

边耦合漂移管直线加速器(33)，所述边耦合漂移管直线加速器(33)的入口与所述交叉指漂移管直线加速器(32)的出口连接，用于将所述交叉指漂移管直线加速器(32)引出的质子束流继续进行第三次加速。

2.根据权利要求1所述的紧凑型直线加速器系统，其特征在于，所述交叉指型漂移管直线加速器(32)中的至少前两个聚集单元与所述射频四极场加速器(31)的末端单元之间进行横向匹配，所述交叉指型漂移管直线加速器(32)中的至少前两个加速单元与所述射频四极场加速器(31)进行纵向匹配。

3.根据权利要求1或2所述的紧凑型直线加速器系统，其特征在于，所述边耦合漂移管直线加速器(33)包括：

加速腔(331)，至少两个的所述加速腔(331)并排间隔设置，相邻两个所述加速腔(331)之间通过真空管道连接；

耦合腔(332)，一体形成于每一所述加速腔(331)的两顶角处，且相邻两个所述加速腔(331)通过所述耦合腔(332)连接成一体，所述耦合腔(332)用于实现功率在各所述加速腔(331)之间的传输；

边耦合漂移管(333)，多个所述边耦合漂移管(333)通过支持结构并排设置在所述加速腔(331)内，用于集中加速电场和屏蔽反向电场，且相邻两个所述边耦合漂移管(333)之间形成加速间隙；

永磁铁(334)，对称设置在位于所述边耦合漂移管(333)两侧的相邻两个所述加速腔(331)之间，用于对质子束流进行横向聚集。

4.根据权利要求3所述的紧凑型直线加速器系统，其特征在于，所述边耦合漂移管直线加速器(33)在工作时，每一所述加速腔(331)的工作模式为0模，质子束流通过所述边耦合漂移管(333)之间的加速间隙时获得能量增益以加速；而当电场反向时，质子束流进入所述边耦合漂移管(333)得到屏蔽，从而使质子得到持续加速；

同时，相邻两个所述加速腔(331)通过所述耦合腔(332)进行耦合，共同工作模式为π模。

5.根据权利要求1所述的紧凑型直线加速器系统，其特征在于，所述射频四极场加速器(31)的工作频率范围优选在714MHz-750MHz之间，出口处的束流能量范围为2-3MeV；

所述交叉指型漂移管直线加速器(32)的工作频率范围优选在714MHz-750MHz之间，出口处的束流能量范围为7-10MeV；

所述边耦合漂移管直线加速器(33)的工作频率范围优选在2856MHz-3000MHz之间，出口处的束流能量范围为60-80MeV。

6.根据权利要求1或2所述的紧凑型直线加速器系统，其特征在于，所述离子源(1)为电子回旋共振离子源或者RF源，电所述子回旋共振离子源的工作频率为2.45GHz，RF源的工作频率为13.56MHz，出口处的束流能量范围为20-25keV。

7.根据权利要求1所述的紧凑型直线加速器系统，其特征在于，所述低能传输线(2)用于接收所述离子源(1)输出的质子束流，并将其匹配送到所述射频四极场加速器(31)中。

8.根据权利要求7所述的紧凑型直线加速器系统，其特征在于，在所述低能传输线(2)上设置可进行粒子数精确控制的斩波器，所述斩波器的极板高压可由负高压向正高压变化，使得所述低能传输线(2)能够用于对束流粒子数的精确控制，束团长度最短约6ns。

9.根据权利要求1所述的紧凑型直线加速器系统，其特征在于，所述剂量分配模块(4)包括依次连接的多通道二极铁(41)、偏转磁铁(42)和高能传输线(43)；

其中，所述多通道二极铁(41)设置在所述边耦合漂移管直线加速器(33)的出口延长线上，用于将不同能量值的质子束流进行分离；

多个所述偏转磁铁(42)设置在所述多通道二极铁(41)的分离路径上，用于将质子束流偏转到对应的所述高能传输线(43)上；

所述高能传输线(43)用于将质子束流配送至两个以上的所述浅层终端(5)。

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