CN115397086A - 一种腔式束流偏转分束装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种腔式束流偏转分束装置，包括：射频功率源，用于提供射频微波功率；低电平控制系统，用于根据预设偏转角度产生调制信号控制射频功率源输出的功率大小；微波传输波导系统，用于传输射频微波功率；射频偏转腔，用于通过控制射频微波功率馈入射频偏转腔的电磁场大小对通过射频偏转腔的粒子束施加水平方向或者垂直方向的偏转力，将粒子束偏转到不同方向，并且在不施加电磁场的情况下，允许粒子束直接通过，多通道真空室，包括至少一个传输通道，每一传输通道用于传输指定方向的粒子束；束流输运线，用于对指定方向的粒子束进行聚焦和/或二次偏转，每一传输通道对应连接一条束流输运线。该装置结构紧凑，实现小型化及轻量化，束流配送高效。

Description

一种腔式束流偏转分束装置

技术领域

本公开涉及医用离子加速器技术领域，尤其涉及一种腔式束流偏转分束装置。

背景技术

医用粒子(如质子、氦离子、碳离子等)加速器治疗装置是指利用电磁场对离子进行加速和约束，把离子加速到比较高的能量，从而使利用离子进行治疗的装置。

目前粒子治疗设备的发展趋势主要集中在两个方面：治疗设备的轻量化小型化和治疗过程的高效率化。治疗过程的高效率化则是基于各项新技术的发展来提高粒子束流的利用率，节省治疗时间，提高效率。治疗设备小型化是指通过使用新技术减小加速器的整体重量和占地面积。高效率化主要有使用多个治疗终端。通常用束流进行治疗所用的时间占整个治疗过程总时间约1/5左右，其余大部分时间用于对治疗之前的准备工作，比如摆位等。如果一台医用离子加速器肿瘤治疗装置只配备一个治疗终端，会将大部分时间浪费在准备工作上，束流不能得到很好的利用，不利于治疗过程的高效率化，因此，医用离子加速器肿瘤治疗装置通常会配备多个治疗终端。这样在一个治疗终端进行准备工作的时，另外的治疗终端可以用来进行治疗。而建造多个治疗终端就需要对束流进行分流，使束流可以偏向不同的方向到达需要的治疗终端。

目前医用离子加速器肿瘤治疗装置大多都使用常规二极磁铁与四极磁铁组合进行束流分束。离子加速器中主要使用两种类型的磁铁，二极磁铁和四极磁铁。二极磁铁的主要作用是对束流进行偏转；四极磁铁主要作用是对束流提供横向聚焦力，对粒子束进行横向聚焦。通过二极磁铁提供的均匀磁场实现粒子束的偏转，粒子束的能量越高，偏转粒子束需要的磁场就越大。对于相同能量的粒子束，偏转磁铁的磁场强度越大，粒子束的偏转半径就越小，需要的二极磁铁就可以更小，可以减少造价和占地面积。

常规磁铁的磁场强度的最大值通常不超过1.7T，这就决定了二极磁铁不能做得太小。常规磁铁的磁场太小，要想对束流进行两个方向的偏转需要的孔径会非常大，因此，常规二级磁铁只能对束流进行一个方向的偏转。如果需要对束流进行多角度的偏转就会需要多台二极磁铁，增加了离子加速器肿瘤治疗装置高能束运线部分的占地面积和建造成本，不利于离子加速器肿瘤治疗装置产业化推广。采用超导磁铁进行粒子束分束，超导磁铁的磁场强度高于常规磁铁，因此，超导磁铁尺寸比常规磁铁小。但是，超导磁铁的磁场上升下降速度较慢，占地空间虽然比常规磁铁小，但是多个治疗终端的束流配送效率不高。

发明内容

针对上述技术问题，本公开提供一种腔式束流偏转分束装置，用于至少部分解决使用常规二极磁铁与四极磁铁组合进行粒子束分束导致装置占地空间大或采用超导磁铁进行粒子束分束导致束流配送效率不高的问题。

基于此，本公开第一方面提供一种腔式束流偏转分束装置，包括：射频功率源，用于提供射频微波功率；低电平控制系统，用于根据预设偏转角度产生调制信号控制射频功率源输出的功率大小；传输波导，用于传输射频微波功率；射频偏转腔，用于通过控制射频微波功率馈入射频偏转腔的电磁场大小对通过射频偏转腔的粒子束施加水平方向或者垂直方向的偏转力，将粒子束偏转到不同方向，并且在不施加电磁场的情况下，允许粒子束直接通过；多通道真空室，包括至少一个传输通道，每一传输通道用于传输指定方向的粒子束；束流输运线，用于对指定方向的粒子束进行聚焦和/或二次偏转，其中，每一传输通道对应连接一条束流输运线。

根据本公开的实施例，射频功率源包括：微波信号源，用于提供毫瓦级的微波信号；触发信号源，用于产生时间控制信号；固态放大器，用于根据时间控制信号将毫瓦级的微波信号放大至百瓦级的微波信号；调制器，用于根据时间控制信号产生直流高压信号；速调管，用于根据直流高压信号将百瓦级的微波信号转换为兆瓦级的射频微波功率并输出。

根据本公开的实施例，微波传输波导系统为真空波导结构。

根据本公开的实施例，射频偏转腔包括至少一个极化方向可变的偏转单元，偏转单元用于将粒子束偏转预设角度，其中，极化方向包括垂直极化方向和水平极化方向。

根据本公开的实施例，束流输运线为采用组合型超导二极磁铁或者一组四极磁铁的束流输运线，其中，采用一组四极磁铁的束流输运线用于对未经偏转的粒子束进行聚焦后传输，采用组合型超导二极磁铁的束流输运线用对经偏转的粒子束进行二次偏转和聚焦后传输。

根据本公开的实施例，组合型超导二极磁铁为在二极线圈的基础上绕制四极磁场得到的组合磁铁；四极磁铁为FODO结构或Triplet结构的四极磁铁，四极磁铁的聚焦和散焦四极场交替排列。

根据本公开的实施例，组合型超导二极磁铁的数量为一个或两个，四极磁铁的数量为三个。

根据本公开的实施例，粒子束包括中能粒子束或中高能粒子束或高能粒子束。

根据本公开的实施例，通过调节射频微波功率馈入射频偏转腔中的电磁场大小控制粒子束的偏转角度。

本公开第二方面提供一种离子加速器治疗装置，包括：高梯度直线加速结构；如上述腔式束流偏转分束装置；其中，高梯度直线加速结构与腔式束流偏转分束装置共用射频功率源。

根据本公开实施例提供的腔式束流偏转分束装置，至少包括以下有益效果：

基于射频偏转腔，通过射频微波功率馈入射频偏转腔的电磁场大小对粒子束进行偏转分束，相比于采用二极磁铁与四极磁铁组合进行粒子束分束，减少了二极磁铁的使用，有助于整个装置的小型化及轻量化，减小了离子加速器肿瘤治疗装置的占地面积，降低了建造成本。

进一步地，可以通过调节射频微波功率馈入射频偏转腔中的电磁场大小控制粒子束的偏转角度，与多通道真空室配合，能够实现垂直方向或者水平方向任意角度方向的粒子束分束。并且，调节电磁场的大小操作简单，速度快，能够快速地调整束流的角度，相比于使用超导磁铁进行粒子束分束，能够实现束流配送的高效率化。

更进一步地，使用组合型磁铁在多通道出口的束流输运线上实现束流的偏转和聚焦，减少了四极磁铁的使用个数，进一步有助于整个装置的小型化及轻量化，减少了离子加速器肿瘤治疗装置的占地面积，降低了建造成本。

此外，将腔式束流偏转分束装置应用于全直线离子加速器治疗装置，使高梯度直线加速结构与腔式束流偏转分束装置共用一个射频功率源，进一步节省了建造成本。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了本公开实施例提供的腔式束流偏转分束装置结构框图。

图2示意性示出了本公开一实施例提供的微波信号源的结构框图。

图3示意性示出了本公开实施例提供的射频偏转腔单个偏转单元的工作原理图。

图4A示意性示出了本公开实施例提供的粒子束垂直向上偏转的轨迹图。

图4B示意性示出了本公开实施例提供的粒子束不偏转的轨迹图。

图4C示意性示出了本公开实施例提供的粒子束垂直向下偏转的轨迹图。

图4D示意性示出了本公开实施例提供的粒子束垂直向上、垂直向下以及不偏转的轨迹图。

图5示意性示出了本公开一实施例提供的多通道真空室的结构图。

图6示意性示出了本公开一实施例提供的三通道真空室对应的束流输运线的布局图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统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公开的限制。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

图1示意性示出了本公开实施例提供的腔式束流偏转分束装置结构框图。

如图1所示，该腔式束流偏转分束装置例如可以射频功率源、低电平控制系统、微波传输波导系统、射频偏转腔、多通道真空室以及束流输运线。其中：

射频功率源，用于提供射频微波功率。

低电平控制系统，用于根据预设偏转角度产生调制信号控制射频功率源输出的功率大小。

微波传输波导系统，用于传输射频微波功率。

射频偏转腔，用于通过射频微波功率馈入射频偏转腔的电磁场大小对通过射频偏转腔的粒子束施加水平方向或者垂直方向的偏转力，将粒子束偏转到不同方向，并且在不施加电磁场的情况下，允许粒子束直接通过。

多通道真空室，包括至少一个传输通道，每一传输通道用于传输指定方向的粒子束。

束流输运线，用于对指定方向的粒子束进行聚焦和/或二次偏转，每一传输通道对应连接一条束流输运线。

图2示意性示出了本公开一实施例提供的微波信号源的结构框图。

如图2所示，微波信号源例如可以包括微波信号源、触发信号源、固态放大器、调制器以及速调管。微波信号源、固态放大器及速调管依次连接，触发信号源的输出端分别连接至固态放大器和调制器的输入端，调制器的输出端连接至速调管的输入端。其中：

微波信号源，用于提供毫瓦级的微波信号。

触发信号源，用于产生时间控制信号。

固态放大器，用于根据时间控制信号将毫瓦级的微波信号放大至百瓦级的微波信号。

调制器，用于根据时间控制信号产生直流高压信号。

速调管，用于根据直流高压信号将百瓦级的微波信号转换为兆瓦级的射频微波功率并输出。

在本公开一实施例中，低电平控制系统与射频功率源的固态放大器相连，根据预设偏转角度产生调制信号对固态放大器的输出进行调制。

在本公开一实施例中，微波传输波导系统包括一组微波传输波导，用于将射频功率源产生的射频微波功率传输至射频偏转腔。

在本公开一实施例中，射频偏转腔包括至少一个极化方向可变的偏转单元(cell)，偏转单元用于将粒子束偏转预设角度。

图3示意性示出了本公开实施例提供的射频偏转腔单个偏转单元的工作原理图。

如图3所示，偏转单元通过极化电场将粒子束偏转一定角度，通过一系列偏转单元在相同方向的偏转叠加最终将粒子束偏转到设定角度。

偏转单元的极化方向可以包括垂直极化方向和水平极化方向，且极化方向可变，通过调整偏转腔中垂直极化方向或者水平极化方向，可以实现粒子束在三维空间360°任意角度的分束，有利于实现装置的合理布局。下面以垂直极化方向对射频偏转腔的工作原理图进行进一步说明。

图4A示意性示出了本公开实施例提供的粒子束垂直向上偏转的轨迹图。图4B示意性示出了本公开实施例提供的粒子束不偏转的轨迹图。图4C示意性示出了本公开实施例提供的粒子束垂直向下偏转的轨迹图。图4D示意性示出了本公开实施例提供的粒子束垂直向上、垂直向下以及不偏转的轨迹图。

如图4A-图4D所示，当粒子束进入射频偏转腔时，通过电磁场对粒子束提供垂直方向的偏转力，使得粒子束在垂直方向的偏转力作用下在垂直方向偏转一定角度，通过电磁场场强的大小控制粒子束的偏转角度的大小，一个偏转腔cell可以偏转一个小角度，经过一系列cell之后可以达到设计需要的偏转角度。水平方向极化相当于垂直方向极化旋转90°。例如，射频偏转腔工作电场类似正弦波分布，当粒子束进入偏转腔时遇到垂直向上方向电场时，粒子束相上偏转一定角度。当粒子束进入偏转腔时遇到垂直向下方向电场时，粒子束向下偏转一定角度。当粒子束进入偏转腔时遇到偏转腔中无电场时，射频偏转腔中无电磁场存在相当于一段漂移段，粒子束不发生偏转，直接通过。进一步地，可以通过调节射频微波功率馈入射频偏转腔中的电磁场的大小控制粒子束的偏转角度。

需要说明的是，粒子束在水平方向的分束原理和垂直方向相同，相当于射频偏转腔转动90°安装，此处不再赘述。

在本公开一实施例中，多通道真空室与射频偏转腔相连，用于传输粒子束，将偏转一定角度的粒子束传输到不同的束流输运线。多通道真空室通常采用二通道或者多通道真空室，具体通道数量可以根据实际应用需求选择，本公开不做限制。

图5示意性示出了本公开一实施例提供的多通道真空室的结构图。

如图5所示，多通道真空室例如可以采用三通道真空室将束流根据需要输送到三个束流输运线，三个束流输运线可以对应如图4D所示的三个偏转方向的束流。

当粒子通过偏转腔偏转时，因为粒子动量的不同以及遇到的横向电场大小不同会引入色散，使不同粒子的中心轨道不一样。为了消除粒子束的色散，可以对束流输运线进行进一步设计。

在本公开一实施例中，束流输运线为采用组合型超导二极磁铁或者一组四极磁铁的束流输运线，其中，采用一组四极磁铁的束流输运线用于对未经偏转的粒子束进行聚焦后传输，采用组合型超导二极磁铁的束流输运线用对经偏转的粒子束进行二次偏转和聚焦后传输。

进一步地，组合型超导二极磁铁为在二极线圈的基础上绕制四极磁场得到的组合磁铁。四极磁铁为FODO结构或Triplet结构的四极磁铁，四极磁铁的聚焦和散焦四极场交替排列。

更进一步地，组合型超导二极磁铁的数量例如可以为一个或两个，四极磁铁的数量例如可以为三个，具体磁铁的数量可以根据实际需求选择，本公开不做限制。

图6示意性示出了本公开一实施例提供的三通道真空室对应的束流输运线的布局图。

如图6所示，射频偏转腔之后接三通道真空室，三通道真空室分别与三条束流输运线相接，三条束流输运线分别接三个治疗终端。第一条束流输运线上采用组合型超导二极磁铁，用于对粒子束进一步偏转和聚焦；第二条束流输运线上采用三个四极磁铁对粒子束进行聚焦，这条束流输运线对应于射频偏转腔不加微波功率时粒子束直接通过；第三条束流输运线上采用组合型超导二极磁铁，用于对粒子束进一步偏转和聚焦。

基于图6所示的布局，本公开实施例对腔式束流偏转分束装置的尺寸进行的测量，测量发现：整个腔式束流偏转分束装置在长度方向大概3m，在宽度方向也大概4m。

进一步地，对采用常规磁铁或者超导磁铁对粒子束进行分束的装置的尺寸进行测量，该常规装置与本公开实施例提供的腔式束流偏转分束装置实现相同偏转效果。测量发现：整个装置在长度方向大于8m左右，宽度大于10m左右。

由此可见，相比于采用常规磁铁或者超导磁铁的粒子束偏转装置，本公开实施例提供的腔式束流偏转分束装置的占地面积减少了2/3以上，节省了很多空间，也减少了四极磁铁的使用，从而降低了成本。

在本公开一实施例中，粒子束包括中能粒子束或中高能粒子束或高能粒子束。换言之，腔式束流偏转分束装置能够用于对中能束流输运线出口的粒子束或者中高能束流输运线出口的粒子束或者高能束流输运线出口的粒子束根据需要进行分束，使之传输到一个或者多个浅层治疗终端或者一个或者多个中度深度治疗装的或者一个或者多个深度治疗终端。具体地，腔式束流偏转分束装置安装于中能输运线出口，将粒子束分束到不同多个浅层治疗终端。腔式束流偏转分束装置安装于中高能输运线出口，将粒子束分束到不同多个较深层治疗终端。腔式束流偏转分束装置安装于高能输运线出口将粒子束分束到不同多个深层治疗终端。

基于同一发明构思，本公开实施例还提供一种离子加速器治疗装置，其特征在于，包括：高梯度直线加速结构和腔式束流偏转分束装置。其中，高梯度直线加速结构与腔式束流偏转分束装置共用射频功率源。

需要说明的是，离子加速器治疗装置实施例部分涉及的腔式束流偏转分束装置与前述所阐述的腔式束流偏转分束装置结构相同，具体实施细节请参见腔式束流偏转分束装置部分，此处不再赘述。

综上所述，本公开实施例提供的腔式束流偏转分束装置结构紧凑，可将传统高能束线多终端束流偏转结构缩小一半以上，实现装置的小型化据轻量化，有效降低整个装置建造成本。并且，基于该装置能够治疗需求将束流迅速切换偏转到不同的治疗终端。此外，将腔式束流偏转分束装置应用于全直线离子加速器治疗装置，是高梯度直线加速结构与腔式束流偏转分束装置共用一个射频功率源，进一步节省了建造成本。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种腔式束流偏转分束装置，其特征在于，包括：

射频功率源，用于提供射频微波功率；

低电平控制系统，用于根据预设偏转角度产生调制信号控制所述射频功率源输出的功率大小；

微波传输波导系统，用于传输所述射频微波功率；

射频偏转腔，用于通过控制所述射频微波功率馈入所述射频偏转腔的电磁场大小对通过所述射频偏转腔的粒子束施加水平方向或者垂直方向的偏转力，将所述粒子束偏转到不同方向，并且，在不施加电磁场的情况下，允许所述粒子束直接通过；

多通道真空室，包括至少一个传输通道，每一传输通道用于传输指定方向的粒子束；

束流输运线，用于对指定方向的粒子束进行聚焦和/或二次偏转，其中，每一传输通道对应连接一条束流输运线。

2.根据权利要求1所述的腔式束流偏转分束装置，其特征在于，所述射频功率源包括：

微波信号源，用于提供毫瓦级的微波信号；

触发信号源，用于产生时间控制信号；

固态放大器，用于根据所述时间控制信号将所述毫瓦级的微波信号放大至百瓦级的微波信号；

调制器，用于根据所述时间控制信号产生直流高压信号；

速调管，用于根据所述直流高压信号将所述百瓦级的微波信号转换为兆瓦级的射频微波功率并输出。

3.根据权利要求1所述的腔式束流偏转分束装置，其特征在于，所述微波传输波导系统为真空波导结构。

4.根据权利要求1所述的腔式束流偏转分束装置，其特征在于，所述射频偏转腔包括至少一个极化方向可变的偏转单元，所述偏转单元用于将所述粒子束偏转预设角度，其中，所述极化方向包括垂直极化方向和水平极化方向。

5.根据权利要求1所述的腔式束流偏转分束装置，其特征在于，所述束流输运线为采用组合型超导二极磁铁或者一组四极磁铁的束流输运线，其中，采用一组四极磁铁的束流输运线用于对未经偏转的粒子束进行聚焦后传输，采用组合型超导二极磁铁的束流输运线用对经偏转的粒子束进行二次偏转和聚焦后传输。

6.根据权利要求5所述的腔式束流偏转分束装置，其特征在于，所述组合型超导二极磁铁为在二极线圈的基础上绕制四极磁场得到的组合磁铁；所述四极磁铁为FODO结构或Triplet结构的四极磁铁，所述四极磁铁的聚焦和散焦四极场交替排列。

7.根据权利要求5所述的腔式束流偏转分束装置，其特征在于，所述组合型超导二极磁铁的数量为一个或两个，所述四极磁铁的数量为三个。

8.根据权利要求1所述的腔式束流偏转分束装置，其特征在于，所述粒子束包括中能粒子束或中高能粒子束或高能粒子束。

9.根据权利要求1所述的腔式束流偏转分束装置，其特征在于，通过调节所述射频微波功率馈入所述射频偏转腔中的电磁场大小控制所述粒子束的偏转角度。

10.一种离子加速器治疗装置，其特征在于，包括：

高梯度直线加速结构；

如权利要求1-9任一项所述的腔式束流偏转分束装置；

其中，所述高梯度直线加速结构与所述腔式束流偏转分束装置共用射频功率源。

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