CN115607858B - 一种交叉杆型射频四极加速器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交叉杆型射频四极加速器装置，包括腔体、电极组件以及支撑组件，电极组件于腔体内沿束流射入方向水平布置，包括在束流路径四极方向上呈对称布置的上电极、下电极、左电极以及右电极，支撑组件包括固定在腔体内并沿束流射入方向分布的水平支撑杆和垂直支撑杆，水平支撑杆分别与上电极和下电极连接，垂直支撑杆分别与左电极和右电极连接，并由依次经左电极和右电极、水平支撑杆、腔体的腔壁、垂直支撑杆、上电极和下电极的路径构成谐振回路。本发明具有分路阻抗大、功率损耗小的特点，同时利用支撑组件呈交叉排列具有稳定的机械性能，提高了装置运行维护的方便性，且成本低廉。

Description

一种交叉杆型射频四极加速器装置

技术领域

本发明涉及医疗粒子加速技术领域，具体涉及一种交叉杆型射频四极加速器装置。

背景技术

加速器治疗装置可实现对肿瘤细胞的精准杀灭，是国际上最为尖端的放疗技术。但是，当前加速器治疗装置全面市场化推广中还存在着一些困难，其中最为突出的是装置规模庞大、成本过高、性能较低、能耗过高以及运行维护复杂。

直线加速器是离子治疗装置的注入器，传统的直线加速器装置核心加速部分都是由射频四极加速器(Radio Frequency Quadrupole，RFQ)和漂移管型直线加速器(DriftTube Linac，DTL)组成，它们之间存在一定长度的横向和纵向匹配段，这种组合方式导致直线加速器紧凑度和性价比非常有限，主要表现为以下几个方面：1)传统的质子重离子直线加速器，高频腔体的工作频率相对比较低(＜200MHz)，这就导致腔体尺寸比较大，加速梯度和加速效率有限，整体性价比不高；2)由于RFQ和DTL它们之间需要一个匹配段实现束流的横向和纵向匹配。横向匹配主要由外置的三个以上的四极磁铁组成，而纵向匹配还需要一台聚束器，这样的设计无疑增加了直线加速器的长度，极大地限制了直线加速器的紧凑度，增加了直线加速器的成本；3)RFQ、DTL和聚束器的高频腔体是独立工作，需要配备三套高频功率源、低电平控制和真空系统，这不利于成本的控制；4)由于长度的局限性，传统直线加速器作为同步环的注入器时很难放置在紧凑型同步环内部，只能放置在同步环外部，不能有效节约整个加速器装置的土建占地面积。

RFQ是直线加速器的关键部件，其造价成本主要由RFQ腔体和射频功率源造价决定。因此为了降低制造成本，既要求降低RFQ腔体的制造成本，也要求腔体的功率损耗低。传统的RFQ腔体分为两大类：四翼型和四杆型。四翼型RFQ结构是一种应用广泛的谐振腔型结构，四翼型RFQ的腔体尺寸较大，通常工作在较高频率(200MHz以上)，用于加速轻离子，具有高分路阻抗、低功率损耗、高频性能优异等优点，但其腔体加工难度大、焊接风险大，制造维护成本高。而四杆型RFQ尺寸较小，一般工作在较低频率(200MHz以下)，用于加速重离子。其结构紧凑，制造维护成本低，电极可拆卸更换，方便后续维护工作，分路阻抗较低，但功率损耗高。由此可见，传统的RFQ腔体难以实现低制造成本、低功率损耗和运行维护的方便性的兼顾。

发明内容

本发明的目的是提供一种交叉杆型射频四极加速器装置，以解决现有技术中射频四极加速器无法兼顾低制造成本、低功率损耗和运行维护方便的问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明提供一种交叉杆型射频四极加速器装置，包括：

腔体；

电极组件，所述电极组件于所述腔体内沿束流射入方向水平布置，包括在束流路径四极方向上呈对称布置的上电极、下电极、左电极以及右电极；

支撑组件，所述支撑组件包括固定在所述腔体内并沿束流射入方向分布的水平支撑杆和垂直支撑杆，所述水平支撑杆和所述垂直支撑杆的中部均形成有供电极组件水平穿过的环孔，所述水平支撑杆的环孔内壁分别与所述上电极和所述下电极连接，所述垂直支撑杆的环孔内壁分别与所述左电极和所述右电极连接，并由依次经所述左电极和所述右电极、所述水平支撑杆、所述腔体的腔壁、所述垂直支撑杆、所述上电极和所述下电极的路径构成谐振回路。

进一步地，所述腔体一端的端面上开设有束流注入孔，在所述腔体另一端的端面上开设有束流引出孔，所述束流注入孔和所述束流引出孔共中心轴线设置。

进一步地，所述水平支撑杆和所述垂直支撑杆呈异面的十字交叉形结构。

进一步地，所述水平支撑杆包括水平支撑座和所述水平支撑座中部形成的水平支撑环，所述水平支撑座的一端通过可拆卸连接的方式与所述腔体一侧的腔内壁连接，所述水平支撑座的另一端通过可拆卸连接的方式与所述腔体另一侧的腔内壁连接，所述水平支撑环为水平方向上伸长的环孔结构，且所述水平支撑环的顶内壁通过可拆卸连接的方式与所述上电极相连接，所述水平支撑环的底内壁通过可拆卸连接的方式与所述下电极相连接。

进一步地，所述垂直支撑杆包括垂直支撑座和所述垂直支撑座中部形成的垂直支撑环，所述垂直支撑座的一端通过可拆卸连接的方式与所述腔体的顶内壁连接，所述垂直支撑座的另一端通过可拆卸连接的方式与所述腔体的底内壁连接，所述垂直支撑环为竖直方向上伸长的环孔结构，且所述垂直支撑环一侧的内壁通过可拆卸连接的方式与所述左电极相连接，所述垂直支撑环另一侧的内壁通过可拆卸连接的方式与所述右电极相连接。

进一步地，所述支撑组件沿束流射入方向设有若干组，且多个所述水平支撑杆和多个所述垂直支撑杆呈交错分布，使束流射入方向上具有连续的多个谐振回路。

进一步地，所述交叉杆型射频四极加速器装置用于提供质子-铀的全种类离子束，且该离子束的能量范围为0.5～3.0MeV/u。

本发明由于采取以上技术方案，其具备以下有益效果：

1、不同于传统四杆型的射频四极加速器，本发明装置由依次经左电极和右电极、水平支撑杆、腔体的腔壁、垂直支撑杆、上电极和下电极的路径构成谐振回路，采用H210模的谐振模式，由于大量表面电流流经表面电阻较小的腔体内壁，使得本发明装置具有分路阻抗大、功率损耗小的特点，同时由于电极的支撑组件呈交叉排列，两端均连接在腔体内壁上，使得本发明装置具有更好的机械稳定性；

2、不同于传统的四翼型射频四极加速器，本发明装置的电极、支撑杆和腔壁采用装配连接，降低了装置制造过程中的风险，同时电极具备可拆卸性，提高了装置运行维护的方便性；

3、由于仅采用射频四极加速器作为离子治疗装置的注入器，可省去漂移管型直线加速器腔体以及匹配的四极磁铁和聚束器等，从而简化了总体设计，提高了加速器系统的安全性和稳定性，有效降低的制造成本以及运行维护的难度，有利于离子治疗装置以及工业辐照装置的产业化推广。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种交叉杆型射频四极加速器装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种交叉杆型射频四极加速器装置的内部结构示意图。

附图中各标记表示如下：

1、腔体；11、束流注入孔；12、束流引出孔；2、电极组件；21、上电极；22、下电极；23、左电极；24、右电极；3、支撑组件；31、水平支撑杆；32、垂直支撑杆；321、垂直支撑座；322、垂直支撑环。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

由于传统的射频四极加速器无论是四翼型还是四杆型，均无法兼顾低制造成本、低功率损耗和运行维护。因此本发明提供一种交叉杆型射频四极加速器装置，通过在腔体内布置在束流路径四极方向上呈对称布置的上电极、下电极、左电极以及右电极，并设置异面十字交叉的水平支撑杆和垂直支撑杆分别对四根电极构成支撑，从而形成经左电极和所述右电极、水平支撑杆、腔体的腔壁、垂直支撑杆、上电极和下电极的谐振回路，在使本发明装置具有分路阻抗大、功率损耗小的同时，降低其成本，并提高装置运行维护的方便性。

下面通过实施例对本发明的方案进行详细说明。

实施例

如图1和图2所示，本发明提供一种交叉杆型射频四极加速器装置，包括腔体1、电极组件2以及支撑组件3，具体设置如下：

电极组件2于腔体1内沿束流射入方向水平布置，包括在束流路径四极方向上呈对称布置的上电极21、下电极22、左电极23以及右电极24，其中上电极21和下电极22在竖直方向上呈对称设置，左电极23和右电极24在水平方向上呈对称设置。支撑组件3包括固定在腔体1内并沿束流射入方向分布的水平支撑杆31和垂直支撑杆32。水平支撑杆31和垂直支撑杆32的中部均形成有供电极组件2水平穿过的环孔，水平支撑杆31的环孔内壁分别与上电极21和下电极22连接，垂直支撑杆32的环孔内壁分别与左电极23和右电极24连接，并由依次经左电极23和右电极24、水平支撑杆31、腔体1的腔壁、垂直支撑杆32、上电极21和下电极22的路径构成电流流经的谐振回路。

进一步地，在腔体1一端的端面上开设有束流注入孔11，在腔体1另一端的端面上开设有束流引出孔12，束流注入孔11和束流引出孔12共中心轴线设置。通过该结构的设置，以便于离子束沿束流注入孔11射入腔体1内并沿射束前进方向进行加速。

进一步地，水平支撑杆31和垂直支撑杆32呈异面的十字交叉形结构。具体地，水平支撑杆31包括水平支撑座和水平支撑座中部形成的水平支撑环(图中未示出)。水平支撑座的一端通过可拆卸连接的方式与腔体1一侧的腔内壁连接，水平支撑座的另一端通过可拆卸连接的方式与腔体1另一侧的腔内壁连接。水平支撑环为水平方向上伸长的环孔结构，且水平支撑环的顶内壁通过可拆卸连接的方式与上电极21相连接，水平支撑环的底内壁通过可拆卸连接的方式与下电极22相连接。

垂直支撑杆32包括垂直支撑座321和垂直支撑座321中部形成的垂直支撑环322。垂直支撑座321的一端通过可拆卸连接的方式与腔体1的顶内壁连接，垂直支撑座321的另一端通过可拆卸连接的方式与腔体1的底内壁连接。垂直支撑环322为竖直方向上伸长的环孔结构，且垂直支撑环322一侧的内壁通过可拆卸连接的方式与左电极23相连接，垂直支撑环322另一侧的内壁通过可拆卸连接的方式与右电极24相连接。

通过上述结构的设置，可使谐振回路的表面电流从左电极23和右电极24水平流向垂直支撑杆32的垂直支撑座321，并经腔体1的腔壁流向水平支撑杆31的水平支撑座311，再流向上电极21和下电极22，从而形成一个谐振回路。由该谐振回路可知左电极23和右电极24具有相同的电势，而上电极21和下电极22与左电极23和右电极24具有相反的电势。由于在该谐振回路中，表面电流都要流经表面电阻较低的腔体1腔壁，因此本发明装置具有分路阻抗高、功率损耗低的优点。

优选的，电极组件2、水平支撑杆31、垂直支撑杆32以及腔体1的腔壁之间可以通过螺钉装配连接，以实现四根电极以及支撑组件3的可拆卸，从而使运行维护简单方便，维护费用低。利用水平支撑杆31、垂直支撑杆32均是两端固定在腔体1的腔壁上，可是本发明装置的机械结构稳定可靠。

进一步地，支撑组件3沿束流射入方向设有若干组，且多个水平支撑杆31和多个垂直支撑杆32呈交错分布，使束流射入方向上具有连续的多个谐振回路。从而在离子束从束流注入孔11进入腔体1后，由电极组件2的四根电极之间产生的高频电场对该离子束沿射束前进方向进行加速，同时提供垂直于射束方向(即为横向)的聚焦力，用于约束该离子束的横向尺寸，然后从束流引出孔12引出。优选的，可根据实际需求，调整水平支撑杆31和垂直支撑杆32的中心距和结构尺寸，来降低功率损耗。

本发明的交叉杆型射频四极加速器装置由于仅采用射频四极加速器作为离子治疗装置的注入器，省去了以下设备：一台DTL腔体，为DTL匹配三台以上的四极磁铁和一台聚束器，以及上述设备配套的高频功率源、低电平控制和真空系统。从而简化了总体设计，提高了加速器系统的安全性和稳定性，有效降低的制造成本以及运行维护的难度，有利于离子治疗装置以及工业辐照装置的产业化推广。

如上所述，本发明的交叉杆型射频四极加速器装置用于提供质子-铀的全种类的离子束，离子束的能量范围为0.5～3.0MeV/u。也可以为离子治疗装置提供从质子到碳离子的多种离子，覆盖从质子到碳的宽范围的传能线密度(Linear Energy Transfer，LET)和相对生物学效应(Relative Biological Effectiveness，RBE)，多种离子互为补充，为根据病人肿瘤种类和位置的特异性指定更加灵活、科学的多离子治疗计划成为可能，同时保证治疗的精度和效率。该装置还可以提供从氮到铀的多种离子，用于核孔膜等工业辐照领域。

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 (4)

1.一种交叉杆型射频四极加速器装置，其特征在于，所述交叉杆型射频四极加速器装置包括：

腔体；

电极组件，所述电极组件于所述腔体内沿束流射入方向水平布置，包括在束流路径四极方向上呈对称布置的上电极、下电极、左电极以及右电极；

支撑组件，所述支撑组件包括固定在所述腔体内并沿束流射入方向分布的水平支撑杆和垂直支撑杆，所述水平支撑杆和所述垂直支撑杆的中部均形成有供电极组件水平穿过的环孔，所述水平支撑杆的环孔内壁分别与所述上电极和所述下电极连接，所述垂直支撑杆的环孔内壁分别与所述左电极和所述右电极连接；

所述水平支撑杆和所述垂直支撑杆呈异面的十字交叉形结构；

所述水平支撑杆包括水平支撑座和所述水平支撑座中部形成的水平支撑环，所述水平支撑座的一端通过可拆卸连接的方式与所述腔体一侧的腔内壁连接，所述水平支撑座的另一端通过可拆卸连接的方式与所述腔体另一侧的腔内壁连接，所述水平支撑环为水平方向上伸长的环孔结构，且所述水平支撑环的顶内壁通过可拆卸连接的方式与所述上电极相连接，所述水平支撑环的底内壁通过可拆卸连接的方式与所述下电极相连接；

所述垂直支撑杆包括垂直支撑座和所述垂直支撑座中部形成的垂直支撑环，所述垂直支撑座的一端通过可拆卸连接的方式与所述腔体的顶内壁连接，所述垂直支撑座的另一端通过可拆卸连接的方式与所述腔体的底内壁连接，所述垂直支撑环为竖直方向上伸长的环孔结构，且所述垂直支撑环一侧的内壁通过可拆卸连接的方式与所述左电极相连接，所述垂直支撑环另一侧的内壁通过可拆卸连接的方式与所述右电极相连接；

并由依次经所述左电极和所述右电极、所述水平支撑杆、所述腔体的腔壁、所述垂直支撑杆、所述上电极和所述下电极的路径构成谐振回路，使谐振回路的表面电流从左电极和右电极水平流向垂直支撑杆的垂直支撑座，并经腔体的腔壁流向水平支撑杆的水平支撑座，再流向上电极和下电极，左电极和右电极具有相同的电势，上电极和下电极与左电极和右电极具有相反的电势，表面电流都流经表面电阻较低的腔体的腔壁，使得分路阻抗高、功率损耗低。

2.根据权利要求1所述的一种交叉杆型射频四极加速器装置，其特征在于：所述腔体一端的端面上开设有束流注入孔，在所述腔体另一端的端面上开设有束流引出孔，所述束流注入孔和所述束流引出孔共中心轴线设置。

3.根据权利要求1所述的一种交叉杆型射频四极加速器装置，其特征在于：所述支撑组件沿束流射入方向设有若干组，且多个所述水平支撑杆和多个所述垂直支撑杆呈交错分布，使束流射入方向上具有连续的多个谐振回路。

4.根据权利要求3所述的一种交叉杆型射频四极加速器装置，其特征在于：所述交叉杆型射频四极加速器装置用于提供质子-铀的全种类离子束，且该离子束的能量范围为0.5～3.0MeV/u。