CN115802579A - 一种射线产生装置及使用方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射线产生装置及使用方法及应用，属于加速器技术领域，射线产生装置包括微波源、环形器、加速管、粒子源以及脉冲调制器，所述加速管设为多个，多个加速管的结构相同，所述微波源产生不同频率范围的微波，在所述微波加速经所述粒子源发出的粒子束形成射线的过程中，多个加速管的运行温度不同，促使多个加速管的谐振频率范围互不重叠，本发明利用一个微波源分时复用为多个加速管提供不同频率范围的微波，节约建设成本及空间。

Description

一种射线产生装置及使用方法及应用

技术领域

本发明属于加速器技术领域，具体地说涉及一种射线产生装置及使用方法及应用。

背景技术

闪光放疗是一种潜在应用前景的放射治疗方法，其治疗特点是在极短的时间内进行大剂量的照射，X射线(或其他种类射线)的平均剂量和峰值剂量都要满足一定要求才能达到治疗效果。例如在1s内，实现>40Gy X射线累计剂量。可以用常温射频直线加速器、感应加速器、激光等离子体加速器和超导加速器等方案，最常用的是常温射频直线加速器方案。其中一个技术方案是采用多个射频加速器，空间轴向均匀排布然后朝向轴心照射，来实现轴心区域的超高剂量率。但其中一个问题是多个射频加速器就是多套加速器系统，每个加速器系统必须配备单独的微波功率源，成本较高。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种射线产生装置及使用方法及应用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种射线产生装置，包括：

微波源，用于产生微波；

环行器，其包括功率输入端口和至少两个功率输出端口，所述功率输入端口与所述微波源连接；

多个加速管，多个加速管与不同的功率输出端口对应连接，在运行温度相同的情况下，多个加速管的谐振频率范围相同，即多个加速管的结构相同；

以及脉冲调制器，其分别与粒子源、微波源连接，所述粒子源与所述加速管连接，所述脉冲调制器提供所述微波源产生不同频率范围的微波所需的脉冲功率，在所述微波加速经所述粒子源发出的粒子束形成射线的过程中，多个加速管的运行温度不同，促使多个加速管的谐振频率范围互不重叠。

本发明进一步设置为，多个加速管的出束方向不同，所述出束方向为所述加速管产生的射线辐射方向。

本发明进一步设置为，所述功率输出端口设有三个，其中两个功率输出端口与不同的加速管对应连接，剩余一个功率输出端口与微波吸收负载连接。

本发明进一步设置为，所述环形器包括一级环行器和二级环行器，所述一级环行器的功率输出端口设有三个，其中两个功率输出端口与不同的加速管对应连接，剩余一个功率输出端口与二级环行器的功率输入端口连接，所述二级环行器的功率输出端口至少设置为两个，且所述二级环行器的功率输出端口与不同的加速管对应连接。

本发明进一步设置为，所述二级环行器的功率输出端口设置为两个，且二级环行器的两个功率输出端口与不同的加速管对应连接。

本发明进一步设置为，所述二级环行器的功率输出端口设置为三个，且二级环行器的三个功率输出端口与不同的加速管对应连接。

第二方面，本发明提供一种射线产生装置的使用方法，包括如下步骤：

依据当前时间段内射线的目标辐射方向，确定需要工作的加速管，并将该加速管作为目标加速管，改变目标加速管的运行温度；

微波源产生微波，所述微波的频率范围与所述目标加速管改变运行温度后的谐振频率范围匹配，脉冲调制器同步对与所述目标加速管连接的粒子源施加高压脉冲；

微波经环行器传输至所述目标加速管，并加速经所述粒子源发出的粒子束形成射线；

依据下一时间段内射线的目标辐射方向，重新确定需要工作的加速管并改变其运行温度，重复上述步骤，实现微波源分时复用。

本发明进一步设置为，加速管设有多个，且多个加速管的出束方向不同，所述出束方向为所述加速管产生的射线辐射方向，多个加速管中除目标加速管外均作为非目标加速管。

本发明进一步设置为，所述微波的频率范围与所述目标加速管处于改变运行温度下的谐振频率范围匹配，具体为：

加速管的谐振频率范围包括有载出束谐振频率范围以及空载不出束谐振频率范围，随着运行温度的改变，目标加速管的谐振频率范围同步改变；

所述微波的中心频率与有载出束中心谐振频率相等，所述微波的频率范围位于所述目标加速管改变运行温度后的有载出束谐振频率范围内，且所述微波的频率范围位于非目标加速管的空载不出束谐振频率范围之外。

本发明进一步设置为，所述依据当前时间段内射线的目标辐射方向，确定需要工作的加速管，并将该加速管作为目标加速管，改变目标加速管的运行温度，具体为：

初始状态下，多个加速管处于相同的运行温度，依据当前时间段内射线的目标辐射方向，确定需要工作的加速管，并将该加速管作为目标加速管，改变目标加速管的运行温度；

或，初始状态下，多个加速管处于相同的运行温度下，射线产生之前，改变运行温度使多个加速管分别处于不同的运行温度，依据当前时间段内射线的目标辐射方向，确定需要工作的加速管，并将该加速管作为目标加速管。

本发明进一步设置为，在改变目标加速管的运行温度的情况下，目标加速管的有载出束谐振频率范围为

其空载不出束谐振频率范围为

其中，f_bc′表示改变运行温度后有载出束中心谐振频率，Q_bc′表示改变运行温度后有载Q值，f_bcN′表示改变运行温度后空载不出束中心谐振频率，Q_bcN′表示改变运行温度后空载Q值，f_bc′、Q_bc′、f_bcN′、Q_bcN′均可通过网络分析仪测量得到。

本发明进一步设置为，微波经环行器传输至所述目标加速管，具体为：

所述微波经所述环行器的功率输出端口直接传输至所述非目标加速管；

或，所述微波经所述环行器的功率输出端口传输至所述非目标加速管，所述非目标加速管将所述微波反射回所述环行器，所述微波经不同的功率输出端口再次传输，直至传输至所述目标加速管。

第三方面，本发明提供一种射线产生装置在闪光放射治疗中的应用。

本发明的有益效果是：

1、一个微波源分时复用为多个加速管提供不同频率范围的微波，节约建设成本及空间。

2、通过改变微波源输出的微波的频率范围以及目标加速管的运行温度，实现驱动目标加速管的微波传输路径的切换。

3、多个加速管的出束方向不同，所述出束方向为所述加速管产生的射线辐射方向，满足多视角的辐射需求。

4、微波吸收负载能够吸收与其对应的功率输出端口输出的微波，以实现隔离作用，避免微波返回到环行器的功率输入端口。

附图说明

图1是常规的加速器的示意图；

图2是本发明中射线产生装置一种实施方式的示意图；

图3是本发明中射线产生装置另一种实施方式的示意图；

图4是本发明中射线产生装置的使用方法的示意图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，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其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1所示，常规的加速器一般由微波源、环行器、传输波导、加速管、冷却系统和控制系统组成。环行器一般采用四端口环行器，也可以采用采用三端口环行器。如果采用四端口环行器，四端口环行器的第一个端口接微波输入、第二个端口接加速管，第三个端口和第四个端口接微波吸收负载。若采用三端口环行器，第一个端口接微波输入，第二个端口接加速管，第三个端口接微波吸收负载。

加速管是窄带真空微波器件，其出束中心谐振频率f_bc与真空器件的Q值之间的关系为：

其中，Δf_bc表示加速管的带宽。出束时，加速管的Q值一般在5000以上，对于目前2998MHz S波段加速管，对于出束频率的带宽约为600kHz。

以速调管作为微波源为例，说明加速器具体工作过程：

脉冲调制器同时产生驱动速调管、加速管电子枪的高压脉冲和用于控制微波源的同步信号。速调管在高压脉冲功率驱动下，对微波激励源输出的中心频率为f₁、带宽Δf₁的微波信号进行放大，使速调管输出中心频率为f₁、带宽Δf₁的数MW、甚至数十MW的高功率微波，该高功率微波通过环行器进入加速管，加速管电子枪在高压脉冲功率驱动下发出电子束，该电子束进入加速管(此时，加速管处于有载状态)，若加速管在有载状态下的出束中心谐振频率f_bc等于该高功率微波的中心频率f₁，则加速管将电子枪发出的电子束加速到数MeV或者数十MeV。

如图2所示，相对于常规的加速器，本发明提供一种射线产生装置，包括微波源、环行器、多个加速管以及脉冲调制器。

具体的，微波源用于产生微波，优选的，微波激励源与速调管连接以产生微波。环行器包括功率输入端口和至少两个功率输出端口，所述功率输入端口与所述微波源连接。多个加速管与不同的功率输出端口对应连接，在运行温度相同的情况下，多个加速管的谐振频率范围相同，即多个加速管的结构以及参数相同，同时，多个加速管的出束方向不同，所述出束方向为所述加速管产生的射线辐射方向。脉冲调制器分别与粒子源、微波源连接，所述粒子源与所述加速管连接，所述脉冲调制器提供所述微波源产生不同频率范围的微波所需的脉冲功率，在所述微波加速经所述粒子源发出的粒子束形成射线的过程中，多个加速管的运行温度不同，促使多个加速管的谐振频率范围互不重叠。也就是说，在不需要发出射线时，多个加速管处于相同的运行温度，在需要发出射线时，多个加速管处于不同的运行温度。

优选的，所述功率输出端口设有三个，其中两个功率输出端口与不同的加速管对应连接，剩余一个功率输出端口与微波吸收负载连接。

如图3所示，在其他一些实施例中，所述环形器包括一级环行器和二级环行器，所述一级环行器的功率输出端口设有三个，其中两个功率输出端口与不同的加速管对应连接，剩余一个功率输出端口与二级环行器的功率输入端口连接，所述二级环行器的功率输出端口至少设置为两个，且所述二级环行器的功率输出端口与不同的加速管对应连接。

优选的，所述二级环行器的功率输出端口设置为两个，且二级环行器的两个功率输出端口与不同的加速管对应连接。优选的，所述二级环行器的功率输出端口设置为三个，且二级环行器的三个功率输出端口与不同的加速管对应连接。

图2与图3中加速管的数量不同，以速调管作为微波源为例，在带宽一定的前提下，速调管理论上可以驱动的加速管的最大数量可通过以下方式确定：

假定速调管的带宽为Δf_kr，空载状态下加速管的出束中心谐振频率相应的带宽为Δf_bcN，再考虑一定间隔，带宽为Δf_kr的速调管理论上可以驱动的加速管最大数量N与速调管的带宽、空载加速管的带宽存在如下关系：

例如，2998MHz高功率速调管的1dB带宽一般不低于3MHz，空载状态下加速管的Q_bcN值会达到10000以上，空载出束带宽小于0.3MHz，因此，带宽为3MHz的速调管理论上可以驱动约5只2998MHz的加速管。

所述射线产生装置可用于闪光放射治疗，当粒子源为电子枪时，可产生电子束，轰击转换靶产生X射线。在加速管实际运行过程中，微波源产生的微波的中心频率f₁及相应带宽Δf₁满足如下关系：

则大部分的微波将会被加速管吸收。

具体的，在有载情况下，加速管的出束中心谐振频率为f_bc，加速管的有载Q值为Q_bc，在空载情况下，加速管的不出束中心谐振频率f_bcN会比f_bc稍低，但是，空载Q_bcN值比较高，可以达到10000以上。也就是说，所述加速管的谐振频率范围包括有载出束谐振频率范围以及空载不出束谐振频率范围，加速管的有载出束谐振频率范围为

空载不出束谐振频率范围为

若驱动加速管的微波频率范围不在

之内，则大部分微波将会被加速管反射。

第二方面，本发明提供一种射线产生装置的使用方法，包括如下步骤：

S100、依据当前时间段内射线的目标辐射方向，确定需要工作的加速管，并将该加速管作为目标加速管，改变目标加速管的运行温度。

加速管设有多个，且多个加速管的出束方向不同，所述出束方向为所述加速管产生的射线辐射方向，多个加速管中除目标加速管外均作为非目标加速管。

S200、微波源产生微波，所述微波的频率范围与目标加速管改变运行温度后的谐振频率范围匹配，脉冲调制器同步对与所述目标加速管连接的粒子源施加高压脉冲。

具体的，随着运行温度的改变，目标加速管的谐振频率范围同步改变。所述微波的中心频率与有载出束中心谐振频率相等，所述微波的频率范围位于所述目标加速管改变运行温度后的有载出束谐振频率范围内，且所述微波的频率范围位于非目标加速管的空载不出束谐振频率范围之外。

在改变目标加速管的运行温度的情况下，其有载出束谐振频率范围为

其空载不出束谐振频率范围为

其中，f_bc′表示改变运行温度后有载出束中心谐振频率，Q_bc′表示改变运行温度后有载Q值，f_bcN′表示改变运行温度后空载不出束中心谐振频率，Q_bcN′表示改变运行温度后空载Q值。

一般情况下，有载出束中心谐振频率比空载不出束中心谐振频率高10kHz～20kHz，目标加速管的空载不出束中心谐振频率与运行温度变化满足：f_bcN′＝f_bcN-α(T₂-T₁)，其中，α表示目标加速管的温漂系数，f_bcN表示改变运行温度前的空载不出束中心谐振频率，T₁表示改变前的运行温度，T₂表示改变运行温度后的运行温度。

在实际运行中，目标加速管的Q_bc′、Q_bcN′会随着运行温度变化发生改变，因此，可预先设定运行温度，并借助网络分析仪测量得到f_bc′、Q_bc′、f_bcN′、Q_bcN′，具体如下：在运行温度为T₁，用网络分析仪测量得到空载Q_bcN及f_bcN，调节运行温度至T₂，用网络分析仪测量得到空载Q_bcN′及f_bcN′。

S300、微波经环行器传输至所述目标加速管，并加速经所述粒子源发出的粒子束形成射线。

所述微波经环行器传输至所述目标加速管，具体为：

所述微波经所述环行器的功率输出端口直接传输至所述非目标加速管；

或，所述微波经所述环行器的功率输出端口传输至所述非目标加速管，所述非目标加速管将所述微波反射回所述环行器，所述微波经不同的功率输出端口再次传输，直至传输至所述目标加速管。

S400、依据下一时间段内射线的目标辐射方向，重新确定需要工作的加速管，重复上述步骤，实现微波源分时复用。

优选的，初始状态下，各加速管处于相同的运行温度下，根据目标辐射方向确定目标加速管，再调整目标加速管的运行温度，使目标加速管的谐振频率范围与非目标加速管的谐振频率范围互不重叠，此时，非目标加速管的运行温度不改变，脉冲调制器控制微波源产生频率范围与所述目标加速管处于改变运行温度后的谐振频率范围匹配的微波，后续过程中，再调节下一时间段的目标加速管的运行温度，各目标加速管调节后的运行温度可相同。

在其他一些实施例中，初始状态下，各加速管处于相同的运行温度下，射线产生之前，改变运行温度使多个加速管分别处于不同的运行温度，致使多个加速管的谐振频率范围互不重叠，再根据目标辐射方向确定目标加速管，脉冲调制器控制微波源产生频率范围与所述目标加速管处于改变运行温度后的谐振频率范围匹配的微波，下一时间段内，无需再调节下一时间段对应的目标加速管的运行温度。在此种情况下，所述微波源需对应产生不同频率范围的微波。

实施例二：

如图3所示，4个加速管(分别为加速管A、加速管B、加速管C、加速管D)可以输出4个方向90度空间均匀分布的射线，其中，4个加速管的结构及参数相同。调节加速管A的运行温度为10℃，调节加速管A的运行温度为20℃，调节加速管A的运行温度为30℃，调节加速管A的运行温度为40℃。

以2998MHz S波段加速器为例来，说明整个工作过程：

设定开始出束时刻为t₀，在t₀～t₁时刻，微波源输出中心频率为f_A1的微波，经过速调管放大后，送入一级环行器的功率输入端口a，由功率输出端口b输出微波，送入出束中心谐振频率等于f_A1的加速管A，同时，与加速管A连接的粒子源同步被施加高压脉冲，输出粒子束，而与加速管B、加速管C和加速管D连接的粒子源均未施加高压脉冲(处于空载状态)，此时，只有加速管A输出射线。

在t₁～t₂时刻，微波源输出的中心频率为f_B1的微波，经过速调管放大后，送入一级环行器的功率输入端口a，然后通过由功率输出端口b向加速管A传输，由于f_B1不位于加速管A的有载出束谐振频率范围内，且f_B1不位于加速管A的空载不出束谐振频率范围内，因此该微波将全部发射回到一级环行器的功率输出端口b，由一级环行器的功率输出端口c输出，微波被送二级环行器的功率输入端口a′，经二级环行器的功率输出端口b′输出微波到出束中心谐振频率等于f_B1的加速管B，此时，与加速管B连接的粒子源会输出粒子束，而加速管A、加速管C和加速管D处于空载状态，此时，只有加速管B输出射线。

在t₂～t₃时刻，微波源输出的中心频率为f_C1的微波，经过速调管放大后送入一级环行器的功率输入端口a，然后通过由功率输出端口b向加速管A传输，由于f_C1不位于加速管A的有载出束谐振频率范围内，且f_C1不位于加速管A的空载不出束谐振频率范围内，因此该微波将全部发射回到一级环行器的功率输出端口b，由一级环行器的功率输出端口c输出，该微波被送二级环行器的功率输入端口a′，经二级环行器的功率输出端口b′输出到加速管B，由于f_C1不位于加速管B的有载出束谐振频率范围内，且f_C1不位于加速管B的空载不出束谐振频率范围内，因此，该微波将全反射回到二级环行器的功率输出端口b′，然后通过二级环行器的功率输出端口c′输出到出束中心谐振频率等于f_C1的加速管C，此时，与加速管C连接的粒子源会输出粒子束，而加速管A、加速管B和加速管D处于空载状态，此时，只有加速管C输出射线。

在t₃～t₄时刻，微波源输出的中心频率为f_D1的微波，经过速调管放大后，该微波将经过如下路径：一级环行器的功率输出端口b->加速管A->一级环行器的功率输出端口b->一级环行器的功率输出端口c->二级环行器的功率输入端口a′->二级环行器的功率输出端口b′->加速管B->二级环行器的功率输出端口b′->二级环行器的功率输出端口c′->加速管C->二级环行器的功率输出端口c′->二级环行器的功率输出端口d′->出束中心频率等于f_D1的加速管D，此时，与加速管D连接的粒子源会输出粒子束，而加速管A、加速管B和加速管C处于空载状态，此时，只有加速管D输出射线。

此外，当微波源输出的微波中心频率都不在各个加速管的谐振频率范围内时，微波会被传输至一级环行器的功率输出端口d，被微波吸收负载吸收。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种射线产生装置，包括微波源、加速管、粒子源以及脉冲调制器，所述脉冲调制器分别与粒子源、微波源连接，所述粒子源与所述加速管连接，其特征在于，还包括环形器，所述加速管设为多个，多个加速管分别与所述环形器的不同功率输出端口对应连接，多个加速管的结构相同；

所述微波源产生不同频率范围的微波，在微波加速粒子源发出的粒子束形成射线的过程中，多个加速管的运行温度不同，促使多个加速管的谐振频率范围互不重叠。

2.根据权利要求1所述的一种射线产生装置，其特征在于，多个加速管的出束方向不同，所述出束方向为所述加速管产生的射线辐射方向。

3.根据权利要求1或2所述的一种射线产生装置，其特征在于，所述功率输出端口设有三个，其中两个功率输出端口与不同的加速管对应连接，剩余一个功率输出端口与微波吸收负载连接。

4.根据权利要求3所述的一种射线产生装置，其特征在于，所述环形器包括一级环行器和二级环行器，所述一级环行器的功率输出端口设有三个，其中两个功率输出端口与不同的加速管对应连接，剩余一个功率输出端口与二级环行器的功率输入端口连接，所述二级环行器的功率输出端口至少设置为两个，且所述二级环行器的功率输出端口与不同的加速管对应连接。

5.一种采用如权利要求1-4任一所述的射线产生装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

依据当前时间段内射线的目标辐射方向，确定需要工作的加速管，并将该加速管作为目标加速管，改变目标加速管的运行温度；

微波源产生微波，所述微波的频率范围与目标加速管改变运行温度后的谐振频率范围匹配，脉冲调制器同步对与所述目标加速管连接的粒子源施加高压脉冲；

微波经环行器传输至所述目标加速管，并加速经所述粒子源发出的粒子束形成射线；

依据下一时间段内射线的目标辐射方向，重新确定需要工作的加速管并改变其运行温度，重复上述步骤，实现微波源分时复用。

6.根据权利要求5所述的一种射线产生装置的使用方法，其特征在于，加速管设有多个，且多个加速管的出束方向不同，所述出束方向为所述加速管产生的射线辐射方向，多个加速管中除目标加速管外均作为非目标加速管。

7.根据权利要求5或6所述的一种射线产生装置的使用方法，其特征在于，所述微波的频率范围与所述目标加速管处于改变运行温度下的谐振频率范围匹配，具体为：

加速管的谐振频率范围包括有载出束谐振频率范围以及空载不出束谐振频率范围，随着运行温度的改变，目标加速管的谐振频率范围同步改变；

所述微波的中心频率与有载出束中心谐振频率相等，所述微波的频率范围位于所述目标加速管改变运行温度后的有载出束谐振频率范围内，且所述微波的频率范围位于非目标加速管的空载不出束谐振频率范围之外。

8.根据权利要求7所述的一种射线产生装置的使用方法，其特征在于，在改变目标加速管的运行温度的情况下，目标加速管的有载出束谐振频率范围为

其空载不出束谐振频率范围为

其中，f_bc′表示改变运行温度后有载出束中心谐振频率，Q_bc′表示改变运行温度后有载Q值，f_bcN′表示改变运行温度后空载不出束中心谐振频率，Q_bcN′表示改变运行温度后空载Q值，f_bc′、Q_bc′、f_bcN′、Q_bcN′均可通过网络分析仪测量得到。

9.根据权利要求5所述的一种射线产生装置的使用方法，其特征在于，所述微波经环行器传输至所述目标加速管，具体为：

所述微波经所述环行器的功率输出端口直接传输至所述非目标加速管；

或，所述微波经所述环行器的功率输出端口传输至所述非目标加速管，所述非目标加速管将所述微波反射回所述环行器，所述微波经不同的功率输出端口再次传输，直至传输至所述目标加速管。

10.一种采用如权利要求1-4任一所述的射线产生装置在闪光放射治疗中的应用。

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