CN116018723A - 用于粒子加速器的波导 - Google Patents

Abstract

本文公开了具有螺旋腔的波导单元。该波导单元具有中心轴线和具有横截面的腔，该横截面的绕中心轴线的旋转位置沿着中心轴线变化。还公开了确定波导单元形状的方法。

Description

用于粒子加速器的波导

技术领域

本公开涉及波导，特别是用于粒子加速器的波导，本公开涉及设计波导的方法，以及涉及包括波导的粒子加速器。本公开还涉及用于波导的波导单元。

背景技术

粒子加速器用于将带电粒子加速至高速。

线性加速器(特别是用于医疗用途的线性加速器)将带电粒子(例如电子)沿着加速路径通过波导加速到相对速度。波导具有沿加速路径设置的多个谐振腔。将射频(RF)电磁波(在本文中描述为RF能量，其是指电磁波中的能量)施加到波导，该波导在每个腔中提供振荡电场。该场加速电子。

施加到波导的RF能量用于沿加速路径来加速电子。一些因素限制了可施加到波导的RF能量的量。例如，存在发生故障的点。

发明内容

在所附权利要求中描述了本发明的各个方面和特征。

根据第一方面，提供了螺旋波导单元。螺旋波导由螺旋波导单元组成，螺旋波导单元包括螺旋腔。波导由谐振腔组成，每个谐振腔也可以被称为波导单元。提供了包括螺旋腔的波导，以及包括螺旋腔的波导单元。

可选地，波导单元还包括中心轴线和具有横向截面的腔，该横向截面的绕轴线的旋转位置沿着轴线变化。横向截面是非圆形的。给定横向截面形状不沿单元的长度变化，但横向截面形状的旋转位置沿单元的长度变化，则横向截面可以被称为固定的横向截面。波导单元的横向截面沿着单元的长度是恒定的形状，只有它的旋转位置沿着单元的长度变化。本发明的螺旋波导单元的每个横向截面彼此旋转对称。螺旋波导单元的中心轴线是电子沿其行进的加速轴线，并且可以由z轴来标记。波导单元的长度是一个单元沿加速轴线的距离。该横向截面用于在与被标记为x/y平面的中心轴线正交的平面中限定横向截面(如果z被定义为中心轴线)。该腔可以包括非圆形的横向截面，该横向截面绕中心轴线沿着该轴线螺旋地旋转。该腔可以被称为螺旋腔。

可选地，波导单元还包括其沿单元长度连续螺旋旋转的横向截面。横向截面形状的旋转位置沿着单元的长度变化，旋转位置的变化是连续的。沿着单元的纵向长度(在z方向上)的每个单元的运动对应于单元的横向截面围绕中心轴线的旋转。旋转率(每长度的旋转量)可以是恒定的，也可以不是恒定的。可选地，旋转率是固定的/恒定的。

可选地，横向截面沿单元的长度螺旋地旋转180度。也就是说，横向截面的旋转位置沿单元的长度变化180度。横向截面的总体扭转角为180度。

可选地，横向截面沿单元的长度以固定的旋转率旋转。沿着单元长度的固定旋转率可以被称为扭转率，可以以rad/m或度/m为单位来限定扭转率。

可选地，扭转率为π/L，其中L为一个腔的长度。沿着单元长度的π/L的恒定扭转率导致横向截面沿着单元长度旋转180度。

一个腔的长度L保持恒定，因为其在传统腔与螺旋腔对应物之间转换之间是固定的。单元的长度L是周期长度，并且长度L可以重复多次，以形成包括一系列单元的波导。波导单元的长度是一个单元或腔沿加速轴的距离。

可选地，波导单元还包括在第一平面中的纵向截面和在第二平面中的纵向截面，所述纵向截面与第一平面成一定角度，两个纵向截面相对于彼此是异相的相同形状。

可选地，波导单元还包括在第一角度的纵向截面和在与第一角度正交的第二角度的波导单元的纵向截面，两个纵向截面彼此异相180度。换句话说，在第一平面和与第一平面正交的第二平面中的纵向截面是平移半周期的相同形状。纵向截面可以在包含中心轴线(z轴)的任何平面内。也就是说，纵向截面可以是y/z平面或x/z平面，但也可以是绕z轴以任何角度截取的其它平面。x/z平面等同于绕z轴以0度或180度角截取的平面。y/z平面等同于围绕z轴以90度或270度角截取的平面。在绕z轴的第一角度处的纵向截面是指在第一角度处从3D腔/波导单元取得2D平面。这可以被称为在第一平面中的纵向截面。在绕z轴的第二角度处的纵向截面是指在第二角度处从3D腔/波导单元取得2D平面。这可以被称为第二平面中的纵轴。这两个角度的两个横向截面限定了相同周期结构的不同单元，单元相对于其它单元偏移一个半周期，因此彼此异相180度。因此，两个横向截面单位单元具有包含在它们所限定的形状内的恒定面积以及相同的周期长度L。

可选地，螺旋腔具有通过已知技术生产的已知的(非螺旋)腔对应物。螺旋腔是根据已知的对应腔的形状得到的。螺旋腔的横向截面是对应已知腔的笛卡尔纵向截面的极坐标转换。类似地，螺旋波导具有已知的(非螺旋)波导。在一些平面中，螺旋波导(单元)的纵向截面具有对应波导(单元)的纵向截面的形状。

可选地，波导单元还包括从具有膜片和赤道的2D形状导出的固定的非圆形横向截面，并且其中在第一角度观察到的单元的纵向截面是膜片到膜片的单位单元，并且在与第一角度正交的第二角度观察到的是赤道到赤道的单位单元。赤道到赤道单位单元开始于腔的宽点(赤道)，然后在最窄点(膜片)变窄，然后在宽点(赤道)结束。腔单位单元也可以被定义为从窄点(膜片)开始，然后加宽到最宽部分(赤道)，然后在窄点(膜片)结束的膜片到膜片。赤道到赤道单元和膜片到膜片单元彼此异相180度。

可选地，波导单元还包括沿着单元的长度螺旋旋转180度的非圆形横向截面。螺旋旋转是指在笛卡尔坐标系的z轴上以一定的扭转率向后挤压(extrude back)极性2D截面。扭转率可以是L/π。在长度L上，二维极化形状被连续地扭转180度以生成3D形状。二维极性横向截面沿着轴线的长度以连续的方式绕z轴线逐渐旋转，以“扫描出”腔的形状。二维极化横向截面是波导单元的横向截面。扭转率π/L是沿着单元L的长度的固定旋转率，可以以rad/m或度/m为单位定义扭转率。单元的长度L是周期长度，并且长度L可以重复多次，以形成包括一系列单元的波导。

根据一个方面，提供了包括一系列单元的波导。波导可以包括螺旋谐振腔，每个谐振腔也可以被称为波导单元。

可选地，波导还包括在第一平面中的与周期性结构成第一角度的纵向截面，并且其中在与第一平面正交的第二平面中的纵向截面具有相对于第一平面异相180度的周期性结构。在两个角度处的两个横向截面限定了相同周期结构的不同边界，所述横向截面相对于另一偏移了半个周期，因此彼此异相180度。

根据一个方面，提供了确定波导单元的3D形状的方法，该方法包括：识别笛卡尔2D截面；沿着所述单元的长度绕中心轴线螺旋旋转横向截面以生成3D形状；输出所述3D形状。所述笛卡尔2D截面包括赤道和膜片。笛卡尔2D截面是腔的纵向截面，例如使用已知技术制造的标准腔的截面。该形状可以取自或从已知腔形状的表中得到。所生成的3D形状可以被认为是“螺旋腔”，因为3D形状限定了谐振腔，并且是通过绕z轴的螺旋旋转而产生的。

可选地，波导单元具有长度L，并且识别2D截面包括：在笛卡尔坐标中识别单元的笛卡尔2D截面；以及通过将所述2D笛卡尔截面转换为极坐标在极坐标中生成极性2D截面，θ方向定义为0至L/2π之间；并且其中，沿着单元的长度绕中心轴线螺旋地旋转极坐标2D截面以生成3D形状包括：以π/L的扭转率在笛卡尔坐标系的z轴上向后挤压2D极坐标形状。单元的周期长度L是固定的，并且纵向截面的几何形状在r和θ平面中从笛卡尔坐标转换为圆柱坐标系。

可选地，识别2D截面包括：识别单元的周期性笛卡尔2D截面，其中所述周期性笛卡尔2D截面限定周期性函数f(z)；并且其中沿着所述单元的长度绕所述中心轴线螺旋地旋转所述横截面以生成3D形状包括：在螺旋坐标系中将所述周期函数f(z)变换为的新函数F(θ)，根据扭转率π/L转换所述z值，并且θ值在0至L/2π的范围内。通过将笛卡尔坐标系映射到螺旋坐标系上来实现螺旋旋转。周期函数f(z)表示沿加速度轴(中心轴线)，即z方向的常规腔形状。函数f(z)在沿z轴的腔/单元长度L方面是周期性的。函数f(z)可以限定跨越多个单元的常规纵向截面。在螺旋坐标系中将笛卡尔函数f(z)变换为新的函数F(θ)，根据扭转率π/L转换z值，因此θ值在0至L/2π的范围内。θ值由f(z)函数的值定义，因为这些值在F(θ)框架中被转换。

可选地，该方法还包括包含赤道和膜片的单元的笛卡尔2D截面，并且其中从第一角度观察的单元的纵向截面是膜片到膜片单位单元，并且从与第一角度正交的第二角度观察的单元的纵向截面是赤道到赤道单位单元。赤道到赤道单元和膜片到膜片单元彼此异相180度。

可选地，该方法还包括使用麦克斯韦求解计算软件来模拟在将射频能量施加到包括具有3D形状的单元的波导时所产生的电场。射频(RF)电磁波可以被描述为RF能量，其是指电磁波中的能量。射频能量可以被模拟到波导中，以在每个腔中提供振荡电场。

可选地，该方法还包括识别最大场。该最大磁场可以是最大电场、磁场或这两者。可以为腔的表面找到最大场。

可选地，该方法还包括模拟在将射频能量施加到波导时产生的电场，该波导包括具有绕中心轴线扫描出的2D笛卡尔横截面的形状的腔；在模拟中识别最大表面场；将所述最大表面场与所述第一最大场进行比较；利用计算软件求解麦克斯韦等式。具有围绕中心轴线扫描出的2D笛卡尔横截面的形状的腔是根据已知技术的腔，其中不存在螺旋旋转。将最大表面场与第一最大场进行比较包括将利用已知技术产生的腔的最大场与其螺旋状对应物进行比较。

可选地，该方法还包括笛卡尔2D截面，该截面是已知腔形状的纵向截面，并且其中该已知腔形状包括以下形状之一：丸盒形状、椭圆形形状，Ichiro形状或Tesla形状。本领域中已知的标准波导可以包括标准腔形状，例如丸盒形状、椭圆形形状、Ichiro形状或Tesla形状。

可选地，该方法还包括制造具有3D形状的波导。波导可以包括螺旋谐振腔，每个谐振腔也可以被称为波导单元。

根据一个方面，提供了确定具有长度L的3D波导单元的形状的方法，包括：识别单元的周期性笛卡尔2D截面，其中所述周期性笛卡尔2D截面定义了周期性函数f(z)；在螺旋坐标系中将周期函数f(z)变换为新的函数F(θ)，其中通过扭转率π/L变换z值，θ值在0到L/2π的范围内；以及输出形状。

根据一个方面，提供了通过另一方面的方法制造的波导。

根据一个方面，提供了在本申请的图6至图9中的任何一者中所示的波导单元。

根据一个方面，提供了包括上述波导的粒子加速器。根据一个方面，提供了包括上述波导的线性加速器。根据一个方面，提供了放射治疗设备，该放射治疗设备包括具有上述波导的线性加速器。

根据一个方面，提供了波导单元，该波导单元具有中心轴线和具有横截面的腔，所述横截面的绕中心轴线的旋转位置沿着中心轴线变化。

附图说明

下面仅通过示例的方式并参考附图来描述具体实施例，其中：

图1示出了用于在放射治疗中使用的线性加速器；

图2示出了用于粒子加速器的波导的一部分；

图3示出了波导腔形状的常规产生；

图4a和图4b示出了通过将RF能量施加到已知波导而形成的场图；

图5示出了根据本公开的确定波导形状的方法；

图6示出了根据本发明的螺旋腔；

图7示出了通过将RF能量模拟地施加到本公开的螺旋腔而形成的场图；

图8示出了根据本公开的多个腔；和

图9示出了制造根据本公开的包括螺旋腔的波导。

具体实施方式

本发明提供被称为“螺旋单元”或“螺旋腔”的波导单元形状，以及提供用于产生源自本领域已知腔形状的螺旋单元的方法。螺旋腔是谐振腔，该腔的螺旋形状是通过挤压z轴中的2D截面的连续旋转而产生的，其中旋转率可以被认为是恒定的扭转率(rad/m)，并且其中2D截面是根据已知的腔形状得到的。本发明的螺旋波导具有场抵消特性。当将螺旋腔与其已知的腔对应物进行比较时，螺旋腔可减小表面场，减小膜片处的表面场，防止腔表面处的RF击穿，并改善束产生的加速梯度。

图1

在放射治疗中，将辐射传递至患者以破坏不健康的组织和细胞，例如癌性肿瘤。创建治疗计划以确定要施加到患者的放射量(剂量)。出于多种原因，希望在尽可能短的时间内将所需的辐射传递给患者。更快的辐射治疗将减少总体治疗时间，从而对患者减少不适和不便。这还将增加每天可治疗的患者的数量。

减少治疗时间的一种方式是增加剂量率(每秒施加的辐射量)。希望减少患者的治疗时间，以便使患者的体验尽可能舒适。另外，患者可能在治疗期间移动，并且这种移动将带来问题并且在治疗期间是困难的。减少治疗时间也可以使患者的移动对治疗的影响最小化。

在图1中示出了线性加速器的高级概览。线性加速器110包括电子源112、波导114和靶116。电子从电子枪发射并沿着与波导的中心轴线一致的加速路径118通过波导被加速。使用磁体使电子束弯曲并撞击靶116，以产生x射线束120。x射线束120用于治疗患者。

射频波源122(例如磁控管)产生射频(RF)波。射频波源被耦合到波导，并且被配置成将射频波脉冲到波导中。

电子源112可以是电子枪。电子源被配置成将电子射入到波导114中。波导114包括多个互连的加速腔(未示出)，其中加速腔形成电子束从中穿过的通道。将电子射入波导114与将射频波泵入波导114是同步的。

射频波源122、电子源112和波导114的设计和操作是这样的：当电子沿加速路径118通过波导114传播时，射频波将电子加速到非常高的能量。波导被设计成产生适当的电场图，该电场图使通过波导114传播的电子加速。

图1中描述了在放射治疗设备中使用的波导和线性加速器。然而，本公开中的波导可以在除放射治疗设备之外的系统的粒子加速器中使用。本公开不仅仅限于用于放射治疗设备的粒子加速器的波导。

图2中示出了在粒子加速器中使用的波导。这是沿着波导的纵轴的横截面图，或“纵向截面”。该波导可以用于如图1所示的线性加速器，但是也可以用于其它加速器(例如，诸如回旋加速器或同步加速器的弯曲加速器)。下面的示例和讨论涉及电子的加速，但是波导可以用于任何带电粒子的加速，因此可以用于任何带电粒子的加速。例如，可以使用本文描述的技术来加速质子、正电子和离子。

图2已知波导的简要描述

图2示出了已知波导的一部分。波导是周期性结构，所述波导包括波导单元，所述单元具有腔。换句话说，波导由谐振腔组成，每个谐振腔也可以被称为波导单元。示出了一系列连接腔中的两个腔210。每个腔通过膜片(iris)214沿着中心轴线212连接。尽管典型的波导将具有更多的腔，然而在图2中仅示出了两个完整的腔。确切的数量将根据加速器的设计标准而变化。以导电材料(通常为铜)的环绕外壳内的凹槽的形式限定每个腔。中心轴线在本文可以称为加速轴线、中心轴线或z轴。

在下面的描述中，术语“纵向截面”用于限定在穿过中心轴线的任何平面中的截面。“横向截面”用于限定在垂直于中心轴线的平面中的截面。物体的纵向中心是沿着物体的纵向轴线的一半。例如，腔的纵向中心是沿着该腔的中心轴线的一半平面。纵向中心也可以称为腔的赤道。在下面的描述中，z轴被定义为中间轴线或中心轴线。因此，纵向截面可以被描述为y/z平面或x/z平面。纵向截面是在包含中心轴线(z轴)的平面内截取的。该横截面由x/y平面描述，是与z轴正交的平面。

纵向截面可以在包含中心轴线(z轴)的任何平面内。也就是说，纵向截面可以是y/z平面或x/z平面，但也可以是围绕z轴以任何角度截取的其它平面。x/z平面等同于围绕z轴以0度或180度角截取的平面。例如，其可以是从“侧面”观察所截取的纵向截面。y/z平面等同于围绕z轴以90度或270度角截取的平面。例如，其可以是从波导上方或下方观察所截取的纵向截面。

每个腔210具有连接到序列中的前一腔的膜片214，以及具有连接到序列中的下一单元的膜片214。膜片和光腔以中心轴线为中心。在使用中，中心轴线限定电子加速路径，当电子被加速通过波导时，电子沿着该路径行进。总体上，腔和膜片围绕中心轴线轴对称，形成圆形环面，即通过围绕轴线扫描二维形状而形成的三维形状。在一些波导中，在膜片的每一端上形成“鼻锥部”，其沿着中心轴线加长膜片以突出到腔中。然而，如图2所示的一些波导不包括鼻锥部。

通过在接合部分将导电材料各个段焊接在一起来制造所述腔。各个段的连接部分通常在腔的“赤道”中，赤道是腔的纵向中心。赤道通常是腔的最宽点，其中宽度是指y轴。另外，赤道处的平面是对称平面。每个腔210由在中心赤道处邻接的两个独立段构成。每个段具有两个赤道218，它们限定了段的最左边和最右边。在图2中以阴影部分示出了一个段。相邻的段建立一个单元，重复该单元以形成波导。阴影段是赤道到赤道单元或宽-窄-宽(wide-narrow-wide，WNW)结构的示例。WNW形状在宽点处开始(赤道218)，然后在膜片214处变窄，然后在宽点处结束(赤道218)。腔单元也可以被定义为膜片到膜片或窄-宽-窄(narrow-wide-narrow，NWN)结构。NWN腔形状从窄点(膜片)处开始，然后加宽到赤道，然后在窄点(膜片)处结束。通常，腔被描述为具有两个膜片。一些腔是使用在波导中的其它地方具有连接部分的段来制造的。

波导是周期性结构，所述波导包括波导单元，所述单元具有腔。单元是指具有导电材料的腔的波导段，即具有腔的波导的部分。波导的结构随着沿其长度的特定频率或周期性而变化，例如，波导的宽度沿其长度在膜片特征和赤道特征之间变化，因此，可以在沿波导长度的特定点处定义该结构变化频率或周期性的特定相位。可以认为腔的膜片到膜片和赤道到赤道单位单元是彼此完美异相的。膜片到膜片和赤道到赤道单元限定了两个分开的起始点，从该起始点限定了腔形状。该单元可以被描述为周期性结构。赤道在膜片之间的一半处，并且以这种方式，膜片到膜片和赤道到赤道单位单元相对于另一个单元偏移半个周期。就形式之间的周期性差异而言，可以将膜片到膜片和赤道到赤道视为彼此异相(out ofphase)180度。因此，膜片到膜片和赤道到赤道单位单元具有包含在它们所定义的形状内的恒定面积以及相同的周期长度L。存在无限数量的可用于描述相同腔形状的替代性单位单元，每个单位单元使用沿着形状的不同起始点。膜片到膜片和赤道到赤道单位单元是被最经常使用的单位单元，并在本文被提及。

可以模拟通过将射频波施加到波导的模型而随时间变化的引入到波导中的电磁场。反过来，这可以用于模拟电磁场对在波导的一端射入的电子或多个电子的影响。也可以确定电子沿着加速路径的加速度；在波导远端(与电子枪相对的一端)的电子的速度、以及当一些电子从加速路径侧向偏转时，到达波导远端的电子的比例。在医学应用中，该信息可用于确定由波导产生的辐射的剂量。电磁场模拟通常由数值方法确定，例如，由能够求解麦克斯韦等式的数值计算软件确定。

图3-如何确定已知波导形状的简要描述

图3示出了常规生成的根据已知技术的具有“丸盒(pill box)”腔形状的波导。尽管图3示出了丸盒形状，但是该方法同样适用于任何已知的标准腔形状。波导包括重复的膜片到膜片单元314。首先，确定腔单元的纵向轮廓310，该纵向轮廓是可用于限定波导形状的二维形状。纵向轮廓在与中心(加速度)轴线相交的平面内；例如x/z平面或y/z平面。二维形状是由加速轴线限定的腔的轮廓。也就是说，加速轴线形成二维形状的最外下边缘。

在图3的示例中，纵向轮廓310限定了用于赤道到赤道单元的常规丸盒腔。如本领域技术人员将理解的，还有许多已知的具有相应纵向轮廓的腔形状。然后绕z轴扫描二维纵向轮廓310以形成中空的三维形状312，其表示被定义为赤道到赤道单元的三维腔。因此，三维形状312关于中心轴线(z轴)轴对称或旋转对称。对于通过x/y平面截取的波导的任何截面，内部波导腔的径向最外表面将形成圆。

赤道到赤道形式312的三维腔可以被制造成一个段(例如图2中的阴影段)和一系列对齐的段，以产生一系列的膜片到膜片腔。赤道到赤道形式312的三维单元可以被处理成其膜片到膜片形式314。也可以通过使用针对膜片到膜片形式的腔所限定的二维纵向轮廓来找到膜片到膜片形式314的三维腔。可以相邻地重复赤道到赤道312或膜片到膜片形式314中的三维形状，以形成波导形状。图3中示出了赤道324和膜片322。

在波导或三维形状312，314的任何横向截面中，通过x/y平面截取，内部波导腔的径向最外表面将形成圆。在任何一个点处由腔和膜片在其宽度上形成的通道的截面是圆形的或由多个圆形成。波导是圆环形的。应当理解，如图2和图3所示的已知波导具有关于中心轴线(z轴)的无限旋转对称级。为了帮助理解，应当注意，也具有无限旋转对称级的最容易的想象的形状是圆。关于一个点具有无限旋转对称级的任何形状都包括一个圆或多个其中心位于该点上的圆。

轴对称在腔的纵向截面中也是明显的。无论平面的角度如何，在包含中心轴线的任何平面中的纵向截面都是相同的。也就是说，腔的纵向截面在围绕中心轴线旋转时不改变。y/z平面中的纵向截面与x/z平面中的纵向截面相同并且与它们之间的任何平面中的纵向截面相同。

如果在围绕z轴的第一角度的纵向截面处观察三维形状314，标称围绕z轴的0度旋转，则获得膜片到膜片单元RF单元(316)。如果在围绕z轴的第二角度(与第一角度正交的第二角度，相对于z轴旋转90度)处观察具有纵向截面的三维形状，则获得膜片到膜片单元RF单元(318)。以第一角度和第二角度的横截面是相同的。实际上，在相对于z轴的任何角度所取的纵向截面是相同的。等效地，如果在中心点(即，在y＝0)处穿过x/z平面截取穿过三维形状314的截面，则产生横截面316。如果在中心点(即x＝0)处穿过y/z平面截取穿过三维形状314的横截面，则产生横截面318。由于关于中心轴线(z轴)的对称性，通过y/z平面和x/z平面的两个截面是相同的。因此，存在围绕z轴的旋转对称。

截面316，318类似于图2所示的腔截面。图2表示传统的“丸盒”型腔形状，图3也表示传统的丸盒型腔形状。为截面316和318标记赤道324和膜片322。

仿真与击穿

为了进行模拟，通常使用软件，其中将波导的二维测量值输入到软件中，即将腔单位单元(例如310)的纵向轮廓输入到软件中，以创建用于完整3D模型的2D轴对称框架。基于波导的全3D模型，模拟了射频波对波导施加所产生的随时间变化的电场。然后可以基于波导的这种模型建立波导。可替代地，上述过程可用于通过输入现有波导的尺寸来建模该波导的电场。通常，这些仿真总是只考虑二维来执行的。传统上，波导和波导内的腔/膜片最初被制造成轴对称的(通过围绕中心轴线扫描二维形状来形成)。

当RF能量施加到波导时，在波导中产生电场；在波导的材料中和在腔中。电场在波导内是不均匀的。在腔的表面上形成表面电场。具有高表面电场的区域更可能引起电击穿。

击穿是由大的表面电场和磁场的组合引起的，并且是一种复杂的现象，该现象取决于除了驱动场之外的许多条件因素。这些因素包括场发射、多步操作、气体击穿和表面加热。在击穿期间，到达靶的电子数通常减少。在一些情况下，到达靶的电子数是零。可以通过经验导出的公式(例如针对传导加速结构的Kilpatrick击穿极限)在某种程度上预测是否发生RF击穿：

其中E_Smax是最大表面场(MV/m)并且f是RF波的频率(GHz)。如果表面场大于Kilpatrick击穿极限，则在该位置存在高概率的RF击穿。Kilpatrick极限提供了预估，因为RF击穿的机制取决于许多条件因素。

因此，用于放射治疗的波导被设计用于稳定性以避免击穿，这是在加速结构内尽可能高的场以提供以下任一项的折衷：

1.高剂量率(根据过束负载，能量从RF场到束本身的传递，通过使更多的输入束电流进入导向器(从粒子源)并升高RF场，以将附加粒子加速到相同的能量并因此增加最终剂量率)

2.高能量(根据束负载，能量从RF场到束本身的传递，通过具有更多的场来增加由粒子看到的加速场的总梯度，并将它们加速到更高的最终能量)。

因此，对于上述任一种情况，希望在发生击穿之前增加可以施加到单元的RF能量。

图4a和图4b示出了当RF能量施加到已知的轴对称波导(例如图2的波导)时在腔中产生的电场强度的场图。在1.3GHz下计算模拟的输入RF频率。

图4a示出了波导腔的纵向截面(沿z轴截取的横截面)，图4b示出了整个腔的透视图。腔的形状是传统的“Ichiro”形状。

强度被示为灰度色图，其中最强(即最高密度)电场是黑色的，最弱(即最低密度)场是白色的，以及它们之间的场强度以灰度示出。最高场(以黑色示出)在膜片的表面上和在鼻锥体上，如附图标记410所示。沿着加速路径在腔的中心也存在高场。最低的场(以白色示出)穿过沿加速路径的膜片的中心，并且在围绕中心平面的腔的径向边缘处，由附图标记412表示。

峰值表面场(即该最高电场)的点在膜片的表面上。这也是最靠近加速路径的腔表面的点。高场意味着在该位置可能发生击穿。

本公开提供了具有减少的击穿可能性的波导和制造波导的方法。

在本公开中，提供螺旋腔以减小表面场并防止RF击穿。包括具有螺旋形状腔的波导可以减小最大表面场。下面提供了用于确定波导腔的螺旋形状的示例性方法。

如上所解释的，使用二维笛卡尔(Cartesian)坐标系(纵向轮廓)的形状并围绕中心轴线(圆柱坐标系中的z轴)扫描二维形状来生成典型的腔。这创建了轴对称波导，并在图3中示出。根据本公开，通过重新考虑围绕中心轴线扫描的二维形状以及如何进行围绕中心轴线的二维形状的扫描来生成新的腔形状。

现在参考图5，图5描述了根据本公开的方法。还参考图6，图6描述了本发明的螺旋腔。

图5-创建螺旋腔的方法

在第一步骤中，识别围绕中心轴线螺旋旋转的波导的横向截面的形状。在步骤510至步骤520中给出了这样的方法。

该方法开始于步骤510。在步骤510，识别笛卡尔坐标中的单元的二维形状。笛卡尔二维截面包括赤道和膜片。该形状是腔的纵向截面，例如使用已知技术形成的标准腔的截面。该形状可以取自或从已知腔形状的表中推导出。在图8中描述了九种已知的腔形状。该形状可以是用于进行变换的传统波导的已知形状。

例如，该形状是已知标准波导的周期结构的二维截面，类似于从图2或图3中的316，318所看到的。以膜片到膜片形式的每个腔具有周期性长度L(对于重复的加速结构)、两个膜片和赤道。

二维笛卡尔形状可以是已知膜片到膜片腔的纵向截面。同样，二维笛卡尔形状可以是包括两个赤道和一个膜片的已知的赤道到赤道腔的纵向截面。图5的方法中可以使用任一单元，因为对于膜片到膜片单元和赤道到赤道单元，腔形状都是等效的。

图6示出了以膜片到膜片形式的丸盒腔波导316的纵向截面。图6示出了在步骤510选择的膜片到膜片纵向截面。该形状与沿z轴反射的纵向轮廓310相同。然而描述的形状是波导腔的周期性结构的二维纵向截面。与图3类似，在图6上标记了膜片322和赤道324。

在步骤520，将步骤510的笛卡尔二维截面转换为极坐标(r，θ)，方向θ被定义为0至L/2π之间，以生成极截面。单元的周期长度L(最终波导单元的长度)是固定的，并且纵向截面的几何形状在r和θ平面中从笛卡尔坐标转换为圆柱坐标系。然后就这种几何形状而言，将方向θ定义为在0和L/2π之间。可以针对任何已知腔形状的笛卡尔二维截面执行Step520。在步骤520将笛卡尔二维截面转换为极坐标相当于将形状映射到r和θ平面上。可以在极坐标图上看到r和θ平面。转化极坐标遵循正常等式：

θ＝tan-1(y/x)  [3]

生成所得的二维形状，即极坐标中的极坐标的二维截面。z轴(即中心轴线)位于二维极形状的中间。极性二维截面没有z分量。该形状具有围绕z轴的2阶旋转对称性。

对于如图6所示的丸盒腔形状316，二维纵向截面316经由等式[2]和等式[3]被转换成极坐标(并且在极坐标图上绘制)，以形成极二维截面610。其根据图5的步骤520。z轴(即中心轴线670)在极性二维截面610的中间。极性二维截面没有z分量。该形状具有围绕z轴的2阶旋转对称性。

在步骤530，将步骤520的二维极性截面沿着单元的长度绕中心轴线螺旋地旋转，以生成中空的3D形状。在笛卡尔坐标系的z轴上以π/L的扭转率将极性二维截面挤出。在长度L上，二维极性形状被连续地扭转总共180度，以生成3D形状。扭转率π/L是沿着单元的长度L的固定旋转率，可以以rad/m或度/m为单位来定义扭转率。在其它实现方式中，可以设想不同的扭转率，然而，π/L的扭转率提供了场抵消。

沿着轴线的长度围绕z轴线以连续的方式逐渐旋转二维极性截面，以“扫描出(sweep out)”腔的形状。这意味着绕轴线的形状的“螺旋旋转”。在长度L上的180度旋转导致腔的三维形状。螺旋旋转是沿着长度L(常数)的，但是也可以通过作为连续函数或阶段函数的变化来实现。由于腔的横截面(二维极形状)具有绕中心轴线的旋转对称的两度级，形状在单元长度上180度旋转意味着在腔开始和腔结束时(沿着z轴)腔的横向截面是相同的。以这种方式，可以端到端地定位多个腔以产生波导。

步骤520和步骤530提供了用于将传统腔形状转换成螺旋腔形状的方法。在一个示例中，可以通过将笛卡尔坐标系映射到螺旋坐标系上来执行步骤520和步骤530。首先，定义笛卡尔坐标中的周期函数f(z)，f(z)表示z方向上的常规腔形状(根据步骤510的常规腔形状)。就沿着z轴(中心轴线)的腔/单元长度L而言函数f(z)是周期性的。函数f(z)可以限定跨越多个单元的常规纵向截面。然后在螺旋坐标系中将笛卡尔函数f(z)变换为新的函数F(θ)，z值根据扭转率π/L进行变换，因此θ值在0到L/2π的范围内。θ值由f(z)函数的值定义，因为这些值在F(θ)框架中被转换，其可以被写成：

在步骤540，输出来自步骤530的三维形状。3D形状是绕z轴螺旋旋转的结果。等效地，3D形状是在z轴上挤出的结果。

然后制造具有三维形状腔的波导。下面更详细地讨论制造方法。

图6-螺旋腔的物理描述

图6示出了具有腔的波导，该腔具有使用图5的方法得到的形状。图6示出了绕z轴螺旋旋转的二维极截面610，形成三维腔形状620。沿着轴线的长度绕z轴线逐渐旋转二维极性截面316，以扫描出腔620的形状。等效地，沿z轴向后挤压二维极性截面316以形成三维形状620。

由步骤510至步骤540生成的3D形状可以被认为是“螺旋腔”，因为3D形状限定了谐振腔，并且是通过绕z轴的螺旋旋转而产生的。包括螺旋腔的波导可以被认为是“螺旋波导”。每个螺旋腔和螺旋波导具有已知的(非螺旋)腔和波导对应物。例如，螺旋腔620具有已知的腔对应物314，其对应于轴对称腔，该轴对称腔具有与用于导出螺旋形状的笛卡尔2D截面等效的纵向轮廓。

对于在步骤540输出的3D形状(螺旋腔)，垂直于z轴的任何二维横向截面(即，x/y平面内的)与步骤520的极性二维形状相同，尽管绕z轴旋转到变化的程度。

然而，在沿z轴截取的相应x和y纵向截面中已经引入了不对称性。以这种方式，腔的轴对称性被打破。这就是所谓的沿长度L(常数)的螺旋旋转。通过图5的方法产生的螺旋腔可以具有场抵消特性、可以减小表面场、可以减小膜片周围的表面场、并且可以防止RF击穿。

对于在步骤540输出的3D形状(螺旋腔)，其横向截面(其横向截面相当于在步骤520产生的极性2D截面)沿着单元的长度绕中心轴线连续地螺旋旋转。横向截面形状的旋转位置沿着单元的长度变化，旋转位置的变化是连续的。该横向截面以固定的旋转率沿着该单元的长度旋转。沿着单元长度的固定旋转率可以被称为扭转率，可以以rad/m或度/m为单位来定义扭转率。在本公开的方法中，扭转率被定义为π/L，其中L是一个腔的长度(如上文所解释的，根据图5，在常规腔和螺旋腔之间的关系中，一个腔的长度L是固定的)。π/L的扭转率提供了沿着单元长度的180度旋转。

在波导中，纵向截面对应于二维笛卡尔形状，由此导出极性横向截面。也就是说，由于2D极性横向截面在单元的长度上绕z轴螺旋地旋转180度，因此在第一纵向平面中的具有纵向截面的波导单元具有二维笛卡尔形状，该方法从该笛卡尔形状开始。这是与使用以上在图3中描述的已知方法产生的单元相同的纵向截面，该已知方法绕z轴扫描纵向轮廓以创建轴对称形状。因此，在围绕z轴的一个旋转角处，螺旋单元630的纵向截面与轴对称单元316/318的膜片到膜片(NWN)的纵向截面(在任何角度)相同。

在与第一旋转角正交的绕z轴的第二旋转角处，螺旋单元的纵向截面与赤道到赤道(WNW)的轴对称单元的横截面相同。换句话说，这种配置是这样的：在0度横截面(相对于z轴)处获得膜片到膜片单元RF单元(2D笛卡尔单元形状)，并且在90度横截面(相对于z轴)处获得赤道到赤道单元RF单元(2D笛卡尔单元形状)。

同样，最终的螺旋扭转形状必须在沿着中心轴线穿过x/z平面截取的横截面(即y＝0)处产生膜片到膜片单元RF单元(2D笛卡尔单元形状)，并且在沿着中心轴线穿过y/z平面的横截面(即x＝0)处产生赤道到赤道单元RF单元(2D笛卡尔单元形状)。x/z平面和y/z平面是彼此正交的第一平面和第二平面。

可以通过螺旋波导单元截取纵向截面，其中当第一角度与第二角度正交时，在围绕中心轴线的第一角度处的纵向截面是膜片到膜片单元，而在围绕中心轴线的第二角度处的纵向截面是赤道到赤道单元。在这两个正交角处截取的两个纵向截面可以被认为是180度的异相。这可以通过示例性螺旋腔620看到。

波导的这种结构引起场抵消特性。

在图6中示出了用于场抵消特性的这些条件，在相对于z轴旋转180度时观察到的最终螺旋扭转形状620在笛卡尔坐标中再现了与在相对于z轴旋转0度时观察到的螺旋腔相同的截面。在0度处观察的截面由630示出，而在180度处观察的截面由650示出。该配置使得在0度截面(相对于z轴)处获得膜片到膜片单元RF单元，并且在90度横截面(相对于z轴)处获得赤道到赤道单元RF单元。等效地，在穿过x/z平面截取的纵向截面(即y＝0)处的最终螺旋扭转形状620产生膜片到膜片单元RF单元(650)，并且在穿过y/z平面截取的纵向截面(即x＝0)处产生赤道到赤道单元RF单元(640)。

当螺旋腔620与其标准对应物314比较时，螺旋腔可以减小表面场、减小膜片处的表面场、并改善其相应波导的光束产生的加速梯度。标准对应部物314是已知的(非螺旋的)腔，它是产生螺旋形式620的起始点。

如上所解释的，如果绕z轴以0度截取螺旋腔620的纵向截面，则产生特定的轮廓630，在90度处产生另一轮廓640，并且在180度处产生另一轮廓650。换句话说，在特定的纵向截面内存在类似于上述用于沿传统已知波导的长度的膜片到膜片或赤道到赤道特征的周期性的相位分布。然而，在本文公开的波导中，可以在围绕纵向截面的特定旋转点处限定相位。截面630(膜片到膜片的形式)和截面640(赤道到赤道的形式)可以被认为是相同的形状，但是彼此异相180度(完全或精确异相)。这是螺旋腔具有场抵消特性的条件。可以绕z轴以任何角度截取纵向截面，并且将产生可以被认为与刚好部分异相的截面630或截面640相同形状的截面。绕z轴截取的任何横截面将具有恒定的面积，因为形状是平移的而不是改变的。截面630，截面640和截面650都具有包含在该形状内的相同区域。

还提供了可以被称为螺旋波导的波导。可以使用图5的方法制造螺旋波导，尽管也可以设想其它方法。螺旋波导由螺旋波导单元组成，螺旋波导单元包括螺旋腔。螺旋腔是包括固定的非圆形横向截面的腔，其围绕中心轴线的旋转位置沿着中心轴线变化，例如620。螺旋波导单元的中心轴线是电子沿其行进的加速度轴线。螺旋波导可以在第一平面中以第一角度限定纵向截面，周期性结构的波导和纵向截面。还可以在第二平面中限定纵向截面，第二平面与第一平面正交，并且周期结构相对于第一平面异相180度。

例如，螺旋腔620可以形成具有中心轴线660的螺旋波导单元。螺旋波导可以由螺旋波导单元组成，螺旋波导单元具有螺旋腔620。腔620具有固定的非圆形横向截面，其围绕中心轴线的旋转位置沿着中心轴线变化。由腔620组成的螺旋波导可以在第一平面(630)中以第一角度限定纵向截面，周期性结构的波导和纵向截面。还可以在第二平面(640)中限定纵向截面，第二平面与第一平面正交，并且周期结构相对于第一平面异相180度。

在步骤540输出并且可选地在步骤550制造按照图5的方法设计任何波导。图9a和图9b示出了将被制造的螺旋腔。以这种方式生成的波导具有作为扭转的函数而变化的腔，上述的扭转是围绕z轴的。

在步骤540之后，图5的方法可以可选地包括模拟电场，在步骤550制造3D形状之前识别最大场。在图5的方法中没有描述这些步骤。在将射频能量施加到包括具有3D形状的单元的波导时所产生的电场的模拟，该模拟可以通过麦克斯韦求解计算软件来实现，尽管其它模拟也是可能的。也可以对具有围绕中心轴线扫描出的二维笛卡尔横截面形状的腔(与图3类似的已知波导对应物)执行在将射频能量施加到波导时产生的模拟电场。根据这些模拟，可以识别最大表面场。可以将常规波导的最大表面场与等效螺旋波导的最大表面场进行比较。

每个螺旋腔具有通过已知技术产生的对应(非螺旋)腔，已知的腔对应物是产生螺旋形式的起始点。每个已知的腔可以具有螺旋对应物。

图7-螺旋腔中的场

图7示出了示例性螺旋腔712的模拟表面电场，该螺旋腔是通过图5的方法产生的，因此本质上类似于腔620。在步骤510处接收的用于产生螺旋形状712的原始二维轮廓是类似Ichiro的形状，在图4中描绘了已知的Ichiro腔形状。还描绘了波导腔710的纵向截面(沿z轴截取的截面)。

与图4a和图4b类似，强度被示为灰度色图，其中最强(即最高密度)电场是黑色的，最弱(即最低密度)场是白色的，以及它们之间的场强度以灰度示出。纵向截面710还包含表示电场的矢量箭头，矢量箭头根据灰度色图着色。

可以看出，与图4中的标准单元相比，图7的螺旋单元中的最大场比大大降低。这意味着电场的最强点沿着加速路径并且相对于图4所示的峰值强度点移动。在图7的螺旋腔712中，峰值场点不在膜片表面上；膜片410的表面在图中不再是黑色的。与图4b所示的其标准对应物相比，螺旋Ichiro腔712中的表面场的强度比减小。图4b的标准对应物是已知的(非螺旋)腔，它是产生螺旋形式712的起始点。

量值	常规的“Ichiro”形波导	螺旋状“Ichiro”形腔波导
			RQ值	138	122
Eac(平均)MV/m	500	650
			Esurf(最大)MV/m	865	645
Kilpatrick极限MV/m	643	643
			Q(扰动)	4900	4700
分流阻抗	6.5e5	5.7e5

表1：已知波导形状和根据本公开的螺旋对应物之间的模拟比较

除了图7的结果之外，表1示出了已知波导Ichiro形状以及根据本公开的其螺旋对应物之间的模拟比较的结果。对于常规和螺旋波导形状，在10.9GHz下计算模拟的输入RF频率。这种模拟的视觉结果在图7中描述为螺旋波导单元，未示出在10.9GHz下计算的常规波导单元视觉模拟。常规的Ichiro形状波导和螺旋Ichiro形状腔波导具有表1中列出的六个量值：平均加速度梯度(Eac(平均))、最大表面电场(Esurf(最大))、Kilpatrick极限、品质因子(Q因子)、分流阻抗(R)和R/Q值。

表1示出了螺旋Ichiro形腔波导的R/Q、分流阻抗和Q因子的轻微减小，然而对于相同的模拟存储功率(在这种情况下是1J能量)，最大表面场大幅度减小和加速梯度增加。与图7的结果相当，表1示出了表面电场减小，电场已沿着加速路径移动。

本发明的方法提供了以这样的方式优化的腔，即最强的电和磁强度仅存在于加速束的路径中，而所有表面结构上的场不存在(已被抵消)或已被最小化到远低于击穿阈值的水平。这种系统将具有高加速度梯度和高质量的射束产生。我们注意到，在所有可能的单元形状中，上述方法只能应用于不可重获的腔形状(否则，将获得不可制造的形状，即在几何上在其自身上扭转并自相交的形状)。

退化模式(高阶模式和低阶模式)

在任何加速结构中，除了期望的基础模式之外，还可以激发其它电磁模式。这些被称为高阶模式(HOM)或低阶模式(LOM)。HOM和LOM将在期望的加速电场之上和上方建立附加的电场和磁场变化。如果这些变化在加速路径处具有非平凡分量，则它们将对束产生影响。HOM和LOM对电子束具有不希望的影响。例如，如果高阶模式具有与基础模式的电场分量对准的电场分量(沿着加速度路径的E_z)，则该场将在单个单元内变化，并且可能导致束分散。

具有在朝向腔的边缘的不同方向(E_x和E_y)上延伸的电场的HOM和LOM将引起用于使束侧向偏转并偏离加速器轴的侧向力。因此，重要的是确保抑制这种高阶模式，特别是在依靠稳定和均匀束的应用中。

高阶模式中的能量并不能加速带电粒子，因此高阶模式导致来自rf场的能量被浪费。消除HOM和/或LOM提供了更有效的引导，其中施加到引导的所有能量被用于基础场(其沿着腔的中间直线扩展并远离边缘)中。

螺旋结构提供场抵消特性，如图7所示，由此其通常在常规加速等效腔中发现的退化场(低阶模式(LOM)和高阶模式(HOM))由于结构的旋转扭转而被破坏性地叠加在一起。这导致区域中的场降低，使得场仅集中在旋转体积的区域，例如结构的侧瓣的轴和中心。在图7的螺旋结构中，可以清楚地观察到正好在膜片上方的零值区域，这与在如图4所示的传统的加速结构中所看到的相反。螺旋结构的LOM和HOM与常规的加速等效物相比明显不同，其结果是所得到的色散特性也是如此，并且利用腔优化，也可以使用这种结构来潜在地使由这种退化模式引起的其它问题和影响(例如陷波模式的问题)最小化，从而产生更有效的RF加速结构。

图8通过已知的纵向截面(1)描绘了9个不同的已知腔(单元)。已知的波导包括图8的已知腔(单元)。已知的纵向截面(1)是已知的波导单元的纵向截面。在图5的方法的步骤510，可以使用每个已知的纵向截面。已知的纵向截面是包括赤道和膜片的笛卡尔二维截面。每个纵向截面类似于图2中看到的纵向截面或图3中看到的316，318。以膜片到膜片形式的每个腔具有周期性长度L(对于重复的加速结构)、两个膜片和赤道。

具有四个标准腔形状和五个标准腔形状变体。这四个标准腔形状是：丸盒形状、椭圆形形状、Ichiro形状、和Tesla形状。所述形状可以是用于传统波导的已知形状，该传统波导具有形成为变体形式的变换。这五种标准的腔形状变体是：丸盒形状变体1、丸盒形状变体2、丸盒形状变体3、丸盒形状变体4、和椭圆形状变体。

对于每个已知的腔(单元)纵向截面，图8还示出了其相应的螺旋腔(单元)的横向截面。螺旋腔的横向截面是标准腔的纵向截面的极坐标转换，其中根据图5中的本公开的方法已将已知腔转换成其螺旋腔对应物。用于每个已知腔形状的螺旋腔(单元)在图8中示出，根据图5的方法生成每个螺旋单元。

本领域技术人员将理解，也可以使用其它形状来制造根据本公开的波导。

如上所解释的，螺旋腔具有第一平面的纵向截面和在与第一平面正交的第二平面中的纵向截面，该第二平面中的纵向截面具有相同的形状但彼此异相180度(完美地相差)。这提供了场抵消特性。

例如，在第一平面中观察到的单元的纵向截面可以是膜片到膜片2D笛卡尔单元形状，而在与第一平面正交的第二平面中观察到的可以是赤道到赤道2D笛卡尔单元形状。

图8描绘了针对9个所描绘的螺旋腔形状中的每一者的两个纵向截面。在穿过每个3D螺旋单元的第一平面(y＝0处的x/z平面)处截取的第一纵向截面和在穿过每个3D螺旋单元的第二位置(x＝0处的y/z平面)截取的第二纵向截面。第一平面和第二平面彼此正交。图8中所描绘的9个螺旋波导单元中的每一者都显示了场抵消特性，因为在第一平面处获得了膜片到膜片单元RF单元(2D笛卡尔单元形状)，而在第二平面处获得了赤道到赤道单元RF单元(2D笛卡尔单元形状)。等效地，对于9个螺旋腔中的每一者，在0度横截面(相对于z轴)处的，获得了膜片到膜片单元RF单元(2D笛卡尔单元形状)，并且在90度横截面(相对于z轴)处获得了赤道到赤道单元RF单元(2D笛卡尔单元形状)。从图8可以看出，通过第二平面(y/z平面)的螺旋单元的纵向截面是赤道到赤道的赤道，直到其形状与已知的波导单元纵向截面相同。

螺旋腔的纵向截面(“螺旋纵向截面”)具有与从中得到螺旋腔的标准对应腔的纵向截面(“已知波导单元纵向截面”)相同的形状。根据螺旋纵向截面的平面的角度，螺旋纵向截面对应于沿已知波导腔的长度的不同点处的已知波导单元纵向截面。也就是说，螺旋纵向截面是已知的波导单元纵向截面沿着单元长度平移了一定的量。随着螺旋纵向截面的平面的角度围绕z轴变化，已知波导单元纵向截面的平移量变化。横截面是从沿着单元长度的不同点截取的单元形状。在围绕z轴连续旋转的平面中观察螺旋纵向截面对应于沿着z轴连续平移的已知波导单元横截面。螺旋纵向截面绕z轴旋转90度对应于已知波导单元纵向截面沿z轴平移半个单元长度。

图9-制造选项

图9描绘了本公开的螺旋腔910和两个相应的三维形状，其可用于制造包括螺旋腔910的波导。图9示出了两种形状920，930，其对应于包括螺旋腔910的波导的两种不同的制造方法。可以在图5的步骤550中使用该制造方法。制造形状可以被设计或导入到CAD软件中。螺旋腔可以被制造成波导，该波导用于线性加速器和/或放射治疗设备中。

传统上，每个腔由诸如铜的导电金属制造，然后相邻地堆叠腔以形成波导。可以通过铜焊或焊接，在连接部分将导电材料段连接在一起来连接腔。段的连接部分通常在腔的赤道中。

可以使用传统方法制造本公开的一些螺旋腔，例如910。例如，920是可以重复制造的单个腔，可以在连接部分处将单个件焊接在一起以形成波导。通过图5的方法生成螺旋腔910，在步骤510识别的笛卡尔二维截面是Ichiro形状。对于螺旋腔910，要制造的最简单的重复单元是形状920，其是螺旋腔910的长度的一半。如前所限定的，腔的长度是指其沿着中心轴线(z轴)的距离。形状920实际上是被“打印(print)”到部件中的形状。为了形成一个螺旋腔910，两个部件920可以彼此成90度堆叠。当然，为了形成波导，例如920的许多部件可以彼此成90度堆叠，需要许多腔来形成波导。可以使用作为重复单元的半螺旋腔以类似方式来制造根据本公开的包括螺旋腔的其它波导。可替代地，对于包括根据本公开的螺旋腔的其它波导，可以使用作为重复单元的整个螺旋腔来制造这些波导。重复单元的选择取决于哪个重复单元最容易制造以及哪个重复单元最容易连接以形成波导。

可替代地，可以使用分离或“地铁夹层(subway sandwich)”技术将腔制造成波导。在该技术中，例如在CAD软件中虚拟地呈现多个腔。多个腔可以形成波导的一部分，或者在一些情况下可以形成整个波导。沿加速轴切割波导段，该加速轴相当于切割通过纵向平面(例如y/z平面或x/z平面)以形成两个半部。这两个半部被制造成两个部件，这两个半部“夹在一起”以形成波导段。这两个半部通过焊接“夹在一起”。可以对形成整个波导的波导段的数量重复该过程。可以通过焊接将波导段连接在一起以形成整个波导。

本公开还涉及制造本公开的波导的方法。

可以使用地铁夹层方法制造本公开的一些螺旋腔。特别地，对于更复杂的几何结构，地铁夹层技术可以比传统方法更容易和更成功地实现。例如，在图9中描绘了用于地铁夹层制造技术的波导段930的一半，但未示出波导段的另一半。图9中所描绘的半部被制造成一个部件，同时相应的另一个半部被制造成第二单独的部件。这两个半部通过焊接被夹在一起以形成波导段。以这种方式制造多个波导段，这些波导段焊接在一起以形成整个波导。螺旋腔制造形状930源自通过图5的方法生成的螺旋腔形状910。两个半腔910包括波导段930。

波导中的腔可以在形状上变化，波导制造可以涉及根据波导中的腔的位置对腔的形状进行轻微的改变。例如，与靠近用于加速的重金属靶的腔相比，靠近电子枪的腔可以用于电子的聚束，并且可以在长度上更短。

优点

根据本公开设计的波导，波导的尺寸不受围绕中心轴线产生二维模型的扫描的限制。相反，创建波导的三维模型，其中腔的尺寸围绕轴变化。因此，在一个点处的加速通道的横向截面不是圆形的或环形的。这是与现有技术中包括的波导的根本不同。

本发明的螺旋波导具有场抵消特性。当将螺旋腔与其已知的对应腔进行比较时，螺旋腔可以减小表面场、减小膜片处的表面场并改善其相应波导的束产生的加速梯度。如上所解释的，腔表面处的高电场可在这些位置处引起RF击穿。可以通过经验导出的公式例如Kilpatrick击穿极限在某种程度上预测是否发生RF击穿。如果表面场大于Kilpatrick击穿极限，则在该位置存在高概率的RF击穿。Kilpatrick极限提供了预估，因为RF击穿的机制取决于许多因素，例如场发射、多步操作、气体击穿和表面加热。

当将Kilpatrick极限测试应用于本公开的螺旋腔时，表面场与预测在这些位置处将不存在RF击穿的极限大致相同。可替代地，如果表面场被减小到低于针对RF击穿的阈值，则可以安全地增加输入RF频率，而不会引起RF击穿。增加所施加的RF能量增加了整个波导的场的强度，包括加速路径上的场。因此，可以将更多的能量传递到电子，x射线束可以具有更高的能量，并且可以减少患者治疗时间。

参考表1，针对传统的Ichiro形状波导和螺旋Ichiro形状腔波导的Kilpatrick极限都是643(MV/m)，因为输入频率对于这两者都是相同的(10.9GHz)。对于传统的波导，最大电场为865MV/m，其高于Kilpatrick极限(643MV/m)，这意味着，在该频率下，将存在RF击穿，并且传统的波导将不能在该频率水平下操作。然而，对于螺旋波导，最大电场为645MV/m，其近似等于Kilpatrick极限(643MV/m)，这意味着在该频率水平没有RF击穿。

通常在单元的膜片上找到加速结构(正常导电或超导)中的最大表面场的位置，因为这是表面场由于几何形状和场与表面相互作用的方式而最集中的地方。然而，在替代设计中，例如在本公开中提出的螺旋几何结构，可以在偏移到新位置的这些区域中大大减小最大表面场。可以在除了沿加速路径之外的所有或一些位置处使腔中产生的场最小化。无论最大表面场是局部化到一点还是跨越整个表面，都会导致可能产生更高的加速梯度的结构。在表1中可以看到螺旋腔波导的加速度梯度与其传统的对应物相比的示例性增加。

影响击穿的另一因素是表面粗糙度。较光滑的表面与粗糙的表面相比更不可能引起击穿。也就是说，腔边缘的增加粗糙度增加了击穿的可能性。膜片是加工成高平滑度的腔的最困难部分。通过将峰值场的点移离表面或通过减小膜片处的场，可以使用粗糙的表面腔而不会引起击穿。可替代地或额外地，在不引起击穿的情况下，可使用较高的加速场。

将场移离膜片意味着可以降低鼻锥部或膜片处的平滑度和均匀性水平，同时保持波导的加速能力和效率。同样，这是因为具有螺旋腔波导的效果是电场的最高强度部分在表面处减小。由于膜片难以制造并且特别难以平滑，这可以在不降低波导可实现的剂量率的情况下降低制造波导的成本。

其它优点是，如果在表面处场减小，则可以在加速路径所在的平面中将单元焊接在一起。这意味着，为了制造波导，可以使用如图9b所描绘的地铁夹层方法中焊接在一起的两个相对的半部一次形成许多腔。在不能将两个半部精确定位的情况下这种技术目前是不可能的，因为如果存在表面场，腔和轻微的未对准将对波导中产生的电场带来巨大的影响。

如上所解释的，螺旋腔提供场抵消特性，如图7所示，由于结构的旋转扭转，通常在传统的加速等效腔中发现的退化场(低阶模(LOM)和高阶模(HOM))已破环性地加在一起。这导致区域中的场降低，使得场仅集中在旋转体的区域，例如结构的轴线和侧瓣的中心。在图7的螺旋结构中，可以清楚地观察到正好在膜片上方的零值区域，这与在传统的加速结构(例如如图4所示)中所看到的零值区域相对。螺旋结构的LOM和HOM与常规的加速等效物相比显著不同，其结果是所得到的色散特性也是如此，并且使用这种导致更有效的RF加速结构的结构，利用腔优化也可以潜在地使由这种退化模式引起的其他问题和影响(例如陷波模式的问题)最小化。

总体上，提供了包括螺旋腔的波导，该螺旋腔的形状有利地减小了表面场。

变体

在整个本公开中，参考表面场(特别是电场)的减小。然而，表面场的减小同样可以指根据本发明的磁场的减小。为了简单起见，并没有示出磁场。

一旦产生了波导，波导可以被“调整”以试图减小在波导中产生的场中的不对称性。这可以通过在施加射频能量时测量在波导中产生的电场，将凹痕(dent)引入波导中，然后对电场进行另一测量来确定不对称性是否已经减小来实现。已知的调整的总体目标是减少板上的不对称性，以对准电子所采用的最佳路径。

有多种波导调整方法。第一种方法是使用在0度或90度横截面位置(相对于z轴)上的赤道位置上的调整凹痕或柱，这引入了体积变化和频移，并且这可应用于本公开的任何螺旋腔。如果该结构具有足够薄的膜片部分，例如在Ichiro形状中所看到的，则可以通过使用在0度或90度横截面位置处的专用工具拉动膜片来调节单元的长度，这调节了单元的扭转，并且具有较大的相位影响和较小的频率偏移影响。在0度或90度横截面位置处用RF吸收器(例如SiC)对结构进行介质加载可以引入频移。可以进行结构的精密机械加工，使得在钎焊之后(如果这是优选的制造方法)或者根据较旧的制造技术例如电铸(以及通过溶解在酸中来去除内模或者通过在预先存在的模上生长表面来去除内模)，结构不需要调整。

螺旋腔内的模式可以被认为是混合模式，而不是在常规RF腔内看到的纯横向电模式(TE)或横向磁模式(TM)。当使用相同的几何输入时，在螺旋腔中所获得的频率可能高于其常规对应的频率，并且这需要通过腔高度的轻微增加来补偿。螺旋腔的高度可以通过试错法增加，直到螺旋腔和传统腔的RF频率匹配。不一定总是需要在螺旋腔中再现与其常规对应部分相同的频率。实际上，本发明的一个优点是提供一种系统，其中可以安全地使用较高频率的RF而不经历击穿。

因此，上述方法可以包括调节螺旋腔高度的附加步骤。这是在图5的方法中的步骤540之后完成的。模拟了通过将射频波施加到波导上而产生的随时间变化的电场。将在螺旋单元中产生的RF频率与当将RF能量施加到标准波导(在该方法的步骤510中具有纵向截面等于2D笛卡尔形状的腔的轴对称波导)时感应的RF频率进行比较。螺旋腔中的频率与传统腔中的频率相比较。如果频率不同或者不在彼此的阈值内，则增加螺旋腔的高度以产生修改的螺旋腔形状。模拟了通过将RF波施加到修改的螺旋腔而产生的随时间变化的电场。将修改的螺旋腔中的频率与常规腔中的频率进行比较。如果频率不匹配，则再次修改螺旋腔形状并重复该方法。如果频率匹配或者在彼此的阈值内，则输出作为最终形状的螺旋形状。

目前为止，电子的加速度是关于轴加速度的，但是也可以支持在螺旋腔中生成的用于加速的偏转模式。偏转模式对轴加速度具有不同的应用。轴加速度可以在用于放射治疗设备的线性加速器中使用，偏转模式可以用于粒子分离和时间束诊断。如果对于任何所描述的螺旋腔，赤道的长度与高度的比率保持在低于某一比率，则获得轴加速度。在某一点，超过该比率(即，如果腔被做得非常长)，然后螺旋腔的场抵消导致偏转模式而不是轴加速模式。偏转模式导致机器加速结构复杂。可以仅通过地铁夹层方法使用用于这些类型的形状的偏转模式来制造这种构型，类似于图9的930。可以沿着用于偏转模式腔的轴线放置束管，而不会对系统造成太多的扰动(即，仍然会发生场抵消)。

可以以驻波配置或行波配置使用包括螺旋波导单元(螺旋腔)的本发明的螺旋波导。螺旋波导也可应用于高和低β腔结构。可以在螺旋波导中加速任何类型的带电粒子，例如电子、质子或离子(碳或其它)。

除了提供根据以上描述的波导单元和波导，本公开还涉及包括所公开的波导的粒子加速器，以及涉及包括所公开的波导的线性加速器。还公开了包括线性加速器的放射治疗设备。

还公开了制造本文所述的波导的方法。

定义

轴向不对称性

在根据本公开的非对称波导中，限定腔边缘的壁在绕中心轴线的旋转中到中心轴线的距离不保持恒定。也就是说，在给定点处的加速腔的横截面不是圆形的。限定从壁到中心轴线的距离的半径围绕中心轴线不是恒定的；相反，它通过绕中心轴线的旋转而变化。换句话说，加速通道的横截面围绕中心轴线的旋转对称的顺序不是无限的；它是离散的。

上述波导可以用在粒子加速器中。粒子加速器可以是线性加速器。线性加速器可用于放射治疗设备。

波导是通过以下方式制造的：制造沿着中心轴线互连的一系列腔以形成加速通道。在一个具体实施例中，制造一系列腔包括制造限定至少一个腔的一部分的多个材料段；以及接合所述段以形成所述一系列互连的腔。该材料可以是任何导电材料，并且在特定实施例中是铜。这些段通过钎焊或焊接连接在一起。所制造的波导可以具有如上所述的本公开的波导的任何特性或尺寸。

还提供了使用所公开的方法制造的波导。

加速腔

加速腔是加速路径穿过的腔。

插入加速通道的附加构件(例如伸入加速路径的联接器)不影响加速通道或加速腔的形状。加速腔和加速腔的形状旨在表示包围电子的加速路径穿过的通道的体积的形状。

上述各个方面的特征可以以任何合适的方式组合。应当理解，以上描述仅作为方面的具体实施例，并且许多修改和改变将在本领域技术人员所知晓的范围内，并且旨在由所附权利要求的范围覆盖。

Claims (21)

1.一种波导单元，具有螺旋腔。

2.根据权利要求1所述的波导单元，其中，所述波导单元具有中心轴线和具有横向截面的腔，所述横向截面的绕所述中心轴线的旋转位置沿着所述中心轴线变化。

3.根据权利要求1或2所述的波导单元，其中，所述横向截面沿着所述单元的长度连续地螺旋旋转。

4.根据前述权利要求中任一项所述的波导单元，其中，所述横向截面沿着所述单元的长度以固定的旋转率旋转。

5.根据前述权利要求中任一项所述的波导单元，其中，所述横向截面沿着所述单元的长度螺旋地旋转180度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的波导单元，其中，所述波导单元在第一平面中的纵向截面和所述波导单元在与所述第一平面正交的第二平面中的纵向截面是彼此异相180度的相同形状。

7.根据前述权利要求中任一项所述的波导单元，其中，所述横向截面是极坐标转换的膜片到膜片2D笛卡尔单元形状。

8.根据权利要求7所述的波导单元，其中，在第一平面中观察到的所述单元的纵向截面是膜片到膜片2D笛卡尔单元形状，并且在与所述第一平面正交的第二平面中观察到的所述单元的纵向截面是赤道到赤道2D笛卡尔单元形状。

9.一种波导，包括一系列的根据权利要求1至8中任一项所述的单元。

10.根据权利要求9所述的波导，其中，在第一平面中的所述纵向截面具有周期性结构，并且其中，在与所述第一平面正交的第二平面中的所述纵向截面具有相对于所述第一平面异相180度的周期性结构。

11.一种确定波导单元的3D形状的方法，所述方法包括：

识别2D截面；

沿着所述单元的长度绕中心轴线螺旋地旋转所述截面以生成3D形状；以及

输出所述3D形状。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，螺旋地旋转所述截面包括：使所述截面沿着所述单元的长度旋转180度。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述波导单元具有长度L，其中：

所述识别2D截面包括：

在笛卡尔坐标中识别单元的笛卡尔2D截面；以及

通过将所述笛卡尔2D截面转换为极坐标在极坐标中生成极性2D截面，方向θ被定义为在0至L/2π之间；

并且其中，所述沿着所述单元的长度绕中心轴线螺旋地旋转2D截面以生成3D形状包括：

以π/L的扭转率在笛卡尔坐标系的z轴上向后挤压2D极坐标形状。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述识别2D截面包括：

识别单元的周期性笛卡尔2D截面，其中所述周期性笛卡尔2D截面定义周期性函数f(z)；

并且其中，所述沿着所述单元的长度绕中心轴线螺旋地旋转所述截面以生成3D形状包括：

在螺旋坐标系中将所述周期函数f(z)变换为新的函数F(θ)，其中，通过扭转率π/L变换z值，θ值在0至L/2π的范围内。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述单元的所述笛卡尔2D截面包括膜片到膜片单元形状，并且其中，所述单元在第一平面中的纵向截面是所述膜片到膜片笛卡尔单元形状，并且所述单元在与所述第一平面正交的第二平面中的纵向截面是赤道到赤道笛卡尔单元形状。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的方法，其中，所述笛卡尔2D截面是已知腔形状的纵向截面，并且其中，所述已知腔形状包括以下形状中的一者：丸盒形状、椭圆形形状、Ichiro形状、或Tesla形状。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，还包括：制造具有所述3D形状的波导。

18.一种通过权利要求17所述的方法制造的波导。

19.一种线性加速器，包括根据权利要求1至10和18中任一项所述的波导。

20.一种放射治疗设备，包括权利要求19所述的线性加速器。

21.一种波导单元，具有中心轴线和具有横向截面的腔，所述横向截面的绕所述中心轴线的旋转位置沿着所述中心轴线变化。

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