CN116133227B - 一种紧凑型离子直线加速装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种紧凑型离子直线加速装置，包括离子束输送管道，离子束输送管道沿离子束输送方向依次分为低能加速段和高能加速段，低能加速段上布置有沿离子束输送方向依次递增加速频率至S波段的多个直线加速器，高能加速段上布置有高梯度的直线加速器，直线加速器的加速腔为铜腔结构，且高能加速段上直线加速器的加速腔工作温度范围为50K‑70K。本发明由多个直线加速器可将低能量的强流离子束逐步提高，并利用低温技术使高梯度直线加速器运行过程中能够对其进行冷却，以提高高能加速段上直线加速器的加速梯度，从而可进一步缩短加速器的长度，使加速装置小型化，从而降低成本实现普及，具有很强的实用性及可操作性。

Description

一种紧凑型离子直线加速装置
技术领域
本发明涉及加速器放射治疗技术领域，具体涉及一种紧凑型离子直线加速装置。
背景技术
质子、重离子放射治疗是目前比较有效的癌症治疗方式。目前的质子治疗加速器通常采用回旋加速器和同步加速器，而重离子加速器通常采用同步加速器。虽然回旋加速器可提供持续稳定的束流，但回旋加速器传输效率低，引出能量固定，为实现不同照射深度，需要使用降能器及能量选择系统，影响束流品质并增加了辐射防护的难度；虽然同步加速器可以实现能量可调，但其注入、升能和标准化循环需要占用很长时间，调变能量时间约秒级，会增加无效治疗时间，引出束流平均流强较低，无法适应快速、连续治疗的要求，并且同步加速器占地面积大，整个系统架构复杂。
此外，直线加速器是利用射频电场在直线轨道上加速离子的一种加速器。直线加速器具有快速调节能量的优势，是支持正在发展的运动器官放疗，特别是闪疗的理想机型。直线加速器应用到质子、重离子治疗领域的主要研究方向是缩小加速器的长度，以满足医院的安装规模。目前直线加速器应用到质子、重离子治疗领域通常采用的加速结构为射频四极场加速器(Radio Frequency Quadrupole，RFQ)+漂移管直线加速器(Drift TubeLinac，DTL)+耦合腔直线加速器(Coupled Cavity Linac，CCL)或返行波加速器(BackTravelling Wave，BTW)或负谐波加速器(Negative Harmonic Structure，NHS)的结构，且用于癌症治疗的重离子直线加速器长度大约是在45-50m。
但是由于现有应用到质子、重离子治疗领域的加速装置结构长度较长，体积庞大，造价昂贵，不便于在医院普及。
发明内容
本发明的目的是提供一种紧凑型离子直线加速装置，以解决现有技术中应用到质子、重离子治疗领域的加速装置结构长度较长，体积庞大，造价昂贵和离子束能量调节慢的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明提供一种紧凑型离子直线加速装置，包括离子束输送管道，所述离子束输送管道沿离子束输送方向依次分为低能加速段和高能加速段，所述低能加速段上布置有沿离子束输送方向依次递增加速频率至S波段的多个直线加速器，所述高能加速段上布置有高梯度的直线加速器，所述直线加速器的加速腔为铜腔结构，且所述高能加速段上直线加速器的加速腔工作温度范围为50K-70K。
进一步地，所述低能加速段上的多个直线加速器包括沿离子束输送方向依次布置的射频四极场加速器、交指型加速器、以及漂移管直线加速器，且所述离子束输送管道依次穿过射频四极场加速器、交指型加速器、以及漂移管直线加速器的加速腔，其中，所述射频四极场加速器、交指型加速器、以及漂移管直线加速器的加速腔均为常温腔室。
进一步地，所述射频四极场加速器和所述交指型加速器的加速频率范围均为300MHz-800 MHz，所述漂移管直线加速器的加速频率运行在S波段，且所述漂移管直线加速器的加速频率范围为2GHz-3 GHz。
进一步地，所述高能加速段上的直线加速器为工作频率为S至C波段的耦合腔直线加速器、返行波加速器或负谐波加速器，所述离子束输送管道穿过所述高能加速段上直线加速器的加速腔。
进一步地，所述高能加速段上的直线加速器包括沿离子束输送方向连续布置的多个加速单元，所述加速单元包括第一低温腔室以及第一加速腔室，所述第一低温腔室呈封闭设置，所述第一加速腔室设置在所述第一低温腔室内，并在所述第一低温腔室内位于所述第一加速腔室的外部注入有低温工质，所述离子束输送管道依次穿过多个所述第一加速腔室，其中，所述第一加速腔室上分别设有第一射频功率馈入接口和第一射频功率馈出接口。
进一步地，所述高能加速段上的直线加速器还包括内部腔室封闭的第一隔温外筒，多个所述加速单元均设置在所述第一隔温外筒内，在所述第一隔温外筒和所述第一低温腔室之间设有多个环形的第一腔体支撑架，且多个第一腔体支撑架沿所述第一隔温外筒的长度方向分布。
进一步地，所述高能加速段上的直线加速器包括第二加速腔室、第二隔温外筒以及热传导管道，所述第二加速腔室设置在所述第二隔温外筒内，所述离子束输送管道穿过所述第二加速腔室，所述热传导管道的一端连接在所述第二加速腔室上，且所述热传导管道的另一端穿出所述第二隔温外筒并形成有传导冷却接口，所述传导冷却接口用于外接制冷设备，其中，所述第二加速腔室上分别设有第二射频功率馈入接口和第二射频功率馈出接口。
进一步地，所述第二隔温外筒和所述第二加速腔室之间设有多个环形的第二腔体支撑架，且多个第二腔体支撑架沿所述第二隔温外筒的长度方向分布。
进一步地，所述离子束输送管道的离子束注入端包括两个独立的端口，其中一个端口上连接有激光离子源发射装置，另一个端口上连接有电子回旋共振离子源发射装置。
本发明由于采取以上技术方案，其具备以下有益效果：
通过设置低能加速段和高能加速段的离子束输送管道，由低能加速段上沿离子束输送方向依次递增加速频率至S波段的多个直线加速器，可将低能量的强流离子束逐步提高，并利用低温技术使高能加速段上直线加速器的铜腔工作在50-70K的低温环境中，使高梯度直线加速器运行过程中能够对其进行冷却，以提高高能加速段上直线加速器的加速梯度，并实现80-150MV/m的加速梯度，从而可进一步缩短加速器的长度，使加速装置的结构布置紧凑，减少占地面积，节省成本，便于在医院普及。
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紧凑型离子直线加速装置的整体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种紧凑型离子直线加速装置的低温布置方式一的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种紧凑型离子直线加速装置的低温布置方式二的结构示意图。
附图中各标记表示如下：
1、离子束输送管道；11、射频四极场加速器；12、交指型加速器；13、漂移管直线加速器；2、激光离子源发射装置；3、电子回旋共振离子源发射装置；4、加速单元；41、第一低温腔室；42、第一加速腔室；421、第一射频功率馈入接口；422、第一射频功率馈出接口；5、第一隔温外筒；51、第一腔体支撑架；6、第二加速腔室；61、第二射频功率馈入接口；7、第二隔温外筒；8、热传导管道；81、传导冷却接口；9、第二腔体支撑架。
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。
由于传统应用到质子、重离子治疗领域的加速装置结构长度较长，体积庞大，造价昂贵。本发明提供一种紧凑型离子直线加速装置，包括离子束输送管道，离子束输送管道沿离子束输送方向依次分为低能加速段和高能加速段，低能加速段上布置有沿离子束输送方向依次递增加速频率至S波段的多个直线加速器，高能加速段上布置有高梯度的直线加速器，直线加速器的加速腔为铜腔结构，且高能加速段上直线加速器的加速腔工作温度范围为50K-70K。本发明由多个直线加速器可将低能量的强流离子束逐步提高，并利用低温技术使高梯度直线加速器运行过程中能够对其进行冷却，以提高高能加速段上直线加速器的加速梯度，从而可进一步缩短加速器的长度，使加速装置的结构布置紧凑，减少占地面积，节省成本。
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所示，本发明提供一种紧凑型离子直线加速装置，包括离子束输送管道1，离子束输送管道1沿离子束输送方向依次分为低能加速段和高能加速段。低能加速段上布置有沿离子束输送方向依次递增加速频率至S波段的多个直线加速器，高能加速段上布置有高梯度的直线加速器。直线加速器的加速腔为铜腔结构，且高能加速段上直线加速器的加速腔工作温度范围为50K-70K。其中，离子束输送管道1的离子束注入端包括两个独立的端口，其中一个端口上连接有激光离子源发射装置2，另一个端口上连接有电子回旋共振离子源发射装置3(Electron Cyclotron Resonance，ECR)。通过该结构的布置，利用电子回旋共振离子源发射装置3产生0.04MeV/μ且足够强流的或4He2+，利用激光离子源发射装置2产生0.04MeV/μ且足够流强的12C6+离子，从而可以实现/>或4He2+或12C6+的加速。并由多个直线加速器将低能量的强流离子束逐步提高，并利用低温技术使高梯度直线加速器运行过程中能够对其进行冷却，以提高高能加速段上直线加速器的加速梯度，从而可便于缩短加速器的长度进行设计。
进一步地，低能加速段上的多个直线加速器包括沿离子束输送方向依次布置的射频四极场加速器11(Radio Frequency Quadrupole，RFQ)、交指型加速器12((Inter-digital，IH)、以及漂移管直线加速器13(DriftTube Linac，DTL)，且离子束输送管道1依次穿过射频四极场加速器11、交指型加速器12、以及漂移管直线加速器13的加速腔。其中，射频四极场加速器11、交指型加速器12、以及漂移管直线加速器13的加速腔均为常温腔室，且射频四极场加速器11和交指型加速器12的加速频率范围均为300MHz-800 MHz，漂移管直线加速器13的加速频率运行在S波段，且漂移管直线加速器13的加速频率范围为2GHz-3GHz。通过该结构的布置，利用低能加速段的前段采用频率较低的射频四极场加速器11和交指型加速器12组合的加速结构，以确保该部分加速器对注入的强流离子束具有较大接收度，然后通过低能加速段后段加速至S波段高梯度的漂移管直线加速器13，使不同加速结构之间的匹配更好，并基于S波段高性能束流模块能够实现较高剂量率，从而有效提高束流的传输效率。
如上所述，举例说明：注入的强流或4He2+或12C6+离子束，可经过射频四极场加速器11将离子束能量提升到2.5MeV/μ，经交指型加速器12将离子束能量提升到10MeV/μ，再经漂移管直线加速器13将离子能量提高到45MeV/μ。
进一步地，高能加速段上的直线加速器为工作频率为S至C波段的耦合腔直线加速器、返行波加速器或负谐波加速器，且离子束输送管道1穿过高能加速段上直线加速器的加速腔。其中，可通过调节高能加速段上直线加速器的相位和功率，可实现离子束能量分灵活调变，例如：碳离子能量可调节范围为100MeV/μ-430MeV/μ，氢离子和氦离子能量可调节范围为70MeV/μ-230MeV/μ。
一种优选的实施方式为高能加速段上直线加速器的低温布置方式一：
高能加速段上的直线加速器包括沿离子束输送方向连续布置的多个加速单元4，加速单元4包括第一低温腔室41以及第一加速腔室42。第一低温腔室41呈封闭设置，第一加速腔室42设置在第一低温腔室41内，并在第一低温腔室41内位于第一加速腔室42的外部注入有低温工质，低温工质优选为能够循环注入的液氮，从而使第一加速腔室42浸泡在液氮中。离子束输送管道依次穿过多个所述第一加速腔室42，其中，第一加速腔室42上分别设有第一射频功率馈入接口421和第一射频功率馈出接口422。通过该结构的布置，在第一加速腔室42内布置有聚焦四极磁铁模块，通过加速单元4的第一射频功率馈入接口421和第一射频功率馈出接口422将微波功率馈入或者引出第一加速腔室42，从而在第一加速腔室42内建立加速离子所需电场，实现对离子束输送管道1内的离子束进行加速。并采用液氮浸泡高能加速段上直线加速器的低温铜腔，使高能加速段上直线加速器的加速腔工作温度范围为50K-70K，使高梯度直线加速器运行过程中能够对其进行冷却，以提高高能加速段上直线加速器的加速梯度。
进一步地，高能加速段上的直线加速器还包括内部腔室封闭的第一隔温外筒5，多个加速单元4均设置在第一隔温外筒5内。在第一隔温外筒5和第一低温腔室41之间设有多个环形的第一腔体支撑架51，且多个第一腔体支撑架51沿第一隔温外筒5的长度方向分布。通过该结构的设置，以确保第一低温腔室41内保持在稳定的低温环境。
一种优选的实施方式为高能加速段上直线加速器的低温布置方式二：
高能加速段上的直线加速器包括第二加速腔室6、第二隔温外筒7以及热传导管道8。第二加速腔室6设置在第二隔温外筒7内，离子束输送管道1穿过第二加速腔室6。热传导管道8的一端连接在第二加速腔室6上，且热传导管道8的另一端穿出第二隔温外筒7并形成有传导冷却接口81，传导冷却接口用于外接制冷设备。其中，第二加速腔室6上分别设有第二射频功率馈入接口61和第二射频功率馈出接口。通过该结构的布置，在第二加速腔室6内布置有聚焦四极磁铁模块，通过第二加速腔室6的第二射频功率馈入接口61和第二射频功率馈出接口将微波功率馈入或者引出第二加速腔室6，从而在第二加速腔室6内建立加速离子所需电场，实现对离子束输送管道1内的离子束进行加速。并采用热传导管道8连接第二加速腔室6的低温铜腔和制冷设备，通过热传导的方式使高能加速段上直线加速器的加速腔工作温度范围为50K-70K，使高梯度直线加速器运行过程中能够对其进行冷却，以提高高能加速段上直线加速器的加速梯度。
进一步地，第二隔温外筒7和第二加速腔室6之间设有多个环形的第二腔体支撑架9，且多个第二腔体支撑架9沿第二隔温外筒7的长度方向分布。
本发明的一种紧凑型离子直线加速装置，由低能加速段上沿离子束输送方向依次递增加速频率至S波段的多个直线加速器，可将低能量的强流离子束逐步提高，并利用低温技术使高能加速段上直线加速器的铜腔工作在50-70K的低温环境中，使高梯度直线加速器运行过程中能够对其进行冷却，以提高高能加速段上直线加速器的加速梯度，并实现80-150MV/m的加速梯度，从而可进一步缩短加速器的长度，使加速装置小型化，从而降低成本实现普及，具有很强的实用性及可操作性。
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 (6)

1.一种紧凑型离子直线加速装置，其特征在于：所述紧凑型离子直线加速装置包括离子束输送管道，所述离子束输送管道沿离子束输送方向依次分为低能加速段和高能加速段，所述低能加速段上布置有沿离子束输送方向依次递增加速频率至S波段的多个直线加速器，所述高能加速段上布置有高梯度的直线加速器，所述直线加速器的加速腔为铜腔结构，且所述高能加速段上直线加速器的加速腔工作温度范围为50K-70K；
所述高能加速段上的直线加速器为工作频率为S至C波段的耦合腔直线加速器、返行波加速器或负谐波加速器，所述离子束输送管道穿过所述高能加速段上直线加速器的加速腔；
所述高能加速段上的直线加速器包括沿离子束输送方向连续布置的多个加速单元，或由第二加速腔室、第二隔温外筒以及热传导管道构成的直线加速器；
所述加速单元包括第一低温腔室以及第一加速腔室，所述第一低温腔室呈封闭设置，所述第一加速腔室设置在所述第一低温腔室内，并在所述第一低温腔室内位于所述第一加速腔室的外部注入有低温工质，所述离子束输送管道依次穿过多个所述第一加速腔室，其中，所述第一加速腔室上分别设有第一射频功率馈入接口和第一射频功率馈出接口；
所述第二加速腔室设置在所述第二隔温外筒内，所述离子束输送管道穿过所述第二加速腔室，所述热传导管道的一端连接在所述第二加速腔室上，且所述热传导管道的另一端穿出所述第二隔温外筒并形成有传导冷却接口，所述传导冷却接口用于外接制冷设备，其中，所述第二加速腔室上分别设有第二射频功率馈入接口和第二射频功率馈出接口。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型离子直线加速装置，其特征在于：所述低能加速段上的多个直线加速器包括沿离子束输送方向依次布置的射频四极场加速器、交指型加速器、以及漂移管直线加速器，且所述离子束输送管道依次穿过射频四极场加速器、交指型加速器、以及漂移管直线加速器的加速腔，其中，所述射频四极场加速器、交指型加速器、以及漂移管直线加速器的加速腔均为常温腔室。
3.根据权利要求2所述的一种紧凑型离子直线加速装置，其特征在于：所述射频四极场加速器和所述交指型加速器的加速频率范围均为300MHz-800 MHz，所述漂移管直线加速器的加速频率运行在S波段，且所述漂移管直线加速器的加速频率范围为2GHz-3 GHz。
4.根据权利要求1所述的一种紧凑型离子直线加速装置，其特征在于：所述高能加速段上的直线加速器还包括内部腔室封闭的第一隔温外筒，多个所述加速单元均设置在所述第一隔温外筒内，在所述第一隔温外筒和所述第一低温腔室之间设有多个环形的第一腔体支撑架，且多个第一腔体支撑架沿所述第一隔温外筒的长度方向分布。
5.根据权利要求1所述的一种紧凑型离子直线加速装置，其特征在于：所述第二隔温外筒和所述第二加速腔室之间设有多个环形的第二腔体支撑架，且多个第二腔体支撑架沿所述第二隔温外筒的长度方向分布。
6.根据权利要求1所述的一种紧凑型离子直线加速装置，其特征在于：所述离子束输送管道的离子束注入端包括两个独立的端口，其中一个端口上连接有激光离子源发射装置，另一个端口上连接有电子回旋共振离子源发射装置。
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ADS中β强流超导加速强物理研究;温良剑;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;参见正文第23页 *
Magnetically focused 70 MeV proton minibeams for preclinical experiments combining a tandem accelerator and a 3 GHz linear post-accelerator;Michael Mayerhofer等;《 Med. Phys. 》;第2733-2749页 *

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CN116133227A (zh) 2023-05-16

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