CN117298467A - 用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，包括：依次连接的电子注入器、束流传输管道和终端，所述束流传输管道上依次布置有主加速模块和输运整形模块，所述主加速模块用于将所述电子注入器产生的脉冲电子束加速为甚高能电子束，所述输运整形模块用于将所述甚高能电子束进行参数调控，其中，所述主加速模块采用铜加速腔，所述铜加速腔的工作温度为40‑80K。用以解决现有技术中电子直线加速器可靠性欠佳、结构复杂和造价昂贵的缺陷，实现用于甚高能电子的电子直线加速器的实用性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及核医学技术领域，尤其涉及一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置。
背景技术
放射治疗是一种比较有效的癌症治疗方式，目前用于放射治疗的有光子、电子、质子和重离子等方式。光子放疗以电磁波形式传递，射线能量较低，进入人体后能量逐渐衰减，直至穿透人体，因此治疗过程无法避免穿射性射线损伤及散射性射线损伤。粒子放疗是物质形式的能量传递，因为质量远高于光子线，因此射线能量也远高于光子，质子和重离子因为有特殊的“布拉格峰”物理特性，即粒子以较低的能量进入人体，到达肿瘤组织后瞬间释放全部能量，肿瘤后方组织无能量照射，因此，质子重离子放疗很好的避免了穿射性射线损伤，但未能避免散射性射线损伤的问题。并且，用于放射治疗的质子、重离子加速器体积庞大，造价昂贵，目前还难以普及。常规使用的电子放疗，由于其能量较低(6-10MeV)，穿透能力有限只能用于浅表层治疗。
甚高能电子(very high energy electron，VHEE)放疗是目前新近发现的深层治疗方式，电子能量在50-100MeV或以上，最大能量可以达到250MeV。甚高能电子较高能量有较大的穿透深度，能够达到多数的深层肿瘤，在允许横向剂量有限扩散的同时有精确的剂量沉积。与光子束相比，通过电子直线加速器产生的甚高能电子束可以产生甚高剂量率，从而实现对深层肿瘤的快速放射治疗，更容易达到FLASH放射治疗的要求。另外与光子或质子束相比，甚高能电子能使一些靠近不同密度组织的肿瘤具有更好的剂量一致性，这也避免了周围的正常组织的损害。同时，甚高能电子束对不均匀性不那么敏感，具有较深的剂量范围，并有可能用于提供闪光放射治疗。利用产生甚高能电子直线加速器和甚高能电子束进入人体时的特性，可以结合各种治疗方法，比如聚焦电子束、FLASH放射治疗或者空间分割治疗等，发挥其独特的优势。
目前还没有明确开发出适用于甚高能电子放射治疗的装置。电子直线加速器是利用射频电场在直线轨道上加速电子的一种加速器。电子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FLASH放射治疗的理想机型。当前的用于电子直线加速器的加速结构包括基于铜腔常温结构的常温加速结构和基于超导材料的超导加速结构。S波段常温加速结构的加速梯度一般为20MV/m，由于真空打火限制，目前优化后的常温加速结构的加速梯度可以提升到30-50MV/m，但是其可靠性欠佳。此外，常温高梯度加速结构的热损耗严重，功耗较高，对功率源要求较高。超导加速结构工作在超导状态，加速梯度一般为20MV/m，由于需要额外的低温系统，系统复杂，造价昂贵。以上问题限制了当前用于甚高能电子的电子直线加速器的实用性和经济性。
发明内容
本发明提供一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，用以解决现有技术中电子直线加速器可靠性欠佳、结构复杂和造价昂贵的缺陷，实现用于甚高能电子的电子直线加速器的实用性和经济性。
本发明提供一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，包括：依次连接的电子注入器、束流传输管道和终端，所述束流传输管道上依次布置有主加速模块和输运整形模块，所述主加速模块用于将所述电子注入器产生的脉冲电子束加速为甚高能电子束，所述输运整形模块用于将所述甚高能电子束进行参数调控，其中，所述主加速模块采用铜加速腔，所述铜加速腔的工作温度为40-80K。
根据本发明提供的一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，所述主加速模块包括：依次布置的若干主加速单元，所述主加速单元包括：铜加速腔、腔室和射频耦合器，所述铜加速腔布置于所述束流传输管道上，并设于所述腔室内，所述射频耦合器连接于所述铜加速腔上。
根据本发明提供的一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，所述铜加速腔为行波铜加速腔、驻波铜加速腔或分布式耦合铜加速腔。
根据本发明提供的一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，所述腔室内充满液氮，所述射频耦合器包括：射频输入耦合器和射频输出耦合器，所述射频输入耦合器和射频输出耦合器分别连接于所述铜加速腔上。
根据本发明提供的一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，所述铜加速腔通过铜编织带与制冷机连接，所述射频耦合器为射频输入耦合器，所述射频输入耦合器连接于所述铜加速腔上。
根据本发明提供的一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，所述电子注入器和主加速模块之间布置有低能聚焦单元，所述主加速单元的出口端布置有高能聚焦单元。
根据本发明提供的一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，所述低能聚焦单元为螺线管，所述高能聚焦单元为四极磁铁。
根据本发明提供的一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，所述主加速单元为三段，每段主加速单元的长度为0.5-1m。
根据本发明提供的一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，所述主加速模块的工作频率包括：S波段、C波段和X波段。
根据本发明提供的一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，所述电子注入器为热阴极电子注入器或光阴极电子注入器。
本发明提供的一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，通过设置依次连接的电子注入器、束流传输管道和终端，束流传输管道上依次布置有主加速模块和输运整形模块。主加速模块用于将所述电子注入器产生的脉冲电子束加速为甚高能电子束，输运整形模块用于将所述甚高能电子束进行参数调控。其中，主加速模块采用铜加速腔，铜加速腔的工作温度为40-80K。在装置运行的过程中，电子注入器产生脉冲电子束，通过束流传输管道注入到主加速模块进行加速，产生甚高能电子束，并通过输运整形模块将甚高能电子束进行参数调控，以满足终端放射治疗所需要的电子束参数，实现甚高能电子放射治疗。本发明的主加速模块采用铜加速腔，并且铜加速腔的工作温度为40-80K，基于低温铜腔的加速结构，能够将高梯度加速结构的加速梯度提高到80-150MV/m，以显著缩短加速器长度，使装置结构简单化和小型化，起到降低成本、降低功耗和提高可靠性的效果，以解决现有技术中电子直线加速器可靠性欠佳、结构复杂和造价昂贵的缺陷，实现用于甚高能电子的电子直线加速器的实用性和经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置的结构示意图；
图2是本发明提供的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置的铜加速腔的结构示意图之一；
图3是本发明提供的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置的铜加速腔的结构示意图之二。
附图标记：电子注入器1、束流传输管道2、低能聚焦单元3、主加速单元4、高能聚焦单元5、输运整形模块6、终端7、射频输入耦合器8、射频输出耦合器9、铜加速腔10、腔室11、制冷机12。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图3描述本发明的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置。
本发明提供一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，包括：依次连接的电子注入器1、束流传输管道2和终端7，所述束流传输管道2上依次布置有主加速模块和输运整形模块6，所述主加速模块用于将所述电子注入器1产生的脉冲电子束加速为甚高能电子束，所述输运整形模块6用于将所述甚高能电子束进行参数调控，其中，所述主加速模块采用铜加速腔10，所述铜加速腔10的工作温度为40-80K。
如图1所示，本实施例中的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，包括：依次连接的电子注入器1、束流传输管道2和终端7，束流传输通道的两端分别连接电子注入器1和终端7，使得电子注入器1产生的脉冲电子束能够发送至终端7，进行电子放射治疗。束流传输管道2上依次布置有主加速模块和输运整形模块6，主加速模块用于将电子注入器1产生的脉冲电子束加速为甚高能电子束，输运整形模块6用于将所述甚高能电子束进行参数调控，以满足终端7放射治疗所需要的电子束参数，实现甚高能电子放射治疗。其中，主加速模块采用铜加速腔10，铜加速腔10的工作温度为40-80K。
本发明提供的一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，通过设置依次连接的电子注入器1、束流传输管道2和终端7，束流传输管道2上依次布置有主加速模块和输运整形模块6。主加速模块用于将所述电子注入器1产生的脉冲电子束加速为甚高能电子束，输运整形模块6用于将所述甚高能电子束进行参数调控。其中，主加速模块采用铜加速腔10，铜加速腔10的工作温度为40-80K。在装置运行的过程中，电子注入器1产生脉冲电子束，通过束流传输管道2注入到主加速模块进行加速，产生甚高能电子束，并通过输运整形模块6将甚高能电子束进行参数调控，以满足终端7放射治疗所需要的电子束参数，实现甚高能电子放射治疗。本发明的主加速模块采用铜加速腔10，并且铜加速腔10的工作温度为40-80K，基于低温铜腔的加速结构，能够将高梯度加速结构的加速梯度提高到80-150MV/m，以显著缩短加速器长度，使装置结构简单化和小型化，起到降低成本、降低功耗和提高可靠性的效果，以解决现有技术中电子直线加速器可靠性欠佳、结构复杂和造价昂贵的缺陷，实现用于甚高能电子的电子直线加速器的实用性和经济性。
本实施例中，所述主加速模块包括：依次布置的若干主加速单元4，所述主加速单元4包括：铜加速腔10、腔室11和射频耦合器，所述铜加速腔10布置于所述束流传输管道2上，并设于所述腔室11内，所述射频耦合器连接于所述铜加速腔10上。
主加速模块由依次布置的若干主加速单元4组成，本实施例的主加速单元4的数量为三段，每段主加速单元4的长度为0.5-1m。如图2所示，主加速单元4包括：铜加速腔10、腔室11和射频耦合器，铜加速腔10布置于束流传输管道2上，用于对束流传输管道2内的电子束进行加速，铜加速腔10设于腔室11内，以保持低温环境。射频耦合器连接于铜加速腔10上，用于对铜加速腔10输入射频功率，实现电子加速。通过以上结构确保铜加速腔10在低温下的加速效果，在提高主加速单元4的加速梯度的前提下，起到优化结构的效果。
本实施例中，所述铜加速腔10为行波铜加速腔10、驻波铜加速腔10或分布式耦合铜加速腔10。
根据实际需求，在输入射频功率的过程中，可将铜加速腔10设置为行波铜加速腔10、驻波铜加速腔10或分布式耦合铜加速腔10，使得本实施例中用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置对于铜加速腔10结构的兼容性。
本实施例中，所述腔室11内充满液氮，所述射频耦合器包括：射频输入耦合器8和射频输出耦合器9，所述射频输入耦合器8和射频输出耦合器9分别连接于所述铜加速腔10上。
如图2所示，图2展示的是行波铜加速腔10的结构，腔室11内充满液氮，将铜加速腔10浸泡在低温腔室11的液氮中进行冷却，使铜加速腔10的工作温度为70K。在行波铜加速腔10的结构中，射频耦合器包括：射频输入耦合器8和射频输出耦合器9，射频输入耦合器8和射频输出耦合器9分别连接于所述铜加速腔10上，射频功率通过射频输入耦合器8输入至铜加速腔10，并通过射频输出耦合器9输出多余的射频功率，从而确保主加速单元4的加速效果。
本实施例中，所述铜加速腔10通过铜编织带与制冷机12连接，所述射频耦合器为射频输入耦合器8，所述射频输入耦合器8连接于所述铜加速腔10上。
如图3所示，图3展示的是驻波铜加速腔10的结构，铜加速腔10通过铜编织带与制冷机12连接，通过制冷机12实现传导冷却，使铜加速腔10的工作温度为40-80K。在驻波加速腔的结构中，射频耦合器为射频输入耦合器8，射频输入耦合器8连接于所述铜加速腔10上，射频功率通过射频输入耦合器8输入至铜加速腔10，从而确保主加速单元4的加速效果。
本实施例中，所述电子注入器1和主加速模块之间布置有低能聚焦单元3，所述主加速单元4的出口端布置有高能聚焦单元5。
在电子注入器1和主加速模块之间布置低能聚焦单元3，通过低能聚焦单元3横向匹配电子注入器1到主加速模块，提高脉冲电子束的传输效果，并确保脉冲电子束的加速效果。在每段主加速单元4的出口端布置高能聚焦单元5，实现加速后脉冲电子束的匹配传输，同样提高脉冲电子束的传输效果，并确保脉冲电子束的加速效果。
本实施例中，所述低能聚焦单元3为螺线管，所述高能聚焦单元5为四极磁铁。
本实施例的低能聚焦单元3采用螺线管，高能聚焦单元5采用四极磁铁，使得低能聚焦单元3和高能聚焦单元5分别进行匹配传输，提高脉冲电子束的传输效果。
本实施例中，所述主加速单元4为三段，每段主加速单元4的长度为0.5-1m。
主加速单元4为三段，每段主加速单元4的长度为0.5-1m，通过三段主加速单元4加速段的不同设置，能够调节脉冲电子束能量，在确保主加速单元4的加速梯度的前提下，起到优化结构的效果。
本实施例中，所述主加速模块的工作频率包括：S波段、C波段和X波段。
本实施例的主加速模块能够兼容S波段、C波段和X波段的脉冲电子束，能够将不同波段的脉冲电子束加速为甚高能电子束，确保加速效果。
本实施例中，所述电子注入器1为热阴极电子注入器1或光阴极电子注入器1。
本实施例的电子注入器1可根据实际情况选用热阴极电子注入器1或光阴极电子注入器1，确保产生的脉冲电子束的品质，从而确保加速效果。
本实施例的工作原理如下：
本实施例的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置在实际使用的过程中，首先通过液氮或制冷机12制冷，将铜加速腔10的工作温度控制在40-80K，使铜加速腔10保持在低温的工作环境。启动基于S波段的电子注入器1，产生3-5MeV的脉冲电子束，通过低能聚焦单元3横向匹配电子注入器1到主加速模块，通过主加速模块的三段主加速单元4将脉冲电子束加速为甚高能电子束，甚高能电子束的能量最高能够加速到250MeV，每段主加速单元4的出口端通过高能聚焦单元5实现匹配传输。通过三段主加速单元4加速段的不同设置，能够调节脉冲电子束能量。加速到特定能量的甚高能电子束通过输运整形模块6进行参数调控，以满足终端7放射治疗所需要的电子束参数，实现甚高能电子放射治疗。
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 (10)
1.一种用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，其特征在于，包括：依次连接的电子注入器、束流传输管道和终端，所述束流传输管道上依次布置有主加速模块和输运整形模块，所述主加速模块用于将所述电子注入器产生的脉冲电子束加速为甚高能电子束，所述输运整形模块用于将所述甚高能电子束进行参数调控，其中，所述主加速模块采用铜加速腔，所述铜加速腔的工作温度为40-80K。
2.根据权利要求1所述的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，其特征在于，所述主加速模块包括：依次布置的若干主加速单元，所述主加速单元包括：铜加速腔、腔室和射频耦合器，所述铜加速腔布置于所述束流传输管道上，并设于所述腔室内，所述射频耦合器连接于所述铜加速腔上。
3.根据权利要求2所述的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，其特征在于，所述铜加速腔为行波铜加速腔、驻波铜加速腔或分布式耦合铜加速腔。
4.根据权利要求3所述的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，其特征在于，所述腔室内充满液氮，所述射频耦合器包括：射频输入耦合器和射频输出耦合器，所述射频输入耦合器和射频输出耦合器分别连接于所述铜加速腔上。
5.根据权利要求3所述的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，其特征在于，所述铜加速腔通过铜编织带与制冷机连接，所述射频耦合器为射频输入耦合器，所述射频输入耦合器连接于所述铜加速腔上。
6.根据权利要求2所述的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，其特征在于，所述电子注入器和主加速模块之间布置有低能聚焦单元，所述主加速单元的出口端布置有高能聚焦单元。
7.根据权利要求6所述的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，其特征在于，所述低能聚焦单元为螺线管，所述高能聚焦单元为四极磁铁。
8.根据权利要求2所述的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，其特征在于，所述主加速单元为三段，每段主加速单元的长度为0.5-1m。
9.根据权利要求1～8任一项所述的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，其特征在于，所述主加速模块的工作频率包括：S波段、C波段和X波段。
10.根据权利要求9所述的用于甚高能电子放疗的电子直线加速装置，其特征在于，所述电子注入器为热阴极电子注入器或光阴极电子注入器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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