CN117395851A - 一种用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器及离子注入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器及离子注入方法，该紧凑型离子注入器包括离子源、射频四极场加速器和离子输送管道，离子源和射频四极场加速器分别设置在离子输送管道的两端；离子输送管道上设置有预聚束器，用于对离子束流进行沿着离子输送管道的纵向聚集。本发明公开的用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，减小医用加速器体积，降低加速器制造成本，充分且高效地发挥质子束和重离子束自身优势与特点，使得质子治疗和碳离子治疗手段更加便利和普及。
Description
技术领域
本发明涉及放射性治疗技术领域，具体涉及一种用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器及离子注入方法。
背景技术
近年来国际上和国内对于散裂中子源、加速器驱动能源和其他高功率离子束应用呈现广泛兴趣,越来越多地应用到癌症治疗中。
目前，癌症治疗主要包括外科治疗、化学治疗和放射线治疗三种方式。其中，放射线治疗包括光子治疗和离子治疗。相比于光子治疗，离子治疗(包括质子和重离子治疗)具有在布拉格峰上的剂量学优势和在三维方向上剂量的高度可控性，以及对细胞组织相对更高的穿透性等优势。然而，据统计，在过去的几十年中，接受离子治疗的患者数量远远低于光子治疗，其原因在于光子治疗仪体积小，易于安装在治疗室中，而离子治疗装置几乎要占据整幢专用建筑，例如：用于加速质子束的同步加速器直径通常为6-8米，用于加速碳离子的同步加速器直径则达到19-25米。加速器装置庞大的体积与高昂的造价是阻碍离子治疗大范围普及的重要原因。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器及离子注入方法，用于解决加速器装置庞大的体积与高昂的造价是阻碍离子治疗大范围普及的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
第一方面，本发明公开了一种用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，包括
离子源，用于产生离子束流；
射频四极场加速器，用于对离子束流进行加速；
离子输送管道，所述离子源和所述射频四极场加速器分别设置在所述离子输送管道的两端，用于将离子束流从离子源输送到所述射频四极场加速器；
预聚束器，设置于所述离子输送管道上，用于对离子束流进行沿着离子输送管道的纵向聚集。
优选地，在所述离子源和所述预聚束器之间的离子输送管道上设置有至少一个第一螺线管，用于将离子源和预聚束器之间的离子输送管道内的离子束流进行径向聚集。
优选地，所述第一螺线管的数量为一个，所述第一螺线管设置于所述离子源与所述预聚束器之间的离子输送管道的中部。
优选地，在所述预聚束器与所述射频四极场加速器之间的离子输送管道上设置有至少一个第二螺线管，用于将预聚束器与射频四极场加速器之间的离子输送管道内的离子束流进行径向聚集。
优选地，所述第二螺线管的数量为两个，两个第二螺线管分别设置于所述预聚束器与所述射频四极场加速器之间的离子输送管道的两端。
优选地，所述射频四极场加速器包括一外壳，该外壳形状呈八边形或正方形，外壳内设置有四个电极形成四翼结构。
优选地，所述射频四极场加速器的射频频率在470-750MHz之间。
优选地，所述射频四极场加速器的初始相位不采用-90度，而是大于-90度。
优选地，所述预聚束器包括一金属腔，该金属腔为圆柱形，该金属腔的中心线的两端分别设置有离子束流进口和离子束流出口，所述离子输送管道从所述预聚束器的离子束流进口穿入，并从离子束流出口穿出；
所述金属腔的侧面上设置有调谐口，调谐口上安装有调谐器，调谐器用于对所述预聚束器的腔体频率进行调谐；
所述金属腔的侧面上设置有功率耦合口，功率耦合口上安装有功率耦合器，用于将射频功率馈入所述预聚束器的腔体内，从而在所述预聚束器的腔体内建立射频电磁场；
所述金属腔的侧面上设置有真空获取口，真空获取口能对接真空泵，用于对所述金属腔进行抽取真空。
第二方面，本发明公开了一种用于肿瘤治疗的离子注入方法，采用上述的用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，包括：
离子源产生离子束流，离子束流进入离子输送管道；
离子束流经过第一螺线管，第一螺线管将离子源和预聚束器之间的离子输送管道内的离子束流进行径向聚集；
离子束流穿过预聚束器，预聚束器对离子束流进行沿着离子输送管道的纵向聚集；
离子束流经过第二螺线管，第二螺线管将预聚束器与射频四极场加速器之间的离子输送管道内的离子束流进行径向聚集；
经过第二螺线管的离子束流最后到达射频四极场加速器；
射频四极场加速器对离子束流进行加速。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(一)本发明公开了一种用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器及离子注入方法，其中紧凑型离子注入器包括离子源、第一螺线管、预聚束器、第二螺线管和射频四极场加速器，且离子源、第一螺线管、预聚束器、第二螺线管和射频四极场加速器从左至右依次设置离子输送管道上，结构紧凑，缩小加速器的体积，以减小建造规模，运行在小型化医用S波段高梯度直线加速器装置的前端，作为高梯度直线加速器的前端注入器，用于质子和碳离子肿瘤治疗。本发明公开的用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，减小医用加速器体积，降低加速器制造成本，充分且高效地发挥质子束和重离子束自身优势与特点，使得质子治疗和碳离子治疗手段更加便利和普及。该离子注入方法在癌症放疗中将产生重要价值，并且在占地面积和建造规模等方面较现有技术有显著的优势，更有利于在医院等场所推广应用。
(二)本发明公开了一种用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器及离子注入方法，射频四极场加速器运行在470-750MHz频率范围内，可为S波段高梯度直线加速器提供加速至一定能量的质子和碳离子束。该紧凑型离子注入器采用预(外)聚束方式，有效缩短紧凑型离子注入器的长度，并减小射频四极场加速器出口的束流纵向发射度，从而实现射频四极场加速器出口束流与S波段高梯度加速结构之间更好的匹配。
(三)本发明公开了一种用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器及离子注入方法，射频四极场加速器的初始相位不是传统的-90度，而是大于-90度，从而有效缩短紧凑型离子注入器的长度，并获得较小的纵向发射度，提供了一种高频率紧凑型离子注入器的方案。
(四)利用本发明公开的用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，离子输送管道上设置有预聚束器，用于对离子束流进行沿着离子输送管道的纵向聚集，相比传统的注入器，增加了预聚束器，从而获得更紧凑和更优束流传输与加速的效果，一方面可以缩短紧凑型离子注入器的长度，另一方面可以有效降低射频四极场加速器出口束流的纵向发射度，使射频四极场加速器出口束流与下游的S波段高梯度加速器更好地匹配。本发明提供的用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，属于一种直线加速器的前端注入器，可以制造出先进的小型化医用加速器装置，该装置能够为肿瘤放疗提供质子和碳离子束，具有重要的社会和经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器的结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的预聚束器的正面的三维视图；
图3是本发明实施例1提供的预聚束器的侧面的三维视图。
附图标记说明：1-离子源；2-离子输送管道；3-预聚束器，31-离子束流进口，32-离子束流出口，33-调谐口，34-功率耦合口，35-真空获取口；4-射频四极场加速器；51-第一螺线管；52-第二螺线管。
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。
为了实现医用离子加速器装置小型化，本发明提出一种具有小纵向发射度的高频率紧凑型离子注入器设计方案，并作为S波段高梯度直线加速器的注入器。本发明提供的离子注入器方案，射频四极场加速器的初始相位不是传统的-90度，而是大于-90度，从而有效缩短离子注入器的长度，并获得较小的纵向发射度，实现束流与后继(S波段)高梯度加速器结构更好匹配。然而，这种设计会导致束流在射频四极场加速器中的传输效率降低，为了克服该缺点，本发明提出：在射频四极场加速器前，利用频率与射频四极场加速器一致的预聚束器，提高射频四极场加速器的束流传输效率。本发明能够用于新型紧凑质子/碳离子肿瘤治疗装置，具有重要的社会和经济效益。
本发明公开了一种用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，属于高频率紧凑型，用于S波段高梯度直线加速器的注入器，整体装置可产生并加速用于肿瘤治疗的质子或碳离子束，具体实施方案如下：
(1)为了与高梯度加速结构匹配，射频四极场加速器的运行频率选择高梯度结构运行频率的1/4或者1/6，通常运行在470-750MHz范围。
(2)射频四极场加速器的第一级加速器的注入能力取决于离子源的引出电压，射频四极场加速器的引出能量取决于下一级加速器的注入能量。
(3)为了缩短离子注入器的长度，并获得较小的纵向发射度，射频四极场加速器的初始相位不采用传统的-90度，而是大于-90度。
(4)为了提高射频四极场加速器的传输效率，在射频四极场加速器的上游安放频率与射频四极场加速器一致的预聚束器，预聚束器可采用Pill-box结构。在离子源和射频四极场加速器之间的传输线上还放置了螺线管透镜等匹配元件。
(5)由于离子注入器的运行频率较高，射频四极场加速器采用四翼结构。
实施例1：一种用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器
本发明实施例1提供一种用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，下面结构附图对其结构进行详细描述。
参考图1，该用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器包括离子源1、离子输送管道2、预聚束器3和射频四极场加速器4，
离子源1用于产生离子束流；
射频四极场加速器4用于对离子束流进行加速；
离子源1和射频四极场加速器4分别设置在所述离子输送管道2的两端，离子束流从离子源1发出后，经过离子输送管道2输送到所述射频四极场加速器4。
所述离子输送管道2上设置有预聚束器3，用于对离子束流进行沿着离子输送管道2的纵向聚集。
在所述离子源1和所述预聚束器3之间的离子输送管道2上设置有至少一个第一螺线管51，用于将离子源1和预聚束器3之间的离子输送管道2内的离子束流进行径向聚集。
具体地，所述第一螺线管51的数量为一个，所述第一螺线管51设置于所述离子源1与所述预聚束器3之间的离子输送管道2的中部。
在所述预聚束器3与所述射频四极场加速器4之间的离子输送管道2上设置有至少一个第二螺线管52，用于将预聚束器3与射频四极场加速器4之间的离子输送管道2内的离子束流进行径向聚集。
具体地，所述第二螺线管52的数量为两个，两个第二螺线管52分别设置于所述预聚束器3与所述射频四极场加速器4之间的离子输送管道2的两端。
离子源1、第一螺线管51、预聚束器3、第二螺线管52和射频四极场加速器4从左至右依次设置所述离子输送管道2上。
射频四极场(Radio Frequency Quadrupole，缩写为RFQ)加速器是一种低能离子直线加速器，广泛用于大型离子加速器的前端注入器。射频四极场加速器因其能直接加速从离子源中引出的低能离子，并将纵向加速、纵向群聚、横向聚焦与匹配等多种功能汇集于一个结构之中，从而可高效率地将数十毫安乃至数百毫安的强流离子束进行加速。射频四极场加速器作为低能强流加速器的一种通用的前级加速器，在散裂中子源、加速器驱动洁净核能系统、中微子工厂等大型科学装置以及小型加速器中子源等应用装置中得到了日益广泛的应用。目前，四翼型射频四极场已成为强流加速器初始阶段(从离子源开始到能量为几MeV)普遍选择的加速结构。
射频四极场加速器从束流动力学角度可大体分为四段，这四段加速段从前至后分别是：径向匹配段(RMS)、成形段(SH)、平滑聚束段(GB)和加速段(AC)，从高频结构角度可分为四翼型、四杆型、交叉指型、分离同轴型等。
作为一个具体地实施方式，射频四极场加速器4包括一外壳，该外壳形状呈八边形或正方形，外壳内设置有四个电极形成四翼结构。
所述射频四极场加速器4是作为S波段高梯度直线加速器的前端注入器，其运行频率选择高梯度结构运行频率的1/4或者1/6，运行范围为470-750MHz。
其中，射频四极场加速器4作为第一级加速器，其注入能量取决于离子束流的引出电压，射频四极场加速器4的引出能量取决于下一级加速器的注入能量。
射频四极场加速器4的初始相位不采用传统的-90度，而是大于-90度。
作为一种具体地实施方式，采用内部带有四翼结构的射频四极场加速器4是一种高频率射频四极场加速器。
参考图2和图3，预聚束器3包括一金属腔，金属腔为圆柱形，金属腔上设置有离子束流进口31和离子束流出口32，所述离子输送管道2从预聚束器3的离子束流进口31穿入，并从离子束流出口32穿出。
所述金属腔的侧面上设置有调谐口33，调谐口33上安装有调谐器，调谐器用于对所述预聚束器3的腔体频率进行调谐；
所述金属腔的侧面上设置有功率耦合口34，功率耦合口34上安装有功率耦合器，用于将射频功率馈入所述预聚束器3的腔体内，从而在所述预聚束器3的腔体内建立射频电磁场；
所述金属腔的侧面上设置有真空获取口35，真空获取口35能对接真空泵，用于对所述金属腔进行抽取真空。
具体地，预聚束器3可采用Pill-box结构，其中Pill-box是一种圆柱形的中空结构射频腔体，Pill-box腔工作在TE010模式下，当给腔体馈入一定频率的射频功率，其中建立的电磁场会对离子束产生聚束作用。预聚束器3的电磁场频率与射频四极场加速器4的频率相一致。
实施例2：一种用于肿瘤治疗的离子注入方法
本发明实施例2提供一种用于肿瘤治疗的离子注入方法，采用实施例1提供的用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，该离子注入方法包括以下步骤：
离子源1产生离子束流，离子束流进入离子输送管道2；
离子束流经过第一螺线管51，第一螺线管51将离子源1和预聚束器3之间的离子输送管道2内的离子束流进行径向聚集；
离子束流穿过预聚束器3，预聚束器3对离子束流进行沿着离子输送管道2的纵向聚集；
离子束流经过第二螺线管52，第二螺线管52将预聚束器3与射频四极场加速器4之间的离子输送管道2内的离子束流进行径向聚集；
经过第二螺线管52的离子束流最后到达射频四极场加速器4；
射频四极场加速器4对离子束流进行加速。
其中，在离子束流穿过预聚束器3之前，真空获取口35对接真空泵，对所述金属腔进行抽取真空；
在离子束流穿过预聚束器3的过程中，预聚束器3的调谐器对所述预聚束器3的腔体频率进行调谐，预聚束器3的功率耦合器将射频功率馈入所述预聚束器3的腔体内，从而在预聚束器3的腔体内建立射频电磁场。
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)
1.一种用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，其特征在于，包括
离子源(1)，用于产生离子束流；
射频四极场加速器(4)，用于对离子束流进行加速；
离子输送管道(2)，所述离子源(1)和所述射频四极场加速器(4)分别设置在所述离子输送管道(2)的两端，用于将离子束流从离子源(1)输送到所述射频四极场加速器(4)；
预聚束器(3)，设置于所述离子输送管道(2)上，用于对离子束流进行沿着离子输送管道(2)的纵向聚集。
2.根据权利要求1所述的于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，其特征在于，
在所述离子源(1)和所述预聚束器(3)之间的离子输送管道(2)上设置有至少一个第一螺线管(51)，用于将离子源(1)和预聚束器(3)之间的离子输送管道(2)内的离子束流进行径向聚集。
3.根据权利要求2所述的于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，其特征在于，
所述第一螺线管(51)的数量为一个，所述第一螺线管(51)设置于所述离子源(1)与所述预聚束器(3)之间的离子输送管道(2)的中部。
4.根据权利要求3所述的于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，其特征在于，
在所述预聚束器(3)与所述射频四极场加速器(4)之间的离子输送管道(2)上设置有至少一个第二螺线管(52)，用于将预聚束器(3)与射频四极场加速器(4)之间的离子输送管道(2)内的离子束流进行径向聚集。
5.根据权利要求4所述的于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，其特征在于，
所述第二螺线管(52)的数量为两个，两个第二螺线管(52)分别设置于所述预聚束器(3)与所述射频四极场加速器(4)之间的离子输送管道(2)的两端。
6.根据权利要求1所述的于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，其特征在于，
所述射频四极场加速器(4)包括一外壳，该外壳形状呈八边形或正方形，外壳内设置有四个电极形成四翼结构。
7.根据权利要求6所述的于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，其特征在于，
所述射频四极场加速器(4)的射频频率在470-750MHz之间。
8.根据权利要求6所述的于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，其特征在于，
所述射频四极场加速器(4)的初始相位大于-90度。
9.根据权利要求1所述的于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，其特征在于，
所述预聚束器(3)包括一金属腔，该金属腔为圆柱形，该金属腔的中心线的两端分别设置有离子束流进口(31)和离子束流出口(32)，所述离子输送管道(2)从所述预聚束器(3)的离子束流进口(31)穿入，并从离子束流出口(32)穿出；
所述金属腔的侧面上设置有调谐口(33)，调谐口(33)上安装有调谐器，调谐器用于对所述预聚束器(3)的腔体频率进行调谐；
所述金属腔的侧面上设置有功率耦合口(34)，功率耦合口(34)上安装有功率耦合器，用于将射频功率馈入所述预聚束器(3)的腔体内，从而在所述预聚束器(3)的腔体内建立射频电磁场；
所述金属腔的侧面上设置有真空获取口(35)，真空获取口(35)能对接真空泵，用于对所述金属腔进行抽取真空。
10.一种用于肿瘤治疗的离子注入方法，采用权利要求1至9任一所述的用于肿瘤治疗的紧凑型离子注入器，其特征在于，包括：
离子源(1)产生离子束流，离子束流进入离子输送管道(2)；
离子束流经过第一螺线管(51)，第一螺线管(51)将离子源(1)和预聚束器(3)之间的离子输送管道(2)内的离子束流进行径向聚集；
离子束流穿过预聚束器(3)，预聚束器(3)对离子束流进行沿着离子输送管道(2)的纵向聚集；
离子束流经过第二螺线管(52)，第二螺线管(52)将预聚束器(3)与射频四极场加速器(4)之间的离子输送管道(2)内的离子束流进行径向聚集；
经过第二螺线管(52)的离子束流最后到达射频四极场加速器(4)；
射频四极场加速器(4)对离子束流进行加速。
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