CN117545164A - 一种超高频高峰值流强的直线加速器 - Google Patents

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李晨星
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黄玉璐
黎晓晓
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Abstract

本发明涉及一种超高频高峰值流强的直线加速器，包括：离子源系统、真空泵室和RFQ加速器；所述离子源系统用于输出低发射度高峰值流强的等离子体束流，并通过第一低能传输线传输至真空泵室；所述RFQ加速器通过所述第二低能传输线与所述真空泵室相连，用于对真空泵室输出的等离子体束流进行加速，输出超高频高峰值流强的等离子体束流。本发明具有成本低、长度短、横向尺寸小、峰值束流强度高等优点，可提供不同能量的质子束流，分别用于同位素生产和质子闪光放疗，可以提高同位素生产效率和闪光放疗的剂量率，也可在秒量级提供千个不同能量的束团，有利于提高癌症放疗的精准性，可以广泛应用于加速器领域。

Description

一种超高频高峰值流强的直线加速器
技术领域
本发明涉及一种超高频高峰值流强的直线加速器，属于加速器领域。
背景技术
现有同位素生产装置的直线加速器技术主要分为超导直线加速器和常温直线加速器。对于超导直线加速器，其加速梯度高，平均流强可以到数十mA级，能量连续可调，但由于达到超导态，引入了低温恒温器，总体上长度长，加速质子束流到20MeV，需要直线加速器的长度约15-18m，而且低温恒温器系统成本巨大。对于常温直线加速器，虽然其平均流强也可以到数个mA级，但由于工作频率低，加速梯度低，通常为2-3MV/m，加速质子束流到20-30MeV，需要直线加速器长度为12-18m，而且低工作频率会使得腔体的横向尺寸大，制造成本高。
常规放疗装置主要通过电离辐射对癌细胞造成损伤，进而使得癌细胞死亡。然而，放疗也会对肿瘤周围的正常组织造成急性和慢性毒性。这些辐射诱发的毒性限制了递送至肿瘤的辐射剂量，从而限制了放疗对肿瘤的局控效果。同时，由于常规放疗装置的剂量率通常小于0.05Gy/s，放疗需要在几周内分几次长时间的照射。而闪光放疗是指利用超高剂量率照射所产生的对正常组织有保护作用的机制进行的放射治疗。目前研究中剂量率大都在40Gy/s以上，照射时间一般小于1s，远远超过常规剂量率0.05Gy/s。
闪光放疗用加速器目前主要包括同步加速器，回旋加速器和同步回旋加速器。目前还没有基于直线加速器的闪光放疗装置。直线加速器可提供每个脉冲的能量都是不同的，而且束流发射度小，其在闪光放疗上具有天然的巨大优势。然而，目前的离子直线加速器大多采用数十到数百兆赫兹低工作频率时，流强高，但成本高，仅仅能用于基础科学研究装置。高工作频率的离子直线加速器具有成本低、紧凑的优势，但目前的设计峰值流强低，峰值强度最大约百μA级，不能满足闪光放疗的需求。
综上，无论对于同位素生产或是闪光放疗装置，综合考虑成本和效果，都亟需一种流强高、传输效率高和发射度小的高工作频率直线加速器。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种超高频高峰值流强的直线加速器，该直线加速器具有成本低、长度短、横向尺寸小、峰值束流强度高等优点，可提供不同能量的质子束流，分别用于同位素生产和质子闪光放疗，可以提高同位素生产效率和闪光放疗的剂量率，也可在秒量级提供千个不同能量的束团，有利于提高癌症放疗的精准性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种超高频高峰值流强的直线加速器，包括依次相连的离子源系统、真空泵室和RFQ加速器；所述离子源系统包括回旋共振管、等离子体弧腔、永磁约束磁铁和下游腔室；
所述回旋共振管通过波导系统与所述等离子体弧腔的入口端相连，用于输出预设等级和频率的激励信号，以激励等离子体产生；
所述等离子体弧腔通过陶瓷窗与所述下游腔室相连，且所述等离子体弧腔的出口端设置有弧腔电极，用于配合设置在所述下游腔室内的引出电极对等离子体引出口的电场分布进行优化调试，使得在靠近轴向处形成径向镜面电势区；
所述永磁约束磁铁套设在所述等离子体弧腔外部，用于实现所述等离子体弧腔的中心区为磁场阱，使得等离子体束流能够约束在磁场阱区；
所述引出电极用于降低径向非线性场对等离子体束流的作用，输出低发射度高峰值流强的等离子体束流；
所述等离子体弧腔的入口端还设置有进气孔，用于向等离子体弧腔内注入氢气；
所述RFQ加速器与所述真空泵室相连，用于对低发射度高峰值流强的等离子体束流进行加速，输出超高频高峰值流强的等离子体束流。
进一步，所述回旋共振管采用输出谐振频率为28GHz、输出功率范围为5～15kW的回旋共振管。
进一步，所述弧腔电极采用喇叭状结构，且喇叭状广口端通过螺纹与所述等离子体弧腔相连，喇叭状窄口端与所述引出电极间隔预设距离，使得在靠近轴向处形成镜面电势区。
进一步，所述弧腔电极喇叭状窄口端的孔径范围为2.5～6.5mm。
进一步，所述引出电极采用球面引出极头，所述球面引出极头一端设置为球形凹槽，孔径为1.5～2.5mm之间，另一端设置为矩形凹槽，并通过凹槽内设置的螺纹结构依次与腔室连接杆、出口法兰、真空管道相连，所述真空管道另一端与第一低能传输线相连。
进一步，所述离子源系统与所述真空泵室之间、所述真空泵室与所述RFQ加速器之间分别通过第一低能传输线和第二低能传输线连接，且所述第一低能传输线和第二低能传输线均采用双电磁螺线管，所述第一低能传输线和第二低能传输线之间的漂移距离为1～2倍磁铁有效长度。
进一步，所述第一低能传输线的前后两端、第二低能传输线的前后两端均设置有限束光阑，且所述第二低能传输线的后端还设置有限束锥；各所述限束光阑和限束锥共同实现所述离子源系统输出的离子束流与所述RFQ加速器的匹配。
进一步，所述RFQ加速器的工作频率为714MHz-1000MHz，采用的电极平均半径为1.5～1.7mm。
进一步，所述RFQ加速器的入口端350～500mm处，还套设有用于增加横向聚焦的螺线管。
进一步，所述直线加速器还包括高能加速器，所述高能加速器采用IH-DTL加速器、SCDTL加速器、BTW加速器或者CCL加速器中的任意一种。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、峰值流强高，传输效率高。本发明通过对离子源系统、低能传输线以及RFQ加速器的合理设计，使得本发明提出的超高频高峰值流强的直线加速器可提供峰值强度5-10mA的束流，平均流强为5-10μA，占空比0.1％，峰值和平均强度均是现有的5-10倍，可以提高同位素生成装置的生成效率，也可以提高最大质子闪光放疗的剂量率到300-400Gy/s。
2、可在ms量级进行束流能量调节，秒量级内提供千个不同能量的束团，可以用于提高癌症放疗的精准性。
3、加速梯度高，加速器长度短。高频直线加速器加速束流到20-30MeV，长度约为8-13m，是现有常温加速器约30％，加速束流到230MeV，长度约20-25m，满足医院安装长度要求。
4、横向尺寸小，加工成本低。由于工作频率提高，横向尺寸降低为50％，降低了加速器加工制造成本。
因此，本发明可以广泛应用于加速器领域。
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超高频高峰值流强的直线加速器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的离子源系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的低能传输线的多组限束光阑优化配置；
图4是本发明实施例提供的RFQ横向截面；
图5是本发明实施例提供的RFQ外置聚焦螺线管设计；
图6是本发明实施例提供的20MeV质子束流出口相空间分布图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了实现超高频直线加速器能够加速高峰值流强的束流，需要解决的技术问题包括：
1、低发射度强流离子源
电子回旋共振离子源由等离子体弧腔、永磁约束磁铁、引出电极、高压平台、微波功率系统、进气系统等组成。其中，等离子体温度及离子源工作气压、约束磁场及引出电场均影响到引出束流的强度及品质。因此，低发射度强流离子源需要解决的关键问题包括约束区磁场场型、引出电场分布、共振频率优化、弧腔气压优化等，以此来改善束流品质。
2、低发射度增长的低能传输线
对于十mA级30～50keV质子束低能传输线，影响束流发射度增长的因素主要为空间电荷效应及与RFQ加速器匹配过程中传输线内较弱的外聚焦约束中产生。其中，RFQ加速器的工作频率为714～750MHz，匹配点参数要求较为严苛，Beta 0.01mm/mrad,给低能传输线设计造成了挑战。为此，需要解决的关键问题包括利用传输线空间电荷补偿降低空间电荷力造成的束流发射度增长；提高传输线的紧凑性，缩短与RFQ加速器的匹配接口长度；设计限束光阑，进行束流相空间刮束，提高束流品质。
3、高工作频率RFQ加速器对强流束的高效传输
RFQ加速器利用的是高频电场进行横向聚焦，当工作频率提升后，横向聚焦会严重不足，会带来传输效率严重下降，致使RFQ出口峰值流强提升受限。需要解决RFQ加速器的横向聚焦不足的技术问题，从而增加RFQ出口束流的峰值强度，控制RFQ加速器横向发射度增长。
基于上述分析，本发明的一些实施例中，提供一种超高频高峰值流强的直线加速器，该直线加速器的核心困难是高峰值强度束流在低能加速段，即离子源、低能传输线和RFQ加速器中的加速和传输，核心任务是提高强流束的传输效率，控制强流束的横向、纵向发射度增长，使其满足后续高能加速段中SCDTL加速器、BTW加速器或者CCL加速器的加速和传输。
实施例1
如图1所示，为本实施例提供的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其包括：由依次相连的离子源系统1、第一低能传输线2、真空泵室3、第二低能传输线4和RFQ加速器5构成的低能加速段和高能加速段。其中，离子源系统1用于产生低发射度高峰值流强的等离子体束流至真空泵室3；RFQ加速器5用于对低发射度高峰值流强的等离子体束流进行加速，输出超高频高峰值流强的等离子体束流；真空泵室3用于保证整个直线加速器系统处于真空状态。
优选地，如图2所示，离子源系统1包括回旋共振管(图中未示出)、等离子体弧腔11、永磁约束磁铁12和下游腔室13。其中，回旋共振管通过波导系统14与等离子体弧腔11的入口端相连，用于输出预设等级和频率的激励信号，以激励等离子体产生；等离子体弧腔11通过陶瓷窗15与下游腔室13相连，且等离子体弧腔11的出口端设置有弧腔电极16，用于配合下游腔室13内设置的引出电极17对等离子体引出口的电场分布进行优化调试，使得在靠近轴向处形成径向镜面电势区；永磁约束磁铁12套设在等离子体弧腔11外部，用于实现离子源弧腔中心区为磁场阱，使得等离子体束流能够约束在阱区；引出电极17的结构优化用于降低径向非线性场对等离子体束流的作用，输出低发射度高峰值流强的等离子体束流；等离子体弧腔11的入口端还设置有进气孔18，用于向等离子体弧腔内注入氢气。
更为优选地，本实施例中，回旋共振管的输出谐振频率为28GHz、输出功率范围为5～15kW。
更为优选地，弧腔电极16采用喇叭状结构，且喇叭状结构的广口端通过螺纹与等离子体弧腔11出口端相连，喇叭状结构的窄口端与引出电极17间隔预设距离，使得在靠近轴向处形成镜面阱区，其中设计端部磁场1.5T,中心阱区0.25T。更为优选地，弧腔电极16窄口端的孔径范围为2.5～6.5mm。
更为优选地，引出电极17采用球面引出极头，该球面引出极头一端设置为球形凹槽，孔径为1.5～2.5mm之间，另一端设置为矩形凹槽，用于通过凹槽内设置的螺纹结构依次与腔室连接杆、出口法兰、真空管道相连，真空管道另一端与第一低能传输线2相连。
更为优选地，等离子体弧腔11和下游腔室13内填充有聚四氟隔绝真空，使得离子源系统1内部整体为真空腔室。
更为优选地，离子源系统1还包括有高精度质量流量计，该高精度质量流量计用于对离子源系统下游腔室的气压状态进行控制和监测，并将监测数据发送到控制反馈系统，由控制反馈系统对离子源系统1的气压状态进行反馈控制，保证离子源系统1的准稳态气压。本实施例中，高精度质量流量计可实现3sccm(标准毫升每分钟)的调节量，且调节精度在±1％，相较目前离子源传统采用的针阀系统，调节精度提高一个量级。
工作时，离子源系统1采用28GHz共振回旋频率配合数十千瓦回旋共振管用于激励等离子体产生；为了保证足够的等离子体约束，利用外部电磁铁来优化调试磁场，通过弧腔电极配合引出电极使得在靠近轴向处，形成镜面电势，其中设计端部磁场1.5T,中心阱区0.25T；引出电极设计成球面可以用来降低径向非线性场对束流的作用；通过上述方案，从而得到低发射度高峰值流强的束流，峰值束流强度在15～20mA，发射度为0.04～0.08mm.mrad。
在使用时，一方面，弧腔电极16可以隔绝下游腔室13与等离子体弧腔11，保证等离子体弧腔独立成为腔室，内部由电子在共振电磁场中进行回旋运行，进而实现电子与氢气的电离，最终形成氢电离状态的等离子体，包含H+/H2 +/H3 +/e-；另一方面，弧腔电极作为等离子体引出的窗口，其通过等离子体弧腔外壁挂载的高压电源处于高压电位，与下游接地的零电位引出电极之间形成电势差，该电场可将质子束(H+)吸出、加速。
优选地，第一低能传输线2和第二低能传输线4均采用双电磁螺线管，且两螺线管之间漂移距离为1～2倍磁铁有效长度。
其中，螺线管设计中，会提出磁场的作用长度，该磁场等效作用长度称之为“有效长度”，区别于安装尺寸长度。两螺线管之间留出1～2倍磁铁有效长度的空间，目的有两个，一是留出束流作用距离，二是安装真空泵室3，束流需要在准真空中才能防止与气体碰撞丢失粒子，这个空间通过装配真空泵室3，以安装真空泵来维持1E-3～1E-5pa的真空度。
一方面，采用双电磁螺线管的紧凑型束流动力学设计，经过模拟仿真，可以压缩两螺线管之间漂移距离为1～2倍磁铁有效长度，保证装配真空泵室3必要空间，也可以将离子源采用脉冲运行模式，从而节约掉通常用于脉冲时间结构产生的斩波器，从而缩短第二低能传输线4到RFQ加速器5入口匹配段距离约33％，该距离对发射度增长和束流匹配都有着严重的影响，距离越短，发射度增长越小，越有利于RFQ加速器5入口的匹配。另一方面，充分利用空间电荷效应补偿，可通过优化配置真空泵来实现，控制低能传输线前端(也即离子源系统出口到真空泵室3入口之间连接段)真空度在5E-3～5E-4Pa，以提高空间电荷补偿能力；控制低能传输线出口处(即第二低能传输线4直到与RFQ加速器5入口之间连接段)真空在5E-4～5E-5Pa,以减小RFQ加速器5入口端打火几率。
优选地，如图3所示，第一低能传输线2的前后两端分别设置有限束光阑21和限束光阑22，第二低能传输线4的前后两端分别设置有限束光阑41和限束光阑42，且低能传输线4的后端还设置有限束锥43。其中，限束光阑21、限束光阑22、限束光阑41和限束光阑42用于对离子流进线束流，得到孔径在2.8～3.2倍的束流RMS包络；限束锥43用于刮除限制H2+束流；各限束光阑和限束锥共同实现离子源系统1输出的离子束流到RFQ加速器5的强流束的匹配，提供峰值束流强度在6-12mA，发射度增长小于20％。
优选地，RFQ加速器5的工作频率为714MHz-1000MHz，采用的电极平均孔径为1.5～1.7mm。
如图4所示，本实施例中，经过动力学仿真模拟发现，RFQ加速器5可以通过缩小电极平均孔径R0的方式来提高横向聚焦，当平均孔径R0降低到1.5～1.7mm时，才能在打火系数不超2的同时，满足RFQ加速器5对峰值束流强度为5～10mA的高效传输。RFQ加速器5的电极相关尺寸多，精度要求高，加工难度大。尤其是极头部位的平均孔径RO与极头壁厚尺寸RV，此两组尺寸的变化直接影响电极极头的加工工艺。
另外，当电极平均孔径RO变小时，相应的壁厚RV将随之变小，在加工过程中，极头部位极易变形。为了解决此类问题，电极加工采用高精度、高转速的CNC数控加工中心，为了保证极头部位调制波浪线的加工精度，采用小型球头刀，多次少量的加工工序，并加工多个极头试验件，检测相应数据，确保加工后极头的实际轮廓与理论轮廓相符，确定最优的极头加工工艺路线，最大程度地保证极头的加工尺寸及其精度。在后期的运输、装配过程中，需对极头部位进行特殊防护，避免极头划伤或磕碰等。
更为优选地，如图5所示，RFQ加速器5入口端350～500mm处，还套设用于增加横向聚焦的螺线管51，可以有效提升RFQ加速器5的传输效率。其中，螺线管51的内径约为120～150mm。
虽然RFQ加速器5的横向尺寸约85～100mm，但由于RFQ加速器外壁通过设置有冷却等附属设备，导致其实际所占横向尺寸在300～400mm，而如此大半径的螺线管加工困难，成本高。本实施例中，经过仿真计算发现，RFQ加速器需要增加外聚焦的长度仅入口端350～500mm，因此本实施例中，将原本设置在RFQ加速器入口端350～500mm的外壁附属设备替换为螺线管11，以降低螺线管的横向尺寸，确保螺线管内径约120～150mm，长度约300～500mm，RFQ加速器外置聚焦螺线管设计见图5。
本实施例中，通过将RFQ加速器5的电极平均孔径降低到1.5-1.7mm，同时在RFQ加速器5的入口端套设螺线管，使得在RFQ加速器5的出口端可以得到峰值强度为5～10mA的束流，RFQ传输效率可以达到90％。
优选地，高能加速段可以采用IH-DTL加速器、SCDTL加速器、BTW加速器或者CCL加速器中的任意一种。其中，IH-DTL加速器的工作频率为714MHz-1000MHz；SCDTL加速器、BTW加速器或CCL加速器的工作频率优选为2856MHz-3000MHz。
如图6所示，本实施例提供的超高频高峰值流强直线加速器，其可提供峰值强度5～10mA，平均强度为0.005～0.01mA，能量为20～230MeV的质子束流。图中示例给出了30MeV质子束流出口相空间分布，束流峰值强度为10.2mA。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高频高峰值流强的直线加速器，包括依次相连的离子源系统、真空泵室和RFQ加速器；其特征在于，所述离子源系统包括回旋共振管、等离子体弧腔、永磁约束磁铁和下游腔室；
所述回旋共振管通过波导系统与所述等离子体弧腔的入口端相连，用于输出预设等级和频率的激励信号，以激励等离子体产生；
所述等离子体弧腔通过陶瓷窗与所述下游腔室相连，且所述等离子体弧腔的出口端设置有弧腔电极，用于配合设置在所述下游腔室内的引出电极对等离子体引出口的电场分布进行优化调试，使得在靠近轴向处形成径向镜面电势区；
所述永磁约束磁铁套设在所述等离子体弧腔外部，用于实现所述等离子体弧腔的中心区为磁场阱，使得等离子体束流能够约束在磁场阱区；
所述引出电极用于降低径向非线性场对等离子体束流的作用，输出低发射度高峰值流强的等离子体束流；
所述等离子体弧腔的入口端还设置有进气孔，用于向等离子体弧腔内注入氢气；
所述RFQ加速器与所述真空泵室相连，用于对低发射度高峰值流强的等离子体束流进行加速，输出超高频高峰值流强的等离子体束流。
2.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述回旋共振管采用输出谐振频率为28GHz、输出功率范围为5～15kW的回旋共振管。
3.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述弧腔电极采用喇叭状结构，且喇叭状广口端通过螺纹与所述等离子体弧腔相连，喇叭状窄口端与所述引出电极间隔预设距离，使得在靠近轴向处形成镜面电势区。
4.如权利要求3所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述弧腔电极喇叭状窄口端的孔径范围为2.5～6.5mm。
5.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述引出电极采用球面引出极头，所述球面引出极头一端设置为球形凹槽，孔径为1.5～2.5mm之间，另一端设置为矩形凹槽，并通过所述矩形凹槽内设置的螺纹结构依次与腔室连接杆、出口法兰、真空管道相连，所述真空管道另一端与第一低能传输线相连。
6.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述离子源系统与所述真空泵室之间、所述真空泵室与所述RFQ加速器之间分别通过第一低能传输线和第二低能传输线连接，且所述第一低能传输线和第二低能传输线均采用双电磁螺线管，所述第一低能传输线和第二低能传输线之间的漂移距离为1～2倍磁铁有效长度。
7.如权利要求6所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述第一低能传输线的前后两端、第二低能传输线的前后两端均设置有限束光阑，且所述第二低能传输线的后端还设置有限束锥；各所述限束光阑和限束锥共同实现所述离子源系统输出的离子束流与所述RFQ加速器的匹配。
8.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述RFQ加速器的工作频率为714MHz-1000MHz，采用的电极平均半径为1.5～1.7mm。
9.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述RFQ加速器的入口端350～500mm处，还套设有用于增加横向聚焦的螺线管。
10.如权利要求1所述的一种超高频高峰值流强的直线加速器，其特征在于，所述直线加速器还包括高能加速器，所述高能加速器采用IH-DTL加速器、SCDTL加速器、BTW加速器或者CCL加速器中的任意一种。
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