CN118301837A - 一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，包括：离子源、低能传输线、RFQ加速结构、FODO聚焦结构、SCDTL加速结构以及功率源系统；所述离子源通过低能传输线依次与所述RFQ加速结构和SCDTL加速结构相连；所述FODO聚焦结构包括双组合透镜以及若干四极磁铁，且所述双组合透镜设置在所述RFQ加速结构的出口端和SCDTL加速结构的入口端之间，各所述四极磁铁设置在所述SCDTL加速结构内的各加速腔之间；所述功率源系统用于为所述RFQ加速结构和SCDTL加速结构同时提供预设高频功率。本发明可以广泛应用于加速器技术领域。

Description

一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器

技术领域

本发明涉及一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，属于加速器技术领域。

背景技术

质子癌症治疗的一条技术路线是直线注入器+同步加速器。直线注入器的注入能量为数MeV，单RFQ加速结构的加速效率不高，因此多采用低工作频率RFQ+IH-DTL加速结构或者RFQ+Alvarez DTL结构，频率多为50-400MHz，束流强度为uA级，在同步加速器中需要采用多圈注入方式。低工作频率的直线注入器也可以提升束流强度到数mA级，可以采用单圈注入方式。然而，由于采用的是低工作频率加速结构，而且需要进行RFQ和IH-DTL两种不同加速结构的横纵向匹配，因此整个直线注入器的长度约数米、横向尺寸也大，使得直线注入器的造价昂贵。

质子癌症治疗的另一条技术路线是高工作频率的全直线加速器，由于高工作频率的采用，该技术路线具有加速梯度高，横向尺寸小，长度短的优势，但通常情况下的束流强度和传输效率都不高。现有的一种加速结构是750MHz RFQ+750MHz IH-DTL+3GHz SCDTL+3GHz BTW，其中，750MHz RFQ加速束流到5MeV，750MHz IH-DTL提高束流能量到10MeV，为缩短直线加速器长度，后续加速结构采用3GHz SCDTL加速束流到更高的能量。另一种加速结构是750MHz RFQ+3GHz SCDTL+3GHz CCL，该技术方案中去除了750MHz IH-DTL，3GHz SCDTL注入能量降低到5MeV，这些技术方案传输峰值强度约百uA级的束流，而且传输效率都只有约20-30％，并且在这些技术方案中，为了使直线加速器更加紧凑，横向聚焦采用永磁铁的方案来对束流横向进行约束。

然而，现有的技术方案存在一定的缺点，例如：

1、现有的技术方案多提供的是束流强度为百uA级的弱流束；

2、现有的技术方案多采用低工作频率的RFQ+DTL加速结构，而且RFQ和DTL两种不同加速结构的横纵向匹配非常复杂，使整个直线注入器的长度长、横向尺寸大，造价高；

3、现有的高工作频率直线加速器方案，不管是RFQ+IH-DTL+4倍频SCDTL或者RFQ+4倍频SCDTL来作为数MeV的直线注入器，都要面对多倍跳频问题，其传输效率较低，并且现有的3GHz SCDTL结构在数MeV能量段的加速效率低，分路阻抗低，功率需求大；

4、现有方案种采用的永磁铁无法调节，适合在弱流时使用，在强流时磁铁的误差会使束流传输效率低，不满足输出强流束的需求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，束流能量为数MeV，采用的加速结构具有高的加速效率，不同加速结构之间实现紧凑型匹配，整个直线注入器传输效率高，且调试方便。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，包括：

离子源、低能传输线、RFQ加速结构、FODO聚焦结构、SCDTL加速结构以及功率源系统；

所述离子源通过低能传输线依次与所述RFQ加速结构和SCDTL加速结构相连；

所述FODO聚焦结构包括双组合透镜以及若干四极磁铁，且所述双组合透镜设置在所述RFQ加速结构的出口端和SCDTL加速结构的入口端之间，各所述四极磁铁设置在所述SCDTL加速结构内的各加速腔之间；

所述功率源系统用于为所述RFQ加速结构和SCDTL加速结构同时提供预设高频功率。

进一步，所述RFQ加速结构和SCDTL加速结构的工作频率相同。

进一步，所述RFQ加速结构和SCDTL加速结构的工作频率为714-1000MHz。

进一步，所述SCDTL加速结构中各加速腔内的间隙数以及单元长度根据有效电压和射流能量确定为不同数值。

进一步，所述SCDTL加速结构内的加速腔数量根据模式间隔和最终能量需求确定为不同数值。

进一步，所述SCDTL加速结构内的加速腔数量为3-6个。

进一步，各所述四极磁铁采用永磁+电磁的混合磁铁。

进一步，所述混合磁铁包括磁铁底座，所述磁铁底座上设置有由磁极和铁轭构成的铁芯，且所述磁极的极头采用双曲线形式，所述磁极的根部与所述铁轭之间通过永磁固定件安装永磁块进行主场励磁；所述磁极上设置有励磁线圈，所述励磁线圈采用自然冷却的漆包线进行磁场调节，同时采用双向电源增强或减弱主场的聚焦能力。

进一步，所述磁极和铁轭采用软磁材料制作。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明的直流注入器采用RFQ和SCDTL同频加速结构，增加纵向接受度约4倍，采用高效的横向聚焦FODO结构，省去了复杂的横纵向匹配，注入器输出能量6-10MeV，束流强度可达到mA级，长度仅约2-3m，横向尺寸小，造价低；

2、本发明通过对SCDTL加速结构的加速腔进行合理设计，提升了数MeV能量段SCDTL的加速效率约30-40％；

3、本发明采用永磁+电磁的混合磁铁构成聚焦四极磁铁，永磁+电磁混合磁铁可以进行磁铁梯度的调整，以应对加工和安装误差，使注入器传输效率高，且束流调试方便。

因此，本发明可以广泛应用于加速器技术领域。

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用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器的结构图；

图2a是常规SCDTL加速腔结构图；

图2b是本发明实施例提供的SCDTL加速腔结构图；

图3是本发明实施例提供的永磁+电磁混合磁铁结构示意图；

图中各附图标记如下：

1、离子源；2、低能传输线；3、RFQ加速结构；4、FODO聚焦结构；41、双组合透镜；42、四极磁铁；421、软磁磁极；422、软磁铁轭；423、永磁固定件；424、永磁块；425、励磁线圈；426、磁铁底座；5、SCDTL加速结构；6、功率源系统。

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。

本发明的一些实施例中，提供一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，采用RFQ+SCDTL加速结构，两种加速结构的工作频率相同，加速mA级质子束流，RFQ出口能量2-3.5MeV，SCDTL出口能量6-10MeV，RFQ和SCDTL之间采用紧凑型的双组合透镜，与SCDTL加速腔之间的四极磁铁一起形成高效的FODO横向聚焦结构，并且聚焦四极铁采用永磁+电磁的混合磁铁，克服加工和装配误差，使束流传输效率提升，且束流调试方便。

利用RFQ+SCDTL加速结构，需要解决的技术问题包括：

1、强流束的高效传输问题，高工作频率提升可以减小直线注入器横纵向的尺寸，但横向聚焦力会减弱，会降低束流的传输效率，在直线注入器出口得到的束流强度较低。

2、数MeV能量段SCDTL加速效率和有效分路阻抗提升问题，SCDTL加速结构非常理想的注入束流能量是从20MeV开始，通常采用的是各加速腔内的间隙数相同、同一加速腔内的单元长度相等的SCDTL方案，这种类型的SCDTL在数MeV能量段，加速效率和有效分路阻抗会非常低。

3、永磁+电磁混合磁铁的技术问题，混合磁铁可以进行磁铁梯度的调整，以应对加工和安装误差，使直线注入器传输效率高。然而，永磁体的装配和现场安装需要无铁环境，四极磁铁和线圈的装配空间紧张。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，其包括：离子源1、低能传输线2、RFQ加速结构3、FODO聚焦结构4、SCDTL加速结构5以及功率源系统6。其中，离子源1通过低能传输线2依次与RFQ加速结构3和SCDTL加速结构5相连；FODO聚焦结构4包括紧凑型双组合透镜41以及若干聚焦四极磁铁42，且双组合透镜41设置在RFQ加速结构3的出口端和SCDTL加速结构5的入口端之间，各聚焦四极磁铁42设置在SCDTL加速结构5内的各加速腔之间；功率源系统6用于为RFQ加速结构3和SCDTL加速结构5同时提供高频功率。

进一步，RFQ加速结构3和SCDTL加速结构5的工作频率相同，优选为714-1000MHz，加速mA级质子束流，RFQ加速结构3的出口能量为2-3.5MeV，SCDTL加速结构的出口能量为6-10MeV。

一方面，本发明的RFQ和SCDTL加速结构工作频率相同，可以通过一个功率源系统为两个加速结构提供高频功率，在714-1000MHz频段有多个频率点成熟的速调管产品，输出功率高，足以为两种加速结构同时提供功率，功率单价便宜，可以节约功率源系统的成本。

另一方面，本发明的RFQ和SCDTL加速结构工作频率优选为714-1000MHz，经计算2-3m内就可以将束流加速到6-10MeV，加速结构的横纵向尺寸都是适中的，有利于加工成本的控制。由于采用相同工作频率的RFQ和SCDTL加速结构，模拟仿真表明，两者之间不需要进行复杂的横纵向匹配，特别地，可以去除用于纵向匹配的聚束器，整个注入器长度约2-3m，横向尺寸小，造价低。

同时，本发明的RFQ和SCDTL加速结构工作频率是相同的，可有利解决强流束的高效传输问题，其可以避免4倍跳频带来的束流损失，增加整个直线注入器的纵向接受度约4倍，这样就可以克服SCDTL注入速度降低带来的纵向接受度降低，注入束流能量2-3.5MeV，相比现有的最低5MeV注入，能量接受度降低了1.4-2倍，最终纵向接受度增加了2-2.8倍，可以增加可加速和传输的束流强度，并提升直线注入器的传输效率。

RFQ和SCDTL加速结构之间的横向匹配可以采用紧凑的双组合透镜，再配合SCDTL加速腔之间的聚焦四极铁磁铁，整个直线注入器构成高效的横向聚焦FODO结构，横向包络得到有效控制，这也可以增加束流强度，提升传输效率。

进一步，SCDTL加速结构5中各加速腔内的间隙数不同，同一加速腔内的单元长度也不相同，以提高SCDTL加速结构在这个能量段的加速效率。

优选地，本实施例中，SCDTL加速结构5包含3-6个加速腔。

通过依次对不同间隙数目进行模拟仿真，根据有效电压确定各SCDTL加速腔的速度和间隙数目，随着束流能量的提升，加速腔的间隙数目可以逐渐增加并进行优选，根据束流能量从低到高的增加情况，优选各加速腔的间隙数目，再根据模式间隔和最终能量需求确定SCDTL加速腔个数。SCDTL出口能量6-10MeV在同一加速腔内，通过模拟仿真加速腔内对每个周期采用不同的周期长度，通过以上手段，提升了SCDTL加速结构在数MeV能量段的加速效率。

如图2a和图2b所示，为SCDTL加速结构一个加速腔内的结构。图2a中，通常SCDTL加速结构采用各加速腔内的等间隙数相同、同一加速腔内的单元长度相等，也即等周期长度a，这种类型的SCDTL在数MeV能量段，加速效率和有效分路阻抗会非常低。图2b中，为本发明采用的SCDTL加速结构，采用d＞c＞b的不同周期长度，使得本发明的SCDTL加速结构在数MeV能量段仍具有高的加速效率和有效分路阻抗。

进一步，各聚焦四极磁铁42采用永磁+电磁的混合磁铁。

如图3所示，聚焦四极磁铁42包括磁铁底座426，磁铁底座426上设置有采用软磁材料制作的软磁磁极421和软磁铁轭422，且软磁磁极421的极头采用传统的双曲线形式，保证高的励磁效率和磁场精度，软磁磁极422的根部与软磁铁轭422之间通过永磁固定件423安装永磁块424进行主场励磁；励磁线圈425设置在软磁磁极上，采用自然冷却的漆包线进行磁场调节，同时采用双向电源，可增强或减弱主场的聚焦能力，增加可调节范围。本发明的永磁+电磁混合磁铁可以进行磁铁梯度的调整，以应对加工和安装误差，使直线注入器传输效率高。

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 (9)

1.一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，其特征在于，包括：

离子源、低能传输线、RFQ加速结构、FODO聚焦结构、SCDTL加速结构以及功率源系统；

所述离子源通过低能传输线依次与所述RFQ加速结构和SCDTL加速结构相连；

所述FODO聚焦结构包括双组合透镜以及若干四极磁铁，且所述双组合透镜设置在所述RFQ加速结构的出口端和SCDTL加速结构的入口端之间，各所述四极磁铁设置在所述SCDTL加速结构内的各加速腔之间；

所述功率源系统用于为所述RFQ加速结构和SCDTL加速结构同时提供预设高频功率。

2.如权利要求1所述的一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，其特征在于，所述RFQ加速结构和SCDTL加速结构的工作频率相同。

3.如权利要求2所述的一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，其特征在于，所述RFQ加速结构和SCDTL加速结构的工作频率为714-1000MHz。

4.如权利要求1所述的一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，其特征在于，所述SCDTL加速结构中各加速腔内的间隙数以及单元长度根据有效电压和射流能量确定为不同数值。

5.如权利要求1所述的一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，其特征在于，所述SCDTL加速结构内的加速腔数量根据模式间隔和最终能量需求确定为不同数值。

6.如权利要求5所述的一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，其特征在于，所述SCDTL加速结构内的加速腔数量为3-6个。

7.如权利要求1所述的一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，其特征在于，各所述四极磁铁采用永磁+电磁的混合磁铁。

8.如权利要求7所述的一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，其特征在于，所述混合磁铁包括磁铁底座，所述磁铁底座上设置有由磁极和铁轭构成的铁芯，且所述磁极的极头采用双曲线形式，所述磁极的根部与所述铁轭之间通过永磁固定件安装永磁块进行主场励磁；所述磁极上设置有励磁线圈，所述励磁线圈采用自然冷却的漆包线进行磁场调节，同时采用双向电源增强或减弱主场的聚焦能力。

9.如权利要求8所述的一种用于质子癌症治疗的高工作频率强流直线注入器，其特征在于，所述磁极和铁轭采用软磁材料制作。