CN1455635A - 能量可调电子直线加速器 - Google Patents

Abstract

一种能量可调电子直线加速器，它的电子直线加速管由行波加速结构段[6]、紧随着的第二行波或驻波加速结构段[5]和微波截止束流孔[7]组成，行波加速结构段[6]在前而后紧随着的是行波或驻波加速结构段[5]，微波功率先馈入行波加速结构段[6]输入口，行波加速结构段[6]的输出口设有微波移相器[8]或再接微波环流器并接入紧随着的第二行波或驻波加速结构段[5]的微波输入口，电子束流从行波加速结构段进入微波截止束流孔[7]，然后从微波截止束流孔[7]输出后注入紧随着的第二行波或驻波加速结构段[5]内。本发明可使电子束流加速的结构中也能做到使电子束流减速，以得到能量很低的射线束。

Description

能量可调电子直线加速器

一、发明领域：

本发明涉及一种能量可调电子直线加速器，属高能物理技术领域。

二、背景技术：

使用电子直线加速器来治疗癌症及其他疾病时，要根据不同的病例用不同能量的射线束进行治疗。低要用到6兆电子伏左右的射线束，高要用到20兆电子伏左右的射线束，在这之间还设置若干介于上述能量的射线束能档。在医用电子直线加速器中，输出射线束的最高能量可达20兆电子伏左右的称为高能机，其余的为中低能机。用途最多及技术含量最高的是高能医用电子直线加速器，它有多档电子射线，可以一机多用，而且可以产生二档能量差较大的X射线束，即所谓的双光子，可使治疗的适用范围更大。

在高能医用电子直线加速器如此宽的能档范围内，要求在使用各能档时加速管输出的电子束都具有良好的能谱，这不光有利于实现双光子方式，也有利于实现愈来愈高的医用加速器医用指标。另外，对现代最新型的高能医用电子直线加速器，为了要在照射期间也能使用较低能量的X射线清晰对中，还提出了最好加速管也能产生远低于6兆电子伏X射线束的要求。对这些要求，光用传统的调节输入加速管微波功率的方法是不能实现的。要实现以上目标，核心问题是要在调变加速器输出电子能量的同时，保证在各档能量下电子束具有良好的能谱。近二十多年来国内外发展了多种技术，其中包括应用最广泛，解决高能医用电子直线加速器实现双光子方式最成功的“能量开关”技术，如美国专利US4286192和中国专利CN1237079等一系列。另外如中国专利CN1365597和CN1408196等所述，在驻波加速器某一个偶合单元中连续调变其参数，可使输出电子束流能量可连续变化。这些技术无一例外都是针对驻波加速器提出的，它们相近的原理是：针对双周期驻波加速管，用机械调变装置以开关方式或连续方式调变其中某个偶合腔参数，在机构动作后，可保持加速管聚束段中的加速电场基本不变，而让可调变的某个偶合腔后的加速段电场改变来达到目的。

但这些技术也有一些不足：1、“开关方式”的技术主要用于得到双光子射线束，其它能量挡就要在此基础上用传统技术来调整得到，且不能得到比能谱优化的治疗能量更低的优化射线束。2、调变机构的动作还是会对不希望改变的聚束段电场有些影响。3、它们的设计和制造难度较大。4、在高能医用电子直线加速器上，功率源一般采用S波段5兆瓦左右的微波速调管，在这样的条件下，上面的二种技术的不足还在于需要一个技术难度很大的能耐受峰值功率大于5兆瓦的环流器作隔离器件。

基于以上这些不足，本发明提供一种能量可调的电子直线加速器来解决上述的不足，从而达到提高加速器性能，同时又避免设计与制造的难点问题。

三、发明内容：

本发明提供一种能量可调的电子直线加速器。得到比能谱优化的治疗能量更低的优化射线束，例如，由其产生X射线等。本发明目的还在于提供一种设计和制造的成本较低，能采用较小功率环流器作隔离器件。

本发明是这样实现的：由微波速调管、一个包含有行波电子直线加速结构和第二直线加速结构的直线加速管、微波移相器和微波环流器等组成。其中的直线加速管由行波加速结构段和第二行波或驻波加速结构段通过微波截止束流孔串接而成一体。直线加速管可由二种结合模式组成：第一是行波加行波模式，第二是行波加驻波模式。其中的行波加速结构用作聚束段和加速段，而紧随的行波或驻波加速结构全部用作加速段，并称其为主加速段。微波速调管的输出与行波加速结构的输入相联接，行波加速结构的输出口串接微波移相器和微波环流器后再与紧随的行波或驻波加速结构的微波输入口相连，电子枪的电子束从行波加速结构段注入，经微波截止束流孔再从紧随的行波或驻波加速结构段输出。

本能量可调的电子直线加速器的工作过程是：大功率微波速调管的功率首先进入行波加速结构段，由加速管吸收部分功率后建立电场并加速注入的电子束，电子束完成在此的被聚束和加速工作后进入微波截止束流孔，微波的剩余功率经行波加速结构段的偶合器出口进入微波移相器和微波环流器(在行波加行波模式时微波环流器不需要)输入驻波加速结构段，同时电子束也通过了微波截止束流孔注入到紧随的行波或驻波加速结构段与进入的微波功率所建立的电场发生作用。根据使用所需要电子束能量值的要求，定量调节微波移相器可改变主加速段内的已被聚束了的电子团与微波电场的相位关系，就可以达到加速或减速电子束的目的。若紧随的是驻波加速结构段的话，反射的微波功率可由微波环流器隔离和吸收。若紧随的是行波加速结构段的话可以省去微波环流器。用这样工作方式的电子直线加速器就可以方便地调节输出的电子束的能量而又不会影响到前面行波加速结构段的工作状态，就可以保持最终良好的束流能谱。

本能量可调的电子直线加速器的特点是：电子束先由行波加速结构段加速，然后再由紧随的行波或驻波加速结构段加速或减速，二种加速结构间以微波截止束流孔相连。为降低对大功率微波环流器的要求，微波功率源使用微波速调管。主加速段的电场与注入电子之间的相位由微波移相器来进行调节。这样结构的优点是在得到优化能谱束流的同时，可以使用相对功率较小的大功率微波环流器或不使用。可在使电子束流加速的结构中也能做到使电子束流减速，以得到能量很低的射线束。与现有技术相比它的设计与制造困难较小。

四、附图说明：

图1是用已有技术组成的电子直线加速器原理示意图。

图2是本发明的一实施例的电子直线加速器原理示意图。

图3本发明中的主加速段内电子与微波加速电场间可调的相位关系。

图4是本发明的一实施例的被加速电子感受到的典型场。

图5是本发明的一实施例在-π/2相位时被加速电子感受到的电场。

图6是本发明的一实施例在0相位时被加速电子感受到的电场。

图7是本发明的一实施例在π/2相位时被加速电子感受到的电场。

五、具体实施方式：

首先参看图1，它为前述已有能量调变技术组成的电子直线加速器的典型实施例。由双周期驻波结构加速管[5]，偶合腔上的能量调变装置[6]，微波输入口[4]，微波环流器[3]，馈电波导[2]，大功率微波速调管[1]等组成。这个电子直线加速器的工作过程是：大功率微波速调管[1]输出的微波功率经馈电波导[2]和微波环流器[3]进入微波输入口[4]，微波功率在加速管[5]内建立电场并加速注入的电子，在有能量调变装置[6]的偶合腔以后的加速段内，电场可由能量调变装置[6]通过改变可调偶合腔的参数来改变，但在它之前的有聚束段的腔链内，电场基本不变，从而达到既能调变输出电子束的能量，又能保持有较好的束流能谱的目的。但其中微波环流器[3]的耐受功率要大于大功率微波速调管[1]的输出功率。

图2是本发明的一个电子直线加速器实施例图，加速管采用行波加驻波结构模式组成。前面一段是行波结构段[6]，后面一段是驻波结构段[5]，中间用微波截止束流孔[7]相隔。加速器由大功率微波速调管[1]，馈电波导[2]，微波环流器[3]，驻波结构的微波输入口[4]，直线加速管[5]、[6]、[7]，微波移相器[8]，行波结构段微波输入口[9]，行波结构段微波输出口[10]等组成。这个电子直线加速器实施例的工作过程是：大功率微波速调管[1]输出的微波功率经馈电波导[2]进入行波结构段[6]的微波偶合器输入口[9]，由行波结构加速管段[6]吸收部分微波功率后建场并加速注入的电子束，设计它把电子束流聚束到最佳相位并加速到光速，在得到合适的能量后电子束流随即进入微波截止束流孔[7]，同时剩余的微波功率从行波结构段微波输出口[10]输出，微波功率然后经过微波移相器[8]，微波波导[2]，微波环流器[3]和微波输入口[4]进入驻波加速结构段，微波功率在驻波加速结构段[5]内建立驻波电场，同时从微波截止束流孔[7]输出的电子流也注入驻波加速结构段与进入的微波功率所建立的电场发生作用，注入的电子束流被加速或减速后从驻波加速结构段输出。电子束被加速或减速是根据使用的需要定量调节微波移相器[8]的参数而定的。根据所需得到的电子束能量的要求，定量调节微波移相器的相移量就改变了被聚束了的电子团与微波电场的相位关系，这样电子就感受到了不同值的电场而达到提高或降低电子束能量的目的。用这样的工作方式就可以方便地调节输出的电子束的能量但又不会影响到前面行波加速结构段的工作状态，因此就可以保持良好的束流能谱。另外还具有可使用较小耐受功率的微波环流器[3]的优点，可降低对微波环流器[3]的要求。整个系统的设计与制造难度较小。

图3是本发明加速器中的主加速段内电子与微波加速电场间可调的相位关系图。横轴坐标代表相位，单位为弧度，纵轴坐标代表归一化电场强度，以电场强度最大值来归一。在电子团与电场相对相位可调的主加速段中，由于微波产生的电场是随时间以正弦规律变化的，如图中的正弦线表示的那样。而注入到其中的电子束是经过聚束的占相宽很小的电子束团，并以光速前进。若电子束团与电场的某小段一相位同步时，它所感受到的电场强度就是以正弦规律变化的电场强度的那一相位的值。如图所示，在此实例中当相位从-π/2变化到π/2时，输出的电子束流的能量就能从最大变化到最小，改变它们之间的相位值就可改变输出电子束流的能量，甚至可以减能。

图4是本发明的一实施例的被加速电子感受到的典型场。图中横轴坐标代表沿整个加速管的位置值，纵轴坐标代表归一化电场强度，以场强最大值归一。如图所示，加速管轴向按性质可分为行波加速结构段、微波截止束流孔和驻波加速结构段。行波加速结构段内的场强根据要求应保持设计值不变。微波截止束流孔内场强为零。在驻波加速结构段内，电场强度的值可由调变相移来改变(同时参考图3，)，这里，电场强度波形显示的是使用中的典型情形，微波相移器把相位调在了-π到0之间的某一值。

图5、图6、图7是本发明的一实施例在主加速段中电子束团与主加速段中电场的相对相位在-π/2、0和π/2值时被加速电子感受到的电场图形。它们也分别对应电子束流得到最大加速、不加速和最大减速时的情形。也是电子束流分别得到了最大能量、中间能量和最小能量的情形。任何要使电子束流得到介于这三种能量的能量值，只要把相位调整到介于这三种能量所对应的相位值就可。

本发明在高能医用电子直线加速器中比现有技术有很大优势。

Claims (3)

1、一种能量可调电子直线加速器，其特征在于：它的电子直线加速管由行波加速结构段[6]、紧随着的第二行波或驻波加速结构段[5]和微波截止束流孔[7]组成，行波加速结构段[6]在前而后紧随着的是行波或驻波加速结构段[5]，它们之间用微波截止束流孔[7]相接而成，其中微波功率先馈入行波加速结构段[6]输入口，行波加速结构段[6]的输出口设有微波移相器[8]或再接微波环流器并接入紧随着的第二行波或驻波加速结构段[5]的微波输入口，电子束流从行波加速结构段进入微波截止束流孔[7]，然后从微波截止束流孔[7]输出后注入紧随着的第二行波或驻波加速结构段[5]内。

2、由权利要求1所述的电子直线加速器，其特征在于紧随着的第二行波或驻波加速结构段[5]内的电子束团与进入的微波电场间的相位由微波移相器[8]定量调节。

3、如权利要求1或2所述的电子直线加速器，其特征在于：相位可由微波移相器[8]定量调节正负180度。

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