CN1631061A

CN1631061A - 粒子加速器

Info

Publication number: CN1631061A
Application number: CN02829222.7A
Authority: CN
Inventors: 皮埃尔·芒德里永
Original assignee: Accelerators For Ind & Medical
Current assignee: Accelerators For Ind & Medical
Priority date: 2002-04-25
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2005-06-22
Also published as: WO2003092340A1; AU2002258016A1; EP1500313A1; CA2495460A1

Abstract

本发明涉及一种粒子加速器，其包括一个用于产生待加速的带电粒子束流的源；至少一个回旋加速器，用于加速由该源提供的粒子；至少一个调节器(40)，用于在该回旋加速器加速束流粒子之前，对这些束流粒子起作用；至少一个传感器(33)，用于提供反映由该回旋加速器加速的粒子束流强度的信息；以及一可编程控制装置(50)，用于根据由该传感器提供的信息和按时间加速粒子的束流强度的已编程的控制规律，对该调节器起作用，使得由该回旋加速器提供的束流强度遵循该已编程的控制规律。

Description

粒子加速器

本发明涉及粒子加速器和它们在工业，尤其是在医学上的应用。

1994年4月28日至5月5日在比利时召开的研讨会之后，在CERNAccelerator School，Cyclotrons，Linacs and Their Applications，Geneva 96(日内瓦96，CERN加速器学校，回旋加速器、直线加速器和它们的应用)发表的有关粒子加速器的文章中对该粒子加速器有所阐述，其内容在本申请中引为参考。

需要有一种这样的加速器，由它加速的粒子束流强度能够受到可靠、快速地控制。

本发明的宗旨就是为了满足上述需要。

通过本粒子加速器达到了这个目的，它包括有：

一个用于产生待加速的带电粒子束流的源(source)；

至少一个回旋加速器，用于加速由该源提供的粒子；

至少一个调节器，用于在该回旋加速器加速束流粒子之前，对所述束流粒子起作用；

至少一个传感器，用于提供反映由该回旋加速器加速的粒子束流强度的信息；以及

一可编程控制装置，用于根据由该传感器提供的信息和按时间加速粒子的束流强度的已编程的控制规律对该调节器起作用，使得由该回旋加速器提供的束流强度遵循该已编程的控制规律。

根据本发明，释放的加速粒子束流强度可以按时间和事先确定好的方式变化。

这样就有可能更准确的控制待处理的体积内的射线分散剂量，尤其可以更好的改善通过硼中子俘获的疗法和强子疗法的功效，它被称作硼中子俘获治疗(BNCT)。

根据本发明，还可以更精确地向加速器驱动的系统提供能源，又叫加速器驱动核能系统(ADS)。

前面提及的传感器有一个被回旋加速器加速的粒子束流穿过的剥离器(éplucheur)。这个剥离器可能是电子的，或是核能的。一个核能剥离器可以生成中子。

调节器可以是机械的或不是机械的，可以有至少一个静电偏转电极和/或者磁性偏转电极，或者至少一个活动部件，用来截取束流粒子。

调节器还可以拥有至少一个聚束器，尤其是两个聚束器。在后者情况下，每个聚束器有一个中间电极，其电势随时间变化，该电极处在两个有同样电势的端电极之间。中间电极和每个端电极之间形成的电势差作用到该源产生的粒子上。束流首次穿过的聚束器的中间电极长度与束流二次穿过的聚束器的中间电极长度有差异，尤其是前者大于后者，其数值是它的两倍。

中间电极上的工作电压可以是正弦曲线。

两个聚束器上的工作电压能够与锯齿波电压傅立叶展开级数的前两项准确吻合。

控制装置的配备用于按照传感器发出的信息来改变聚束器上工作电压的相位差。

已编程的束流强度规律可以按照时间变化，至少有两个矩形波脉冲，尤其至少是两个幅度不同的脉冲。

该源可以产生分子离子，诸如，离子H₂ ⁺或者H₃ ⁺。

该源还可以产生其他的离子，如H^-或D^-。

可编程控制装置的优点在于反应快速，其反应时间低于或者等于10μs，最佳是低于或者等于5μs，比如在1μs左右。

加速器可以有某种持续工作的后加速部件。

这样，加速器可以有两个回旋加速器，比如，一个与该源相连的一级回旋加速器，和一个用来加速该一级回旋加速器发出的粒子的二级回旋加速器。在这种情况下，传感器在二级回旋加速器内部可以有一个剥离器，那些由一级回旋加速器发出的粒子，例如离子H₂ ⁺，可以无须穿过剥离器就飞离一级回旋加速器。

加速器可以有一个引出装置，经过加速的粒子束流可对事先确定的区域，比如人体的某个部位进行扫描。此时，可编程控制装置可以根据束流的位置来改变其强度。

依照本发明的另外一个方案，它还有一种工作方法，即产生的加速粒子束流的强度可以随时间按照设定的程序发生变化。这种工作方法要有一个时间段，用来对上面阐述的加速器的可编程控制装置按照期望的随时间变化的强度进行编程。

依照本发明的另外一个方案，它还有一种作用，即对人体或者动物体进行治疗的方法，该方法是在一段时间里，通过前面阐述的粒子加速器生成的加速粒子束流对待治疗的区域进行辐射。

在这种工作方式中，尤其是进行强子疗法时，用加速粒子束扫描待治疗部位。在治疗较深层的部位时，要根据粒子束在通过不同的区域时它们已经接受的辐射剂量按时间调整粒子束的强度。比如说，粒子束的强度可以按时间变成幅度逐渐降低的方脉冲(créneaux)。开始的时候可以用较大的强度来治疗较深的部位，随后，用较小的强度来处理那些不太深层的部位。

根据本发明，还可以使用粒子加速器给加速器驱动系统提供能源。这样的加速器驱动系统应具有一个能量放大器，一个次临界核反应堆，或一个核废料嬗变器(transmuteur)。

根据本发明，还可以使用粒子加速器生成中子流，尤其是单能中子流。

阅读下述的详细说明和并非用于限定的应用实例，并且在参阅了附图之后，将会对本发明有更深刻的了解。

图1是本发明加速器实例部分的示意图；

图2是加速器提供的束流强度的控制接线图；

图3是两个聚束器轴向剖面部分的示意图；

图4是示出粒子在通过两个聚束器时输出相位随输入相位变化的情况；

图5是加速粒子束流强度随注入线输出相位变化的实例；

图6是本发明中调节器的其他应用实例，活动部件的轴向剖面部分的示意图；

图7是调节器带有静电偏转电极的其他应用的示意图；

图8是在其他应用中流强规律编程的实例示意图；

图9是一个需要加速粒子束治疗的区域示意图；

图10和11是非限定性的应用流强规律编程的实例；以及

图12是一个使用流强可编程控制装置的双回旋粒子加速器的实例部分的侧视示意图。

图1中，一个粒子加速器1具有一个离子源10，用于产生带电粒子，如离子H^-；和一个用于加速粒子的回旋加速器20。

该源10产生的粒子被注入到回旋加速器中，图示中表明是被一条轴向注入线30注入到回旋加速器中。这条注入线纳入到调节器40之中，它有第一聚束器21和第二聚束器22，调节器的作用在后面有进一步的阐述。

通常注入线30都有磁的或静电的聚焦透镜。

待加速的粒子离开注入线30，以通常方式被注入到回旋加速器20的中央区域。

例如，紧凑型等时性回旋加速器20可以是超导体或者不是。

如图1所示，被回旋加速器20加速的粒子一般是沿着螺旋形的轨道运动。

本图表示的是加速粒子最后唯一的轨道。粒子束流通过电子剥离器33，剥离器内有密度为20-60μg/cm²的碳箔。在这种实例中，加速粒子是离子H^-。剥离器33将它们转换成质子H⁺，从而使它们的轨道曲线反转，这样就能使它们飞离回旋加速器。

一个常用的光学系统35可以把通过这种方式从回旋加速器中获取的束流引向放射性元素生成靶，或者引向人体或动物，或者某个需要处理的物体的任何部位。尤其可以把束流引向引出装置41，这样可以用束流对待查的部位进行扫描，例如对肿瘤的治疗。

从电的角度来说，剥离器33是绝缘的，可以用来测量通过自身的，并与粒子束流对应的电流强度。

图2的示意图表明了加速器1有一个可编程控制装置50。该装置50接受剥离器33测量的电流强度的信息，并能控制由加速器提供的粒子束流的强度。

由于装置50用反馈方式来连续地调节调节器40，装置50可以按照任意的强度规律来设定，从而使回旋加速器提供的束流强度有效地遵守着已经设定的强度规律。在图示的实例中，装置50由一些快速电子元件组成，这样可以获得较短的响应时间，例如在1μs左右。

现在参考图3进行说明，调节器40有两个单独的聚束器21和22。

该源10发出的粒子束流沿着X轴传播，穿过聚束器21，然后是聚束器22。

聚束器21上有一个中间电极60和两个端电极61和62。

聚束器22上同样有一个中间电极63和两个端电极64和65。

在该实例中，第一个聚束器21的中间电极长度，依照X轴测量是第二个聚束器22的中间电极63的两倍，因为作用到第二个聚束器22的中间电极的电压频率V2是作用到第一个聚束器21的中间电极的电压频率V1的两倍。在图示中，端电极61，62和64，65均接地。

可以给该源10发射的每个粒子一个输入相位_e和一个输出相位_s。这些相位对应于注入线30的输入和输出端的粒子的相对位置。

聚束器21和22可以根据粒子的输入相位_e作用到它们的输出相位_s上。当粒子的输出相位在间隔(₁，₂)之间(该间隔称为接受间隔)，且其₁和₂绝对值临近15°时，这样的粒子才能被回旋加速器20加速，而当粒子的输出相位_s不在此间隔内就会被丢失，不属于回旋加速器20可以加速的粒子束流部分。相位₁和₂的绝对值可以相等，也可以不等。

电压波形V，是电压V1和V2的总和，如果选择电压V1和V2作为锯齿信号傅立叶展开级数中的首两项的话，那么电压波形V可以接近锯齿信号的波形。

图4表示粒子通过聚束器21和聚束器22之后的相位重组。

由于联合使用了两个聚束器21和22，人们可以使将近70％的粒子的输出相位_s控制在回旋加速器的接受间隔之内。因此，基本没有束流丢失。

图5表示随着输出相位_s的变化，注入线输出端粒子束流的强度I的情况，人们可以注意到束流强度在接受间隔界限附近快速变化。由此，输出相位_s相当微小的变化就可以引起束流强度I相当大的变化。

可编程控制装置50的配置就是要对电压V1和V2之间的相位差Δ进行控制，从而改变图4中表示的曲线波形，改善粒子重组的有效性和回旋加速器的引出流强。

对相位差Δ起作用，就能对电流强度I起作用，并能将强度控制到理想的数值。

在不离开本发明宗旨的前提下，调节器40可以不用两个聚束器，以另外的方式组合工作。比如，它可以有一个活动部件70，如图6所示，围绕着几何旋转轴Y转动，并且在束流的轨道上设有多个开口，例如，直径不同的两个开口71和72。按照所选择的开口大小，可以截取或多或少的粒子，这样就能改变回旋加速器发出的束流强度I。

调节器还可能有一个静电偏转电极，如图7所示。该偏转电极可以有两个电极75和76。由于电极75和76上的工作电压，沿X轴方向运动的束流可以被偏转。众所周知，给电极间施加足够强的方脉冲电压，就可以截断束流。这样的调节器可以完全控制电流的强度。

图8表示的是随时间变化的带电粒子束流强度被已编程强度规律控制的模式。这个规律可以是逐渐减小的方脉冲规律，即每个脉冲的幅度小于前一个脉冲的幅度。

图9的示意图表明在对人体的部位80进行治疗时，就是利用了这样的强度控制规律。这个部位80可以代表一个需要消除的肿瘤，也可以是分布在不同深度的细胞层81。对于深层细胞的治疗，开始时用辐射强度较强的粒子束流治疗。在处理不太深的细胞层时，鉴于这些细胞层在束流扫描治疗较深的细胞层过程中已经接受了不可忽视的辐射剂量，已编程强度规律可以减弱辐射的强度。

强度控制装置可以连接在引出装置41输出端束流的位置上。引出装置被控制装置50控制。

图10和11表示非限定性的已编程控制规律的其他应用，例如，振幅不稳定的锯齿波形(图10)，或者某种任意的波形曲线(图11)。

粒子加速器可以仅有一个回旋加速器来加速粒子。

同样，也可以有一个后加速部件在回旋加速器的输出端对粒子继续加速。如12所示，这样加速器可以有两个回旋加速器，即一级紧凑型等时性回旋加速器20′，外面围绕着二级分离扇型等时型回旋加速器20″。

例如，分子离子H₂ ⁺可以在一级回旋加速器20′中被加速，并向二级回旋加速器中的剥离器运动。穿过该剥离器时可以生成质子束H⁺。束流强度可以在剥离器中测得，一级回旋加速器的注入束流输出相位_s由可编程控制装置来调控，与前面叙述的方式相似。

当加速的粒子是H^-或H₂ ⁺之外的粒子，比如，H₃ ⁺或者D^-，也不脱离本

发明的范围。

发明不仅限于前面列举阐述的那些实例。

人们尤其还可以使用其他的调节器和强度传感器。

在整个说明中，“有一个”的说法，就是“至少有一个”的同义词，除非有相反的说明。

Claims

1.粒子加速器，包括有：

一用于产生待加速的带电粒子束流的源(10)，

至少一个回旋加速器(20；20′，20″)，用于加速该源提供的粒子；

至少一个调节器(40)，用于在该回旋加速器加速束流粒子之前，对所述束流粒子起作用；

至少一个传感器(33)，用于提供反映由该回旋加速器加速的粒子束流强度的信息；以及

一可编程控制装置(50)，用于根据由该传感器提供的信息和按时间加速粒子的束流强度的已编程的控制规律对该调节器起作用，使得由该回旋加速器提供的束流强度遵循该已编程的控制规律。

2.根据权利要求1所述的加速器，其特征在于该传感器有一剥离器(33)，被回旋加速器加速的粒子束流穿过该剥离器。

3.根据上述权利要求所述的加速器，其特征在于该剥离器是电子剥离器(33)。

4.根据上述任一项权利要求所述的加速器，其特征在于该调节器有至少一个静电偏转电极(75，76)。

5.根据上述任一项权利要求所述的加速器，其特征在于该调节器有至少一个活动部件(70)，用来截获束流粒子。

6.根据上述任一项权利要求所述的加速器，其特征在于该调节器有至少一个聚束器(21，22)。

7.根据上述权利要求所述的加速器，其特征在于该调节器(40)有两个聚束器(21，22)。

8.根据权利要求7所述的加速器，其特征在于该控制装置按照传感器提供的信息来改变两个聚束器工作电压之间的相位差。

9.根据上面两项权利要求之一所述的加速器，其特征在于每个聚束器都有一个中间电极(60；63)，它们的电势随时间变化，位于两个有同样电势的端电极之间(61，62；64，65)，并且与每个端电极都产生电势差，其原因是束流首先穿过的聚束器(21)的中间电极(60)的长度是束流后来穿过的聚束器(22)的中间电极(63)的长度的两倍。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的加速器，其特征在于作用在所述聚束器(21，22)上的工作电压与锯齿信号的傅立叶展开级数的前两项绝对地相符。

11.根据上述任一项权利要求所述的加速器，其特征在于，已编程的束流强度规律随着时间变化包括有至少两个方脉冲，尤其是振幅不同的方脉冲。

12.根据上述任一项权利要求所述的加速器，其特征在于该源(10)用于产生分子离子。

13.根据上述权利要求所述的加速器，其特征在于该源能生成离子H₂ ⁺或者H₃ ⁺。

14.根据权利要求1至11中任一项所述的加速器，其特征在于该源(10)能生成离子H^-。

15.根据权利要求1至11中任一项所述的加速器，其特征在于该源(10)能生成离子D⁺。

16.根据上述任一项权利要求所述的加速器，其特征在于该可编程控制装置(50)有一低于或者等于10μs的响应时间，最好是低于或等于5μs。

17.根据上述任一项权利要求所述的加速器，其特征在于包括有至少一个继续加速的后加速部件(20″)。

18.根据上述任一项权利要求所述的加速器，其特征在于包括有两个回旋加速器(20′，20″)。

19.根据上述权利要求所述的加速器，其特征在于包括有一个与该源相连的一级回旋加速器(20′)和一个用来加速该一级回旋加速器发出的粒子的二级回旋加速器(20″)。

20.根据上述权利要求所述的加速器，其特征在于该传感器有一个置于该二级回旋加速器内部的剥离器，被该一级回旋加速器加速的粒子飞离该一级回旋加速器时，无须穿过该剥离器。

21.根据上述任一项权利要求所述的加速器，其特征在于包括有一引出装置(41)，用于使被加速的粒子束流对事先确定的区域(80)进行扫描，尤其是对人体上的某个部位进行扫描。

22.根据上述权利要求所述的加速器，其特征在于该可编程控制装置(50)按照束流的位置来改变被加速的粒子束流的强度。

23.一种生成加速粒子束流的方法，该束流的已编程的强度随时间变化，该方法的特征是它要有下列阶段：

按照期望的强度变化对加速器(1)的可编程控制装置(50)以在前面任何一项权利要求所描述的方式进行编程。

24.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于该控制装置(50)已被编程，当用加速粒子束流对某个区域进行扫描治疗时，根据待治疗区域各个不同部位接受的辐射剂量调整束流强度，对在深层治疗过程中束流已经通过的那些部位，可以按时间减弱束流的强度。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于该控制装置(50)已被编程，使得粒子束流的强度按时间变成幅度逐渐降低的方脉冲。

26.根据权利要求1至22中所述的任何一种加速器的应用，其用于向加速器驱动系统供应能量。

27.根据上述权利要求所述的加速器的应用，其特征在于该加速器驱动系统有一个能量放大器，一个次临界核反应堆或者一个核废料嬗变器。

28.根据权利要求1至22中所述的任何一种加速器的应用，其用于生成中子流，尤其是单能中子流。