CN216057602U - 驻波加速器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种驻波加速器，包括大致筒形的本体，所述本体内形成多个加速腔、多个耦合腔和电子注入通道，多个所述加速腔在本体的轴向方向同轴布置，相邻的两个加速腔之间具有与所述本体的侧壁一体连接的分隔部；所述电子注入通道沿所述本体的中心轴线贯穿所述本体，其特征在于，每个所述分隔部的两侧的中央部位形成轴向延伸的凸起部，所述耦合腔形成在所述分隔部中；每个所述耦合腔包括：分别在凸起部和所述侧壁中轴向延伸的第一加宽部和第二加宽部、以及连通所述第一加宽部和第二加宽部的连通部。

Description

驻波加速器

技术领域

本实用新型属于电子直线加速器技术领域，尤其涉及一种电子直线驻波加速器。

背景技术

电子直线加速器主要使用行波加速管和驻波加速管两种结构实现电子束加速，广泛应用于医疗业、工农业和科学研究中，其中，医用电子加速器重要应用于肿瘤的诊断和放疗中。由于驻波加速管分路阻抗、效率更高，结构更紧凑等特点，现代医用加速器中更多采用驻波加速管。

随着术中放疗、闪疗等新型放疗技术的发展，对医用电子加速器的束流输出能量有了更高的要求。FLASHI放疗(FLASH radiotherapy， FLASH-RT)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，但目前FLASH-RT的临床研究大多使用低能电子，并且只有极少数的系统能够在FLASH治疗所需的场大小和所需的剂量率下提供低能电子束。传统的临床直线加速器可以改装产生剂量率超过 200Gy/s的电子束，适用于小动物实验，仅可用于治疗浅表肿瘤。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种同轴耦合结构的驻波加速器，能够提供中高能电子，解决直线电子加速器输出能量低的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种同轴耦合结构的驻波加速器，包括大致筒形的本体，本体内形成多个加速腔、多个耦合腔和电子注入通道，多个加速腔在本体的轴向方向同轴布置，相邻的两个加速腔之间具有与本体的侧壁一体连接的分隔部；电子注入通道沿本体的中心轴线贯穿本体。每个分隔部的两侧的中央部位形成轴向延伸的凸起部，耦合腔形成在分隔部中；每个耦合腔包括：分别在凸起部和侧壁中轴向延伸的第一加宽部和第二加宽部、以及连通第一加宽部和第二加宽部的连通部。

根据本实用新型的实施例，第二加宽部的轴向长度和第一加宽部的轴向长度均大于连通部的轴向长度。

根据本实用新型的实施例，在穿过中心轴线的轴向横截面中，每个加速腔的远离中心轴线的内壁呈弧形。

根据本实用新型的实施例，每个耦合腔通过两个关于中心轴线对称的耦合孔与相邻的加速腔连通。

根据本实用新型的实施例，相邻的两个加速腔的四个耦合孔关于中心轴线呈90°夹角布置。

根据本实用新型的实施例，驻波加速器分为临近电子注入通道的注入端的聚束段和临近电子注入通道的输出端的光速段。

根据本实用新型的实施例，聚束段的加速腔和耦合腔中的电子束流相速度β低于光速。

根据本实用新型的实施例，光速段的加速腔和耦合腔中的电子束流相速度β不低于光速。

根据本实用新型的实施例，驻波加速器还包括与多个加速腔中的一个连通的输入耦合器。

根据本实用新型的实施例，输入耦合器包括标准波导和形成在本体的侧壁上的输入耦合孔，其中，输入耦合孔的尺寸可调节。

根据本实用新型上述实施例的同轴耦合结构的驻波加速器，结合了加速管边耦合与轴耦合两种结构的优势，在轴耦合腔体的内侧和外侧加载纵向(轴向)长度不同的环形腔体，使得相邻加速腔体之间的空间充分利用，从而有利于提高功率容量，提高加速管对电子束流的加速效率，能够提供高能电子束流。

附图说明

图1示意性示出了根据本实用新型实施例的驻波加速器的立体图；

图2示意性示出了根据本实用新型实施例的驻波加速器的轴向剖面图；

图3示意性示出了根据本实用新型实施例的驻波加速器的分隔部和与其相邻的两个加速半腔的轴向剖视图；

图4示意性示出了根据本实用新型实施例的加速管内中心轴线上的归一化电场分布图；以及

图5示意性示出了根据本实用新型实施例的加速管内电子束流的能量增长曲线。

【附图标记】

1-本体；11-侧壁；2-加速腔；3-耦合腔；31-第一加宽部；32-连通部； 33-第二加宽部；4-电子注入通道；5-分隔部；51-凸起部；52-耦合孔；6- 输入耦合器；61-输入耦合孔。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

电子直线加速器主要使用行波加速管和驻波加速管两种结构实现电子束加速。由于驻波加速管分路阻抗、效率更高，结构更紧凑等特点，现代医用加速器中更多采用驻波加速管。驻波加速管中应用最广泛的是工作与π/2模式下的驻波双周期结构。双周期驻波加速管结构主要由高Q值，高分路阻抗的加速腔(AC-Accelerator Cavity)和耦合腔(CC-Coupling Cavity)以及加速腔和耦合腔之间的耦合孔组成。其中加速腔结构主要使用带鼻锥的Ω型腔体，而耦合腔则主要使用轴耦合结构和边耦合结构的盒型腔体。

边耦合结构的加速管将耦合腔放置于加速管外侧实现耦合腔与电子注通道隔离，其具有高分路阻抗、高功率容量、高加速梯度、高稳定性等优点，但是边耦合加速管存在加工、装配、焊接工艺复杂，径向尺寸大，不利于聚焦系统安装等问题。

轴耦合加速管是另一种广泛应用的更为紧凑的驻波加速结构，其耦合腔中心轴线与加速腔中心轴线重合并且腔体与电子注通道直接相连。轴耦合结构由于是轴对称结构，并且与加速腔中心轴重合，所以更易于加工、装配和焊接，并且其径向尺寸更小使加速管整体结构更加紧凑。但是轴耦合加速管分路阻抗、功率容量、加速梯度相对于边耦合结构更低。由于轴耦合结构耦合腔体与电子注通道直接相连，虽然工作与π/2模式下的驻波加速管耦合腔内电场幅度几乎为零，但是加速管工作时频率或电场发生扰动将导致耦合腔内出现轴向电场分布从而影响束流加速的品质。

针对边耦合加速管和轴耦合加速管的上述至少一种缺陷，本实用新型提供一种同轴耦合结构的驻波加速器，图1示意性示出了根据本实用新型实施例的驻波加速器的立体图。

该驻波加速器包括：大致筒形的本体1，本体内形成多个加速腔2、多个耦合腔3和电子注入通道4，多个加速腔2在本体1的轴向方向同轴布置，相邻的两个加速腔2之间具有与本体的侧壁11一体连接的分隔部5；电子注入通道4沿本体1的中心轴线贯穿本体1。每个分隔部5的两侧的中央部位形成轴向延伸的凸起部51，耦合腔3形成在分隔部5中；每个耦合腔3包括：分别在凸起部51和侧壁11中轴向延伸的第一加宽部31和第二加宽部33、以及连通第一加宽部和第二加宽部的连通部32。这样，在轴向截面中，每个耦合腔3形成为之间窄两端加宽的哑铃型轮廓。

根据本实用新型上述实施例的同轴耦合结构的驻波加速器，结合了加速管边耦合与轴耦合两种结构的优势，在轴耦合腔体的内侧和外侧加载纵向(轴向)长度不同的环形腔体，使得相邻加速腔体之间的空间充分利用，从而有利于提高功率容量，提高加速管对电子束流的加速效率，能够提供高能电子束流。

图2示意性示出了根据本实用新型实施例的驻波加速器的轴向剖面图；图3示意性示出了根据本实用新型实施例的驻波加速器的分隔部和与其相邻的两个加速半腔的轴向剖视图。

根据本实用新型的实施例，参见图1-3，第二加宽部的轴向长度(L3) 和第一加宽部的轴向长度(L1)均大于连通部的轴向长度(L2)。

根据本实用新型的实施例，在穿过中心轴线的轴向横截面中，每个加速腔2的远离中心轴线的内壁呈弧形。

根据本实用新型的实施例，每个耦合腔3通过两个关于中心轴线对称的耦合孔52与相邻的加速腔2连通。

根据本实用新型的实施例，相邻的两个加速腔2的四个耦合孔52关于中心轴线呈90°夹角布置。

根据本实用新型的实施例，驻波加速器分为临近电子注入通道的注入端的聚束段和临近电子注入通道的输出端的光速段。

根据本实用新型的实施例，聚束段的加速腔2和耦合腔3中的电子束流相速度β低于光速。

根据本实用新型的实施例，光速段的加速腔2和耦合腔3中的电子束流相速度β不低于光速。

根据本实用新型的实施例，驻波加速器还包括与多个加速腔中的一个连通的输入耦合器6。

根据本实用新型的实施例，输入耦合器6包括标准波导和形成在本体的侧壁上的输入耦合孔61，其中，输入耦合孔61的尺寸可调节。

根据本实用新型的实施例，在传统轴耦合腔体的内侧和外侧加载纵向长度不同的环形腔体，使得相邻加速腔体之间的空间充分利用，提高了加速管的分路阻抗、功率容量和加速梯度。

下面示意性以含有10个加速腔和9个耦合腔的驻波加速器举例说明该同轴耦合结构的驻波加速器结构。

图2示意性示出了根据本实用新型实施例的含有10个加速腔和9个耦合腔的驻波加速器的剖面图。

如图2所示，该驻波加速器包括大致筒形的本体1，本体1内形成的 10个加速腔AC1～AC10、9个耦合腔CC1～CC9、电子注入通道4以及与加速腔AC10连通的输入耦合器6。驻波加速器内电磁场工作在π/2模式，加速腔和耦合腔体与电子注入通道同轴分布。

根据本实用新型的实施例，加速腔AC1～AC10在本体的轴向方向同轴布置，相邻的两个加速腔之间具有与所述本体的侧壁11一体连接的分隔部5。

根据本实用新型的实施例，在穿过中心轴线的轴向横截面中， AC1～AC10中的每个加速腔的远离所述中心轴线的内壁呈弧形。

根据本实用新型的实施例，耦合腔CC1～CC9形成在分隔部5中，每个加速腔通过两个关于中心轴线对称的耦合孔52与相邻的加速腔连通。

根据本实用新型的实施例，相邻的两个加速腔的四个耦合孔52关于中心轴线呈90°夹角布置，以免加速管内部的临近耦合现象发生。

根据本实用新型的实施例，电子注入通道4沿本体1的中心轴线贯穿本体1。

根据本实用新型的实施例，输入耦合器6包括标准波导和形成在本体1的侧壁11上的输入耦合孔61，其中，输入耦合孔61的尺寸可调节，调节输入耦合孔61的尺寸可以实现与加速管的最佳匹配。

根据本实用新型的实施例，驻波加速器中临近电子注入通道的注入端的AC1-AC3、CC1-CC2共同构成聚束段，临近电子注入通道的输出端的 AC4-AC9、CC3-CC9共同构成光速段。

根据本实用新型的实施例，聚束段中电子束流相速度β低于光速，调节聚束段中AC1、AC2、AC3腔体中电磁场相速度分别为β1＝0.5、β2＝0.8、β1＝0.95，电场幅度之比为0.5:0.7:1。通过详细设计聚束段中加速腔的电场幅度值和相速度β，提高聚束段中加速腔和耦合腔对电子束流的俘获率。

根据本实用新型的实施例，光速段电子束流相速度β不低于光速，光速段中加速腔AC4-AC9、耦合腔CC3-CC9腔体尺寸完全相同，实现对电子束流的同步加速，保证在加速管出口处达到高能电子束流的能量和强度。

根据本实用新型的实施例，AC10与输入耦合器6连通，AC10的腔体尺寸可调节，使其本征频率与工作频率一致并使光速段加速腔体加速间隙内电场分布保持一致。

图3示意性示出了分隔部和与其相邻的两个加速半腔的结构示意图。

如图3所示，分隔部5的两侧的中央部位形成轴向延伸的凸起部51，耦合腔形成在分隔部5中。每个耦合腔3包括：分别在凸起部51和侧壁 11中轴向延伸的第一加宽部31和第二加宽部33、以及连通第一加宽部和第二加宽部的连通部32。每个耦合腔通过两个关于中心轴线对称的耦合孔 52与相邻的加速腔连通。

根据本实用新型的实施例，第二加宽部33的轴向长度(L3)和第一加宽部31的轴向长度(L1)均大于连通部32的轴向长度(L2)。

根据本实用新型的实施例，在传统轴耦合腔体的内侧和外侧加载纵向长度不同的环形腔体，使得相邻加速腔体之间的空间充分利用，从而有利于提高功率容量，有利于加速管后期测试于调谐。

图4示意性示出了根据本实用新型实施例的加速管内中心轴线上的归一化电场分布图，如图所示，聚束段中加速腔AC1-AC3的电场强度比为 0.5:0.7:1，光速段中加速腔AC4-AC9的电场强度相同，AC10的电场强度大于AC4-AC9的电场强度。并且从图中可以看出，电场集中分布于加速腔中，耦合腔中没有电场产生，保证了电子束流加速的品质。

图5示意性示出了根据本实用新型实施例的加速管内电子束流的能量增长曲线，当加速腔内轴线上平均电场强度为68.5MV/M时，电子束流经聚束段聚束和光速段加速后，在输入耦合器处能够达到19MeV，本实用新型提供的加速管提高了加速管对电子束流的加速效率，能够提高输出电子能量。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种驻波加速器，包括大致筒形的本体，所述本体内形成多个加速腔、多个耦合腔和电子注入通道，多个所述加速腔在本体的轴向方向同轴布置，相邻的两个加速腔之间具有与所述本体的侧壁一体连接的分隔部；所述电子注入通道沿所述本体的中心轴线贯穿所述本体，

其特征在于，每个所述分隔部的两侧的中央部位形成轴向延伸的凸起部，所述耦合腔形成在所述分隔部中；每个所述耦合腔包括：分别在凸起部和所述侧壁中轴向延伸的第一加宽部和第二加宽部、以及连通所述第一加宽部和第二加宽部的连通部。

2.根据权利要求1所述的驻波加速器，其特征在于，所述第二加宽部的轴向长度和所述第一加宽部的轴向长度均大于所述连通部的轴向长度。

3.根据权利要求2所述的驻波加速器，其特征在于，在穿过所述中心轴线的轴向横截面中，每个所述加速腔的远离所述中心轴线的内壁呈弧形。

4.根据权利要求1所述的驻波加速器，其特征在于，每个所述耦合腔通过两个关于所述中心轴线对称的耦合孔与相邻的所述加速腔连通。

5.根据权利要求4所述的驻波加速器，其特征在于，相邻的两个所述加速腔的四个所述耦合孔关于所述中心轴线呈90°夹角布置。

6.根据权利要求1所述的驻波加速器，其特征在于，所述驻波加速器分为临近所述电子注入通道的注入端的聚束段和临近所述电子注入通道的输出端的光速段。

7.根据权利要求6所述的驻波加速器，其特征在于，所述聚束段的所述加速腔和所述耦合腔中的电子束流相速度β低于光速。

8.根据权利要求6所述的驻波加速器，其特征在于，所述光速段的所述加速腔和所述耦合腔中的电子束流相速度β不低于光速。

9.根据权利要求1所述的驻波加速器，其特征在于，所述驻波加速器还包括与多个所述加速腔中的一个连通的输入耦合器。

10.根据权利要求9所述的驻波加速器，其特征在于，所述输入耦合器包括标准波导和形成在所述本体的侧壁上的输入耦合孔，其中，所述输入耦合孔的尺寸可调节。

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