一种基于直线加速段的质子CT增能装置
一种基于直线加速段的质子ct增能装置
技术领域
1.本发明涉及粒子放射技术领域，更具体地涉及一种基于直线加速段的质子ct增能装置。
背景技术：
2.质子ct(computed tomography)成像是新型质子技术的发展趋势之一，要求质子能量在330mev及以上，保证照射质子束的布拉格峰(bragg peak)完全落在人体之外。传统的质子装置主要基于回旋加速器和同步加速器，引出能量为70-250mev，很难直接提高质子的最高输出能量到质子ct所需能量，而重新建造一台330mev或者330mev能量以上的质子加速器成本高昂且技术复杂。直线加速结构具有能量可调的优势，不仅能够通过增加射频加速单元的方式提高质子能量，还能够在已有的回旋加速器和同步加速器基础上简单方便地实现能量提升，满足临床ct的能量需求。然而，同步加速器和回旋加速器引出的质子束流为长脉冲或连续波，直接进入直线加速结构加速，会造成80％以上的束流损失，污染加速管并引发活化效应。
技术实现要素：
3.为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种基于直线加速段的质子ct增能装置，能够实现质子束流的增能，将质子能量提升到330mev及以上，同时降低回旋加速器或同步加速器引出的质子束流在直线加速段中的束流损失。
4.本发明提供的一种基于直线加速段的质子ct增能装置，包括依次连接的预聚束结构、真空漂移段、直线加速段以及具有刮束器的弯转磁铁，所述直线加速段由若干子单元组成，每个子单元包括一个四极磁铁和至少一根质子直线加速管，每根质子直线加速管通过波导系统与功率源连接，且功率源和低电平控制系统连接；相邻的两个所述子单元中的质子直线加速管的β值不同，以在所述直线加速段中形成分段多β值分布，其中，β值等于所述质子直线加速管的单腔长度的两倍与所述质子直线加速管工作频率下的自由空间波长的比值。
5.进一步地，所述子单元包括两根或两根以上质子直线加速管。
6.进一步地，一个所述子单元中的质子直线加速管的β值相同。
7.进一步地，所述预聚束结构的整管调制幅度小于
±
0.7mev，束流孔径大于22mm，且输入功率不超过1mw。
8.进一步地，所述真空漂移段的长度小于等于16m。
9.进一步地，所述直线加速段的长度小于11m。
10.进一步地，所述质子直线加速管的束流孔径大于18mm，长度小于500mm，能量增益大于7mev@10mw。
11.进一步地，所述功率源包括输出功率为10mw的速调管和/或输出功率为50mw的速调管。
12.进一步地，所述弯转磁铁为二极磁铁。
13.进一步地，所述刮束器设置在所述弯转磁铁的前端、内部或后端，包括大小可控的窗口。
14.本发明提供的一种基于直线加速段的质子ct增能装置，能够实现质子束流的增能，使质子束加速到330mev及以上，束流损失降低到40％以下，并在
±
1mev能散范围内实现30％的高俘获率质子束团输出。同时，本发明能够保证在直线加速段的高梯度加速结构非工作状态下，保留质子装置的作用，实现质子ct成像和质子装置一体化。
附图说明
15.图1是按照本发明的基于直线加速段的质子ct增能装置的结构示意图。
16.图2是图1中直线加速段的结构示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
18.本发明提供的基于直线加速段的质子ct增能装置，采用预聚束技术实现回旋加速器或同步加速器与射频直线加速段的匹配，利用功率源和低电平系统控制质子束流通过直线加速段后的能量分布，实现目标能量的高俘获率质子束团输出，以满足质子ct成像的需求。
19.如图1和图2所示，本发明的质子ct增能装置，包括依次连接的预聚束结构1、真空漂移段2、直线加速段以及具有刮束器的弯转磁铁5，回旋加速器或者同步加速器引出的质子连续束6经过预聚束结构1，实现能量调制7，再经过真空漂移段2，实现质子束在特定的相位范围内聚集，达到预聚束8。预聚束8在直线加速段中实现增能，最高能量达到目标能量(例如350mev)，并实现能量聚集分布9，经过弯转磁铁5及刮束后，实现目标能量的输出束团10。
20.其中，预聚束结构1用于对回旋加速器或同步加速器引出的质子连续束进行小幅度能量调制，置于与回旋加速器或同步加速器连接的高能输运线上。在本发明中，预聚束结构1采用s波段质子直线加速结构，整管调制幅度小于
±
0.7mev，束流孔径大于22mm，且输入功率不超过1mw。
21.真空漂移段2用于实现质子束在特定的相位范围内聚集，长度小于等于16m。
22.直线加速段用于实现质子束流从引出能量到质子ct目标能量(例如230mev～350mev)的增能，以及指定能量范围内的聚集。直线加速段由若干子单元组成，每个子单元包括一个四极磁铁3和至少一根质子直线加速管4，每根质子直线加速管4通过波导系统12与功率源11连接，且功率源11和低电平控制系统13连接，直线加速段的总长度小于11m。
23.四极磁铁3用于聚焦，约束质子束流的横向尺寸，降低质子束流在加速过程中的束流损失。质子直线加速管4用于对质子束流进行加速，提高质子束能量，其采用高梯度、大束流孔径(即大于质子束流的横向尺寸)的加速管，以降低质子束流由于碰壁造成的束流损失。由于质子束流的初始发射度不为0，在经过长距离的漂移后产生发散，高梯度的质子直线加速管4能够减小漂移长度，从而抑制束流发散。在本发明中，质子直线加速管4的束流孔径大于18mm，长度小于500mm，能量增益大于7mev@10mw。对于一个子单元，若其包括两根或
两根以上的质子直线加速管4，一个子单元中的质子直线加速管4的β值相同。其中，β值一般是指质子速度与光速的比值，在本发明中，β值等于质子直线加速管4的单腔长度的两倍与质子直线加速管4工作频率下的自由空间波长的比值。质子直线加速管4的β值取决于通过其所在的子单元的质子束流的速度，由于质子速度沿束流方向变化，因而相邻的子单元中的质子直线加速管4的β值不同，从而在直线加速段中形成分段多β值分布。
24.功率源11用于提供脉冲微波功率，其包括输出功率为10mw的速调管和/或输出功率为50mw的速调管。波导系统12包括标准波导、弯转波导和功分器，起到微波传输和分配的作用，配合功率源11将脉冲微波功率传输至质子直线加速管4。低电平控制系统13包括机箱、控制板卡、控制程序等部件，用于控制功率源11的输出功率水平和质子束流进入质子直线加速管4时的微波相位，达到控制能量分布的目的。具体来说，低电平控制系统13通过改变功率源11中的调制器电压，从而控制功率源11的输出功率水平。低电平控制时序，影响功率源11输出功率的时刻，从而影响微波功率传输到质子直线加速管4的时刻，进而控制质子进入质子直线加速管4感受到的微波相位和功率大小。
25.质子在质子直线加速管4中加速时，为了保证峰值加速或同步加速，质子直线加速管4的相速度应与质子速度一样。然而，质子在本发明的质子直线加速管4中一直是非光速运动，质子速度沿着束流方向变化。为了使尽可能多的质子被加速，质子直线加速管4的β值须与质子在该加速管中的速度匹配。功率源11为质子直线加速管4提供输入功率，输入功率的水平决定了质子直线加速管4中的电磁场强度，影响质子在该加速管的能量增益。输入功率的微波相位决定了质子进入质子直线加速管4时感受到的电磁场强度，同样影响质子在该加速管的能量增益。前一根质子直线加速管4的能量增益的变化，决定质子在该加速管末端的运动速度，影响下游的质子直线加速管4的质子同步和质子进入下游质子直线加速管4感受到的微波相位。由于质子束有纵向长度，质子束不同位置处的质子在进入质子直线加速管4时感受到的电磁场强度不同，能量增益不同，则质子束流经过加速结构后就形成能量分布。因此，本发明通过调节每根质子直线加速管4的β值、输入功率、功率微波相位，来优化直线加速段末端的能量分布，从而实现质子束流在目标能量内聚集，使质子束流的最高能量达到330mev及以上。
26.由于质子束流的横向尺寸不为0，在经过质子直线加速管4时，偏离质子直线加速管4轴线的质子会受到横向的电磁场，改变质子束流的横向尺寸。当质子束流的横向尺寸大于束流孔径时，质子碰撞束流管道壁，产生束流损失，严重会产生活化效应。本发明在直线加速段中设置四极磁铁，对质子束流进行聚焦，约束质子束流的横向尺寸，进一步降低质子束流通过整个直线加速段时的束流损失，提高全能量通过率。
27.弯转磁铁5为二极磁铁，用于偏转质子束流。不同能量的质子束流在磁场下具有不同的弯转半径，通过改变二极磁铁的磁场强度，使得目标能量的质子束流能通过本发明装置的束流输运线，其余能量的质子由于弯转半径与输运线管道不匹配，会碰撞到管道壁上损失。刮束器可以设置在弯转磁铁5的前端、内部或者后端，其为可移动的窗口，且窗口大小可控，用于筛选输出束团的能量和横向尺寸。质子束流通过刮束器，横向尺寸超过刮束器窗口的部分，会碰壁到刮束器上损失。因此，通过调节二极磁铁的磁场强度和刮束器的窗口大小，能够实现目标能量的质子束团输出，进一步约束质子束的横向尺寸。
28.本发明通过预聚束结构对质子束流进行小幅度能量调制，使质子连续束在相位分
布上形成速度差，经过足够长的真空漂移段后，使质子束流在进入直线加速段前聚集在特定的相位范围内，实现质子束流的纵向预聚束，解决基于回旋加速器或同步加速器的装置与基于直线加速段的增能装置之间的匹配问题，提高质子束流在目标能量范围的占比。本发明还通过磁铁聚焦方式和加大直线加速管的束流孔径，降低质子束流在加速过程中由于碰壁造成的束流损失。同时，本发明通过功率源和低电平控制系统，调节同步粒子进入直线加速管的相位，控制每根直线加速管的能量增益和输出的能量分布情况。本发明综合预聚束技术、磁铁技术、大孔径加速管、功率和相位控制技术，最终实现质子束流从引出能量到质子ct目标能量(例如330mev及以上)的增能，降低质子束流在增能装置中的束流损失，实现质子束在指定能量范围(例如
±
1mev)的高俘获率输出，为质子ct成像提供束流基础。
29.为方便理解，以下通过一具体示例来对本发明的质子ct增能装置进一步说明。
30.本发明的质子ct增能装置包括预聚束结构1、真空漂移段2、四极磁铁3、质子直线加速管4、弯转磁铁5、功率源11、波导系统12和低电平控制系统13，旨在实现一种基于分段变β值分布的直线加速段的质子ct增能装置，达到质子束流增能的目的，实现从引出能量到质子ct目标能量的增能，同时降低回旋加速器或同步加速器引出的质子束流在直线加速段中的束流损失，将质子束能量聚集在指定范围，实现高俘获率的束团输出，达到质子ct成像的技术需求。
31.预聚束结构1的整管调制幅度为
±
0.5mev，束流孔径为35mm，输入功率为1mw。回旋加速器或同步加速器引出的质子连续束6的能量为230mev，经过预聚束结构1后，质子束流的能量沿着相位呈正弦分布，形成能量调制7。
32.调制后的质子束流由于存在速度差异，在进入直线加速段前，经过真空漂移段2，在
±
10
°
相位范围内发生聚集，实现质子束流的预聚束8。在该示例中，真空漂移段2的长度为16米，取决于预聚束结构1的能量调制幅度和最终输出束团的能量分布。预聚束结构1的能量调制幅度与真空漂移段2的长度具有反比例关系，能量调制幅度越小，加速器末端的能量分布在目标能量附近越集中，在同样的目标能量范围内质子束占比越大。
33.在直线加速段中，四极磁铁3和质子直线加速管4交错分布，相邻四极磁铁3之间设置两根质子直线加速管4，共有9块四极磁铁和16根加速管。四极磁铁3的有效长度为100mm，最大梯度为31t/m，相邻两个四极磁铁3的中心距离为1.3m。质子直线加速管4采用s波段11腔轴耦合驻波加速结构，束流孔径为22mm，总长为450mm，能量增益为8mev@10mw。质子束流在直线加速段中实现增能，增能过程中存在束流发散，通过四级磁铁3将质子束流的横向尺寸约束在一定范围。为了降低加速过程中的束流损失，质子直线加速管4采用大束流孔径方案，同时保证10mw功率水平下的高加速梯度，实现装置紧凑化。
34.16根质子直线加速管的β值从0.617到0.685分布，在直线加速段中共分为10小段，其中第1根、第2根、第15根和第16根单独为1段，其他每相邻的两根为1段，每段内的β值相同。即，第1根质子直线加速管以及与其相邻的四极磁铁构成第一子单元，第2根质子直线加速管以及与其相邻的四极磁铁构成第二子单元，第3根质子直线加速管、第4根质子直线加速管以及与第4根质子直线加速管相邻的四极磁铁构成第三子单元，
……
，依次类推，直线加速段中共有10个子单元，一个子单元中的质子直线加速管的β值相同，而相邻的两个子单元中的质子直线加速管的β值不同，从而形成分段多β值分布。通过设置质子直线加速管的β
值，能够使更多的质子被加速到目标能量。第1根加速管是质子束从能量均匀分布到能量聚集的关键，适合进行单独调节。第2根加速管对能量分布影响也较大，因而也进行单独调节控制。对于中间的12根加速管，每相邻2根加速管的β值设置为相同，目标能量分布可行，且不会增加结构参数设计和制造成本。最后2根加速管单独设计，为了保证将质子束加速到目标能量，并方便单独调节能量增益，控制直线加速段的最终能量分布。
35.功率源11采用10mw速调管和50mw速调管，通过波导系统12分配和传输脉冲微波功率，馈入每根质子直线加速管。低电平控制系统13配合功率源11，控制速调管输出功率水平和质子束流进入加速管时的微波相位，达到能量分布控制的目的。其中，前2根和最后2根加速管采用单独的10mw功率源和低电平，便于单独调节同步粒子进入加速管的相位和能量增益，并快速改变最终的输出能量。其它12根加速管由三套50mw速调管提供功率。每套50mw速调管通过波导系统12将功率平均分为四份，馈入相邻的四根高梯度直线加速管，微波馈入相位一致。
36.直线加速段末端的质子束流经过弯转磁铁5，实现
±
1mev能散内(例如349mev～351mev)或
±
0.5mev能散内(例如349.5mev～350.5mev)的束团输出，调节磁铁参数，控制束团的输出能量。并且，通过调节刮束器的参数，约束质子输出束团的横向尺寸。
37.本发明的直线加速段结合变β值设计、大孔径加速结构、功率水平和相位控制及磁铁技术，实现质子束从引出能量到质子ct目标能量的增能，实现输出能量在300mev至最高能量范围内快速可调，降低加速管内的束流损失，同时配合预聚束技术，提高质子束的全能量通过率。本发明通过调节相位和功率，改变直线加速段末端的能量分布，配合弯转磁铁及刮束器，实现输出束团在不同能量范围的最优俘获率。本发明的较佳实施例将质子束流损失从原有技术的80％降低到40％以下，最终实现67％的全能量通过率，并在
±
1mev能散范围内获得37％的束团输出俘获率，在
±
0.5mev能散范围内实现28％的束团输出高俘获率。同时保证高梯度加速结构在非工作状态下，230mev能量的质子束流通过基于直线加速段的增能装置的损失低于2％。本发明还能够保留质子装置的作用，实现质子装置和质子ct成像一体化。
38.本发明的基于分段变β值分布的直线加速段的质子ct增能装置同样能够将直线加速段的引出质子束流增能到目标能量，只需调整预聚束结构的能量调制幅度或者取消预聚束结构，改变功率源和低电平控制系统，从而控制功率源输出功率水平和质子束流进入加速管时的微波相位，实现目标能量的聚集和高俘获率的质子束团输出，达到质子ct成像的技术需求。本发明的增能装置还可以调整每根加速管的β值，配合功率源和低电平控制系统，进一步提高目标能量下输出束团的俘获率。
39.以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
技术特征：
1.一种基于直线加速段的质子ct增能装置，其特征在于，包括依次连接的预聚束结构、真空漂移段、直线加速段以及具有刮束器的弯转磁铁，所述直线加速段由若干子单元组成，每个子单元包括一个四极磁铁和至少一根质子直线加速管，每根质子直线加速管通过波导系统与功率源连接，且功率源和低电平控制系统连接；相邻的两个所述子单元中的质子直线加速管的β值不同，以在所述直线加速段中形成分段多β值分布，其中，β值等于所述质子直线加速管的单腔长度的两倍与所述质子直线加速管工作频率下的自由空间波长的比值。2.根据权利要求1所述的基于直线加速段的质子ct增能装置，其特征在于，所述子单元包括两根或两根以上质子直线加速管。3.根据权利要求2所述的基于直线加速段的质子ct增能装置，其特征在于，一个所述子单元中的质子直线加速管的β值相同。4.根据权利要求1所述的基于直线加速段的质子ct增能装置，其特征在于，所述预聚束结构的整管调制幅度小于
±
0.7mev，束流孔径大于22mm，且输入功率不超过1mw。5.根据权利要求1所述的基于直线加速段的质子ct增能装置，其特征在于，所述真空漂移段的长度小于等于16m。6.根据权利要求1所述的基于直线加速段的质子ct增能装置，其特征在于，所述直线加速段的长度小于11m。7.根据权利要求1所述的基于直线加速段的质子ct增能装置，其特征在于，所述质子直线加速管的束流孔径大于18mm，长度小于500mm，能量增益大于7mev@10mw。8.根据权利要求1所述的基于直线加速段的质子ct增能装置，其特征在于，所述功率源包括输出功率为10mw的速调管和/或输出功率为50mw的速调管。9.根据权利要求1所述的基于直线加速段的质子ct增能装置，其特征在于，所述弯转磁铁为二极磁铁。10.根据权利要求1所述的基于直线加速段的质子ct增能装置，其特征在于，所述刮束器设置在所述弯转磁铁的前端、内部或后端，包括大小可控的窗口。
技术总结
本发明涉及一种基于直线加速段的质子CT增能装置，包括依次连接的预聚束结构、真空漂移段、直线加速段以及具有刮束器的弯转磁铁，所述直线加速段由若干子单元组成，每个子单元包括一个四极磁铁和至少一根质子直线加速管，每根质子直线加速管通过波导系统与功率源连接，且功率源和低电平控制系统连接；相邻的两个所述子单元中的质子直线加速管的β值不同，以在所述直线加速段中形成分段多β值分布，其中，β值等于所述质子直线加速管的单腔长度的两倍与所述质子直线加速管工作频率下的自由空间波长的比值。本发明能够将质子能量提升到330MeV及以上，同时降低回旋加速器或同步加速器引出的质子束流在直线加速段中的束流损失。器引出的质子束流在直线加速段中的束流损失。器引出的质子束流在直线加速段中的束流损失。
