[发明专利]一种高梯度返波型行波加速器及其快速能量调节方法

说明书

本发明涉及一种高梯度返波型行波加速器及其快速能量调节方法，其由一系列反行波加速单元串联而成，每一反行波加速单元包括加速腔、盘片和反行波漂移管；加速腔为两端开口的筒形结构，盘片一体形成于加速腔内部，且盘片的中心开设有束流中心孔；反行波漂移管沿轴向固定在盘片的束流中心孔内，用于集中加速电场；在位于反行波漂移管两侧的盘片上对称地开设有两磁耦合孔，用于使相邻两个反行波加速单元的加速腔以磁耦合的方式工作；一系列反行波加速单元通过加速腔依次串联在一起，且相邻两个返波型行波加速器加速单元的反行波漂移管之间存在加速间隙。本发明可以提升加速梯度，缩短质子治疗直线加速器的长度，同时可以缩短能量切换时间，增加有效治疗时间。

技术领域

本发明涉及一种质子治疗加速器，具体是关于一种高梯度返波型行波加速器及其快速能量调节方法，属于核医学技术领域。

背景技术

目前的质子治疗加速器通常采用回旋加速器和同步加速器，而重离子加速器通常采用同步加速器。回旋加速器可提供持续稳定的束流，但回旋加速器是弱聚焦结构，传输效率低，会带来较严重的活化问题，并且引出能量固定。

同步加速器虽然可以实现能量可调，但其注入、升能和标准化循环需要占用很长时间，换能时间约秒级，会增加无效治疗时间，而且引出束流平均流强较低，无法适应快速、连续治疗的要求。此外同步加速器占地面积大，整个系统架构复杂。

直线加速器的主要优点是横向尺寸小，引出和注入容易，传输和加速过程中几乎没有束流损失。为此，直线加速器应用到质子治疗领域是研究的主要方向，为缩小加速器的长度，通常采用的加速结构为RFQ(Radio Frequency Quadrupole，射频四极场加速器)+DTL(Drift Tube Linac，漂移管直线加速器)+CCL(Coupled Cavity Linac，耦合腔直线加速器)，该加速结构出口能量固定，却很难满足精准治疗的需要；也考虑使用RFQ+DTL+盘荷波导前向行波，该方案可实现能量的调节，但加速梯度仍较低，230MeV质子治疗加速器长度仍需要数十米，很难满足医院的安装规模。

现有的能量调节主要使用降能片，降能片会带来活化问题，增加屏蔽系统的尺寸，而且通过降能片后，束流品质会变差。当使用行波加速器后，能量调节可通过加速器本身实现，通过对腔体进行扫相完成加速器出口能量的改变，扫相过程通常需要若干分钟的时间，而且对某个输出能量点不用加载的腔体，功率源是关闭状态，处于冷态，当需要转换到别的能量点，该腔体需要重新加载功率，切换到热态，功率加载过程需要分钟级，增加无效治疗时间。

发明内容

针对上述问题，本发明的其中一个目的是提供一种高梯度返波型行波加速器，提升加速梯度，缩短质子治疗直线加速器的长度；本发明的另一个目的是提供一种该高梯度返波型行波加速器的快速能量调节方法，缩短能量切换时间，增加有效治疗时间。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高梯度返波型行波加速器，由一系列反行波加速单元串联而成，每一所述反行波加速单元包括加速腔、盘片和反行波漂移管；其中，所述加速腔为两端开口的筒形结构，所述盘片一体形成于所述加速腔内部，且所述盘片的中心开设有束流中心孔；所述反行波漂移管沿轴向固定在所述盘片的束流中心孔内，用于集中加速电场；在位于所述反行波漂移管两侧的所述盘片上对称地开设有两磁耦合孔，用于使相邻两个所述反行波加速单元的加速腔以磁耦合的方式工作；由此，一系列所述反行波加速单元通过所述加速腔依次串联在一起形成高梯度返波型行波加速器，且相邻两个所述返波型行波加速器加速单元的所述反行波漂移管之间存在加速间隙。