一種醫(yī)用質子直線加速器制造技術

本申請公開了一種醫(yī)用質子直線加速器，包括：依次連接的ECR離子源、RFQ加速器、SDTL和行波質子加速器。在中能加速段采用分離型漂移管直線加速器，即SDTL，在高能加速段采用行波質子加速器，使得醫(yī)用質子直線加速器不僅結構更加緊湊、占用空間更小，而且出射的質子束能量在70?250MeV范圍內連續(xù)可調，滿足腫瘤治療時因病人身體內腫瘤位置不同束流能量需調節(jié)的需要。另外，由于SDTL和行波質子加速器均為多段依次連接的結構，可以分期分段建造，可適應不同醫(yī)院對質子能量的需求，后期也可根據(jù)治療需求進行能量升級。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種醫(yī)用質子直線加速器
本申請涉及癌癥治療儀器領域，尤其涉及一種醫(yī)用質子直線加速器。
技術介紹
當今世界，癌癥已成為主要威脅人類生命的主要病癥。近幾年全世界癌癥發(fā)病率正在逐年提高，癌癥也已成為影響中國人生命健康的最大威脅。目前，癌癥的傳統(tǒng)治療方法有藥物治療和放療方法。其中傳統(tǒng)放療方法主要有X射線和γ射線，因射線的能量釋放隨路徑遞減，這兩種放療方式在殺死癌細胞的同時，路徑中的正常組織也會受到損傷，因此術后嚴重影響到病人的生活質量。近幾年，國內興起質子和重離子技術在治療癌癥時，相比于傳統(tǒng)放療方法有重大優(yōu)勢，質子經(jīng)由直線加速器加速至約61％的光速時，形成離子射線被引出射入人體，在到達腫瘤病灶前，射線能量釋放不多，但是到達病灶后，射線會瞬間釋放大量能量，形成Bragg曲線狀能量釋放軌跡，整個治療過程好比是針對腫瘤的“立體定向爆破”，能夠對腫瘤病灶進行強有力的照射，并大大減少對周圍正常組織的照射，實現(xiàn)療效最大化。因病人身體內腫瘤位置的不同，因此治療時所需要的質子束流能量要求一般在70-250MeV內連續(xù)可調，并且為了達到較大的劑量率和減少照射時間，質子束占空比需要較高。質子加速器主要包括質子回旋加速器、質子同步加速器和質子直線加速器。質子回旋加速器可提供穩(wěn)定、持續(xù)的質子束，束流切斷和開啟速度很快，但需定期更換內置離子源，而且束流能量不可調，為了實現(xiàn)質子束能量連續(xù)可調，回旋加速器后需再接一個能量調制器，利用散射將經(jīng)回旋加速器加速的質子束的束流能量降低，這種攔截式的質子束能量調節(jié)方式會產(chǎn)生大量的輻射，容易造成器件的活化，增加醫(yī)院的輻射屏蔽成本，而且散射造成的束流能量利用率低，散射后的束流品質差，70MeV通過的效率僅為2％。質子同步加速器可提供70-250MeV范圍內可調的質子束，但同步加速器由注入器和環(huán)型加速器組成，占地面積大，整個系統(tǒng)架構復雜，而且同步加速器的注入、升能和標準化循環(huán)需要占用很長時間，引出平臺所對應的有效時間很短，換能時間緩慢，造成無效治療時間長；即便是改進后的緊湊型同步加速器，仍不能克服只能提供脈沖質子束、平均劑量率低的缺點，無法適應快速、連續(xù)治療的需要。質子直線加速器質子引出和注入容易，可提供穩(wěn)定、持續(xù)的質子束，質子束在加速和傳輸過程中幾乎無損失，具有離子源可長期穩(wěn)定運行、劑量率高的優(yōu)點，申請?zhí)枮?01410323833.1的專利中解決了在限制空間區(qū)域安裝質子直線加速器的問題，但由于采用的耦合腔線性加速器(CCL)為駐波加速器，出射的質子束能量為固定值，仍未能解決直線加速器束流能量無法連續(xù)可調的問題。
技術實現(xiàn)思路
本申請?zhí)峁┮环N醫(yī)用質子直線加速器，該醫(yī)用質子直線加速器提供的質子束穩(wěn)定、持續(xù)且束流能量連續(xù)可調。本申請?zhí)峁┑囊环N醫(yī)用質子直線加速器，包括：離子源、低能加速段從離子源中引出質子的噴射器、中能加速段將質子能量加速至固定能量值的漂移管直線加速器、RF功率源和高能加速段的行波質子加速器，所述RF功率源為所述行波質子加速器提供高頻功率，使得所述行波質子加速器腔體內形成高頻電磁場；所述行波質子加速器連接于漂移管直線加速器之后，當質子束進入所述行波質子加速器腔體時受到高頻電場的作用而加速，通過改變輸入的所述高頻功率的大小，可改變高頻電場的強度，使得經(jīng)過所述行波質子加速器加速后出射的質子束能量值連續(xù)可調節(jié)，獲得不同能量值的質子束，滿足癌癥治療的需要。在一些實施例中，所述離子源為電子回旋共振離子源。在一些實施例中，所述行波質子加速器包括多段依次連接的行波質子加速腔，RF功率源有多個，每個RF功率源單獨向每段加速單元提供高頻功率，每個RF功率源的高頻功率獨立可調。在一些實施例中，所述行波質子加速器還包括周期性排列的耦合盤片，所述周期性排列的耦合盤片用于降低電磁場的相速度和保證相鄰單元的磁場耦合。在一些實施例中，所述耦合盤片設置于所述行波質子加速腔腔體內側，耦合盤片呈周期性排列。在一些實施例中，所述噴射器為射頻四極場加速器。在一些實施例中，所述醫(yī)用質子直線加速器還包括束流低能傳輸段，設置于所述離子源與射頻四極場加速器之間，用于接收所述離子源輸出的質子束，將其調整匹配到射頻四極場加速器的入口參數(shù)。在一些實施例中，所述漂移管直線加速器為分離型漂移管直線加速器。在一些實施例中，所述醫(yī)用質子直線加速器還包括束流中能傳輸段，設置于所述射頻四極場加速器與分離型漂移管直線加速器之間，用于接收所述射頻四極場加速器輸出的質子束，將其調整匹配到分離型漂移管直線加速器的入口參數(shù)。在一些實施例中，其特征在于，所述行波質子加速器為圓柱形腔體或方形腔體。本申請的有益效果是：本申請的醫(yī)用質子直線加速器在中能加速段使用分離型漂移管直線加速器，在高能加速段采用行波質子加速器代替現(xiàn)有技術中的CCL，使得加速器不僅結構更加緊湊、占用空間更小，而且出射的質子束能量在70-250MeV范圍內連續(xù)可調，可滿足腫瘤治療時因病人身體內腫瘤位置不同束流能量需調節(jié)的需要。另外，由于分離型漂移管直線加速器和行波質子加速器均為多段依次連接的結構，可以分期分段建造，本申請的醫(yī)用質子直線加速器可適應不同醫(yī)院對質子能量的需求，后期也可根據(jù)治療需求進行能量升級。附圖說明圖1為本申請的一種醫(yī)用質子直線加速器結構框圖；圖2為本申請?zhí)峁┑囊环NSDTL結構圖；圖3為本申請?zhí)峁┑男胁ㄙ|子加速器的一段加速腔結構圖。圖4為行波質子加速器加速質子的原理圖。具體實施方式下面通過具體實施方式結合附圖對本申請作進一步詳細說明。請參考圖1，為本申請?zhí)峁┑囊环N醫(yī)用質子直線加速器，該醫(yī)用質子直線加速器包括：依次連接的離子源1、噴射器2、漂移管直線加速器3和行波質子加速器4。離子源1優(yōu)選為連續(xù)束流較大、質子比較高的電子回旋共振(ECR)離子源，ECR離子源產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的質子束并將其能量加速至30keV，質子束占空比較高。噴射器2優(yōu)選為射頻四極場(RFQ)加速器，RFQ加速器作為一種強流低能離子直線加速器，它巧妙地將束流的縱向、橫向的匹配以及加速與聚焦等作用都用一個加速腔中的單一射頻電場予以實現(xiàn)，被廣泛用作質子加速器的低能強流注入器，適于加速低能段質子。具體的，能量30keV的質子束從離子源1中引出后，經(jīng)過RFQ加速器，束流能量被加速至3～5MeV。在一些實施例中，在離子源1與RFQ加速器之間還設置有束流低能傳輸段(LEBT)12，用于接收離子源1輸出的質子束，將其調整匹配到RFQ加速器的入口參數(shù)。漂移管直線加速器(DLT)3作為中能加速段，適于加速幾兆伏到幾十兆伏的質子。由于高頻工作頻率越高，加速腔徑向尺寸越小，DLT3內部若安裝磁鐵聚焦裝置，會使得結構比較復雜，尺寸很難縮小。為此，本申請的漂移管直線加速器3采用分離型漂移管直線加速器(SDTL)，參考圖2，SDTL包括多個短腔，漂移管31被放置于腔內，漂移管31內不含磁鐵聚焦裝置33，使得漂移管3外徑較小，磁鐵聚焦裝置33設置在相鄰腔之間，相鄰腔之間通過真空束流管道32相連通SDTL由于具有多個短腔和磁鐵聚焦裝置33因而會使得質子束橫向得到聚焦。漂移管31的中心是束流通道311，質子束沿束流通道311軸線正向運動，相鄰漂移管31之間為加速隙，漂移管與腔之間、加速隙內充滿高頻場，當質子運動到兩漂移管之間時，高頻縱向電場使質子加速，而當電本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種醫(yī)用質子直線加速器，包括：離子源、低能加速段從離子源中引出質子的噴射器和中能加速段將質子能量加速至固定能量值的漂移管直線加速器；其特征在于，還包括:RF功率源和高能加速段的行波質子加速器，所述RF功率源為所述行波質子加速器提供高頻功率，使得所述行波質子加速器腔體內形成高頻電磁場；所述行波質子加速器連接于漂移管直線加速器之后，當質子束進入所述行波質子加速器腔體時受到高頻電場的作用而加速，通過改變輸入的所述高頻功率的大小，可改變高頻電場的強度，使得經(jīng)過所述行波質子加速器加速后出射的質子束能量值連續(xù)可調節(jié)，獲得不同能量值的質子束，滿足癌癥治療的需要。

【技術特征摘要】
1.一種醫(yī)用質子直線加速器，包括：離子源、低能加速段從離子源中引出質子的噴射器和中能加速段將質子能量加速至固定能量值的漂移管直線加速器；其特征在于，還包括:RF功率源和高能加速段的行波質子加速器，所述RF功率源為所述行波質子加速器提供高頻功率，使得所述行波質子加速器腔體內形成高頻電磁場；所述行波質子加速器連接于漂移管直線加速器之后，當質子束進入所述行波質子加速器腔體時受到高頻電場的作用而加速，通過改變輸入的所述高頻功率的大小，可改變高頻電場的強度，使得經(jīng)過所述行波質子加速器加速后出射的質子束能量值連續(xù)可調節(jié)，獲得不同能量值的質子束，滿足癌癥治療的需要。2.如權利要求1所述的醫(yī)用質子直線加速器，其特征在于，所述離子源為電子回旋共振離子源。3.如權利要求1所述的醫(yī)用質子直線加速器，其特征在于，所述行波質子加速器包括多段依次連接的行波質子加速腔，RF功率源有多個，每個RF功率源單獨向每段加速腔提供高頻功率，每個RF功率源的高頻功率獨立可調。4.如權利要求1所述的醫(yī)用質子直線加速器，其特征在于，所述行波質子加速器還包括周期性排列的耦合盤片，...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：王云，劉華昌，
申請(專利權)人：東莞中子科學中心，
類型：發(fā)明
國別省市：廣東,44