CN101740156B - 激光驱动粒子束辐照设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种激光驱动粒子束辐照设备包括：粒子束发生器，其利用脉冲激光辐照靶，以发射激光驱动的粒子射线；形成传输路径的束会聚单元，该传输路径将所发射的激光驱动的粒子射线引导至对象，并在空间上会聚激光驱动的粒子射线；能量选择器，其选择激光驱动的粒子射线的能量和能量宽度；辐照端口，其使所述激光驱动的粒子射线扫描对象，以调节对象中的辐照位置；以及辐照控制器，其控制所述粒子束发生器、所述束会聚单元、所述能量选择器和所述辐照端口的操作。所述束会聚单元在所述激光驱动的粒子射线的轨迹上产生磁场并通过所述磁场会聚所述激光驱动的粒子射线，所述磁场迫使所述激光驱动的质子射线中偏离轨迹的中心的发散分量返回到该轨迹的中心。

Description

激光驱动粒子束辐照设备及方法

技术领域

本发明涉及激光驱动的粒子束辐照技术，其中，利用脉冲激光照射靶以获得激光驱动粒子射线并将激光驱动粒子射线用作用于分析或其他目的的辐照粒子射线。具体而言，本发明涉及激光驱动的粒子束辐照设备，且还涉及激光驱动的粒子束辐照方法，这种方法在向被辐照对象传送激光驱动的粒子射线的同时控制激光驱动粒子射线的空间分布和能量分布。

背景技术

已经提出了这样一种粒子束辐照技术，该技术使用诸如同步加速器这样的加速器加速诸如碳的物质的质子或带电粒子，以产生加速粒子束并使加速粒子束停留在患者体内以杀死癌细胞(参见专利文献1：日本专利特开公告No.2006-341069)。这种加速器驱动的粒子束辐照技术需要占据较大安装空间且涉及大量安装或维护成本的大型加速器设施。因此，在近来的技术中，妨碍了广泛的使用，且仅在有限数量的设施中使用该技术。

鉴于这些情况，近年来设想出一种激光驱动的质子束辐照技术(参见专利文献2和3：日本专利特开公告No.2007-531556和No.2008-022994)。激光驱动的质子束辐照技术例如利用质子射线辐照患者的癌变部分，该质子射线是通过用高强度超短脉冲激光(以下简称为激光驱动的质子射线)照射金属或聚合物薄膜获得的。使用激光驱动的质子射线将不需要大型加速器设施并减小设备的尺寸和成本，这能够使诸如质子放射治疗这样的质子辐照技术得到更广泛的应用。

激光驱动的质子射线具有从靶以发散角发射并在空间上扩展的特性。因此，在将激光驱动的质子射线用于放射治疗时，应当减小包围病灶的正常组织中的暴露剂量。亦即，在将激光驱动的质子射线传输到病灶的过程中需要会聚激光驱动的质子射线的操作。

由于激光驱动的质子射线是以偏转角从靶发射的，所以在传输到病灶的过程中射线的强度往往会减小。激光驱动的质子射线强度减小就无法将激光驱动的质子射线用于放射治疗，或增加了照射时间，这样会给保持固定位置和姿势的患者带来负担。

发明内容

考虑到上述情况做出了本发明，本发明的目的在于提供一种激光驱动粒子束辐照设备和激光驱动粒子束辐照方法，该设备和方法能够利用激光驱动的粒子射线进行放射治疗并增强激光驱动的粒子射线的会聚性，同时减轻激光驱动的粒子射线向患者病灶传输的过程中激光驱动的粒子射线强度的减小。

根据本发明，在一个方面中，可以通过提供一种激光驱动粒子束辐照设备来实现以上和其他目的，所述激光驱动粒子束辐照设备包括：

粒子束发生器，其利用脉冲激光辐照靶，以发射激光驱动的粒子射线；

形成传输路径的束会聚单元，所述传输路径将所发射的激光驱动的粒子射线引导至待辐照的对象，并在空间上会聚所述激光驱动的粒子射线；

能量选择器，其选择所述激光驱动的粒子射线的能量和能量宽度；

辐照端口，其使所述激光驱动的粒子射线扫描待辐照的对象，以调节对象中的辐照位置；以及

辐照控制器，其控制所述粒子束发生器、所述束会聚单元、所述能量选择器和所述辐照端口的操作；

其中，所述束会聚单元在所述激光驱动的粒子射线的轨迹上产生磁场并通过所述磁场会聚所述激光驱动粒子射线，所述磁场迫使所述激光驱动的粒子射线中偏离轨迹的中心的发散分量返回到该轨迹的中心。

在这一方面中，可以采用以下实施例或模式。

所述束会聚单元可以设置于所述粒子束发生器与所述能量选择器之间。

所述束会聚单元可以包括由永磁体制成的多极磁体，且所述多极磁体产生所述磁场。沿着所述束会聚单元的所述激光驱动的粒子射线的传输路径设置多个多极磁体，且至少一个所述多极磁体被设置为是可移动的。

所述束会聚单元可以包括角度准直器，所述角度准直器设置于所述多极磁体与所述粒子束发生器的靶之间并阻挡所述激光驱动的粒子射线的广角分量以避免其到达所述多极磁体。

所述能量选择器可以配置用于在激光驱动的粒子射线的传输路径中产生根据激光驱动的粒子射线的动量偏转激光驱动的粒子射线的磁场，选择具有特定轨迹的激光驱动的粒子射线，从所述传输路径去除剩余的激光驱动的粒子射线，以便选择激光驱动的粒子射线的能量和能量宽度。

所述能量选择器可以装备有电磁体和能量准直器，所述电磁体在激励电流的控制下产生可变磁场，所述能量准直器设置为阻挡由所述可变磁场偏转的激光驱动的粒子射线的传输路径并形成狭缝，所述狭缝选择性地允许具有特定轨迹的激光驱动的粒子射线通过所述狭缝。可以期望能量选择器的能量准直器调节狭缝的尺寸。

所述激光驱动粒子束辐照设备还可以包括能量分布会聚单元，其形成激光驱动的粒子射线的传输路径并会聚通过传输路径的激光驱动的粒子射线的能量分布以提供处于特定能量的峰。

所述能量分布会聚单元可以包括相位旋转腔单元，所述相位旋转腔单元形成激光驱动的粒子射线的传输路径并在施加高频电压的条件下在传输路径中产生高频电场，在所述高频电场中出现聚束(bunch)中的质子被加速的状态和聚束中的质子被减速的状态，以将所述激光驱动的质子射线的能量分布会聚到特定能量，且其中所述辐照控制器调节施加到所述相位旋转腔单元的高频电压的相位以调节所述激光驱动的粒子射线的能量分布的能量峰的位置。

所述能量分布会聚单元的所述相位旋转腔单元可以包括形成所述激光驱动的粒子射线的传输路径的外腔和在所述外腔中成行间隔开的多个内腔，并向所述内腔施加高频电压，其中在相邻内腔之间的间隙中形成高频电场，以将质子束的能量分布会聚在所述外腔中的聚束中的质子中在与施加到所述内腔的高频电压的相位同步的时刻进入所述间隙的质子的能量周围。

可以期望所述辐照控制器向所述能量分布会聚单元的内腔施加脉冲宽度压缩电压，以在相邻内腔之间的间隙中产生高频电场，所述脉冲宽度压缩电压被定义为

$V>\frac{E_0{\mathrm{\β}}_0^2{\mathrm{\γ}}_0^2}{q}\·\frac{\sqrt{1-m^2{c}^4/E_0^2}}{\sqrt{1-m^2{c}^4/E_0^2}+\mathrm{fL}/c}$

其中f是待施加到所述内腔的高频电压的频率，L是从靶中的激光驱动的粒子射线的发射点到相邻内腔之间的间隙的距离，β₀和γ₀是洛伦兹因子，E₀是所述激光驱动的粒子射线的总能量，c是光束，m是所述激光驱动的粒子射线的质量，以及q是所述激光驱动的粒子射线的电荷。

所述能量分布会聚单元可以设置于所述束会聚单元与所述能量选择器之间。

所述激光驱动粒子束辐照设备还可以包括束强度监测单元，所述束强度监测单元判断具有由所述能量分布会聚单元会聚的能量分布且具有由所述能量选择器选择的特定能量宽度的激光驱动的粒子射线的强度是否正常，其中，当所述束强度监测单元判定所述激光驱动的粒子射线的强度异常时，所述辐照控制器停止利用所述激光驱动的粒子射线辐照所述对象。

可以期望，所述束强度监测单元基于所述激光驱动的粒子射线的能量分布的峰值强度，判断脉冲激光的每次发射的所述激光驱动的粒子射线的强度是否正常。

在本发明的另一方面中，还提供了一种激光驱动粒子束辐照方法，包括：

粒子束发生步骤，利用脉冲激光辐照靶，以获取激光驱动的粒子射线；

束会聚步骤，在空间上会聚所述激光驱动的粒子射线；

能量选择步骤，根据在待辐照的对象中设定的辐照位置的深度选择所述激光驱动的粒子射线的能量和能量宽度；以及

辐照步骤，调节待辐照的对象中所述激光驱动的粒子射线的辐照位置，

其中，在所述束会聚步骤中，在所述激光驱动的粒子射线的轨迹上产生磁场，所述磁场迫使所述激光驱动的粒子射线中偏离轨迹的中心的发散分量返回到轨迹的中心，并通过所述磁场会聚所述激光驱动的粒子射线。

这种方法可以提供以下优选实施例或模式。

可以期望在所述束会聚步骤中，通过调节所述磁场来调节每个步骤中使用的激光驱动的粒子射线的会聚程度。

可以期望在所述能量选择步骤中，在所述激光驱动的粒子射线的轨迹上形成根据所述激光驱动的粒子射线的动量偏转所述激光驱动的粒子射线的磁场，并基于轨迹的差异屏蔽被偏转的激光驱动的粒子射线，以选择激光驱动的粒子射线的能量和能量宽度。

所述激光驱动粒子束辐照方法还可以包括能量分布会聚步骤，会聚所述激光驱动的粒子射线的能量分布以提供处于特定能量的峰。

所述激光驱动粒子束辐照方法还可以包括脉冲宽度压缩步骤，减小所述激光驱动的粒子射线的脉冲宽度。

可以期望在所述脉冲宽度压缩步骤中，产生由脉冲宽度压缩电压诱生的高频电场，并引导所述激光驱动的粒子射线通过所述高频电场，以减小所述激光驱动的粒子射线的脉冲宽度，所述脉冲宽度压缩电压被定义为

$V>\frac{E_0{\mathrm{\β}}_0^2{\mathrm{\γ}}_0^2}{q}\·\frac{\sqrt{1-m^2{c}^4/E_0^2}}{\sqrt{1-m^2{c}^4/E_0^2}+\mathrm{fL}/c}$

其中f是高频电压的频率，L是距激光驱动的粒子射线的发射点的距离，β₀和γ₀是洛伦兹因子，E₀是所述激光驱动的粒子射线的总能量，c是光束，m是所述激光驱动的粒子射线的质量，q是所述激光驱动的粒子射线的电荷。

可以期望，当在所述能量分布会聚步骤中会聚所述能量分布并在所述能量选择步骤中选择了特定能量和能量宽度之后，判断所述激光驱动的粒子射线的强度是否正常，如果判定所述强度异常，停止利用所述激光驱动的粒子射线辐照所述对象。

可以基于所述激光驱动的粒子射线的能量分布的峰值强度判断脉冲激光的每次发射的所述激光驱动的粒子射线的强度是否正常。

根据本发明上述结构和特征，利用激光驱动的粒子射线实现了放射治疗，且能够增强激光驱动的粒子射线的会聚性，同时降低激光驱动的粒子射线在传输到患者病灶过程中激光驱动的粒子射线的强度的降低。

通过参照附图做出的以下描述将使本发明的本质和其他特征更加清楚。

附图说明

在附图中：

图1是示出根据本发明的激光驱动粒子束辐照设备的第一实施例的图示；

图2是示出图1的激光驱动粒子束辐照设备所涉及的示例性辐照模式数据的图示；

图3是示出图1的激光驱动粒子束辐照设备中质子束的所选能量和能量宽度的示例的图示；

图4是示出在图1的激光驱动粒子束辐照设备中选择质子束能量(150MeV)和深度(5mm)的束停止(stop)位置宽度时能量准直器的状态的图示；

图5是示出在图1的激光驱动粒子束辐照设备中选择质子束能量(100MeV)和能量宽度(5mm)时能量准直器的状态的图示；

图6是示出用于选择图5所示的质子束能量的方法的变型的图示；

图7是示出根据本发明的激光驱动粒子束辐照设备的另一实施例的图示；

图8是示出图1的激光驱动质子束辐照设备中质子束轨迹的仿真结果的图示；

图9是示出图1的激光驱动粒子束辐照设备形成的辐照切片上剂量分布的叠加的图示；

图10是示出根据本发明的激光驱动质子束辐照设备的第二实施例的图示；

图11是图2的激光驱动质子束辐照设备的相旋转腔单元的放大图；

图12是示出通过图2的相旋转腔单元的质子束能量分布(仿真结果)的图示；

图13示出图2的激光驱动粒子束辐照设备中质子束能量峰的变化的示例(仿真结果)；

图14是关于图2的激光驱动粒子束辐照设备中束强度监测的功能框图；

图15是示出通过图2的激光驱动粒子束辐照设备的能量分布会聚单元和能量选择器的质子束的能量分布的图示；

图16是示出处于异常情况下的质子束的能量分布的图示，该异常情况导致图2的激光驱动粒子束辐照设备中不精确的质子束能量选择；

图17是示出根据第三实施例的高频电场控制的图示(仿真结果)，其中图17(A)示出在施加到相旋转腔单元的电压不满足脉冲宽度压缩电压值的情况下质子束的脉冲宽度，图17(B)示出在施加到相旋转腔单元的电压满足脉冲宽度压缩电压值的情况下质子束的脉冲宽度；以及

图18是示出利用消色差磁体选择带电粒子的能量和能量宽度的示例性装置的图示。

具体实施方式

以下将参照附图描述根据本发明的激光驱动粒子束辐照设备和方法的实施例。

[第一实施例]

参照图1，图1示出根据本发明的激光驱动粒子束辐照设备U的第一实施例，其将激光驱动的质子射线用作其粒子射线源，用于放射治疗。

激光驱动质子束辐照设备U包括质子束发生器1、束会聚单元2、能量选择器3、辐照端口4和辐照控制器6。图1中的附图标记9例如表示患者的病灶。

(质子束发生器)

质子束发生器1利用具有高强度和超短波长的脉冲激光102辐照由金属或聚合物制成的薄膜靶101，以产生激光驱动的质子射线103。配置质子束发生器1，使得在脉冲激光102的辐照轨迹上不断提供新的靶101。

(束会聚单元)

束会聚单元2形成传输路径，将激光驱动的质子射线103引导到患者的病灶9并会聚以发散角θ从质子束发生器1发射的激光驱动的质子射线103。束会聚单元2包括四极磁体201、QM致动器202和角度准直器203。

四极磁体201在激光驱动的质子射线103的轨迹上形成磁场，该磁场迫使激光驱动的质子射线103中偏离轨迹中心的发散分量返回到轨迹中心。磁场使激光驱动的质子射线103会聚。

四极磁体201包括三个四极磁体201a到201c，它们是永磁体。四极磁体201a到201c沿着激光驱动的质子射线103的传输路径设定，使得会聚激光驱动的质子射线103的磁场多重施加到激光驱动的质子射线103上。考虑到诸如对激光驱动的质子射线103的会聚的控制等因素，可以适当改变四极磁体的数量。以下将利用四极磁体201会聚的激光驱动的质子射线称为“质子束”。

QM致动器202在辐照控制器6的控制下沿着激光驱动的质子射线103的传输路径移动四极磁体201a到201c中的至少一个。

角度准直器203阻挡由质子束发生器1产生的激光驱动的质子射线103的广角分量，以免其到达四极磁体201。角度准直器203提供于质子束发生器1中的靶101与最接近靶101的四极磁体201a之间，其镗孔直径小于四极磁体201a中形成的激光驱动的质子射线103入口的直径。角度准直器203由诸如铝这样的低辐照激化材料制成。

(能量选择器)

能量选择器3提供于束会聚单元2的质子束出口处，并适于从束会聚单元2会聚的具有连续能量分布的质子束104a中选择具有特定能量和特定能量宽度(或能量扩展度)的质子束。能量选择器3包括能量分离磁体301、能量分离磁体电源302、能量准直器303、EC致动器304、能量组合磁体305和能量组合磁体电源306。

能量分离磁体301在施加激励电流的情况下产生方向和幅度可变化的磁场，并使用该可变磁场来根据束会聚单元2会聚的质子束104a的动量偏转质子束的轨迹，由此控制质子束104a的偏转量。能量分离磁体301包括两个能量分离磁体301a和301b。

能量分离磁体电源302的输出由辐照控制器6控制，能量分离磁体电源302向能量分离磁体301施加所需的激励电流以改变由能量分离磁体301产生的磁场。能量分离磁体电源302包括分别连接到能量分离磁体301a和301b的能量分离磁体电源302a和302b。

能量准直器303包括两个挡块303a和303b以及狭缝S1，该两个挡块被提供用于阻挡由能量分离磁体301根据动量差偏转和扩散的质子束104b并且该两个挡块可以竖直移动，狭缝S1由挡块303a和303b界定，并允许具有特定轨迹的质子束104b选择性通过狭缝S1。

EC致动器304在辐照控制器6的控制下上下移动能量准直器303的挡块303a和303b。例如，EC致动器304放大或缩小由挡块303a和303b界定的狭缝S1的尺寸同时保持狭缝S1的狭缝中心C1，或者上下移动挡块303a和303b，使得狭缝S1的狭缝中心C1发生位移，同时保持狭缝S1的尺寸。

能量组合磁体305在施加激励电流的情况下产生方向和幅度可变的磁场。可变磁场重新会聚由能量分离磁体301根据其动量偏转和扩散的质子束104b的轨迹。能量组合磁体305包括两个能量组合磁体305a和305b。

能量组合磁体电源306的输出由辐照控制器6控制，能量组合磁体电源306向能量组合磁体305施加所需的激励电流以改变由能量分离磁体301产生的磁场。能量组合磁体电源306包括分别连接到能量组合磁体305a和305b的能量组合磁体电源306a和306b。

考虑到质子束偏转和组合的可控性，可以适当改变能量分离磁体、能量分离磁体电源、能量组合磁体和能量组合磁体电源的数量。

(辐照端口)

辐照端口4提供于能量选择器3的质子束出口处并控制通过能量选择器3的具有特定能量的质子束104c的轨迹，从而将质子束104c精确地施加到设定于患者的病灶9处的辐照点902。辐照端口4还用于监测辐照位置和病灶9处的质子束104c的辐照剂量。

辐照端口4包括扫描电磁体401、扫描电磁体电源402、位置监测单元403、剂量仪404和剂量仪电路405。

由激励电流控制的扫描电磁体401包括在水平方向上调节质子束104c的轨迹的水平扫描电磁体401a和在竖直方向上调节质子束104c的轨迹的竖直扫描电磁体401b。扫描电磁体电源402(402a、402b)向扫描电磁体401(401a、401b)供应扫描质子束104c所需的电流。

位置监测单元403输出指示通过位置监测单元403的质子束104c的位置，即质子束104c入射在患者病灶9的位置的信号，并将信号发送到辐照控制器6。位置监测单元403可以是电离室位置监测单元。

剂量仪404根据通过剂量仪404的质子束104c的强度或剂量，即施加到患者病灶9的质子束104c的强度或剂量输出电信号。剂量仪404可以是电离室剂量仪。

剂量仪电路405接收从剂量仪404输出的电信号，并且在所接收的电信号的值达到预设的集成(integrated)输出值时，向辐照控制器6发送剂量完成信号，该剂量完成信号表示已经向设定于患者病灶9处的辐照点902施加了预设剂量。

(辐照控制器)

辐照控制器6能够记录辐照模式数据，该数据指定应当如何进行患者的放射治疗。辐照控制器6参考辐照模式数据控制整个激光驱动质子束辐照设备U。在放射治疗之前，从治疗计划中准备的最优辐照信息中产生辐照模式数据。

图2示出了图1的激光驱动质子束辐照设备U所参考的示例性辐照模式数据。

辐照模式数据包括相对水平和竖直位置001和002，其表示针对实际将患者病灶9切分成的每个辐照切片901设定的、从参考位置看到的辐照点902(图1)；患者中的射程(range)003，表示辐照切片901的位置，即在患者体内的深度；深度方向上束停止位置宽度004，表示在患者体内深度方向上的束停止位置宽度；以及待施加到每个辐照点902的束强度005和设定剂量006。这些项信息是控制质子束发生器1、束会聚单元2、能量选择器3和辐照端口4的操作所必需的。根据质子束的能量宽度，从患者体***程的差异得到深度方向上束停止位置宽度。辐照模式数据可以随着需要改变。

辐照控制器6包括束会聚控制器601、能量选择控制器602和扫描控制器603。

束会聚控制器601调节四极磁体201的位置，以调节激光驱动的质子射线103的焦点位置，进入束会聚单元2的四极磁体201的激光驱动的质子射线103会聚于该焦点位置。例如，束会聚控制器601调节四极磁体201a到201c的相对位置，使得激光驱动的质子射线103的焦点形成于患者的病灶9上。

基于为将由能量选择器3选择的每个质子束的能量指定的表示四极磁体201a到201c的位置的信息驱动QM致动器202，来实现四极磁体201a到201c的位置调节。

为了在进入能量选择器3的质子束中，选择具有以辐照模式数据(参见图2)指定的能量的质子束，能量选择控制器602控制能量分离磁体电源302的输出，由此调节施加到能量分离磁体301的激励电流，从而调节质子束104b的偏转量。

能量选择控制器602还在需要时调节能量选择器3的能量准直器303的狭缝中心C1的位置，以选择要通过狭缝S1的质子束104c的轨迹。能量选择控制器602控制能量选择器3的能量组合磁体电源306的输出，以调节施加到能量组合磁体305的激励电流，以便会聚由能量分离磁体301偏转和扩散的质子束。

能量选择控制器602还通过操作EC致动器304来调节能量准直器303的狭缝S1的尺寸，以便调节在患者病灶9处质子束的深度方向的束停止位置宽度。亦即，能量选择控制器602沿相互相反的方向使得挡块303a和303b上下位移，使得能够在患者病灶9处提供深度方向上所需的束停止位置宽度的能量宽度下的质子束选择性通过能量准直器303的狭缝S1。基于辐照模式数据中包含的深度方向上束停止位置宽度004(参见图2)设定挡块303a和303b的位移量。

扫描控制器603控制扫描电磁体电源402的输出，以便调节施加到扫描电磁体401的激励电流，使得质子束104c相对于预定辐照点902进入。

上述结构的激光驱动质子束辐照设备U将按照以下方式操作，这是基于利用所谓的点扫描辐照法进行放射治疗的示例。在加速器驱动的粒子束辐照技术的领域中，点扫描辐照法已经成熟，并被证明对治疗是高度有效的。

在点扫描质子辐照法中，将患者病灶虚拟地划分成三维网格点，即辐照切片和设定于辐照切片中的辐照点，并且在病灶的深度方向(沿质子束轴D2的方向)上和病灶的截面方向(与质子束轴D2相交的方向)利用质子束扫描病灶。在表示施加到辐照点的剂量已经达到为该辐照点设定的剂量值的剂量完成信号产生时，停止利用质子束对辐照点的辐照。然后，将质子束移动到下一辐照点或切片并重新开始辐照。通过重复该操作，辐照整个病灶。

例如，假设治疗计划指定，应当在最深的辐照切片901a中的辐照点902a开始放射治疗，辐照切片901a位于患者体内156mm的深度处，停止于辐照切片901a处的质子束能量应当为150MeV，并且质子束在辐照切片901a的深度方向上束停止位置宽度为5mm。在这种情况下，由辐照控制器6基于治疗计划(辐照模式数据)如下调节激光驱动质子束辐照设备U的部件。

在能量选择器3中，调节待施加到能量分离磁体301的激励电流以及(在需要时)能量准直器303的狭缝中心C1的位置，以选择150MeV的质子束能量。

同时，调节能量选择器3中能量准直器303的狭缝S1的尺寸，以选择例如1.8％的质子束能量宽度作为提供5mm的深度方向上束停止位置宽度所需的能量宽度。可以通过调节能量准直器303的狭缝S1的尺寸，使其值等于质子束104b偏转距离D1(从未偏转的质子束轴D2看到的竖直方向上的距离)的1％，来选择1.8％的能量宽度(相当于1％的动量宽度)。调节待施加到能量组合磁体305的激励电流，使已经通过能量准直器303的狭缝S1且已经被偏转和扩散的质子束会聚。

图3示出了在激光驱动质子束辐照设备U中选择的质子束能量007(150MeV)和质子束能量宽度008(1.8％)的示例。图4示意性地示出了在激光驱动质子束辐照设备U中选择了150MeV的质子束能量和5mm的深度方向上束停止位置宽度时能量准直器303的状态，其中附图标记009表示质子束强度，附图标记010表示能量准直器303的狭缝中心C1相对于质子束轴D2(0cm，参见图1)的位置(11cm)，以及附图标记011表示能量准直器303的狭缝S1的尺寸(1.1mm)。

根据由能量选择器3选择的质子束能量调节束会聚单元2中四极磁体201a到201c的位置。结果，提供了到达患者病灶9的质子束所需的具有150MeV能量(能量宽度为1.8％)的质子束强度。

调节辐照端口4中扫描电磁体401的激励电流，以调节质子束的轨迹，使得能量为150MeV(能量宽度为1.8％)的质子束精确地进入辐照点902a。

在通过这种方式调节部件之后，质子束发生器1在辐照控制器6的控制下向靶101发射高强度、超短波长的脉冲激光102，靶101以发散角θ发射具有连续能量的激光驱动的质子射线103。

首先将从质子束发生器1发射的激光驱动的质子射线103引导到束会聚单元2。在束会聚单元2中，角度准直器203阻挡质子束104的广角分量，以免其进入四极磁体201结构。另一方面，在质子束103通过磁场时，进入由四极磁体201产生的磁场的激光驱动的质子射线103逐渐会聚成质子束104a。

质子束104a受到束会聚单元2的会聚操作的影响，并且随后被引导到能量选择器3。在能量选择器3中，质子束104a进入由能量分离磁体301产生的磁场，并且质子束104a的轨迹根据动量发生偏转。偏转的质子束104b向着能量准直器303的狭缝S1行进，通过狭缝S1并变成具有150MeV能量(能量宽度为1.8％)的质子束104c。然后，由于动量差异而被偏转和扩散的质子束104c逐渐汇聚成质子束104c，通过由能量组合磁体305产生的磁场。

将在能量选择器3处选择的质子束104c被引导到辐照端口4。在辐照端口4中，质子束104c进入由扫描电磁体401产生的磁场，其中在水平方向和竖直方向上调节质子束104c的轨迹。质子束104c然后向辐照切片901a中设定的辐照点902a行进，并对辐照点902a进行放射治疗。

在辐照期间，辐照控制器6基于从位置监测单元403输出的信号监测轨迹已经被调节的质子束104c是否正确进入了辐照点902a。如果辐照控制器6判定入射位置不正确，辐照控制器6输出报警并利用联锁装置停止激光驱动质子束辐照设备U的操作。

利用质子束对辐照点902a进行的辐照一直持续到从剂量仪电路405输出剂量完成信号为止。在输出剂量完成信号并将其输入辐照控制器6时，辐照进行到下一辐照点902b。亦即，辐照控制器6参考辐照模式数据来调节用于扫描电磁体401的激励电流，使得质子束进入下一辐照点902b，并继续利用质子束对辐照点902b进行辐照，直到剂量完成信号再次被输入辐照控制器6中为止。

将重复前述操作，以完成对辐照切片901a设定的所有辐照点902的辐照。

在完成对辐照切片901a的辐照之后，辐照进行到下一辐照切片901b。亦即，辐照控制器6参考辐照模式数据来调节能量选择器3，使得质子束停留在辐照切片901b的位置，并且还调节辐照端口4，使得质子束进入辐照切片901b中未示出的每个辐照点。依次重复该操作，且辐照到达最浅的辐照切片901c。

这里，假设治疗计划指定，最浅的辐照切片901c位于患者体内80mm的深度，并且停留在辐照切片901c的该位置处的质子束能量为100MeV，那么为了在患者病灶9处获得5mm的深度方向上束停止位置宽度所需的质子束的能量宽度与为了先前选择的150MeV能量所需的不同。这是因为患者体内质子束的射程，即质子束所停留的位置，不与能量成正比。

因此，为了获得如在选择150MeV的质子束能量的情况下的大约5mm的深度方向上束停止位置宽度，将能量准直器303的狭缝S1的尺寸调节到不同于在选择150MeV质子束能量时设定的尺寸。

此外，图5示出了在激光驱动质子束辐照设备U中选择了100MeV质子束能量和5mm的深度方向上束停止位置宽度时能量准直器303的状态，其中附图标记013表示狭缝中心C1相对于质子束轴D2(0cm，参见图1)的位置(11cm)，附图标记014表示狭缝S1的尺寸(2.6mm)。

图5示出了在通过控制施加到能量分离磁体301的激励电流来调节质子束104b的偏转量从而选择质子束的能量时能量准直器303的状态。因此，能量准直器303的狭缝中心C1的位置(11cm)与选择150MeV的质子束能量的情况相同。

然而，也可以通过调节能量准直器303的狭缝中心C1的位置而无需或结合调节质子束104b的偏转量，来选择质子束的能量。图6示出了选择质子束能量的方法的示例性变型，其中附图标记013′和014′像附图标记013和014那样分别表示狭缝中心C1相对于质子束轴D2的位置和狭缝S1的尺寸。如图6所示，在通过该方法选择100MeV的质子束能量时，向上移动狭缝中心C1，并与选择150MeV能量的情况相比加大狭缝S1，从而获得5mm的深度方向上束停止位置宽度。

以下，将描述导致做出本发明以及实现激光驱动质子束辐照设备U的效果的情形。

激光驱动的质子射线具有从靶以发散角发射并在空间扩展的特性。因此，在将激光驱动的质子射线用于放射治疗时，必须减小包围病灶的正常组织中的暴露剂量。亦即，在将激光驱动的质子束传输到病灶的过程中需要会聚激光驱动的质子束的操作。然而，在使用激光驱动的质子射线时，由于下述原因，不能使用常规使用的加速器驱动的质子束辐照设备的主要部件。

在加速器驱动的质子束辐照设备中，被称为射程偏移器的装置用于调节加速器驱动的质子束在患者体内的射程。射程偏移器包括不同厚度的丙烯酸板，并允许具有所需能量的质子束通过其中，以调节加速器驱动的质子束在患者体内的射程。对于激光驱动的质子射线而言，正常区域中的暴露剂量增大，而随着质子束被传输至辐照点，强度显著降低，因为激光驱动的质子射线是以发散角从靶发射的。射程偏移器的散射将导致质子束进一步在空间上扩展，从而进一步增大了正常区域中的暴露剂量。

此外，在加速器驱动的质子束辐照设备中使用了被称为脊型(ridge)滤波器的装置。脊型滤波器用于加宽具有非常小的能量宽度(单个能量)的加速器驱动的质子束的深度方向上束停止位置宽度，使得被称为布喇格峰的陡峭剂量分布匹配患者体内切片之间的间距。然而，激光驱动的质子射线具有连续的能量，因此，通过脊型滤波器增大深度方向上束停止位置宽度的是没有意义的。相反，脊型滤波器的散射会进一步在空间上扩展质子束，因此将增大正常区域中辐照曝光的缺点。

在质子束放射治疗中，选择质子束能量和能量宽度是必需的操作。在使用激光驱动的质子射线时，必须执行该操作，同时减轻质子射线强度的降低。然而，加速器驱动的质子束辐照设备没有这种设定。

因此，发明人设计了一种激光驱动质子束辐照设备，该设备能够调节激光驱动的质子射线的能量和能量宽度，同时使激光驱动的质子射线的空间扩展和强度降低最小化，由此实现利用激光驱动的粒子射线进行放射治疗。

图7示出了根据本发明的激光驱动质子束辐照设备的替代实施例，其是用于与根据第一实施例的激光驱动质子束辐照设备U进行比较的示例。利用相同的附图标记标志与第一实施例相同的部件，并将省略其重复描述。

根据图7的替代实施例的激光驱动质子束辐照设备U′包括能量选择器3′。能量选择器3′包括会聚准直器307′和能量准直器303′。

定位能量选择器3′的会聚准直器307′，以便阻挡由质子束发生器1产生的激光驱动的质子射线103的路径，并且会聚准直器307′具有开口G1′，以允许一部分激光驱动的质子射线103通过其中。会聚准直器307′由诸如铝这样的低辐照激化材料制成。

能量选择器3′的能量准直器303′包括两个挡块303a′和303b′以及由挡块303a′和303b′界定的狭缝S1′，该两个挡块被提供用于阻挡根据动量差由能量分离磁体301偏转的质子束104b的路径。

在激光驱动质子束辐照设备U′中，会聚准直器307′提供于能量分离磁体301的上游侧，从而在激光驱动的质子射线103进入能量选择器3′之前从束路径中去除激光驱动的质子射线103的广角分量。结果，可以实现治疗计划中指定的局限于辐照点902的精确辐照，并可以减小正常组织中的暴露剂量。

在激光驱动质子束辐照设备U′的能量选择器3′中，质子束104a进入由能量分离磁体301产生的磁场，因此，根据动量偏转质子束104a的轨迹。偏转的质子束104b通过狭缝S1′且具有特定能量。质子束104c进入由能量组合磁体305产生的磁场，其中，由于动量差而被偏转和扩散的质子束104b被重新会聚。

通过这种方式，激光驱动质子束辐照设备U′能够设定质子束在患者体内的射程以及深度方向上束停止位置宽度而不必使用加速器驱动粒子束设备中使用的射程偏移器和脊型滤波器。因此，激光驱动的质子射线103不会被射程偏移器和脊型滤波器散射，因此，可以防止束在病灶处的空间扩展。于是，可以防止病灶周围的正常区域暴露于辐照。

然而，对于激光驱动质子束辐照设备U′而言，为了加强质子束的会聚，需要减小会聚准直器307′的开口G1′的尺寸，这将降低通过会聚准直器307′并最终抵达患者病灶9的质子束的强度。

例如，现在假设激光驱动的质子射线103的发散角θ为5度，并且将从激光驱动的质子射线103在靶101上的发射点看到的能量选择器3′的狭缝S1通过区域中的掠射(glancing)角设定为0.5度，以便设定病灶9处适当的束尺寸和深度方向上束停止位置宽度。在这种情况下，引导到能量选择器3′的质子束104a的强度小于或等于从靶101刚发射之后激光驱动的质子射线103的强度的大约1％。

典型放射治疗中使用的质子束的能量宽度大约为2到5％。因此，进一步降低了通过能量选择器3′的质子束104c的强度。根据待施加的脉冲激光102的强度和其他条件，经验表明，例如利用激光驱动质子束辐照设备U′用2Gy的剂量，对10cc的病灶9进行辐照大约需要100分钟。不过，不希望让病人呆在一处这样长的时间，因此需要通过提高会聚来使强度降低最小化。这是与激光驱动质子束辐照设备U′相关的第一个问题。

此外，当在激光驱动质子束辐照设备U′中根据患者体内病灶9的深度将质子束能量从150MeV改变为100MeV时，如上所述，对于100MeV的能量无法获得针对150MeV能量设定的5mm深度方向上束停止位置宽度，而是将得到例如仅大约2mm的深度方向上束停止位置宽度。

作为获得均匀剂量分布的方法，可以考虑将辐照切片之间的距离设定为等于深度方向上最小束停止位置宽度的值。这种方法可以实现高度均匀的剂量分布。然而，减小辐照切片之间的距离增大了辐照整个病灶9所需的辐照切片的数量，这增大了辐照时间(包括控制能量选择器3′所需的时间)，增加了患者的负担。

然后，作为获得均匀剂量分布而不增加辐照时间的方法，在治疗计划期间，可以考虑根据待选择的质子束能量而变化的深度方向上束停止位置宽度以及提供均匀剂量分布的辐照切片之间距离的设定。然而，通常可以基于利用CT(计算层析x射线摄影)获取的图像数据(通常以均匀分布的位置获取图像)设定辐照模式数据，例如关于辐照切片和辐照点的数据。如果要分别准备辐照切片，将需要额外的时间来进行优化辐照的计算，并且需要额外的成本来开发该优化计算和激光驱动质子束辐照设备。

亦即，需要激光驱动质子束辐照设备U′实现剂量分布的高度均匀性而不减小辐照切片之间的距离或进行辐照优化计算。这是与激光驱动质子束辐照设备U′相关的第二个问题。

考虑到以上情况，发明人改进了激光驱动质子束辐照设备U′并采用了第一实施例的激光驱动质子束辐照设备U的构造。

图8到10是示出了激光驱动质子束辐照设备U的功能的图示。

以下将论述质子束的会聚和强度的兼容性。

在根据本实施例的激光驱动质子束辐照设备U中，使由质子束发生器1产生的激光驱动的质子射线103通过束会聚单元2中提供的四极磁体201产生的磁场，由此会聚激光驱动的质子射线103。

图8示出了激光驱动质子束辐照设备U的质子束104a的轨迹的仿真结果。水平轴代表质子束的行进方向上的距离，而竖直轴代表质子束的扩展方向上的距离。图8中的附图标记201a到201c表示束会聚单元2中四极磁体201a到201c的位置。附图标记015表示水平方向上质子束的轨迹，而附图标记016表示竖直方向上质子束的轨迹。

如图8所示，在激光驱动质子束辐照设备U中，可以很好地增强激光驱动的质子射线103的会聚，同时无需使用激光驱动质子束辐照设备U′中提供的会聚准直器307′就可使得强度的减小最小化。

已经发现，在激光驱动的质子射线103的发散角θ为5度，且从激光驱动的质子射线103在靶101上的发射点看到的能量选择器3的狭缝S1通过区域中的掠射角为0.5度的情况下，激光驱动的质子射线103的强度的大约36％被引导到能量选择器3。

另一方面，在激光驱动质子束辐照设备U′中，如上所述，仅有大约1％或更少的激光驱动的质子射线103被引导到能量选择器3′。因此，通过将四极磁体201用作会聚激光驱动的质子射线103的装置，可以提供强度大约为利用会聚准直器307′的设备中的强度40倍的质子束。

由于可以显著减轻激光驱动质子束强度的降低，同时增强激光驱动质子束的会聚，所以可以将激光驱动质子束辐照单元U′中例如为100分钟的放射治疗所需时间减少为几分钟。

以下将解释质子束能量和能量宽度的选择与质子束强度之间的兼容性。

将通过激光驱动质子束辐照设备U的束会聚单元2而会聚的质子束104a引导到能量选择器3。在能量选择器3中，质子束104a进入由能量分离磁体301产生的磁场，根据动量偏转质子束104a的轨迹。偏转的质子束104b通过狭缝S1且变成具有特定能量的质子束104c。质子束104c随后通过由能量组合磁体305产生的磁场，并且由于动量差而被偏转和扩散的质子束104b被统一起来。

通过这种方式，像激光驱动质子束辐照设备U′那样，激光驱动质子束辐照设备U能够设定质子束在患者体内的射程以及深度方向上束停止位置宽度，而不必使用加速器驱动粒子束辐照设备中使用的射程偏移器和脊型滤波器。

现在将在下文中解释剂量分布的均匀性。

在激光驱动质子束辐照设备U中，在每次辐照切片901改变时都调节通过能量准直器303的质子束的能量宽度，从而提供恒定的深度方向上束停止位置宽度。

亦即，在调节施加到能量分离磁体301的激励电流以在能量选择器中选择质子束能量时，辐照控制器6参照辐照模式数据来增加或减小能量准直器303的狭缝S1的尺寸，从而提供治疗计划中指定的深度方向上束停止位置宽度。

因此，即使设定了利用CT获取的图像数据而设定的均匀间隔的辐照切片，也能够提供高度均匀的剂量分布。亦即，无需减小辐照切片之间的间距或进行辐照优化计算就可以提供高度均匀的剂量分布。图9示出了由激光驱动的质子射线辐照设备U形成的辐照切片上的剂量分布的叠加(仿真结果)，其中水平轴表示患者体内的深度(mm)，而竖直轴表示辐照剂量(Gy)。

此外，从图9可以看出，激光驱动质子束辐照设备U在从156到80mm的深度范围内提供了高度均匀的剂量分布。

对于安全性而言将介绍以下内容。

在以发散角θ从质子束发生器1发射的激光驱动的质子射线103的广角分量进入束会聚单元2之前阻挡它们。这防止了质子射线到达提供于激光驱动的质子射线103的发散轨迹中的四极磁体201，从而避免发生四极磁体201的材料的辐照激化。此外，在最终将到达患者病灶9的质子束104中，消除了偏离于初步治疗计划中指定的辐照点902之外的分量，因此减小了正常组织中的曝光剂量。

下面将介绍激光驱动质子束辐照设备U的有益效果。

(1)激光驱动质子束辐照设备U包括：粒子束发生器，利用脉冲激光102辐照靶101，从而发射激光驱动的质子射线103；形成传输路径的束会聚单元2，该传输路径将所发射的激光驱动的质子射线103引导到患者的病灶9并在空间上会聚激光驱动的质子射线103；能量选择器3，选择激光驱动的质子射线103的能量和能量宽度；辐照端口4，使激光驱动的质子射线103扫描病灶9，以便调节在病灶9中的辐照位置；以及辐照控制器6，分别控制粒子束发生器1、束会聚单元2、能量选择器3和辐照端口4的操作。这种构造能够利用激光驱动的质子射线进行放射治疗。亦即，消除了对加速器的需要，并可以实现有利地利用紧凑且节省空间的设备的质子放射治疗。

此外，束会聚单元2在激光驱动的质子射线103的轨迹上产生磁场，该磁场迫使激光驱动的质子射线103中偏离轨迹中心的发散分量返回到轨迹中心。该磁场使激光驱动的质子射线103会聚。因此，可以增强激光驱动粒子射线的会聚性，同时减轻激光驱动粒子射线传输到患者病灶期间激光驱动的质子射线103的强度减小。

(2)束会聚单元2提供于质子束发生器1和能量选择器3之间。因此，从靶101以发散角θ发射的激光驱动的质子射线103在空间上会聚，然后进行能量和能量宽度的选择。结果，与束会聚单元2位于能量选择器3之后的配置相比，可以获得具有高强度的激光驱动的质子射线103。因此，增强了(1)中描述的有益效果。

(3)束会聚单元2包括由永磁体构成的四极磁体201。四极磁体201产生使激光驱动的质子射线103会聚的磁场。因此，与使用电磁体通过激励电流调节来调节磁场以会聚激光驱动的质子射线103的设备相比，可以实现紧凑且低成本的激光驱动质子束辐照设备U。

(4)束会聚单元2的四极磁体201包括沿着激光驱动的质子射线103的传输路径提供的多个四极磁体且至少一个磁体201是可移动的。因此，可以调节激光驱动的质子射线103的空间分布。结果，到达患者病灶9的激光驱动的质子射线103的会聚性和强度可以保持很高，从而进一步增强上述(1)中描述的有益效果。

(5)束会聚单元2包括提供于四极磁体201和质子束发生器1的靶101之间的角度准直器203，且该束会聚单元阻挡激光驱动的质子射线103的广角分量，以避免其到达四极磁体201。因此，可以使病灶9之外的正常组织中的暴露剂量最小化，并提高放射治疗的安全性。

(6)能量选择器3在激光驱动的质子射线103的传输路径中产生磁场，该磁场根据激光驱动的质子射线103的动量偏转它们。能量选择器3还选择具有特定轨迹的激光驱动的质子射线103，并从该传输路径消除其他激光驱动的质子射线103，从而选择激光驱动的质子射线103的能量和能量宽度。

因此，激光驱动的质子射线103的扩散不会影响选择激光驱动的质子射线103的能量和能量宽度的操作。结果，可以以高强度将激光驱动的质子射线103传输到病灶9。于是，进一步增强了以上(1)中描述的有益效果。

(7)能量选择器3包括能量分离磁体301和能量准直器303，能量分离磁体301包括在激励电流控制下形成可变磁场的电磁体。能量准直器303被提供用以阻挡被可变磁场偏转的激光驱动的质子射线103的传输路径，并且能量准直器303提供有狭缝S1，狭缝S1选择性地允许具有特定轨迹的激光驱动的质子射线103通过狭缝S1。因此，可以可靠且容易地实现以上(6)中描述的有益效果。

(8)能量选择器3的能量准直器303被形成为可以调节狭缝S1的尺寸。因此，可以实现高度均匀的剂量分布，并可以提高放射治疗的精确度，而无需减小辐照切片之间的间隔或无需执行辐照优化计算。

[第二实施例]

图10示出了根据本发明的激光驱动质子束辐照设备的第二实施例，除了第一实施例的激光驱动质子束辐照设备U的部件之外，该第二实施例包括与质子束能量选择功能相关的装置以及激光驱动质子束辐照设备U的联锁装置。

在下文中，为了省略对其重复描述，利用相同附图标记或符号表示与第一实施例相同的部件，对于第一实施例部件的变型的部件和新增部件，附图标记额外附带“A”。

根据第二实施例的激光驱动质子束辐照设备A包括如图10所示的能量分布会聚单元5A和束强度监测单元7A。激光驱动质子束辐照设备A的辐照控制器6A包括能量分布会聚控制器604A和高频电源605A。

(能量分布会聚单元)

如图10所示，在质子束发生器1和能量选择器3之间提供能量分布会聚单元5A。能量分布会聚单元5A形成激光驱动的质子射线103的传输路径。在传输路径中会聚激光驱动的质子射线103的能量分布，以提供处于特定能量的峰。能量分布会聚单元5A是由相旋转腔单元500A形成的，相旋转腔单元500A包括外腔501A和内腔502A。

图11是激光驱动质子束辐照设备A的相旋转腔单元500A的放大图。

相旋转腔单元500A的外腔501A构成了通过束会聚单元2的质子束104d的传输路径的外部配置。

相旋转腔单元500A的内腔502A形成于外腔501A之内并沿着其纵向与外腔501A间隔开。从高频电源605A向内腔502A施加高频电压。

内腔502A向通过相邻内腔502A之间间隙G2的质子束104d施加高频电场，使得质子束104d的能量分布会聚到构成质子聚束的质子中(时间离散状态的质子)与施加到内腔502A的高频电压相位同步地进入每个间隙G2的质子能量周围。

图12示出了通过激光驱动质子束辐照设备A的相旋转腔单元500A的质子束能量分布的曲线(仿真结果)，其中水平轴表示质子能量，竖直轴表示脉冲激光102的每次发射的质子数量。在图12中，附图标记017表示没有高频电场施加到相旋转腔单元500A时质子束的能量分布，附图标记018表示有高频电场施加到相旋转腔单元500A时质子束的能量分布。

能量分布会聚单元5A优选提供于束会聚单元2和能量选择器3之间。这是因为，如果在能量分布会聚单元5A处会聚质子束的能量分布且在能量选择器3处选择质子束的能量，与相反的情况相比，可以保持到达患者的病灶9的质子束强度是高的。亦即，就保持质子束强度而言，优选如图10所示从质子束传输路径上游侧开始按照所述顺序设置束会聚单元2、能量分布会聚单元5A、能量选择器3和辐照端口4。

[辐照控制器]

辐照控制器6A的能量分布会聚控制器604A调节通过相旋转腔单元500A的质子束104d的能量峰的位置。基于针对包含在辐照模式数据中的每个辐照切片位置指定的患者体***程003(图2)，控制待施加到能量分布会聚单元5A的内腔502A的高频电压的相位，从而进行能量峰位置调节。

通过向高频电源605A施加满足如下等式(1)的高频电压来控制高频电压的相位。

[等式1]

$\frac{2\mathrm{fL}}{v_0}+\frac{\mathrm{\φ}}{\mathrm{\π}}=2n+1\left(A\right)---\left(1\right)$

这里，f是高频电场的频率，φ是高频电场的相位，L是距靶的质子发射点的距离，E₀(下面提到)是质子束的期望能量峰，v₀是对应于E₀的质子速度，以及n为整数。

亦即，能量分布会聚控制器604A调节待施加到内腔502A的高频电压的相位φ，并根据等式(1)提供通过相旋转腔单元500A的质子束104d的能量分布中期望能量E₀周围的能量峰。高频电压的幅度优选满足k＝1/L(k＝2πqVf/c²β₀ ³γ₀ ²E₀)，以便会聚能量分布，其中q为质子的电荷，β₀和γ₀为洛伦兹因子，c为光速。

图13示出了激光驱动质子束辐照设备A中质子束能量峰变化的曲线(仿真结果)，其中水平轴和竖直轴与图12中的相同。在图13中，附图标记019a到019c表示通过相位旋转控制进行位置调节造成的不同能量峰。

如果辐照控制器6A从束强度监测单元7A接收到异常信号，辐照控制器6A借助联锁装置停止激光驱动质子束辐照设备A的操作。

(束强度监测单元)

束强度监测单元7A不断监测每次发射的质子束104c的强度。

图14是关于激光驱动质子束辐照设备A中束强度监测的功能框图，其中箭头表示信号流。

像在第一实施例中那样，辐照端口4的剂量仪404输出与通过剂量仪404的质子束104c的剂量，即施加到患者病灶9的质子束的剂量相对应的电信号。辐照端口4的剂量仪电路405接收从剂量仪404输出的电信号。当所接收的电信号到达预设的集成输出值时，剂量仪电路405向辐照控制器6发送剂量完成信号，表示已经达到了针对患者病灶9中设定的辐照点902的预设剂量。

束强度监测单元7A从剂量仪电路405接收与每次发射质子束强度相对应的电信号，并不断将由所接收的电信号表示的质子束的强度与辐照模式数据中指定的束强度005进行匹配。当从剂量仪电路405接收的强度与辐照模式数据中指定的束强度相差一预定值或更大时，束强度监测单元7A向辐照控制器6A发送异常信号。

包含在辐照模式数据中的束强度005表示在适当调节所有参数和部件的情况下的束强度，该参数和部件例如是用于能量分布会聚单元5A的高频电场和能量选择器3的能量分离磁体301。束强度监测单元7A基于辐照模式数据中的束强度判断激光驱动的质子射线103的能量分布中形成的能量峰(参见图16)(峰值强度)周围的预定能量宽度下的束强度是否正常。

激光驱动质子束辐照设备A将以如下方式工作。

在此假设，在辐照模式数据中，对应于患者体***程003的能量为30MeV，获得深度方向上束停止位置宽度004所需的能量宽度为5％。

在这种情况下，辐照控制器6A的能量分布会聚控制器604A调节待施加到内腔502A的高频电压并调节施加到质子束104d的高频电场，从而在质子束104d的能量分布中30MeV周围形成能量峰。

辐照控制器6A的能量选择控制器602A调节能量分离磁体301以及能量准直器303的狭缝中心C1的位置，从而从质子束104d的能量分布中提取30MeV周围5％的能量宽度。

在调节了部件2、3、4和5A之后，质子束发生器1产生激光驱动的质子射线103，并根据类似于第一实施例的流程对患者病灶9中设定的所有辐照切片901进行放射治疗。如果施加到病灶9的质子束104c的强度不正确，辐照控制器6A在从束强度监测单元7A接收到异常信号时停止激光驱动质子束辐照设备A的操作。操作的其余部分与第一实施例的激光驱动质子束辐照设备U相同。

在下文中，将描述激光驱动质子束辐照设备A的效果。

图15和16是示出了激光驱动质子束辐照设备A的效果的图示。

将描述质子束能量和能量宽度的选择与强度之间的兼容性。

图15示出了通过激光驱动粒子束辐照设备A的能量分布会聚单元5A和能量选择器3的质子束的能量分布。在图15中，水平轴表示质子能量，竖直轴表示脉冲激光102的每次发射的质子数量。附图标记020代表通过能量分布会聚单元5A之后质子束的能量分布，附图标记021代表通过能量选择器3之后的能量分布。

在激光驱动质子束辐照设备A中，通过能量分布会聚单元5A的相旋转腔单元500A的质子束104d的能量有利地会聚在当质子束104d通过相邻内腔502A之间的间隙诸如间隙G2的时刻与高频电压的相位同步时出现的能量周围。例如，如图15所示，质子束的能量会聚在30MeV周围，包含在质子束104d中的质子中能量为30MeV的质子的百分比增大。

因此，如果进行调节，使得如图15所示能量为30MeV(±5％)的质子束通过能量选择器3中能量准直器303的狭缝S1，通过狭缝S1的质子束的强度将变得大于第一实施例的激光驱动质子束辐照设备U中的强度。

接下来，下文将对“安全性”做出描述。

图16示出了在激光驱动质子束辐照设备A中做出不精确的能量选择的异常情况下质子束的能量分布。在图16中，竖直和水平轴以及附图标记表示与图15中相同的参数。

此外，不精确的能量选择是由能量分布会聚单元5A的相旋转腔单元500A或能量选择器3的能量准直器303的结构缺陷导致的，或是由能量分布会聚控制器604A或能量选择控制器602的控制故障导致的。

如图16所示，与正确能量选择时出现的质子束能量分布相比，在导致不精确的能量选择的异常情况下出现的质子束能量分布显著劣化。这是因为在质子束到达能量选择器3的能量准直器303的狭缝S1之前，能量分布会聚单元5A会聚了质子束的能量分布，以增加具有能够通过狭缝S1的能量分量的质子的数量。

基于与具有已经通过能量分布会聚单元5A会聚的能量分布的质子束的强度相对应的电信号，束强度监测单元7A判断是否做出了异常选择。

因此，从剂量仪404输出的束强度的变化可以可靠地判断出不精确的能量选择。亦即，除了监测到的能量选择器3中能量分离磁体301的激励电流以及监测到的能量准直器303的狭缝中心C1位置和狭缝S1的尺寸之外，还可以基于质子束的强度来判断不精确的能量选择。

在根据第一实施例的激光驱动质子束辐照设备U中，难以基于质子束强度的变化检测出不精确的能量选择(如果发生的话)。这是因为，如图12所示(附图标记017)，能量未被能量分布会聚单元5A会聚的质子束的能量分布是平坦的，并且即使选择了与期望能量稍微不同的能量，落在预定能量宽度之内的质子束的总强度值也不会显著变化。在探测到质子束强度的细微变化时，可以输出异常信号。然而，在这种情况下，会频繁地激活联锁装置，因为由能量选择器3选择的质子束能量通常会稍微波动。

除了第一实施例的有益效果(1)到(8)之外，激光驱动质子束辐照设备A将实现以下有益功能和效果。

(9)激光驱动质子束辐照设备A包括能量分布会聚单元5A，其形成质子束的传输路径并在传输路径中会聚质子束的能量分布，以提供处于特定能量的峰。因此，提高了具有基于患者中辐照点902的深度设定的能量的质子束的强度，并增强了第一实施例的(1)中所述的有益效果。

(10)能量分布会聚单元5A包括相旋转腔单元500A，相旋转腔单元500A在施加高频电压的情况下形成质子束的传输路径，在传输路径中产生高频电场，在该高频电场中，出现构成质子聚束的质子被加速的状态以及构成质子聚束的质子被减速的状态，从而将质子束的能量分布会聚到特定能量。

辐照控制器6A调节待施加到相旋转腔单元500A的高频电压的相位和幅度，以调节质子束能量分布的能量峰的位置。因此，通过利用质子束的电荷和时间离散状态可以在质子束的能量分布中形成期望的能量峰。

(11)能量分布会聚单元5A的相旋转腔单元500A包括外腔501A和内腔502A，外腔501A形成质子束传输路径而内腔502A在外腔501A内部沿一行间隔开，且向其施加高频电压。在相邻内腔502A之间的间隙中产生高频电场，以会聚构成外腔501A中的质子聚束的质子中在与施加到内腔502A的高频电压相位同步的时刻进入间隙的质子的能量周围的质子束的能量分布。因此，可以容易而有效地实现以上(10)中描述的有益效果。

(12)激光驱动质子束辐照设备A包括束强度监测单元7A，其判断具有已被能量分布会聚单元5A会聚的能量分布且具有已被能量选择器3选择的特定能量的质子束的强度是否正常。当束强度监测单元7A判定强度异常时，辐照控制器6A停止利用质子束辐照患者病灶9。因此，可以提供利用施加到病灶9的质子束的强度的联锁装置，从而进一步增强了放射治疗的安全性。

(13)束强度监测单元7A判断脉冲激光102的每次发射的质子束的强度是否正常。束强度监测单元7A基于质子束能量分布的峰值强度做出判断。因此，如果质子束的强度偏离要求值，即使是每次发射的强度，向剂量仪404提供的质子束的强度也会显著减小。因此，可以以高度的精确度判断质子束是否正常。因此，即使在辐照单个辐照点期间也能以高度的可靠性激活联锁装置。于是，可以增强以上(12)中描述的有益效果。

[第三实施例]

第三实施例涉及针对第二实施例的激光驱动质子束辐照设备A中执行的质子束进行的高频电场控制。

激光驱动质子束辐照设备A(参见图10)的辐照控制器6A通过控制高频电源605A的输出向相旋转腔单元500A施加脉冲宽度压缩电压。

脉冲宽度压缩电压是经调节以压缩通过能量分布会聚单元5A的质子束104d中所包含的质子射线的脉冲宽度的电压。下面将描述脉冲宽度压缩电压。

在下文中，给出针对脉冲宽度压缩电压的描述。

在与给定速度有关的包含在质子束104b中的质子射线的相位旋转的情况下，其中质子射线被相位旋转的速度范围可以表示如下：

[等式2]

$\frac{\mathrm{\Δv}}{v_0}=\frac{v_0}{v_0+\mathrm{fL}}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

其中f是施加到相旋转腔单元500A的内腔502A的高频电压的频率，L是产生质子射线的靶101的中心与相旋转腔单元500A之间的间隙距离。

利用关系ΔE/E₀≈β₀ ²γ₀ ²·Δv/v₀，等式(2)将被改写为：

[等式3]

$\frac{\mathrm{\ΔE}}{E_0}={\mathrm{\β}}_0^2{\mathrm{\γ}}_0^2\frac{v_0}{v_0+\mathrm{fL}}\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

其中β₀和γ₀是对应于v₀的洛伦兹因子，E₀是包括对应于v₀的动能和静止能量的总能量。

利用关系 $v_0=c\sqrt{1-m^2{c}^4/E_0^2},$ 等式(3)可以改写为：

[等式4]

$\mathrm{\ΔE}=E_0{\mathrm{\β}}_0^2{\mathrm{\γ}}_0^2\frac{\sqrt{1-m^2{c}^4/E_0^2}}{\sqrt{1-m^2{c}^4/E_0^2}+\mathrm{fL}/c}\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

其中c为光速，m为粒子的质量。

为了通过在电压(电压辐度)V的高频电场中进行相位旋转来压缩质子射线的脉冲宽度ΔE，ΔE＜qV需要成立。因此，可以将脉冲宽度压缩电压的电压幅度V表示为：

[等式5]

$V>\frac{E_0{\mathrm{\β}}_0^2{\mathrm{\γ}}_0^2}{q}\·\frac{\sqrt{1-m^2{c}^4/E_0^2}}{\sqrt{1-m^2{c}^4/E_0^2}+\mathrm{fL}/c}\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$

其中q为质子射线的电荷。

在辐照控制器6A将待施加到相旋转腔单元500A的电压调节到所需的脉冲宽度压缩电压时，辐照控制器6A进行与高频电源605A的输出相关的反馈控制，并且如果电压值偏离所需值，则执行联锁停止控制。这是因为施加到相旋转腔单元500A的电压往往会由于放电或其他诱因变得不稳定。

根据本实施例，通过为质子束进行高频电场控制将实现以下功能和效果。

关于质子束脉冲宽度的压缩，将做出以下解释。

图17示出了高频电场控制的功能(仿真结果)，其中图17A示出了在施加到相旋转腔单元500A的电压不满足脉冲宽度压缩电压的条件(参见等式5)的情况下质子束的脉冲宽度，图17B示出了在施加到相位旋转腔单元500A的电压满足条件(参见等式5)的情况下质子束的脉冲宽度。图17A中的附图标记022a表示未进行脉冲宽度压缩的质子束的脉冲宽度，图17B中的附图标记022b表示受到脉冲宽度压缩的质子束的脉冲宽度。图17中的竖直和水平轴以及其他附图标记与图8中的相同。

在激光驱动质子束辐照设备A中，从质子束发生器1的靶101发射的激光驱动的质子射线103具有特定的脉冲宽度。随着激光驱动的质子射线103通过能量选择器3向患者病灶9行进，其脉冲宽度增加。例如，如图17A所示，1纳秒或更小的脉冲宽度可以增加到几个纳秒。

相反，在调节待施加到能量分布会聚单元5A的相旋转腔单元500A的高频电压的幅度以满足条件(等式5)时，压缩和减小了通过相旋转腔单元500A的质子束104d的脉冲宽度。例如，从质子束发生器1中的靶101发射的脉冲宽度为1纳秒或更小的激光驱动的质子射线103行进通过能量选择器3，结果，脉冲宽度增加到2.1纳秒。然后，对激光驱动的质子射线103进行脉冲宽度压缩，因此，如图17B所示，在患者病灶9处脉冲宽度减小到少于1纳秒。定性地讲，这是因为，由于包含在质子束104b中的慢质子射线被加速而快质子射线被减速的原因，质子束104d的脉冲被压缩。对于第二实施例中的能量分布会聚功能而言是这种情况。

上述脉冲宽度压缩效应使得激光驱动的质子射线103能够在长距离上传输，同时维持激光驱动的质子射线103的原始脉冲宽度。下面将描述质子放射治疗中脉冲宽度压缩功能的实际益处或效果。

可以将施加到患者病灶9的粒子射线的杀死癌细胞的作用大致分成两类，即直接和间接粒子-细胞相互作用。直接作用是粒子射线直接损伤或破坏DNA的交互作用。另一方面，在间接作用中，由粒子射线在患者体内产生的电荷产生诸如OH基这样的活性粒子，与活性粒子的交互作用损伤或破坏DNA。

通常，在诸如碳粒子射线的重粒子射线被用作放射治疗中的粒子射线时，直接作用占主要部分。对于诸如低LET(线性能量转移)质子射线的粒子束，间接作用占主要部分。直接作用具有更高的癌细胞杀灭效果且能够破坏癌细胞。即使如在低氧细胞中那样仅产生少量OH基，也可以通过直接作用破坏癌细胞。

脉冲宽度压缩电压压缩质子束的脉冲宽度以提高质子射线的密度。因此，在被施加了脉冲压缩电压的脉冲束中，直接作用占质子射线-细胞相互作用的比重增大，因此可以实现与重粒子射线类似的辐照效应。此外，由于可以在短时间内施加密集的能量，所以可以通过热效应增强损伤/破坏癌细胞DNA的效果。

除了第一实施例的效果(1)到(8)和第二实施例的效果(9)和(13)之外，根据本实施例，对质子束的高频电场控制具有以下有益效果。

(14)满足条件(等式5)的脉冲宽度压缩电压被用于向能量分布会聚单元5A的相旋转腔单元500A施加高频电场。因此，可以提高质子束的密度，以将其LET提高到与重粒子射线相当的级别，从而提高了放射治疗的有效性。

在上文中，尽管已经针对第一到第三实施例描述了根据本发明的激光驱动粒子束辐照设备和激光驱动粒子束辐照方法，但本发明不限于这些实施例，可以做出很多其他变化和修改而不脱离所附权利要求界定的本发明的精神。

例如，尽管根据实施例的激光驱动质子束辐照设备的质子束发生器利用脉冲激光辐照靶以获取激光驱动的质子射线，但待获取的粒子射线不限于质子射线，也可以获取诸如α射线或碳射线的任何带电粒子。在这些情况下，等式(2)到(5)中与粒子相关的参数，例如第三实施例中的电荷q和速度v₀将是与将要进行脉冲宽度压缩的带电粒子射线相关的参数。

此外，尽管所述示例中的激光驱动质子束辐照设备的束会聚单元被配置有是永磁体的四极磁体，但束会聚单元也可以配置有六极或更高阶的多极磁体。

可以通过其中提供了能量准直器的消色差磁体(参见图18)提供激光驱动质子束辐照设备的能量选择器偏转质子束的功能。亦即，可以由任何能够进行如下操作的单元构成能量选择器：(i)将带电粒子引导到磁场，(ii)通过动量差分散布带电粒子的轨迹，(iii)在磁场中散布轨迹之后选择所需的带电粒子(轨迹)，以及(iv)在带电粒子离开磁场时或之后重新会聚轨迹。

激光驱动质子束辐照设备的辐照控制器中的束会聚控制器和能量选择控制器参照辐照模式数据以调节所述实例中束会聚单元的四极磁体的位置、能量选择器的激励电流以及能量准直器的狭缝位置。然而，可以基于事先针对每个辐照切片指定的调节量进行这些调节。

可以在激光驱动粒子束辐照设备的辐照控制器中提供能够显示诸如施加到相旋转腔单元的电压的控制变量(参见等式(1))的显示装置，以允许操作员执行辐照控制器的人工控制或校正。

如下配置的激光驱动粒子束辐照设备利用激光驱动粒子射线实现了放射治疗，且能够增强激光驱动粒子射线的会聚性，同时降低激光驱动粒子射线传输到患者病灶的过程中激光驱动粒子射线强度的减小。

可以采用任何激光驱动粒子束辐照设备，只要其包括：粒子束发生器，其利用脉冲激光辐照靶，以发射激光驱动的粒子射线；形成传输路径的束会聚单元，该传输路径将所发射的激光驱动的粒子射线引导至待辐照的对象，并在空间上会聚激光驱动的粒子射线；能量选择器，其选择激光驱动的粒子射线的能量和能量宽度；辐照端口，使激光驱动的粒子射线扫描待辐照的对象，以调节对象中的辐照位置；以及辐照控制器，其控制粒子束发生器、束会聚单元、能量选择器和辐照端口的操作，其中，束会聚单元在激光驱动的粒子射线的轨迹上产生磁场并通过该磁场会聚激光驱动的粒子射线，该磁场迫使激光驱动的质子射线中偏离轨迹中心的发散分量返回到轨迹中心。

Claims (23)

1.一种激光驱动粒子束辐照设备，包括：

粒子束发生器，其利用脉冲激光辐照靶，以发射激光驱动的粒子射线；

形成传输路径的束会聚单元，该传输路径将所发射的激光驱动的粒子射线引导至待辐照的对象，并在空间上会聚所述激光驱动的粒子射线；

能量选择器，其提供于所述束会聚单元的出口处，并适于从所述束会聚单元会聚的具有连续能量分布的所述激光驱动的粒子射线中选择具有特定能量和特定能量宽度的所述激光驱动的粒子射线；

辐照端口，其使所述激光驱动的粒子射线扫描待辐照的对象，以调节该对象中的辐照位置；以及

辐照控制器，其控制所述粒子束发生器、所述束会聚单元、所述能量选择器和所述辐照端口的操作；

其中，所述束会聚单元在所述激光驱动的粒子射线的轨迹上产生磁场并通过所述磁场会聚所述激光驱动的粒子射线，所述磁场迫使所述激光驱动的粒子射线中偏离所述轨迹的中心的发散分量返回到所述轨迹的所述中心。

2.根据权利要求1所述的激光驱动粒子束辐照设备，其中所述束会聚单元设置于所述粒子束发生器与所述能量选择器之间。

3.根据权利要求1所述的激光驱动粒子束辐照设备，其中所述束会聚单元包括由永磁体制成的多极磁体，且所述多极磁体产生所述磁场。

4.根据权利要求3所述的激光驱动粒子束辐照设备，其中沿着所述束会聚单元的所述激光驱动的粒子射线的传输路径设置多个所述多极磁体，且至少一个所述多极磁体被设置为是可移动的。

5.根据权利要求3所述的激光驱动粒子束辐照设备，其中所述束会聚单元包括角度准直器，所述角度准直器设置于所述多极磁体与所述粒子束发生器的所述靶之间并阻挡所述激光驱动的粒子射线的广角分量以避免其到达所述多极磁体。

6.根据权利要求1所述的激光驱动粒子束辐照设备，其中所述能量选择器被配置用于在激光驱动的粒子射线的所述传输路径中产生根据激光驱动的粒子射线的动量偏转该激光驱动的粒子射线的磁场，选择具有特定轨迹的激光驱动的粒子射线，并从所述传输路径去除剩余的激光驱动的粒子射线，以便选择激光驱动的粒子射线的能量和能量宽度。

7.根据权利要求6所述的激光驱动粒子束辐照设备，其中所述能量选择器被设置有电磁体和能量准直器，所述电磁体在激励电流的控制下产生可变磁场，所述能量准直器被设置为阻挡由所述可变磁场偏转的激光驱动的粒子射线的所述传输路径并形成狭缝，所述狭缝选择性地允许具有特定轨迹的激光驱动的粒子射线通过所述狭缝。

8.根据权利要求7所述的激光驱动粒子束辐照设备，其中所述能量选择器的所述能量准直器调节所述狭缝的尺寸。

9.根据权利要求1所述的激光驱动粒子束辐照设备，还包括能量分布会聚单元，其形成所述激光驱动的粒子射线的所述传输路径并会聚通过所述传输路径的所述激光驱动的粒子射线的能量分布，以提供处于特定能量的峰。

10.根据权利要求9所述的激光驱动粒子束辐照设备，其中所述能量分布会聚单元包括相位旋转腔单元，所述相位旋转腔单元形成所述激光驱动的粒子射线的传输路径，并且在施加高频电压的条件下在所述传输路径中产生高频电场，在所述高频电场中发生聚束中的粒子被加速的状态和聚束中的粒子被减速的状态，以将所述激光驱动的粒子射线的所述能量分布会聚到特定能量，且其中所述辐照控制器调节待施加到所述相位旋转腔单元的所述高频电压的所述相位，以调节所述激光驱动的粒子射线的所述能量分布的能量峰的位置。

11.根据权利要求10所述的激光驱动粒子束辐照设备，其中所述能量分布会聚单元的所述相位旋转腔单元包括外腔和多个内腔，所述外腔形成所述激光驱动的粒子射线的所述传输路径，而所述多个内腔在所述外腔中成行地间隔开且被施加有高频电压，其中在相邻内腔之间的间隙中形成高频电场，以将粒子束的所述能量分布会聚在所述外腔中的聚束中的所述粒子中在与施加到所述内腔的所述高频电压的所述相位同步的时刻进入所述间隙的粒子的所述能量周围。

12.根据权利要求11所述的激光驱动粒子束辐照设备，其中所述辐照控制器向所述能量分布会聚单元的所述内腔施加脉冲宽度压缩电压，以在相邻内腔之间的所述间隙中产生高频电场，所述脉冲宽度压缩电压被定义为

$V>\frac{E_0{\mathrm{\β}}_0^2{\mathrm{\γ}}_0^2}{q}\·\frac{\sqrt{1-m^2{c}^4/E_0^2}}{\sqrt{1-m^2{c}^4/E_0^2+\mathrm{fL}/c}}$

其中f是待施加到所述内腔的高频电压的频率，L是从所述靶中的激光驱动的粒子射线的发射点到相邻内腔之间的所述间隙的距离，β₀和γ₀是洛伦兹因子，E₀是所述激光驱动的粒子射线的总能量，c是光速，m是所述激光驱动的粒子射线的质量，q是所述激光驱动的粒子射线的电荷。

13.根据权利要求9所述的激光驱动粒子束辐照设备，其中所述能量分布会聚单元设置于所述束会聚单元与所述能量选择器之间。

14.根据权利要求9所述的激光驱动粒子束辐照设备，还包括束强度监测单元，所述束强度监测单元判断具有由所述能量分布会聚单元会聚的所述能量分布且具有由所述能量选择器选择的特定能量宽度的激光驱动的粒子射线的强度是否正常，其中，当所述束强度监测单元判定所述激光驱动的粒子射线的所述强度异常时，所述辐照控制器停止利用所述激光驱动的粒子射线辐照所述对象。

15.根据权利要求14所述的激光驱动粒子束辐照设备，其中所述束强度监测单元基于所述激光驱动的粒子射线的所述能量分布的峰值强度，判断脉冲激光的每次发射的所述激光驱动的粒子射线的所述强度是否正常。

16.一种激光驱动粒子束辐照方法，包括：

粒子束发生步骤，利用脉冲激光辐照靶，以获取激光驱动的粒子射线；

束会聚步骤，在空间上会聚所述激光驱动的粒子射线；

能量选择步骤，根据在待辐照的对象中设定的辐照位置的深度，从所述束会聚步骤会聚的具有连续能量分布的所述激光驱动的粒子射线中选择具有特定能量和特定能量宽度的所述激光驱动的粒子射线；以及

辐照步骤，调节待辐照的所述对象中所述激光驱动的粒子射线的所述辐照位置，

其中，在所述束会聚步骤中，在所述激光驱动的粒子射线的轨迹上产生磁场，所述磁场迫使所述激光驱动的粒子射线中偏离所述轨迹的中心的发散分量返回到所述轨迹的所述中心，并通过所述磁场会聚所述激光驱动的粒子射线。

17.根据权利要求16所述的激光驱动粒子束辐照方法，其中在所述束会聚步骤中，通过调节所述磁场来调节每个步骤中使用的所述激光驱动的粒子射线的会聚程度。

18.根据权利要求16或17所述的激光驱动粒子束辐照方法，其中在所述能量选择步骤中，在所述激光驱动的粒子射线的所述轨迹上形成根据所述激光驱动的粒子射线的动量偏转激光驱动的粒子射线的磁场，并基于轨迹的差异屏蔽被偏转的激光驱动的粒子射线，以选择激光驱动的粒子射线的能量和能量宽度。

19.根据权利要求16所述的激光驱动粒子束辐照方法，还包括能量分布会聚步骤，会聚所述激光驱动的粒子射线的能量分布以提供处于特定能量的峰。

20.根据权利要求16所述的激光驱动粒子束辐照方法，还包括脉冲宽度压缩步骤，减小所述激光驱动的粒子射线的所述脉冲宽度。

21.根据权利要求20所述的激光驱动粒子束辐照方法，其中在所述脉冲宽度压缩步骤中，产生由脉冲宽度压缩电压诱生的高频电场，并引导所述激光驱动的粒子射线通过所述高频电场，以减小所述激光驱动的粒子射线的所述脉冲宽度，所述脉冲宽度压缩电压被定义为

$V>\frac{E_0{\mathrm{\β}}_0^2{\mathrm{\γ}}_0^2}{q}\·\frac{\sqrt{1-m^2{c}^4/E_0^2}}{\sqrt{1-m^2{c}^4/E_0^2+\mathrm{fL}/c}}$

其中f是高频电压的频率，L是距激光驱动的粒子射线的发射点的距离，β₀和γ₀是洛伦兹因子，E₀是所述激光驱动的粒子射线的总能量，c是光速，m是所述激光驱动的粒子射线的质量，以及q是所述激光驱动的粒子射线的电荷。

22.根据权利要求19所述的激光驱动粒子束辐照方法，其中当在所述能量分布会聚步骤中会聚所述能量分布并在所述能量选择步骤中选择了特定能量和能量宽度之后，判断所述激光驱动的粒子射线的强度是否正常，如果判定所述强度异常，则停止利用所述激光驱动的粒子射线辐照所述对象。

23.根据权利要求22所述的激光驱动粒子束辐照方法，其中基于所述激光驱动的粒子射线的所述能量分布的峰值强度，判断脉冲激光的每次发射的所述激光驱动的粒子射线的强度是否正常。

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