CN113301705A - 直线注入器***及其运转方法以及质子重离子治癌装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直线注入器***及其运转方法以及质子重离子治癌装置，包括离子源，被配置为产生并引出离子；螺线管磁铁，设置在离子的引出路径上，并被配置为对离子进行会聚形成束流；二极磁铁，被配置为从自螺线管磁铁引出的束流中分析筛选出所需电荷态的束流，并经其他束流阻挡于其内；第一束流输运线被配置为对从二极磁铁引出的束流进行一次相空间匹配处理；射频四极场加速器被配置为将从第一束流输运线引出的束流加速至设计能量；第二束流输运线被配置为对自射频四极场加速器引出的束流进行二次相空间匹配处理；漂移管直线加速器被配置为将从第二束流输运线引出的束流加速至同步加速器能够接受的能量；散束器被配置为降低引出束流的能散。

Description

直线注入器***及其运转方法以及质子重离子治癌装置
技术领域
本发明涉及一种直线注入器装置，特别涉及一种质子重离子治癌装置直线注入器***及其运转方法。
背景技术
高速运动的质子和重离子具有布拉格峰效应，从而被广泛地运用在癌症治疗领域，具有作用位置精准，治疗效果明显的特点。其在人体中的作用深度与能量直接相关，所以产生能量可调的高能质子和重离子是该类型癌症治疗装置的核心设备。
目前产生高能量且能量可调的质子和重离子的装置主要是同步加速器，详见专利公开号为CN101917815B的发明专利。同步加速器由于其自身结构及物理原理的限制，其必须依靠其它装置将质子和重离子加速到一定的能量后，才能注入到同步加速器中进行进一步地加速。该装置一般称为注入器装置，其产生的质子或重离子束流的能量、流强、能散及发射度等物理参数对同步加速器的运行具有直接影响。
同步加速器对注入束流一般有最低磁钢度的要求，磁钢度与粒子种类、能量及电荷态相关。对注入束流有流强的要求，注入流强越大，同步加速器中存储的离子越多，整个治癌装置治疗效率更高。对注入束能散有要求，能散越小，束流在同步加速器中的损失就越小，那么存储的粒子就越多。对注入束的发射度有要求，注入束发射度越小，同步加速器采用横向涂抹方案后累积的粒子数越多。
可作为同步加速器的注入器的设备类型一般有回旋加速器、直线加速器、高压加速器等。回旋加速器结构复杂且束流加速效率较低，束流浪费严重。高压加速器的高压具有一定的危险性，且束流的能量受高压限制一般较低，不满足大多数同步加速器的要求。直线加速器束流流强大，束流品质好，是最适合作为同步加速器注入器的设备。然而现有直线加速器运行时需要的功率非常大(脉冲峰值功率在兆瓦以上)，结构复杂(每个漂移管内部都安装有电四极磁铁)，造价及运行成本高。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种直线注入器***及其运转方法以及质子重离子治癌装置，提高同步加速器注入束流的品质，进而提升整个癌症治疗装置的工作效率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种直线注入器***，包括
离子源，被配置为产生并引出离子；
螺线管磁铁，设置在离子的引出路径上，并被配置为对离子进行会聚形成束流；
二极磁铁，设置在所述螺线管磁铁的出口端，并被配置为从自所述螺线管磁铁引出的束流中分析筛选出所需电荷态的束流，并经其他束流阻挡于其内；
第一束流输运线，设置在所述二极磁铁的出口端，并被配置为对从所述二极磁铁引出的束流进行一次相空间匹配处理；
射频四极场加速器，设置在所述第一束流输运线的出口端，并被配置为将从所述第一束流输运线引出的束流加速至设计能量；
第二束流输运线，设置在所述射频四极场加速器的出口端，并被配置为对自所述射频四极场加速器引出的束流进行二次相空间匹配处理；
漂移管直线加速器，设置在所述第二束流输运线的出口端，并被配置为将从所述第二束流输运线引出的束流加速至同步加速器能够接受的能量；
散束器，设置在所述漂移管直线加速器的出口端，并被配置为降低自所述漂移管直线加速器引出的束流的能散。
所述的直线注入器***，优选地，所述离子源采用常温永磁电子回旋共振离子源，包括屏蔽壳体、磁体、微波馈入***、气体馈入***、引出高压***以及支撑***；所述磁体包括一系列以预定排列组合方式设置在所述屏蔽壳体内的永磁铁，并在所述屏蔽壳体内能够形成径向六极磁场和马鞍型分布轴向磁场；所述气体馈入***被配置为向屏蔽壳体内馈入工作气体；微波馈入***被配置为向所述屏蔽壳体内馈入预定频率的微波功率，以将工作气体电离成离子；所述引出高压***被配置为将屏蔽壳体内的离子束引出。
所述的直线注入器***，优选地，所述二极磁铁具有两个入口和一个出口，在所述二极磁铁的两入口端分别设置一所述常温永磁电子回旋共振离子源，每一所述常温永磁电子回旋共振离子源和所述二极磁铁的入口端之间设置所述螺线管磁铁。
所述的直线注入器***，优选地，在所述二极磁铁和第一束流输运线之间设置一真空室，所述真空室内设置有束诊元件，所述束诊元件被配置为对自所述二极磁铁引出束流的流强和相空间参数进行测量。
所述的直线注入器***，优选地，所述束诊元件包括沿束流方向依次设置在真空室内的第一金属狭缝、第二金属狭缝和法拉第筒，所述第一金属狭缝和第二金属狭缝均为表面具有互为正交分布但不相交的两狭缝的金属板；所述第一金属狭缝和第二金属狭缝均通过支杆与真空室外部的线性驱动机构连接，所述支杆的一端连接第一金属狭缝或第二金属狭缝，所述支杆的另一端与线性驱动机构连接，且所述支杆与与水平面呈45°夹角。
所述的直线注入器***，优选地，所述第一束流输运线包括在所述二极磁铁和射频四极场加速器之间顺次分布的四台四极磁铁以及一台螺线管磁铁；四台所述四极磁铁被配置为对自所述二极磁铁引出的束流进行相空间匹配，形成横向圆形束团，所述螺线管磁铁被配置为将发散的横向圆形束团调整成会聚的横向圆形束团；
在所述四台四极磁铁和一台所述螺线管磁铁之间设置斩束器，所述斩束器包括一对连接在矩形脉冲高压电源上的水平偏转电极，所述斩束器被配置为将连续束流切割成时间上分段的束流。
所述的直线注入器***，优选地，所述第二束流输运线包括四台四极磁铁和聚束器，三台所述四极磁铁顺次布置在射频四极场加速器和聚束器之间，并被配置为将自所述射频四极场加速器引出的横向分布不对称的束流汇聚成横向对称且聚焦的束流；所述聚束器用于对横向对称且聚焦的束流进行纵向相空间调制；一台所述四极磁铁设置在所述聚束器和所述漂移管直线加速器之间，并被配置为对自所述聚束器引出的束流的横向聚焦参数进行微调。
所述的直线注入器***，优选地，所述漂移管直线加速器为交叉指型漂移管直线加速器；包括上盖总成、中腔总成和下盖总成；所述上盖总成和下盖总成安装在所述中腔总成的上下部；所述上盖总成包括上腔盖、调谐器和无氧铜金属平板，所述调谐器包括直线驱动机构、真空波纹管和金属杆；所述上腔盖连接在所述中腔总成的上部，所述真空波纹管密封连接在所述上腔盖的外部；所述金属杆的一端依次穿过所述真空波纹管和上腔盖的盖面伸入所述上腔盖内，且所述金属杆的一端固定连接所述无氧铜金属平板；所述金属杆的另一端和所述真空波纹管共同连接所述直线驱动机构，所述直线驱动机构驱动所述真空波纹管作伸缩运动，以带动所述金属杆和无氧铜金属平板在所述上盖总成内作垂直于束流方向的直线运动；中腔总成包括中腔壳体、左横梁、右横梁和漂移管结构，所述左、右横梁设置在所述中腔壳体内的左右侧，所述漂移管通过支座安装在左右横梁上，左、右横梁上所安装的漂移管互相交错排列；所述下盖总成包括下腔盖、三合一四极磁铁组件、功率耦合器、功率提取器和真空泵，所述三合一四极磁铁组件内置于下腔盖内，并用于对束流进行聚焦；所述功率耦合器、功率提取器和真空泵安装法兰均通过法兰连接在下腔盖的外部，所述功率耦合器用来接收射频功率源的功率，以使漂移管直线加速器的谐振腔处于谐振状态；所述信号提取器为低电平控制***提供谐振腔的运行状态，所述真空泵用于对漂移管直线加速器内进行抽真空。
第二方面，本发明提供一种基于第一方面所述的直线注入器***的运行方法，包括以下步骤：
1)向离子源内馈入工作气体和预定频率的微波功率，使得离子源内产生离子，并将离子引出至螺线管磁铁内；
2)离子在螺线管磁铁内进行会聚形成束流，之后进入二极磁铁内进行束流的分析筛选；包含所需电荷态的束流从二极磁铁内引出，而其它离子被阻挡在二极磁铁内；
3)包含所需电荷态的束流注入第一束流输运线内，在第一束流输运线内进行一次相空间匹配；经匹配处理后的束流注入射频四极场加速器，在射频四极场加速器内进行加速；
4)经加速后的束流进入第二束流输运线内，在第二束流输运线内进行二次相空间匹配后进入漂移管直线加速器；
5)束流在漂移管直线加速器进行加速后进入散束器，散束器将自漂移管直线加速器引出的束流的能散降低。
第三方面，本发明还提供一种质子重离子治癌装置，其包括同步加速器以及第一方面所述的直线注入器***，所述同步加速器设置在所述直线注入器***的末端，质子或重离子在所述直线注入器***加速后进入所述同步加速器内。
本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：
1、本发明提供的直线注入器***，包括离子源、螺线管磁铁、二极磁铁、第一束流输运线、H模四杆型射频四极场加速器、第二束流输运线、漂移管直线加速器和散束器；离子源产生并引出离子，螺线管磁铁对离子进行会聚形成束流，二次磁铁从自螺线管磁铁引出的束流中分析筛选出所需电荷态的束流，第一束流输运线对从二极磁铁引出的束流进行一次相空间匹配处理，射频四极场加速器将从第一束流输运线引出的束流加速至设计能量；第二束流输运线对自射频四极场加速器引出的束流进行二次相空间匹配处理；漂移管直线加速器将从第二束流输运线引出的束流加速至同步加速器能够接受的能量；散束器降低自漂移管直线加速器7引出的束流的能散，有效提高同步加速器注入束流的品质，进而提升整个癌症治疗装置的工作效率。
2、本发明的离子源采用常温永磁电子回旋共振离子源，其包括屏蔽壳体、磁体、微波馈入***、气体馈入***、引出高压***以及支撑***；磁体包括一系列以预定排列组合方式设置在屏蔽壳体内的永磁铁，并在屏蔽壳体内能够形成径向六极磁场和马鞍型分布轴向磁场，气体馈入***被配置为向屏蔽壳体内馈入工作气体，微波馈入***被配置为向屏蔽壳体内馈入预定频率的微波功率，以加热注入屏蔽壳体内的气体，上述气体在屏蔽壳体中剧烈碰撞被电离成离子，离子继续在磁场中震荡失去更多的电子，引出高压***被配置为将屏蔽壳体内的离子束引出。离子源的六极磁场和轴向磁场采用永磁铁形成，相比电磁铁方案其运行功率消耗大大降低，永磁铁磁场的稳定性相比电磁铁更高，使得离子源引出束流的参数几乎能保持恒定，进而使得永磁电子回旋共振离子源具有长期稳定性高的特点，有助于整个加速器***的稳定运行。
3、本发明的二极磁铁具有两个入口和一个出口，在二极磁铁的两入口端分别设置一常温永磁电子回旋共振离子源，每一常温永磁电子回旋共振离子源和二极磁铁的入口端之间设置螺线管磁铁；其中一台常温永磁电子回旋共振离子源作为备用离子源，待需要时将二极磁铁的电源极性翻转即可；如果需要更换束流种类，可以在加速器装置正常运行的状态下，提前调试备用离子源，大大减小离子源准备时间。
4、本发明的第一束流输运线采用4台四极磁铁加螺线管磁铁进行束流相空间匹配，4台四极磁铁独立调节原理上几乎可以匹配任意相空间参数的束流到圆形分布，使得该直线注入器***对于源头的束流参数具有较大的误差容忍性，再经过螺线管磁铁对圆形束进行会聚，从而大大增加束流注入射频四机场加速器的效率。
5、本发明的第二束流输运线采用四台四极磁铁和聚束器，通过四极磁铁对射频四机场加速器引出的两个方向聚焦性质不同的束流进行相空间调节，将束流在两个横向方向上都调整成对称聚焦束，有助于后端漂移管直线加速器的横向匹配，进而降低后端加速器在横向聚焦方面的压力；采用聚束器对束流进行纵向相空间调制，使束流在漂移管直线加速器中呈现纵向聚焦的性质，有助于漂移管直线加速器中束流发射度的控制，综上，第一束流输运线能够提高射频四机场加速器与漂移管直线加速器的束流相空间匹配效率；此外，三台四极磁铁顺次设置在聚束器前部的漂移空间内，一台四极磁铁设置在聚束器后部的漂移空间内，可提高直线注入器***的紧凑性。
6、本发明利用散束器降低漂移管直线加速器引出束流的能散，能够增加同步加速器的累积效率，使同步加速器存储更多的离子，进而使治疗终端的高能离子更多，加快癌症治疗的效率。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中束诊元件的结构示意图；
图3是本发明束诊元件中金属狭缝的示意图；
图4是本发明漂移管直线加速器的上盖总成的结构示意图。
图中，1、离子源；2、螺线管磁铁；3、两入一出二极磁铁；4、第一束流输运线；41、四极磁铁；42、螺线管磁铁；43、斩束器；5、射频四极场加速器；6、第二束流输运线；61、四极磁铁；62、聚束器；7、漂移管直线加速器；71、上盖总成；72、中腔总成；73、下盖总成；711、上腔盖；712、调谐器；713、无氧铜金属平板；7121直线驱动机构；7122、真空波纹管；7123金属杆；8、散束器；9、束诊元件；91、第一金属狭缝板；92、第二金属狭缝；93、法拉第筒。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
如图1所示，本发明提供了一种直线注入器***，其包括离子源1、螺线管磁铁2、二极磁铁3、第一束流输运线4、射频四极场加速器5、第二束流输运线6、漂移管直线加速器7和散束器8。
其中，离子源1被配置为产生并引出离子；螺线管磁铁2设置在离子的引出路径上，被配置为对离子进行会聚形成束流；二极磁铁3设置在螺线管磁铁2的出口端，被配置为从自螺线管磁铁2引出的束流中分析筛选出所需电荷态的束流，并经其他束流阻挡于其内；第一束流输运线4设置在二极磁铁3的出口端，并被配置为对从二极磁铁3引出的束流进行一次相空间匹配处理；射频四极场加速器5设置在第一束流输运线4的出口端，并被配置为将从第一束流输运线4引出的束流加速至设计能量(即漂移管直线加速器7可接受的能量)；第二束流输运线6设置在射频四极场加速器5的出口端，并被配置为对自射频四极场加速器5引出的束流进行二次相空间匹配处理；漂移管直线加速器7设置在第二束流输运线6的出口端，并被配置为将从第二束流输运线6引出的束流加速至同步加速器能够接受的能量；散束器8设置在漂移管直线加速器7的出口端，并被配置为降低自漂移管直线加速器7引出的束流的能散。
上述实施例中，优选的，离子源1采用常温永磁电子回旋共振离子源，其包括屏蔽壳体、磁体、微波馈入***、气体馈入***、引出高压***以及支撑***；磁体包括一系列以预定排列组合方式设置在屏蔽壳体内的永磁铁，并在屏蔽壳体内能够形成径向六极磁场和马鞍型分布轴向磁场，气体馈入***被配置为向屏蔽壳体内馈入工作气体，工作气体为氢气、甲烷、氦气或二氧化碳中的一种或多种，微波馈入***被配置为向屏蔽壳体内馈入预定频率的微波功率，以加热注入屏蔽壳体内的气体，上述气体在屏蔽壳体中剧烈碰撞被电离成离子，离子继续在磁场中震荡失去更多的电子，引出高压***被配置为将屏蔽壳体内的离子束引出；在离子源引出的不同种类的离子的能量统一为4keV/u。
在上述实施例中，优选的，二极磁铁3具有两个入口和一个出口，在二极磁铁3的两入口端分别设置一常温永磁电子回旋共振离子源，每一常温永磁电子回旋共振离子源和二极磁铁3的入口端之间设置螺线管磁铁2；其中一台常温永磁电子回旋共振离子源作为备用离子源，待需要时将二极磁铁3的电源极性翻转即可；如果需要更换束流种类，可以在加速器装置正常运行的状态下，提前调试备用离子源，大大减小离子源准备时间。
在上述实施例中，优选的，在二极磁铁3和第一束流输运线4之间设置一真空室，真空室内设置有束诊元件9，束诊元件9被配置为对自二极磁铁3引出束流的流强和相空间参数进行测量，以得出注入射频四极场加速器5的束流的初始参数，指导第一束流输运线4上磁铁参数的调整。
在上述实施例中，优选地，如图2、图3所示，束诊元件9包括沿束流方向依次设置在真空室内的第一金属狭缝91、第二金属狭缝92和法拉第筒93，第一金属狭缝91和第二金属狭缝92均为表面具有互为正交分布但不相交的两狭缝的金属板；第一金属狭缝91和第二金属狭缝92均通过支杆与真空室外部的线性驱动机构连接，支杆的一端连接第一金属狭缝或第二金属狭缝，支杆的另一端与线性驱动机构连接，且支杆与水平面呈45°夹角。由此工作时，进行束流流强测量时，通过线性驱动机构驱动第一金属狭缝91和第二金属狭缝92运动至束流包络的区域以外，所有束流被法拉第筒93收集，完成束流流强测量，进行束流相空间测量时，移动第一金属狭缝91使某一位置处的束流首先穿过第一金属狭缝91，然后保持第一金属狭缝91位置不变，移动第二金属狭缝92，在第二金属狭缝92移动到某一位置处时，穿过第一金属狭缝91的束流正好也能穿过第二金属狭缝92，这些束流就能够被后边的法拉第筒93探测到，第一、第二金属狭缝上的横向分布的狭缝的横向位置之差除以其竖向距离，表示这部分束流的横向角度；第一、第二金属狭缝上的竖向分布的狭缝的横向位置之差除以其竖向距离，表示这部分束流的竖向角度，重复上述过程就能测出束流的横向和竖向的相空间。
在上述实施例中，优选地，金属板可为高熔点金属板(如钽)，或者，为内部加工有封闭的冷却水路的高导热率的金属板(如铜)。
在上述实施例中，优选的，第一束流输运线4包括在二极磁铁3和射频四极场加速器4之间顺次分布的四台四极磁铁41以及一台螺线管磁铁42；四台四极磁铁41被配置为对自二极磁铁3引出的束流进行相空间匹配，形成横向圆形束团，螺线管磁铁42被配置为对横向圆形束团进行径向匹配，即将发散的横向圆形束团调整成会聚的横向圆形束团，使束流的相空间分布满足射频四极场加速器5的接收要求。由于四台四极磁铁41独立调节原理上几乎可以匹配任意相空间参数的束流到圆形分布，使得该直线注入器***对于源头的束流参数具有较大的误差容忍性，再经过螺线管磁铁42对圆形束进行会聚，从而大大增加束流注入射频四机场加速器5的效率。
在上述实施例中，优选的，在四台四极磁铁41和一台螺线管磁铁42之间设置斩束器43，斩束器43包括一对连接在矩形脉冲高压电源上的水平偏转电极，斩束器43被配置为调整离子源1引出的时间上连续的束流的纵向时间结构，即将连续束流切割成时间上分段的束流，以辅助同步加速器的注入调试。
在上述实施例中，优选的，射频四极场加速器5包括圆柱形高频谐振腔、横梁、加速电极、功率耦合器、频率调谐器、高频发射机、高频信号提取器和射频低电平控制***等；圆柱形高频谐振腔属于H模四杆型结构，即圆柱形高频谐振腔内设置四根加速电极，两横梁上下对称地设置在圆柱形高频谐振腔内，位于上部的横梁与四根加速电极中上下分布的两根加速电极连接，位于下部的横梁与四根加速电极中左右分布的两根加速电极连接；
加速电极在纵向上(沿束流前进方向)依次分为径向匹配段(RMS)、绝热俘获段、聚束段和加速段，离子源引出的连续束流注入到射频四极场加速器5中后，首先经过径向匹配段(RMS)，使得连续束流在水平和垂直方向相空间分布与高频震荡产生关联并且满足加速器的注入相空间要求；绝热俘获段用于对经过径向匹配段的连续束流进行处理，使得连续束流形成具有纵向间隔的脉冲束；聚束段用于压缩绝热俘获段形成的脉冲束的长度，形成短脉冲束团，加速段用于对短脉冲束团进行加速，使得束流加速到漂移管直线加速器7可接收的能量段。
功率耦合器和频率调谐器均通过法兰连接在圆柱形谐振腔的外壳上；高频发射机通过同轴馈管与功率耦合器连接；若干高频信号提取器设置在圆柱形高频谐振腔外壳上，并通过同轴电缆与低电平控制***连接；射频低电平控制***用于控制射频四极场加速器内部的电磁场的幅度、相位及频率；功率耦合器用以接受高频发射机输出的高频功率，若干个高频信号提取器用以给射频低电平控制***发送监测信号，射频低电平控制***通过分析加速腔上的高频信号提取器上的弱信号来控制频率调谐器及高频发射机，使加速腔处于谐振状态。
圆柱形高频谐振腔上安装有抽真空***，用于对圆柱形高频谐振腔进行抽真空，实现谐振腔内部的高真空，抽真空***包括若干台真空泵，真空泵包括机械泵、分子泵、低温泵等，三种真空泵需要组合使用。机械泵用于101kPa到几十Pa的真空度范围内，分子泵用于几十Pa到10-5Pa真空度量级范围，低温泵用于10-5Pa到10-6Pa真空度量级；低温泵开启后即可关闭分子泵及机械泵，单独用低温泵维持高真空度，减小能源的消耗。
在上述实施例中，优选的，第二束流输运线6包括四台四极磁铁61和聚束器62，三台四极磁铁61顺次布置在射频四极场加速器5和聚束器62之间，并被配置为将自射频四极场加速器5引出的横向分布不对称的束流汇聚成横向对称且聚焦的束流，有助于束流在漂移管直线加速器的横向匹配，进而降低后端加速器在横向聚焦方面的压力；聚束器62用于对横向对称且聚焦的束流进行纵向相空间调制，使束流在漂移管直线加速器7中呈现纵向聚焦的性质，有助于漂移管直线加速器7中束流发射度的控制；一台四极磁铁61设置在聚束器62和漂移管直线加速器7之间，并被配置为对自聚束器62引出的束流的横向聚焦参数进行微调；由此可以提高射频四机场加速器5与漂移管直线加速器7之间束流相空间匹配效率；
在上述实施例中，优选地，三台四极磁铁61顺次设置在聚束器62前部的漂移空间内，一台四极磁铁61设置在聚束器62后部的漂移空间内，由此，提高直线注入器***的紧凑性。
在上述实施例中，优选的，如图1、图4所示，漂移管直线加速器7为交叉指型漂移管直线加速器，其包括上盖总成71、中腔总成72和下盖总成73；上盖总成71和下盖总成73安装在中腔总成72的上下部；上盖总成71包括上腔盖711、调谐器712和无氧铜金属平板713，调谐器712包括直线驱动机构7121、真空波纹管7122和金属杆7123；上腔盖711连接在中腔总成71的上部，真空波纹管7122密封连接在上腔盖711的外部；金属杆7123的一端依次穿过真空波纹管7122和上腔盖711的盖面伸入上腔盖711内，且该端固定连接无氧铜金属平板713；金属杆7123的另一端和真空波纹管7122共同连接直线驱动机构7121，直线驱动机构7121驱动真空波纹管7122作伸缩运动，以带动金属杆7123在上盖总成71内作垂直于束流方向的直线运动；调谐器712一方面用于整个漂移管直线加速器的谐振频率调节，另一方面通过不同调谐器712相对位置的调节对整个漂移管直线加速器内部的电磁场分布进行调节。中腔总成72包括中腔壳体、左横梁、右横梁和漂移管结构，左、右横梁设置在中腔壳体内的左右侧，漂移管通过支座安装在左右横梁上，左、右横梁上所安装的漂移管互相交错排列；下盖总成73包括下腔盖、三合一四极磁铁组件、功率耦合器、功率提取器和真空泵，三合一四极磁铁组件内置于下腔盖内，并用于对束流进行聚焦；功率耦合器、功率提取器和真空泵安装法兰均通过法兰连接在下腔盖的外部，功率耦合器用来接收射频功率源的功率，以使漂移管直线加速器7的谐振腔处于谐振状态；信号提取器为低电平控制***提供谐振腔的运行状态，真空泵用于对漂移管直线加速器7内进行抽真空。
基于上述的一种直线注入器***，本发明还提供了一种直线注入器***的运行方法，其包括以下步骤：
1)向离子源1内馈入一定频率的微波功率，使得离子源1内产生离子，并将离子引出至螺线管磁铁2内；
2)离子在螺线管磁铁2内进行会聚形成束流，之后进入二极磁铁3内进行束流的分析筛选；由于从离子源1中引出的束流包含多种不同种类及电荷态的粒子，包含所需离子(如C4+离子)的束流从二极磁铁3内引出，而其它离子(如C3+，C5+，O4+等)被阻挡在二极磁铁3内，完成束流的分析筛选；
3)包含所需离子的束流注入第一束流输运线4内，在第一束流输运线4内进行一次相空间匹配；经匹配处理后的束流注入射频四极场加速器5，在射频四极场加速器5内进行加速；
4)经加速后的束流进入第二束流输运线6内，在第二束流输运线6内进行二次相空间匹配后进入漂移管直线加速器7；
5)束流在漂移管直线加速器7进行加速后进入散束器8，散束器8将自漂移管直线加速器7引出的束流的能散降低，散束器8可将整个注入器***引出的束流的相对能散降低到±0.3％，相较于通常直线加速器引出的束流能散在±1％左右，能够满足同步加速器对于束流能散的期望值。
基于上述的一种直线注入器***，本发明还提供一种质子重离子治癌装置，其包括同步加速器以及上述任意实施例中的直线注入器***，同步加速器设置在直线注入器***的末端，质子或重离子在直线注入器***加速后进入同步加速器内。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种直线注入器***，其特征在于，包括
离子源(1)，被配置为产生并引出离子；
螺线管磁铁(2)，设置在离子的引出路径上，并被配置为对离子进行会聚形成束流；
二极磁铁(3)，设置在所述螺线管磁铁(2)的出口端，并被配置为从自所述螺线管磁铁(2)引出的束流中分析筛选出所需电荷态的束流，并经其他束流阻挡于其内；
第一束流输运线(4)，设置在所述二极磁铁(3)的出口端，并被配置为对从所述二极磁铁(3)引出的束流进行一次相空间匹配处理；
射频四极场加速器(5)，设置在所述第一束流输运线(4)的出口端，并被配置为将从所述第一束流输运线(4)引出的束流加速至设计能量；
第二束流输运线(6)，设置在所述射频四极场加速器(5)的出口端，并被配置为对自所述射频四极场加速器(5)引出的束流进行二次相空间匹配处理；
漂移管直线加速器(7)，设置在所述第二束流输运线(6)的出口端，并被配置为将从所述第二束流输运线(6)引出的束流加速至同步加速器能够接受的能量；
散束器(8)，设置在所述漂移管直线加速器(7)的出口端，并被配置为降低自所述漂移管直线加速器(7)引出的束流的能散。
2.如权利要求1所述的直线注入器***，其特征在于：所述离子源(1)采用常温永磁电子回旋共振离子源，包括屏蔽壳体、磁体、微波馈入***、气体馈入***、引出高压***以及支撑***；所述磁体包括一系列以预定排列组合方式设置在所述屏蔽壳体内的永磁铁，并在所述屏蔽壳体内能够形成径向六极磁场和马鞍型分布轴向磁场；所述气体馈入***被配置为向屏蔽壳体内馈入工作气体；微波馈入***被配置为向所述屏蔽壳体内馈入预定频率的微波功率，以将工作气体电离成离子；所述引出高压***被配置为将屏蔽壳体内的离子束引出。
3.如权利要求2所述的直线注入器***，其特征在于：所述二极磁铁(3)具有两个入口和一个出口，在所述二极磁铁(3)的两入口端分别设置一所述常温永磁电子回旋共振离子源，每一所述常温永磁电子回旋共振离子源和所述二极磁铁(3)的入口端之间设置所述螺线管磁铁(2)。
4.如权利要求1所述的直线注入器***，其特征在于：在所述二极磁铁(3)和第一束流输运线(4)之间设置一真空室，所述真空室内设置有束诊元件(9)，所述束诊元件(9)被配置为对自所述二极磁铁(3)引出束流的流强和相空间参数进行测量。
5.如权利要求4所述的直线注入器***，其特征在于：所述束诊元件(9)包括沿束流方向依次设置在真空室内的第一金属狭缝、第二金属狭缝和法拉第筒，所述第一金属狭缝和第二金属狭缝均为表面具有互为正交分布但不相交的两狭缝的金属板；所述第一金属狭缝和第二金属狭缝均通过支杆与真空室外部的线性驱动机构连接，所述支杆的一端连接第一金属狭缝或第二金属狭缝，所述支杆的另一端与线性驱动机构连接，且所述支杆与与水平面呈45°夹角。
6.如权利要求1所述的直线注入器***，其特征在于：所述第一束流输运线(4)包括在所述二极磁铁(3)和射频四极场加速器(5)之间顺次分布的四台四极磁铁(41)以及一台螺线管磁铁(42)；四台所述四极磁铁(41)被配置为对自所述二极磁铁(3)引出的束流进行相空间匹配，形成横向圆形束团，所述螺线管磁铁(42)被配置为将发散的横向圆形束团调整成会聚的横向圆形束团；
在所述四台四极磁铁(41)和一台所述螺线管磁铁(42)之间设置斩束器(43)，所述斩束器(43)包括一对连接在矩形脉冲高压电源上的水平偏转电极，所述斩束器(43)被配置为将连续束流切割成时间上分段的束流。
7.如权利要求1所述的直线注入器***，其特征在于：所述第二束流输运线(6)包括四台四极磁铁(61)和聚束器(62)，三台所述四极磁铁(61)顺次布置在射频四极场加速器5和聚束器62之间，并被配置为将自所述射频四极场加速器(5)引出的横向分布不对称的束流汇聚成横向对称且聚焦的束流；所述聚束器(62)用于对横向对称且聚焦的束流进行纵向相空间调制；一台所述四极磁铁(61)设置在所述聚束器(62)和所述漂移管直线加速器(7)之间，并被配置为对自所述聚束器(62)引出的束流的横向聚焦参数进行微调。
8.如权利要求1所述的直线注入器***，其特征在于：所述漂移管直线加速器(7)为交叉指型漂移管直线加速器；包括上盖总成(71)、中腔总成(72)和下盖总成(73)；所述上盖总成(71)和下盖总成(73)安装在所述中腔总成(72)的上下部；所述上盖总成(71)包括上腔盖(711)、调谐器(712)和无氧铜金属平板(713)，所述调谐器(712)包括直线驱动机构(7121)、真空波纹管(7122)和金属杆(7123)；所述上腔盖(711)连接在所述中腔总成(71)的上部，所述真空波纹管(7122)密封连接在所述上腔盖(711)的外部；所述金属杆(7123)的一端依次穿过所述真空波纹管(7122)和上腔盖(711)的盖面伸入所述上腔盖(711)内，且所述金属杆(7123)的一端固定连接所述无氧铜金属平板(713)；所述金属杆(7123)的另一端和所述真空波纹管(7122)共同连接所述直线驱动机构(7121)，所述直线驱动机构(7121)驱动所述真空波纹管(7122)作伸缩运动，以带动所述金属杆(7123)和无氧铜金属平板(713)在所述上盖总成(71)内作垂直于束流方向的直线运动；中腔总成(72)包括中腔壳体、左横梁、右横梁和漂移管结构，所述左、右横梁设置在所述中腔壳体内的左右侧，所述漂移管通过支座安装在左右横梁上，左、右横梁上所安装的漂移管互相交错排列；所述下盖总成(73)包括下腔盖、三合一四极磁铁组件、功率耦合器、功率提取器和真空泵，所述三合一四极磁铁组件内置于下腔盖内，并用于对束流进行聚焦；所述功率耦合器、功率提取器和真空泵安装法兰均通过法兰连接在下腔盖的外部，所述功率耦合器用来接收射频功率源的功率，以使漂移管直线加速器(7)的谐振腔处于谐振状态；所述信号提取器为低电平控制***提供谐振腔的运行状态，所述真空泵用于对漂移管直线加速器(7)内进行抽真空。
9.一种基于权利要求1至8任一项所述的直线注入器***的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)向离子源(1)内馈入工作气体和预定频率的微波功率，使得离子源(1)内产生离子，并将离子引出至螺线管磁铁(2)内；
2)离子在螺线管磁铁(2)内进行会聚形成束流，之后进入二极磁铁(3)内进行束流的分析筛选；包含所需电荷态的束流从二极磁铁(3)内引出，而其它离子被阻挡在二极磁铁(3)内；
3)包含所需电荷态的束流注入第一束流输运线(4)内，在第一束流输运线(4)内进行一次相空间匹配；经匹配处理后的束流注入射频四极场加速器(5)，在射频四极场加速器(5)内进行加速；
4)经加速后的束流进入第二束流输运线(6)内，在第二束流输运线(6)内进行二次相空间匹配后进入漂移管直线加速器(7)；
5)束流在漂移管直线加速器(7)进行加速后进入散束器(8)，散束器(8)将自漂移管直线加速器(7)引出的束流的能散降低。
10.一种质子重离子治癌装置，其特征在于：其包括同步加速器以及权利要求1至8任一项所述的直线注入器***，所述同步加速器设置在所述直线注入器***的末端，质子或重离子在所述直线注入器***加速后进入所述同步加速器内。
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Gebel et al. Tripling the total charge per pulse of the polarized light ion source at COSY/Jülich

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