专利名称：：高频变谐波同步加速的方法及其控制装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及质子-重离子治癌同步加速器中加速离子的方法
技术领域：
，具体涉及一种高频变谐波同步加速的方法及其控制装置。
背景技术：
：重离子在束照射中具有倒转的深度剂量分布(Bragg峰)、侧向散射小、较高的相对生物学效应(RBE)和低的氧增比(0ER)等特点，使重离子束治癌成为当今国际上先进有效的癌症放射治疗方法。目前，初步临床治疗试验研究结果显示重离子束治癌具有非常显著的疗效，且没有明显的毒副作用。同步储存环是质子-重离子治癌最基本的加速器装置。其运行模式是将预加速器(如回旋加速器)提供的重离子束注入同步储存环，在同步储存环中将离子累积到临床需要的流强，并加速至临床所需能量，然后引出到治癌终端进行肿瘤治疗。公知的同步储存环中提高离子能量的方法是采用高频腔产生高频电场加速离子。高频加速的基本原理是采用高频腔产生一个频率与储存离子回旋频率相等、或是储存离子回旋频率某次谐波相等的高频电场，离子经过高频腔时，被电场加速获得能量，随着高频腔频率的提高，离子的能量提高，离子被加速。现有技术中公开的同步加速器，在采用高频腔加速离子时，在整个加速过程中，都采用一个固定的离子回旋频率的谐波次数，由于受到高频腔工作频率范围的限制，储存环只能加速一定能量范围内的离子。因此同步加速器所能接受的注入离子的能量取决于高频腔工作频率的下限，而同步加速器所能加速的最高能量则取决于上限。这要求同步加速器的预加速器(无论采用回旋加速器或直线加速器)都必须将离子首先加速到满足高频腔的最低要求，也必将增大预加速器的建设成本。同时，由于采用的是固定的谐波次数，因此其加速离子的能量范围不能扩展到高频腔工作频率之外。
发明内容本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种高频变谐波同步加速的方法及其控制装置，其在较窄的高频腔工作频率范围的基础上，拓宽俘获和加速离子的能量范围，实现人体不同深度肿瘤的离子束照射治疗对束流能量的要求，满足实际中不同临床病例的需要。本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现所述的高频变谐波同步加速的方法，包括有如下步骤(1)、经过预加速至能量为2.925.0MeV/u的离子注入并在同步加速器中累积到流强为2.54.8微安、离子数目为.1071(^量级，触发加速系统元件，开始同步加速过程；(2)、同步触发高频加速腔及相应磁场电源系统，离子的回旋频率为0.15MHz0.423MHz，将高频腔电场的工作频率设定为储存离子回旋频率的2次谐波，俘获离子，逐渐升高高频电场工作频率开始加速离子；(3)、俘获的离子被加速至中间能量平台为50MeV/u,回旋频率为0.587MHz，此时高频频率为1.173MHz，为离子回旋频率的2次谐波；(4)、离子在加速至中间能量时，将高频电场的电压降零，并将电场工作频率变为储存离子束回旋频率的1次谐波，变谐波结束之后，重新开始离子加速过程，最终将离子加速至引出能量平台100MeV/u1000MeV/u，此时离子的回旋频率范围是0.7991.63MHz，高频电场的工作频率与离子的回旋频率相同；(5)、完成整个加速过程，在引出能量平台将离子束输送到治癌终端，5将符合临床要求的离子束照射至病灶，达到重离子治癌临床应用的目的。所述的高频变谐波同步加速的控制装置，包括有PC机(l)，其特点在于所述的PC机(1)上设有直接数字频率合成器(2)和数模转换器(3),直接数字频率合成器(2)与分配器(4)相接，分配器(4)的输出口分别与第一相位检测电路(5)、控制放大器(6)和第二相位检测电路(14)相接，控制放大器(6)通过前置放大器(10)与高频发射机(11)相接，高频腔(12)与高频发射机(11)相连；数模转换器(3)分别与调制器(9)和第二相位检测电路(14)相接，调制器(9)分别与高频发射机(11)、高频腔(12)、第二相位检测电路(14)相接，第二相位检测电路(14)通过直流放大电路(13)与高频腔(12)相接。所述的变谐波控制电路还包括有脉冲分配器(17);所述的PC机(1)上还设有模数转换器(18)和数据总线接口(19)。所述的控制放大器(6)内设有移相控制器(7)和增益控制电路(8)，第一相位检测电路(5)与移相控制器(7)相接，调制器(9)与增益控制电路(8)相接。所述的调制器(9)的输出端还与第一相位检测电路(5)相接，调制器(9)与联锁电路(15)相接，真空腔检测电路(16)与联锁电路(15)相接。所述的高频变谐波同步加速的方法及其控制装置，存在以下有益效果是1、在治癌应用中，能将SFC束流能量(7.0MeV/u)提高到400MeV/u，实现能量增益达40倍以上的宽能区加速；以相同工作频率的高频腔比较，如果不采用变谐波加速技术，而是采用固定谐波加速技术，同步加速器内离子的能量范围将大大縮小。2、拓宽了CSRm可加速离子能量的下限，优化了与注入器的匹配，降低了注入器的建造成本。鉴于注入器SFC的运行情况，其所能提供的部分离子的能量较低，如Xe29+离子，能量2.93MeV/u，在CSRm中的回旋频率为0.147MHz，远远低于CSRm高频腔的最低工作频率0.25MHz,因此无法用高的乂浐+离子的2次谐波频率为0.294MHz，处于高频腔的工作频率范围内。因此在CSRm加速2.93MeV/u的Xe29+离子过程中，首先用2次谐波俘获离子并加速到50MeV/u，此时离子的回旋频率为0.587MHz，其2次谐波的频率为1.173MHz，均处在CSRm高频腔的工作频率0.25-1.7MHz范围内。之后将高频腔的谐波次数变为1次，继续加速至离子能量为235MHz/u。表1显示了在CSRm高频腔工作频率范围内(0.25至-1.7MHz)，采用固定谐波加速和采用变谐波加速，同步加速器内离子能量范围的不同。变谐波加速技术的采用，降低了注入能量的最低限制，减小了注入器建造的成本。图1变谐波加速控制电路示意图2为本发明^Xe27+离子由2.93MeV/u加速到235MeV/u过程中，高频电场的频率变化示意图3本发明,627+离子由2.93MeV/u加速到235MeV/u过程中，高频电场的电压变化示意图4为本发明12(:4+离子由7.OMeV/u加速到178.5MeV/u过程中，高频电场的频率变化示意图5本发明12(]4+离子由7.OMeV/u加速到178.5MeV/u过程中，高频电场的电压变化示意图6为本发明1r"+离子由22.OMeV/u加速到1000MeV/u过程中，高频电场的频率变化示意图7本发明36A8+离子由22.OMeV/u加速到1000MeV/u过程中，高频电场的电压变化示意具体实施例方式以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述见图1，所述的高频变谐波同步加速的方法，包括有如下步骤(1)、经过预加速至能量为2.925.0MeV/u的离子注入并在同步加速器中累积到流强为2.54.8微安、离子数目为1071(T量级，触发加速系统元件，开始同步加速过程；(2)、同步触发高频加速腔及相应磁场电源系统，离子的回旋频率为0.15MHz0.423MHz，将高频腔电场的工作频率设定为储存离子回旋频率的2次谐波，俘获离子，逐渐升高高频电场工作频率开始加速离子；(3)、俘获的离子被加速至中间能量平台为50MeV/u，回旋频率为0.587MHz，此时高频频率为1.173MHz，为离子回旋频率的2次谐波；(4)、离子在加速至中间能量时，将高频电场的电压在高频变谐波同步加速的控制装置控制下降零，并将电场工作频率变为储存离子束回旋频率的1次谐波，变谐波结束之后，重新开始离子加速过程，最终将离子加速至引出能量平台100MeV/u1000MeV/u，此时离子的回旋频率范围是0.7991.63MHz、以及高频电场的工作频率与离子的回旋频率相同；(5)、完成整个加速过程，在引出能量平台将离子束输送到治癌终端，将符合临床要求的离子束照射至病灶，达到重离子治癌临床应用的目的。所述的高频变谐波同步加速的控制装置，包括有PC机1，其特点在于所述的PC机1上设有直接数字频率合成器2和数模转换器3，直接数字频率合成器2与分配器4相接，分配器4的输出口分别与第一相位检测电路5、控制放大器6和第二相位检测电路14相接，控制放大器6通过前置放大器10与高频发射机11相接，高频腔12与高频发射机11相连；数模转换器3分别与调制器9和第二相位检测电路14相接，调制器9分别与高频发射机ll、高频腔12、第二相位检测电路14相接，第二相位检测电路14通过直流放大电路13与高频腔12相接。所述的变谐波控制电路还包括有脉冲分配器17;所述的PC机1上还设有模数转换器18和数据总线接口19。所述的控制放大器6内设有移相控制器7和增益控制电路8，第一相位检测电路5与移相控制器7相接，调制器9与增益控制电路8相接。所述的调制器9的输出端还与第一相位检测电路5相接，调制器9与联锁电路15相接，真空腔检测电路16与联锁电路15相接。实施例1:本发明方法已经在兰州重离子加速器冷却储存环主环CSRm上应用，并进行了重离子治癌的相关研究，具体以实施一次治癌终端癌症照射治疗研究为例说明本发明方法1.ECR离子源提供+离子，经过扇聚焦回旋加速器SFC(能量常数K=69)，经过预加速至能量为2.93MeV/u的离子注入并并输送至CSRm入口，在同步加速器中累积到流强为2.5微安、离子数目为107量级，触发加速系统元件，开始同步加速过程；2.同步触发高频加速腔及相应磁场电源系统，离子的回旋频率为0.147MHz，将高频腔电场的工作频率设定为储存离子回旋频率的2次谐波，俘获离子，逐渐升高高频电场工作频率开始加速离子；3.俘获的离子被加速至中间能量平台50MeV/u，V离子在CSRm中的回旋频率为0.587MHz，此时高频频率为1.173MHz，为离子回旋频率的2次谐波；4.离子在加速至中间能量时，将高频电场的电压在高频变谐波同步加速的控制装置控制下降零，并将电场工作频率变为储存离子束回旋频率的1次谐波，变谐波结束之后，重新开始离子加速过程，最终将离子加速至引出能量平台235MeV/u，此时离子的回旋频率、以及高频电场的工作频率均为1.121MHz;5.完成整个加速过程，在引出能量平台将离子束输送到治癌终端，开展重离子束照射治疗。实施例2:本发明方法已经在兰州重离子加速器冷却储存环主环CSRm9上应用，并进行了重离子治癌的相关研究，具体以实施一次治癌终端癌症照射治疗研究为例说明本发明方法1.ECR离子源提供12(:4+离子，经过扇聚焦回旋加速器SFC(能量常数K=69)，经过预加速至能量为7.0MeV/u的离子注入并并输送至CSRm入口，在同步加速器中累积到流强为4.8微安、离子数目为108量级，触发加速系统元件，开始同步加速过程；2.同步触发高频加速腔及相应磁场电源系统，离子的回旋频率为0.227MHz，将高频腔电场的工作频率设定为储存离子回旋频率的2次(或4次)谐波，俘获离子，逐渐升高高频电场工作频率开始加速离子；3.俘获的离子被加速至中间能量平台50MeV/u，7.OMeV/u的12(:4+离子在CSRm中的回旋频率为0.587MHz，此时高频频率为1.173MHz，为离子回旋频率的2次谐波；4.离子在加速至中间能量时，将高频电场的电压在高频变谐波同步加速的控帝蝶置控制下降零，并将电场工作频率变为储存离子束回旋频率的1次谐波，变谐波结束之后，重新开始离子加速过程，最终将离子加速至引出能量平台178.5MeV/u，此时离子的回旋频率、以及高频电场的工作频率均为1.012MHz;5.完成整个加速过程，在引出能量平台将离子束输送到治癌终端，将符合临床要求的离子束照射至病灶，达到重离子治癌临床应用的目的在治癌终端，178.5MeV/u的12(:4+离子照射在癌细胞上，开展重离子束照射治疗。实施例3:本发明方法已经在兰州重离子加速器冷却储存环主环CSRm上应用，并进行了重离子治癌的相关研究，具体以实施一次治癌终端癌症照射治疗研究为例说明本发明方法-1.ECR离子源提供1118+离子，经过分离扇回旋加速器SSC(能量常数K=450),经过预加速至能量为22.OMeV/u的离子注入并并输送至CSRm入口，在同步加速器中累积到流强为3.0微安、离子数目为108量级，触发加速系统元件，开始同步加速过程；102.同步触发高频加速腔及相应磁场电源系统，离子的回旋频率为0.398MHz，将高频腔电场的工作频率设定为储存离子回旋频率的2次谐波，俘获离子，逐渐升高高频电场工作频率开始加速离子；3.俘获的离子被加速至中间能量平台50MeV/u，3118+离子在CSRm中的回旋频率为0.587MHz，此时高频频率为1.173MHz，为离子回旋频率的2次谐波；4.离子在加速至中间能量时，将高频电场的电压在高频变谐波同步加速的控制装置控制下降零，并将电场工作频率变为储存离子束回旋频率的1次谐波，变谐波结束之后，重新开始离子加速过程，最终将离子加速至引出能量平台1000MeV/u，此时离子的回旋频率、以及高频电场的工作频率均为1.36MHz;5.完成整个加速过程，在引出能量平台将离子束输送到治癌终端，开展重离子束照射治疗。其中，图2是上述实施例1中121627+离子由2.93MeV/u加速到235MeV/u过程中，高频电场的频率变化示意图；图3是上述实施例1中+离子由7.0MeV/u加速到178.5MeV/u过程中，高频电场的电压变化示意图；图4是上述实施例2中12(:4+离子由70.MeV/u加速到178.5MeV/u过程中，高频电场的频率变化示意图；图5上述实施例2中12(:4+离子由7.0MeV/u加速到178.5MeV/u过程中，高频电场的电压变化示意图；图6上述实施例3中36Ar18+离子由22.OMeV/u加速到1000MeV/u过程中，高频电场的频率变化示意图；图7上述实施例3中18+离子由22.OMeV/u加速到1000MeV/u过程中，高频电场的电压变化示意图。所述的高频变谐波同步加速的方法及其控制装置，其方法的实现在其控制装置的控制之下运行，其运行模式是，同步加速器中的高频腔首先采用频率等于储存离子回旋频率的高次谐波(2次或4次)的高频电场加速离子，当加速至一定的中间能量时，将高频腔的高频电场频率改变为储存离子回旋频率的低次谐波(1次或2次)，继续加速离子直至临床所需要的能量。在高频腔工作频率范围内，采用高频变谐波加速技术，避免了铁氧体加载高频系统宽频带加速时低端扩展的困难。其CSRm高频系统同轴谐振腔采用铁氧体材料制成。CSRm加速腔工作频率范围为0.25至-1.7MHz，最高脉冲电压8.0kV，脉冲调制工作方式与连续波工作方式并存，平均功率为70KW。如下表l，是CSRm采用不同加速方式得到的离子能量范围。表1.CSRm采用不同加速方式得到的离子能量范围<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>权利要求1.一种高频变谐波同步加速的方法，其特征在于包括有如下步骤(1)、经过预加速至能量为2.9～25.0MeV/u的离子注入并在同步加速器中累积到流强为2.5～4.8微安、离子数目为107～1010量级，触发加速系统元件，开始同步加速过程；(2)、同步触发高频加速腔及相应磁场电源系统，离子的回旋频率为0.15MHz～0.423MHz，将高频腔电场的工作频率设定为储存离子回旋频率的2次谐波，俘获离子，逐渐升高高频电场工作频率开始加速离子；(3)、俘获的离子被加速至中间能量平台为50MeV/u，回旋频率为0.587MHz，此时高频频率为1.173MHz，为离子回旋频率的2次谐波；(4)、离子在加速至中间能量时，将高频电场的电压降零，并将电场工作频率变为储存离子束回旋频率的1次谐波，变谐波结束之后，重新开始离子加速过程，最终将离子加速至引出能量平台100MeV/u～1000MeV/u，此时离子的回旋频率范围是0.799～1.63MHz、以及高频电场的工作频率与离子的回旋频率相同；(5)、完成整个加速过程，在引出能量平台将离子束输送到治癌终端，将符合临床要求的离子束照射至病灶，达到重离子治癌临床应用的目的。2.—种高频变谐波同步加速的控制装置，包括有PC机(1)，其特征在于所述的PC机(1)上设有直接数字频率合成器(2)和数模转换器(3)，直接数字频率合成器(2)与分配器(4)相接，分配器(4)的输出口分别与第一相位检测电路(5)、控制放大器(6)和第二相位检测电路(14)相接，控制放大器(6)通过前置放大器(10)与高频发射机(11)相接，高频腔(12)与高频发射机(11)相连；数模转换器(3)分别与调制器(9)和第二相位检测电路(14)相接，调制器(9)分别与高频发射机(11)、高频腔(12)、第二相位检测电路(14)相接，第二相位检测电路(14)通过直流放大电路(13)与高频腔(12)相接。3.根据权利要求2所述的高频变谐波同步加速的控帝蝶置，其特征在于所述的变谐波控制电路还包括有脉冲分配器(17);所述的PC机(1)上还设有模数转换器(18)和数据总线接口(19)。4.根据权利要求2所述的高频变谐波同步加速的控制装置，其特征在于所述的控制放大器(6)内设有移相控制器(7)和增益控制电路(8)，第一相位检测电路(5)与移相控制器(7)相接，调制器(9)与增益控制电路(8)相接。5.根据权利要求1或4所述的高频变谐波同步加速的控制装置，其特征在于所述的调制器(9)的输出端还与第一相位检测电路(5)相接，调制器(9)与联锁电路(15)相接，真空腔检测电路(16)与联锁电路(15)相接。全文摘要本发明涉及质子-重离子治癌同步加速器中加速离子的方法
技术领域：
，具体涉及一种高频变谐波同步加速的方法及其控制装置。其采用与高频变谐波同步加速相对应的控制装置，并利用同步加速器中的高频腔首先采用频率等于储存离子回旋频率的高次谐波(2次或4次)的高频电场加速离子，当加速至一定的中间能量时，将高频腔的高频电场频率改变为储存离子回旋频率的低次谐波(1次或2次)，继续加速离子直至临床所需要的能量。在高频腔工作频率范围内，采用高频变谐波加速技术，避免了铁氧体加载高频系统宽频带加速时低端扩展的困难。其在较窄的高频腔工作频率范围的基础上，拓宽俘获和加速离子的能量范围，实现人体不同深度肿瘤的离子束照射治疗对束流能量的要求。文档编号H05H13/04GK101652017SQ20091000075公开日2010年2月17日申请日期2009年1月12日优先权日2009年1月12日发明者勇刘,原有进,夏佳文申请人:中国科学院近代物理研究所