专利名称：重离子治癌同步加速器束流累积的方法及其装置的制作方法
重离子治癌同步加速器束流累积的方法及其装置技术领域-本发明主要涉及一种提高重离子束治癌同步加速器中离子数目的束流 累积方法和装置。
背景技术：
由于质子和重离子束照射中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，使质 子、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， 只有少数发达国家及我国开展相应研究，初步临床治疗试验研究结果显示 质子、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。在实施重离子束照射治疗中，提供离子束的同步加速器是最基本的装 置。根据临床治疗肿瘤时的生物有效剂量要求，需要同步加速器能够调节 离子束流的强度，而注入器单次提供的束流强度会低于某些临床治疗的要 求，因此在实际应用的质子-重离子癌症治疗装置中，往往采用一些束流累 积方法，将注入器多次提供的束流在同步加速器中累积后引出，使束流强 度满足临床治疗要求。公知的质子-重离子治癌装置中，电子冷却技术是一种常用的束流累积 方法(Physics R印ort 196)。已知的电子冷却装置都是采用实心电子束冷 却离子束，实心电子束是指电子束的横向剖面分布符合高斯函数，位于电 子束边缘的电子密度小，中心密度大。这种分布对冷却累积过程的缺陷在于第一，由于冷却率与电子束密度近似成正比，因此边缘密度小，对发 射度大的离子冷却很慢，中心密度大，对已经冷却的发射度小的离子冷却 作用依旧较大，造成离子束得不稳定。第二，由于离子束被冷却后位于电 子束的中心，因此中心密度大造成电子-离子俘获概率变大，束流损失增大。
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重离子治癌同 步加速器束流累积的方法及其装置，克服回旋加速器单次提供的离子束流 强小、不能满足临床治疗要求的缺陷，提高储存离子的数目，使其应用到 临床治疗当中。本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现 一种重离子治癌同 步加速器束流累积的方法，包括有如下步骤1) 将注入器提供的离子束注入到同步加速器中；'2) 将电子冷却装置(l)内，电子枪产生边缘密度较大，中心密度较小的 空心电子束，利用阴极电势将电子束加速到与重离子束具有相同的 平均速度；3) 将电子束偏转到同步加速器环上的一个冷却段；4) 离子通过冷却段，与电子发生相互碰撞作用，冷却重离子束；5) 将作用后的电子偏转出去，进入电子冷却装置的收集器收集，重离 子在同步加速器中继续循环运动；6) 离子束重复通过冷却段，被不断更新的电子束持续冷却。 进一步，在步骤6)之后还包括有以下步骤，7) 由于离子束被冷却，尺寸縮小，能够腾出空间接受新的离子注入， 重新实施离子注入同步加速器过程。进一步，所述的步骤5)中所述的重离子做周期性运动，是将离子在 所述的步骤4)中重复与电子发生作用，重复冷却重离子束。进一步，所述的一种重离子治癌同步加速器束流累积的装置，在同步 加速器的直线段的上游中依次设有四级磁铁(4a， 4b， 4c)、补偿螺旋管 (2a),在补偿螺旋管的上游及下游设有校正磁铁(3a,3b);在同步加速器 的直线段的下游与上游设置相同且对应设置；在同步加速器的直线段中段 设置有束流冷却装置(l)。进一步，所述的束流冷却装置为U形，在U形口一端设有电子枪，所 述的束流冷却装置为U形，在U形口一端设有电子枪(5),电子枪的出口 处设有电子束通道，电子束通道与在U形直线段设有的冷却段(7)连接， 在冷却装置的出口处设有静电偏转板(IO)，静电偏转板与设置在U形口的另一端设有的收集器(ll)连接。进一步，所述的冷冻部分是由冷却段(7)与螺线管(8)组成，冷却段的 进口和出口处设有弯曲螺线管(12)。进一步，在所述的静电偏转板(10)处还设有与静电偏转板平行设置 的弯曲螺线管(12)，在弯曲螺线管的入口端设有校正线圈(13)。进一步，所述的重离子治癌同步加速器束流累积的装置，所述的电子 枪包括有阴极(14)、阳极(16)、加速管(17),在阳极(16)与阴极(14) 之间设有控制极(15)。空心电子束通过特殊的电子枪产生，包括氧化物阴极，用于加热氧化 物阴极的灯丝，用于将阴极产生的电子引出的阳极，用于调整阴极电子束 分布、获得不同形状的空心电子束控制极。这种电子枪产生空心电子束的 原理是通过在控制极与阴极之间施加不同的电势，抑制位于阴极中心区域 的电子发射能力，达到产生中心密度小，边缘密度大的空心电子束的目的。本发明的有益效果是1. 提供的离子数目显著提高。由于电子冷却的作用，可以实现离子的重复 注入，使得同歩加速器中储存的离子数目显著提高。在实施例中进行的 实验表明，其累积增益可达到40倍。2. 离子束发射度和动量分散縮小，束流品质提高。冷却作用使得重离子束 流的尺寸縮小，能够实现高精度肿瘤扫描治疗。3. 由于空心电子束的应用，减小了冷却后离子与电子的碰撞几率，相对公 知的采用实心电子束冷却方法，其束流不稳定性降低，束流损失减小， 束流寿命增长。
图1为本发明同步加速器一个直线段上的束流冷却装置框图；图2 CSRm电子冷却装置示意图；图3 CSRm电子冷却装置电子枪示意图。
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 实施例l: 一种重离子治癌同步加速器束流累积的方法，包括有如下步骤:1) 将注入器提供的离子束注入到同步加速器中；2) 将电子冷却装置内，电子枪产生边缘密度较大，中心密度较小的空 心电子束，利用阴极电势将电子束加速到与重离子束具有相同的平 均速度；3) 将电子束偏转到同步加速器环上的一个直线段(冷却段)；4) 离子通过冷却段，与电子发生相互碰撞作用，冷却重离子束；5) 将作用后的电子偏转出去，进入电子冷却装置的收集器收集，重离 子在同步加速器中继续循环运动；6) 离子束重复通过冷却段，被不断更新的电子束持续冷却。7) 由于离子束被冷却，尺寸縮小，能够腾出空间接受新的离子注入， 重新实施离子注入同步加速器过程。以下在实际运行中， 一次完整的步骤，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) 加速至能量为7. 0MeV/u，并输送至CSRm入口，流强为4.8微安；2) 触发CSRm的注入元件，实现离子束的一次注入；3) 离子在CSRm中被实施空心电子束冷却；电子冷却装置的冷却段位于 同步加速器的一个直线段部分，离子在同步加速器中运动，周期性重 复通过冷却段。随着离子重复多次通过冷却段，最终离子束在相空间 的体积縮小到平衡状态，此时同步加速器有新的空间用于接收再次注 入的离子，并保证已经储存的离子不会丢失；空心电子束在电子枪中 被产生，并被高压电场加速到与同步加速器重离子具有相同的平均速 度，在引导磁场和静电偏转板的作用下，进入冷却段；在冷却段内， 离子与电子发生相互作用，由于电子束的温度远小于离子束的温度， 离子束被冷却，其发射度、动量分散显著减小；作用后的电子偏转出 冷却段，离子继续在同步加速其中周期性运动，至下一次进入冷却段， 重新开始步骤3描述过程；4) 重新触发CSRm的注入元件，实现离子束的新注入，由于此时同步加 速器CSRm中已有离子束的空间体积在电子冷却作用下显著縮小，因 此重新注入过程不会造成其损失；5) 重复若干次步骤2、 3、 4描述之过程，使得同步加速器中储存的离子数目较单次注入显著提高，直至满足临床治疗需求，同步加速器中储存的离子数目约为108量级。
6) 同步开始高频加速腔及相应磁场电源系统，将储存的12(:4+离子加速至
200MeV/u;
7) 开始慢引出，将同步加速器内200MeV/u的"C"离子在3秒时间内被均匀的引出CSRm，输送到治癌终端；
8) 在治癌终端，经过一系列束流调制元件对束流进行调制，最终将200MeV/u的"(T离子照射到肿瘤细胞上，开展重离子束照射治疗。
实施例2:见图l，图2，图3， 一种重离子治癌同步加速器束流累积的装置，所述的一种重离子治癌同步加速器束流累积的装置，在同步加速器的直线段的上游中依次设有四级磁铁4a， 4b， 4c, 4d， 4e， 4f、补偿螺旋管2a， 2b，在补偿螺旋管2a， 2b的上游及下游设有校正磁铁3a， 3b,3c， 3d;在同步加速器的直线段的下游与上游设置相同且对应设置；在同步加速器的直线段中段设置有束流冷却装置。所述的束流冷却装置为U形，在U形口一端设有电子枪5，电子枪5的出口处设有电子束通道6，电子束通道6与在U形直线段设有的冷却装置1连接，在冷却装置1的出口处设有静电偏转板10，静电偏转板10与设置在U形口的另一端设有的收集器11连接。所述的冷冻装置1是由冷却段7与螺线管8组成，冷却段7的出口处设有螺线管8。在所述的静电偏转板10处还设有与静电偏转板IO平行设置的弯曲螺线管12，在弯曲螺线管12的入口端设有校正线圈13。所述的电子枪包括有阴极14、阳极16、加速管17，在阳极16与阴极14之间设有控制极15。
权利要求
1.一种重离子治癌同步加速器中束流累积的方法，包括有如下步骤1)将注入器提供的离子束注入到同步加速器中；2)将电子冷却装置(1)内，电子枪产生的电子束加速到与重离子束具有相同的平均速度；3)将电子束偏转到同步加速器环上的一个冷却段；4)离子通过冷却段，与电子发生相互碰撞作用，冷却重离子束；5)将作用后的电子偏转出去，进入电子冷却装置的收集器收集，重离子在同步加速器中继续循环运动；6)离子束重复通过冷却段，被不断更新的电子束持续冷却。
2. 如权利要求1所述的一种重离子治癌同步加速器束流累积的方法，其特 征在于，在步骤6)之后还包括有以下步骤，7) 由于离子束被冷却，径向尺寸縮小，能够腾出空间接受新的离子注 入，重新实施离子注入同步加速器过程。
3. 如权利要求1所述的一种重离子治癌同步加速器束流累积的方法，其特 征在于，所述的步骤5)中所述的重离子做周期性运动，是将离子在所 述的步骤4)中重复与电子发生作用，重复冷却重离子束。
4. 如权利要求1所述的一种重离子治癌同步加速器束流累积的装置，其特 征在于，在同步加速器的直线段的上游中依次设有四级磁铁 (4a，4b，4c)、补偿螺旋管(2a)，在补偿螺旋管的上游及下游设有校正磁 铁(3a， 3b);在同步加速器的直线段的下游与上游设置相同且对应设置; 在同步加速器的直线段中段设置有束流冷却装置(l)。
5. 如权利要求4所述的重离子治癌同步加速器束流累积的装置，其特征在于，所述的束流冷却装置为U形，在U形口一端设有电子枪(5)，电子 枪的出口处设有电子束通道，电子束通道与在U形直线段设有的冷却段 (7)连接，在冷却装置的出口处设有静电偏转板(IO)，静电偏转板与设 置在U形口的另一端设有的收集器(11)连接。
6. 如权利要求5所述的重离子治癌同步加速器束流累积的装置，其特征在 于，所述的冷冻部分是由冷却段(7)与螺线管(8)组成，冷却段的进口和 出口处设有弯曲螺线管(12)。
7. 如权利要求5所述的重离子治癌同步加速器束流累积的装置，其特征在 于，在所述的静电偏转板(10)处还设有与静电偏转板平行设置的弯曲 螺线管(12)，在弯曲螺线管的入口端设有校正线圈(13)。
8. 如权利要求5所述的重离子治癌同步加速器束流累积的装置，其特征在 于，所述的电子枪包括有阴极(14)、阳极(16)、加速管(17)，在阳 极(16)与阴极(14)之间设有控制极(15)。
全文摘要
本发明主要涉及一种提高重离子束治癌同步加速器中离子数目的束流累积方法和装置。一种重离子治癌同步加速器中束流累积的方法，有如下步骤1.将注入器提供的离子束注入到同步加速器中；2.在电子冷却装置内，产生与被冷却离子束流具有相同平均速度的电子束；3.将电子束偏转到同步加速器环上的一个冷却段；4.离子通过冷却段，与电子发生相互碰撞作用，冷却重离子束；5.将作用后的电子偏转出去。本发明还提供一种装置，在同步加速器的直线段的上游中依次设有四级磁铁、补偿螺旋管，在补偿螺旋管的上游及下游设有校正磁铁；在同步加速器的直线段的下游与上游设置相同且对应设置；在同步加速器的直线段中段设置有束流冷却装置。本发明的优点是提供的离子数目显著提高。离子束发射度和动量分散缩小，束流品质提高，束流寿命增长。
文档编号H05H13/04GK101631421SQ20091000076
公开日2010年1月20日 申请日期2009年1月12日 优先权日2009年1月12日
发明者冒立军, 原有进, 夏佳文, 杨晓东 申请人:中国科学院近代物理研究所