同步加速器多能量引出束损控制方法及装置

本技术涉及加速器，特别涉及一种同步加速器多能量引出束损控制方法及装置。

背景技术：

1、同步加速器是一种使带电粒子在高真空中受磁场力控制沿固定环形轨道运动，受电场力作用不断加速(升能)达到高能量的装置。为了维持升能过程的粒子轨道稳定，同步加速器需要保持磁场幅度和设置高频加速电场频率随粒子能量同步变化，最终引出粒子束流为基础科学研究、临床医学以及工业生产领域提供各种粒子束和辐射线。在同步加速器的很多应用场合需要不同能量的粒子束流，例如在临床医疗中同步加速器通过多次改变粒子束流的能量来控制bragg峰在人体内的位置从而精准覆盖病灶部位又不损伤周围正常组织。

2、传统的，从同步加速器中引出束流的方式可以称为单能量引出。在单能量引出方式下，同步加速器在一个循环周期之内只能引出单能量的束流，要切换引出能量只能在周期与周期之间进行。束流被加速到某个能量后保持磁铁、高频腔的频率不变以保证粒子的能量不变，在该能量平台下将束流引出，如果需要改变引出能量，在下一个周期内将束流加速到新的能量并在新的能量平台下引出，以此类推。

3、由于在同步加速器的每个周期内通过单一的能量平台引出单能束流，因此要在新的能量下引出束流，就要在新的周期内进行，因此每个周期的引出结束后需要将磁铁的磁场下降重置为初始值，再重新注入束流将其加速到新的能量平台，这导致每次切换能量都需要磁场重置以及重新加速的过程，能量切换时间长。而且，在同步加速器的每个周期内某个能量需要的粒子数达到要求后，同步加速器内剩余的束流只能因为切换能量而损失，并无法被利用，因此这导致了对束流的利用率低。

4、相关技术提出了多能量引出的概念，在多能量引出方式下，在同步加速器运行的一个周期内提供用于引出的多个能量平台。能量平台数由需求决定，可以实现单周期多个能量的束流引出，大大节省改变引出束流能量所需的时间和提高对束流的利用率。其中himac采用的是先加速到高能量再降能量引出的方式，hit采用的是在加速过程中进行多能量引出的方式。

5、目前已有的降能多能量引出方案中，每个能量引出时横向稳定三角形面积保持不变，在下一个能量引出时增大稳定三角形的面积，即随着能量越来越低，引出时稳定三角形的面积越来越大。这是因为粒子在能量降低时会引起横向发射度增长，如果粒子横向发射度大于下一个能量的横向稳定三角形的面积，就会导致粒子在稳定三角形形成的过程中被引出，这种引出束流的流强比正常引出流强要大，形成引出过冲。引出过冲的相空间形状和正常引出束流不一样，并且束流强度不可控制，需要尽量避免。为了尽量减小引出过冲，在下一个能量引出时需要增大横向稳定三角形的面积。

6、然而，相关技术存在以下缺点：如果每次降能稳定三角形的面积变化过大，随着引出能量越来越多，稳定三角形面积越来越大，引出效率会下降；如果为了保证引出效率，每次降能稳定三角形面积的变化有限，无法有效抑制引出过冲，有待改进。

技术实现思路

1、本技术是基于发明人对以下问题的认知和发现作出的：

2、相关技术提出了多能量引出的概念，在多能量引出方式下，在同步加速器运行的一个周期内提供用于引出的多个能量平台，能量平台数由需求决定，可以实现单周期多个能量的束流引出，大大节省改变引出束流能量所需的时间和提高对束流的利用率。目前在国际上已经有关于多能量引出的实验以及报道，包括先加速到高能量再降能量引出的方式和在加速过程中进行多能量引出的方式。

3、相关技术中，还可以在引出期间通过磁铁强度的变化或者能量的变化使得引出结束后束流发射度比引出前发射度小来抵消下一次降能所带来的发射度增长，从而避免引出过冲，在有效抑制引出束流过冲的同时，保证引出期间束流应用端束流位置稳定和引出效率不变。但考虑实际医用场景时，以himac多能量引出为例，后端治疗室会配备呼吸门控系统和剂量监测系统。呼吸门控系统要求引出系统随患者的呼吸自动开关，剂量监测系统在监测到引出剂量达到治疗要求后迅速停止引出，因此在上述系统的介入下，磁铁电源的控制逻辑变得更复杂，且可能会出现磁铁强度还未变化结束，剂量监测系统就发出停止引出的指令，使得下一次降能引出时会出现引出过冲。

4、因此，需要保证高引出效率的同时也可有效抑制引出束流过冲且引出期间无需磁铁强度变化。本技术提供一种同步加速器多能量引出束损控制方法及装置，以解决相关技术中，难以在保证高引出效率的同时，有效抑制引出束流过冲的技术问题。

5、本技术第一方面实施例提供一种同步加速器多能量引出束损控制方法，包括以下步骤：基于同步加速器所能提供的束流能量范围确定多个能量区间，其中，每个所述能量区间对应的相稳定三角形面积变化可独立设计；根据预设周期内需要的能量范围判断在所述多个能量区间中所在的能量区间；基于所述所在的能量区间，确定所述预设周期内需要的平台数；在当前能量平台下，引出触发信号触发束流以引出系统工作引出束流，其中，当能量的引出粒子数达到预设阈值后，停止引出，并切换到同一周期内的下一个能量平台并进行引出，以在一个循环周期内引出多个能量的束流。

6、可选地，在本技术的一个实施例中，所述多个能量区间的范围大于所述预设周期内需要的能量范围；所述多个能量区间存在重合，且重合宽度大于所述预设周期内需要的能量范围。

7、可选地，在本技术的一个实施例中，根据所述预设周期内需要的平台数以及各个平台的时间生成对应的磁场、高频腔腔压、频率、相位的变化曲线；在运行所述变化曲线的情况下，将束流加速到对应的目标能量平台后，依次减速到预设的较低能量平台，以在一个循环周期内实现多能量平台。

8、可选地，在本技术的一个实施例中，在引出前，将所述高频腔压降低到第一预设值以降低引出束流的动量分散，并在降能前，将所述高频腔压升高到第二预设值，以降低降能过程中的束流损失。

9、可选地，在本技术的一个实施例中，在所述当前能量平台下，在引出的时间段内施加射频激励，以激励所述束流的发射度增长。

10、本技术第二方面实施例提供一种同步加速器多能量引出束损控制装置，包括：第一确定模块，用于基于同步加速器所能提供的束流能量范围确定多个能量区间，其中，每个所述能量区间对应的相稳定三角形面积变化可独立设计；判断模块，用于根据预设周期内需要的能量范围判断在所述多个能量区间中所在的能量区间；第二确定模块，用于基于所述所在的能量区间，确定所述预设周期内需要的平台数；引出模块，用于在当前能量平台下，引出触发信号触发束流以引出系统工作引出束流，其中，当能量的引出粒子数达到预设阈值后，停止引出，并切换到同一周期内的下一个能量平台并进行引出，以在一个循环周期内引出多个能量的束流。

11、可选地，在本技术一个实施例中，所述多个能量区间的范围大于所述预设周期内需要的能量范围；所述多个能量区间存在重合，且重合宽度大于所述预设周期内需要的能量范围。

12、可选地，在本技术的一个实施例中，还包括：生成模块，用于根据所述预设周期内需要的平台数以及各个平台的时间生成对应的磁场、高频腔腔压、频率、相位的变化曲线；加速模块，用于在运行所述变化曲线的情况下，将束流加速到对应的目标能量平台后，依次减速到预设的较低能量平台，以在一个循环周期内实现多能量平台。

13、可选地，在本技术的一个实施例中，还包括：降能模块，用于在引出前，将所述高频腔压降低到第一预设值以降低引出束流的动量分散，并在降能前，将所述高频腔压升高到第二预设值，以降低降能过程中的束流损失。

14、可选地，在本技术的一个实施例中，还包括：激励模块，用于在所述当前能量平台下，在引出的时间段内施加射频激励，以激励所述束流的发射度增长。

15、本技术第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的同步加速器多能量引出束损控制方法。

16、本技术第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上述实施例所述的同步加速器多能量引出束损控制方法。

17、本技术实施例可以确定多个能量区间，并判断在多个能量区间中所在的能量区间，以在当前能量平台下，引出触发信号触发束流以引出系统工作引出束流，通过将同步加速器提供的束流能量范围划分为多个能量区间，独立设计每个能量区间内的稳定三角形面积变化，在保证高引出效率的同时也可有效抑制引出束流过冲，且引出期间无需磁铁强度变化，控制简单。由此，解决了相关技术中，难以在保证高引出效率的同时，有效抑制引出束流过冲的技术问题。

18、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。