一种盘片式射频四极加速器

技术领域

本发明涉及一种医疗粒子加速器技术领域，特别是关于一种盘片式射频四极加速器。

背景技术

离子治疗技术是国际上最为尖端的放疗技术，可实现对肿瘤细胞的精准杀灭，对人体正常细胞基本没有副作用。但是，当前离子治疗装置的设备规模庞大、制造成本太高、性能较低、能耗过高、运行维护复杂、维护维修成本高，使得其全面市场化推广比较困难。

射频四极加速器(Radio Frequency Quadrupole，RFQ)是离子治疗装置直线注入器的关键部件之一。RFQ腔体通常被分为两大类：四翼型和四杆型。四翼型RFQ结构是一种应用广泛的谐振腔型结构，四翼型RFQ的腔体尺寸较大，通常工作在较高频率(200MHz以上)，用于加速轻离子，具有高分路阻抗、低功率损耗、场平整度好等优点，但其腔体加工难度大、焊接风险大，制造维护成本高。而四杆型RFQ尺寸较小，一般工作在较低频率(200MHz以下)，用于加速重离子。其结构紧凑，制造维护成本低，电极可拆卸更换，方便后续维护工作，但腔体分路阻抗较低，功率损耗高，场平整度相对较差。

由此可见，传统的RFQ腔体难以实现低制造成本、低功率损耗和运行维护的方便性的兼顾，不利于离子治疗装置的全面推广。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种盘片式射频四极加速器，其具有低制造成本、低功率损耗、高场平整度和方便运行维护等优点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种盘片式射频四极加速器，其包括：腔体，其两端分别开设有束流注入孔和束流引出孔；盘片式支撑组件，包括沿束流射入方向分布的多个水平电极支撑盘片和多个垂直电极支撑盘片；水平电极支撑盘片和垂直电极支撑盘片交替间隔设置在腔体的加速腔壁上；电极组件，位于腔体内，包括水平对称布置的左电极和右电极，以及垂直方向对称布置的上电极和下电极；各电极沿束流射入方向呈四极对称布置，并通过水平电极支撑盘片支撑电极组件一端的左电极和右电极，通过垂直电极支撑盘片支撑电极组件另一端的上电极和下电极；每个水平电极支撑盘片与相邻的垂直电极支撑盘片，以及位于该水平电极支撑盘片与垂直电极支撑盘片之间的电极组件和加速腔壁构成一个谐振单元。

进一步，谐振单元中，腔体内的表面电流经过左电极和右电极、水平电极支撑盘片、加速腔壁、垂直电极支撑盘片以及上电极和下电极，形成谐振回路。

进一步，水平电极支撑盘片上开设有供电极组件穿过和固定的第一环孔，第一环孔的左右两侧内壁分别与左电极和右电极固定连接；第一环孔的上下内壁呈弧形结构，以供上电极和下电极穿过。

进一步，水平电极支撑盘片通过可拆卸连接的方式与加速腔壁的四个面连接；

第一环孔为垂直方向上伸长的孔结构，第一环孔的左右两侧内壁分别通过可拆卸连接的方式与左电极和右电极连接。

进一步，垂直电极支撑盘片上开设有供电极组件穿过和固定的第二环孔，第二环孔的上下内壁分别与上电极和下电极连接；第二环孔的左右两侧内壁呈弧形结构，以供左电极和右电极穿过。

进一步，垂直电极支撑盘片通过可拆卸连接的方式与加速腔壁的四个面连接；

第二环孔为水平方向上伸长的孔结构，第二环孔的上下侧内壁分别通过可拆卸连接的方式与上电极和下电极连接。

进一步，水平电极支撑盘片和垂直电极支撑盘片都采用开窗型或无窗型支撑盘片。

进一步，在水平电极支撑盘片上开设若干个第一窗孔，在垂直电极支撑盘片上开设若干个第二窗孔。

进一步，电极组件中的每根电极都包括微翼和梯形梁；微翼与梯形梁一体成型。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明的每个谐振单元构成一个独立的谐振回路，谐振单元之间几乎没有磁场耦合作用，表面电流可以均匀地流经电极支撑盘片和加速腔壁内表面，使得本发明装置的腔体品质因子Q值、分路阻抗远大于传统四杆型射频四极加速器，与四翼型射频四极加速器相当。

2、由于采用了梯形底座，本发明克服了传统四杆型射频四极加速器电极组件机械强度差，在运输、安装、运行过程中容易变形等问题；同时由于电极支撑盘片组件沿着束流射入方向交替均匀的排列，与加速腔壁内四面均采用可拆卸的方式连接，使得本发明的整体机械结构非常稳定。

3、由于腔体结构在水平和垂直方向均具有对称性，本发明具有优于传统四杆型射频四极加速器的电场平整度。

4、本发明的电极组件、电极支撑盘片组件和加速腔壁均可采用螺钉装配连接，降低了装置制造过程中的风险，同时本发明具备可拆卸性的特点，提高了运行维护的方便性，降低运行维护成本。

综上，由于兼顾了低制造成本、低功率损耗、高场平整度和方便运行维护的优点，本发明特别适合应用于离子治疗装置以及工业辐照装置，从而提高加速器的市场竞争力，有利于离子治疗装置的全面推广。

附图说明

图1是本发明实施例中盘片式射频四极加速器的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中盘片式射频四极加速器的内部局部结构示意图；

附图标记：

1、加速腔壁；11、束流注入孔；12、束流引出孔；2、电极组件；21、左电极；22、右电极；23、上电极；24、下电极；241、微翼；242、梯形梁；3、电极支撑盘片组件；31、水平电极支撑盘片；32、垂直电极支撑盘片；311、第一环孔；312、第一窗口；321、第二环孔；322、第二窗口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

无论是传统的四翼型还是四杆型射频四极加速器均无法兼顾高场平整度、低功率损耗、低制造成本和方便的运行维护。因此本发明提供一种盘片式射频四极加速器，通过在加速腔壁内布置在束流路径四极方向上呈对称布置的电极组件，并设置沿束流路径方向交替布置的水平电极支撑盘片和垂直电极支撑盘片来支撑电极组件，从而形成经水平电极、水平电极支撑盘片、加速腔壁、垂直电极支撑盘片和垂直电极的谐振回路，在使本发明装置具有品质因子高、分路阻抗大、功率损耗小、场平整度好的同时，降低其成本，并提高装置运行维护的方便性。

在本发明的一个实施例中，提供一种盘片式射频四极加速器。本实施例中，如图1、图2所示，该加速器包括：

腔体，其两端分别开设有束流注入孔11和束流引出孔12；

盘片式支撑组件3，包括沿束流射入方向分布的多个水平电极支撑盘片31和多个垂直电极支撑盘片32；水平电极支撑盘片31和垂直电极支撑盘片32交替间隔设置在腔体的加速腔壁1上；

电极组件2，位于腔体内，包括水平对称布置的左电极21和右电极22，以及垂直方向对称布置的上电极23和下电极24；各电极沿束流射入方向呈四极对称布置，并通过水平电极支撑盘片31支撑电极组件2一端的左电极21和右电极22，通过垂直电极支撑盘片32支撑电极组件2另一端的上电极23和下电极24；

每个水平电极支撑盘片31与相邻的垂直电极支撑盘片32，以及位于该水平电极支撑盘片31与垂直电极支撑盘片32之间的电极组件2和加速腔壁1构成一个谐振单元；

谐振单元中，腔体内的表面电流经过由左电极21和右电极22构成的水平电极、水平电极支撑盘片31、加速腔壁1、垂直电极支撑盘片32以及由上电极23和下电极24构成的垂直电极，形成谐振回路。

使用时，谐振回路中电流均匀的分布在盘片式支撑组件3和加速腔壁1表面，使得本发明具有品质因子高、分路阻抗大、功率损耗小的特点，谐振回路在水平和垂直方向均具有对称性，使得本发明具有好的场平整度。由于水平电极支撑盘片31和相邻垂直电极支撑盘片32沿着束流射入方向交替布置，形成多个所述谐振回路；并由于支撑盘片组件3对磁场的隔离作用，相邻谐振回路之间基本没有磁场耦合作用。

上述实施例中，盘片式支撑组件3固定在加速腔壁1上。

可选的，如图2所示，水平电极支撑盘片31上开设有供电极组件2穿过和固定的第一环孔311，第一环孔311的左右两侧内壁分别与左电极21和右电极22呈对应设置，以分别与左电极21和右电极22固定连接；第一环孔311的上下内壁呈弧形结构，以供上电极23和下电极24穿过。

可选的，垂直电极支撑盘片32上开设有供电极组件2穿过和固定的第二环孔321，第二环孔321的上下内壁分别与上电极23和下电极24连接；第二环孔321的左右两侧内壁呈弧形结构，以供左电极21和右电极22穿过。

可选的，水平电极支撑盘片31通过可拆卸连接的方式与加速腔壁1的四个面连接，水平电极支撑盘片31的第一环孔311为垂直方向上伸长的孔结构，以便上电极23和下电极24顺利穿过第一环孔311。第一环孔311的左右两侧内壁分别通过可拆卸连接的方式与左电极21和右电极22连接。

可选的，垂直电极支撑盘片32通过可拆卸连接的方式与加速腔壁1的四个面连接，垂直电极支撑盘片32的第二环孔321为水平方向上伸长的孔结构，以便左电极21和右电极22顺利穿过第二环孔321。第二环孔321的上下侧内壁分别通过可拆卸连接的方式与上电极23和下电极24连接。

优选的，水平电极支撑盘片31和垂直电极支撑盘片32都可以采用开窗型支撑盘片。

对于腔体长度比较长(例如长度大于一米)，真空气阻会较大，故可以在水平电极支撑盘片31上开设若干个第一窗孔312，在垂直电极支撑盘片32上开设若干个第二窗孔322，通过第一窗孔312和第二窗孔322来减小真空气阻，提高腔体真空度。具有第一窗孔312的水平电极支撑盘片31和具有第二窗孔322的垂直电极支撑盘片32均称作开窗型支撑盘片。

优选的，若腔体长度比较短(例如长度小于一米)，真空气阻会较小，此时可以省略支撑盘片的窗孔，以提高腔体分路阻抗，减小腔体功率损耗。

使用时，通过采用上述盘片式支撑组件3的结构，使得腔体表面电流均匀地流过水平电极支撑盘片31和垂直电极支撑盘片32的外表面以及加速腔壁1的内表面，从而减小腔体有效电阻，使得本发明加速器的品质因子Q值、分路阻抗远大于传统四杆型射频四极加速器。

上述实施例中，电极组件2中的各电极结构相同，每根电极都包括微翼241和梯形梁242；微翼241与梯形梁242一体成型，通过梯形梁242可以提高电极的机械强度。使用时，由于本实施例中的各电极均具有梯形梁242，可以有效克服传统四杆型射频四极加速器电极组件机械强度差，在运输、安装、运行过程中容易变形等问题。

可选的，每根电极可以仅由微翼241构成，但该结构的电极的机械强度相对具有梯形梁242的电极的机械强度会较差。使用时，可以根据实际机械强度的需求，选取带梯形梁242的电极或无梯形梁电极。

可选的，电极组件2与束流注入孔11和束流引出孔12呈共中心轴线设置。

上述各实施例中，电极组件2、电极支撑盘片组件3和加速腔壁1均可通过螺钉装配连接，降低了制造过程中的风险，具备可拆卸性的特点，提高了本发明加速器的运行维护的方便性，并有效降低运行维护成本。

上述各实施例中，在粒子束通过束流注入孔11进入腔体内，由电极组件2产生的高频电场为粒子束提供垂直于射束方向的约束作用力，以约束粒子束的尺寸，同时为粒子束提供沿射束前进方向的持续的加速作用力。优选的，可根据实际需求，调整电极组件2的结构尺寸以及水平电极支撑盘片31和垂直电极支撑盘片32的中心距和结构尺寸，以降低功率损耗。

综上，本发明使用时，通过水平电极支撑盘片31和垂直电极支撑盘片32沿着束流射入方向交替均匀的排列，与加速腔壁1的四面均采用可拆卸的方式连接，使得本发明整体机械结构非常稳定。

进一步，由水平电极支撑盘片31、相邻垂直电极支撑盘片32以及其中间的电极组件2和加速器腔壁1构成的谐振单元在水平和垂直方向均具有对称性，使得本发明具有优于传统四杆型射频四极加速器的电场平整度。

本发明的盘片式射频四极加速器装置可以提供质子～铀的全种类的离子束。也可以为离子治疗装置提供从质子到碳离子的多种离子，覆盖了宽范围的传能线密度和相对生物学效应，多种离子互为补充，为根据病人肿瘤种类和位置的特异性指定更加灵活、科学的多离子治疗计划成为可能，同时保证治疗的精度和效率。该装置还可以提供从氮到铀的多种离子，用于核孔膜等工业辐照领域。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。