CN101631421B

CN101631421B - 重离子治癌同步加速器束流累积的方法及其装置

Info

Publication number: CN101631421B
Application number: CN 200910000761
Authority: CN
Inventors: 夏佳文; 原有进; 杨晓东; 冒立军
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2009-01-12
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2029-01-12
Also published as: CN101631421A

Abstract

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.将注入器提供的重离子束注入到同步加速器中；2.在电子冷却装置内，产生与被冷却重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.重离子通过冷却段，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重离子数目显著提高。重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。

Description

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重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(OER)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，提供重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重离子束流的强度，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 Report 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，对发射度大的重离子冷却很慢，中心密度大，对已经冷却的发射度小的重离子冷却作用依旧较大，造成重离子束得不稳定。第二，由于重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-重离子俘获概率变大，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)将注入器提供的重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)重离子通过冷却段，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)重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)由于重离子束被冷却，尺寸缩小，能够腾出空间接受新的重离子注入，重新实施重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，是将重离子在所述的步骤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(1)。

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(10)，静电偏转板与设置在U形口的另一端的收集器(11)连接。

进一步，还包括有冷却部分是由冷却段(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.提供的重离子数目显著提高。由于电子冷却的作用，可以实现重离子的重复注入，使得同步加速器中储存的重离子数目显著提高。在实施例中进行的实验表明，其累积增益可达到40倍。

2.重离子束发射度和动量分散缩小，束流品质提高。冷却作用使得重离子束流的尺寸缩小，能够实现高精度肿瘤扫描治疗。

3.由于空心电子束的应用，减小了冷却后重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。

附图说明：

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2CSRm电子冷却装置示意图；

图3CSRm电子冷却装置电子枪示意图。

具体实施方式：

以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述：

实施例1：一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)将注入器提供的重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)；

6)重离子束重复通过冷却段，被不断更新的电子束持续冷却。

以下在实际运行中，一次完整的步骤，

1)ECR重离子源提供¹²C⁴⁺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，实现重离子束的一次注入；

3)重离子在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，重离子在同步加速器中运动，周期性重复通过冷却段。随着重离子重复多次通过冷却段，最终重离子束在相空间的体积缩小到平衡状态，此时同步加速器有新的空间用于接收再次注入的重离子，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，重离子与电子发生相互作用，由于电子束的温度远小于重离子束的温度，重离子束被冷却，其发射度、动量分散显著减小；作用后的电子偏转出冷却段，重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，实现重离子束的新注入，由于此时同步加速器CSRm中已有重离子束的空间体积在电子冷却作用下显著缩小，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重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重离子数目约为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¹²C⁴⁺离子加速至200MeV/u；

7)开始慢引出，将同步加速器内200MeV/u的¹²C⁴⁺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¹²C⁴⁺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1，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。冷却装置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10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。

Claims

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)将注入器提供的重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；

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)由于重离子束被冷却，径向尺寸缩小，能够腾出空间接受新的重离子注入，重新实施重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，是将重离子在所述的步骤4)中重复与电子发生作用，重复冷却重离子束。

4.一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(1)。

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(10)，静电偏转板与设置在U形口的另一端的收集器(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，还包括有冷却部分是由冷却段(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)。