一种粒子束加速器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种粒子加速器，包括：同轴谐振腔，同轴谐振腔的外周面具备入射部和出射部；粒子束发射装置，粒子束发射装置正对入射部；多个偏转磁铁，偏转磁铁具备进入部和射出部，多个偏转磁铁围绕同轴谐振腔布置；靶组件，靶组件正对出射部；聚焦组件，聚焦组件位于靶组件和出射部之间。其中，同轴谐振腔上设置有相位压缩装置。相位压缩装置对粒子束的相位进行压缩，降低粒子束的能散度，从而降低粒子束的最小焦点尺寸。如此，使得具备该粒子加速器的CT装置能够实现高空间分辨率成像。
【专利说明】
_种粒子束加速器
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种粒子束加速器。
【背景技术】
[0002]粒子束加速器被广泛应用于医学CT装置或工业CT装置，用于得到高速粒子束。高速粒子束轰击靶组件，从而产生射线，通过射线对客体进行成像。
[0003]然而现有的医学CT装置或工业CT装置，均存在成像空间分辨率低的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种粒子束加速器，其通过相位压缩装置降低粒子束的能散度，从而降低粒子束的最小焦点尺寸，使得具备该粒子加速器的CT装置能够实现高空间分辨率成像。
[0005]本发明的实施例是这样实现的:
[0006]—种粒子加速器，包括:同轴谐振腔，同轴谐振腔的外周面具备入射部和出射部；粒子束发射装置，粒子束发射装置正对入射部;多个偏转磁铁，偏转磁铁具备进入部和射出部，多个偏转磁铁围绕同轴谐振腔布置;靶组件，靶组件正对出射部;聚焦组件，聚焦组件位于靶组件和出射部之间。其中，同轴谐振腔上设置有相位压缩装置。
[0007]发明人在实现本发明实施例的过程中发现，现有的CT装置之所以存在成像空间分辨率低的问题，是由于轰击在靶组件上的粒子束的最小焦点尺寸过大。为此，在本发明实施例提供的粒子加速器中，设置相位压缩装置，对粒子束的相位进行压缩，降低粒子束的能散度，从而降低粒子束的最小焦点尺寸。如此，使得具备该粒子加速器的CT装置能够实现高空间分辨率成像。
[0008]在本发明的一种实施例中，相位调节装置为多个布置同轴谐振腔上的鼻椎，鼻椎位于粒子束的运动轨迹上。
[0009]在本发明的一种实施例中，鼻椎包括设置在同轴谐振腔的外导体上的外鼻椎，以及设置在同轴谐振腔的内导体上的内鼻椎。外鼻椎和内鼻椎同轴，外鼻椎和内鼻椎的轴线与同轴谐振腔的中轴线垂直相交。
[0010]在本发明的一种实施例中，鼻椎的数量N= 2*M+2。其中，M表示偏转磁铁的数量。两个鼻椎分别位于入射部和出射部;其余鼻椎分别与所有偏转磁铁的进入部和射出部一一正对。
[0011]在本发明的一种实施例中，偏转磁铁的进入部处和射出部处的边缘角均为6.8°。
[0012]在本发明的一种实施例中，在粒子束的运动轨迹上的第一个偏转磁铁的射出部处设置有狭缝准直器。
[0013]在本发明的一种实施例中，狭缝准直器的狭缝宽度为10mm。
[0014]在本发明的一种实施例中，靶组件包括盘片，以及与盘片传动连接的电机。
[0015]在本发明的一种实施例中，靶组件还包括与电机连接的升降装置。
[0016]在本发明的一种实施例中，聚焦组件为四极磁铁透镜组。
[0017]本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果:
[0018]在同轴谐振腔上设置相位压缩装置，相位压缩装置对粒子束的相位进行压缩，降低粒子束的能散度，从而降低粒子束的最小焦点尺寸。如此，使得具备该粒子加速器的CT装置能够实现高空间分辨率成像。
【附图说明】
[0019]为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例中需要使用的附图作简单介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施方式，不应被看作是对本发明范围的限制。对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的情况下，能够根据这些附图获得其他附图。
[0020]图1为本发明实施例中粒子束加速器的结构示意图；
[0021 ]图2为本发明实施例中同轴谐振腔的水平剖视图；
[0022]图3为本发明实施例中靶组件的结构示意图；
[0023]其中，附图标记对应的零部件名称如下:
[0024]100-粒子束加速器，110-同轴谐振腔，111-入射部，112-出射部，113-外导体，114-内导体，115-鼻椎，115-1-外鼻椎，115-2-内鼻椎，120-粒子束发射装置，121-电子枪，122-聚束器，123-螺线管，132-进入部，133-射出部，1301-第一偏转磁铁，1302-第二偏转磁铁1302，1303-第三偏转磁铁，1304-第四偏转磁铁，1305-第五偏转磁铁，1306-第六偏转磁铁，1307-第七偏转磁铁，1308-第八偏转磁铁，1309-第九偏转磁铁，1310-第十偏转磁铁，1311-第i^一偏转磁铁，1312-第十二偏转磁铁，140-靶组件，141-盘片，142-电机，143-升降装置，150-聚焦组件，160-狭缝准直器。
【具体实施方式】
[0025]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。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。
[0026]因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027]需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。
[0028]应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0029]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0030]实施例:
[0031]参照图1，图1为本发明实施例中粒子束加速器100的结构示意图。粒子束加速器100包括同轴谐振腔110、粒子束发射装置120、偏转磁铁、靶组件140和聚焦组件150。
[0032]参照图2，图2为本发明实施例中同轴谐振腔110的水平剖视图。同轴谐振腔110包括外导体113和内导体114，外导体113和内导体114之间形成加速电场。
[0033]请再次参照图1。粒子束发射装置120包括电子枪121，电子枪121正对入射部111，用于向同轴谐振腔110发射电子束。偏转磁铁的数量为十二个，分别为第一偏转磁铁1301、第二偏转磁铁1302、第三偏转磁铁1303、第四偏转磁铁1304、第五偏转磁铁1305、第六偏转磁铁1306、第七偏转磁铁1307、第八偏转磁铁1308、第九偏转磁铁1309、第十偏转磁铁1310、第i^一偏转磁铁1311、第十二偏转磁铁1312。从第一偏转磁铁1301到第十二偏转磁铁1312，十二个偏转磁铁围绕同轴谐振腔110依次布置。偏转磁铁都具备进入部132和射出部133。
[0034]靶组件140正对出射部112，聚焦组件150位于靶组件140和出射部112之间。
[0035]粒子束加速器100的工作原理如下:
[0036]电子枪121发射出电子束，电子束的运动轨迹如图1中箭头所示。电子束从入射部111进入同轴谐振腔110，被同轴谐振腔110中的加速电场加速后从同轴谐振腔110中射出，通过第一偏转磁铁1301的进入部132进入第一偏转磁铁1301。在第一偏转磁铁1301的作用下，电子束的运动方向被偏转，从第一偏转磁铁1301的射出部133射出，进入同轴谐振腔110，被同轴谐振腔110中的加速电场第二次加速后从同轴谐振腔110中射出。然后电子束依次被第七偏转磁铁1307、第二偏转磁铁1302、第八偏转磁铁1308、第三偏转磁铁1303、第九偏转磁铁1309、第四偏转磁铁1304、第十偏转磁铁1310、第五偏转磁铁13075、第^^一偏转磁铁1311、第六偏转磁铁1306和第十二偏转磁铁1312偏转，从而反复通过同轴谐振腔110。从第十二偏转磁铁1312射出的电子束经过同轴谐振腔110中的电场加速后，从出射部112射出。整个过程，电子束被加速二十六次。从出射部112射出的电子束，被由四级磁铁透镜组构成的聚焦组件150聚焦后，轰击在靶组件140上，经过轫致辐射，产生X射线。X射线用于对客体进行成像。
[0037]通过上述的粒子束加速器100对电子束进行加速，存在电子束的相位宽度较大的问题，导致电子束能散度高，进而使得轰击在靶组件140上的电子束的最小焦点尺寸过大。为此，在同轴谐振腔110上设置相位压缩装置，以压缩电子束的相位宽度，获得较小的能散度。
[0038]具体的，相位压缩装置用于改变同轴谐振腔110中局部加速电场的分部，从而调节电子束在通过相位压缩装置处时的相位宽度。相位压缩装置为设置在外导体113和内导体114之间的导体。参照图2，在本发明中，相位压缩装置为设置在外导体113和内导体114之间的二十六个鼻椎115。鼻椎115包括固定在外导体113内表面的圆筒形的外鼻椎115-1和固定在内导体114外表面的圆筒形的内鼻椎115-2。外鼻椎115-1和内鼻椎115-2同轴，夕卜鼻椎115-1和内鼻椎115-2的轴线与同轴谐振腔110的中轴线垂直相交。鼻椎115位于电子束的运动轨迹上，即二十六个鼻椎115分别与十二个偏转磁铁的进入部132和射出部133——正对。通过调节外鼻椎115-1和内鼻椎115-2的长度，从改变鼻椎115对局部加速电场的影响程度。
[0039]加速电场E = E0*cos(p)，其中P为电子束的相位，EO为峰值电场。当P = O时，加速电场最大，E = EO。在电子枪121直接产生能量为40keV，相位宽度小于30°的电子束的情况下，分别调节二十六个鼻椎115中外鼻椎115-1和内鼻椎115-2的长度，从电子束第一次进入同轴谐振腔110到电子束最后一次从同轴谐振腔110射出，将电子束的二十六个加速瞬间的相位分别调节为5°、5°、23。、23。、15。、15。、10。、10。、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°。采用这种结构，能够将电子束的相位宽度压缩至10°左右，从而获得小于±1%的能散度，使得轰击在靶组件140上的粒子束的最小焦点尺寸变小。
[0040]需要说明的是，为了保证能够对电子束的每一个加速瞬间的相位均进行调节，鼻椎115的数量N=2*M+2，M表示所述偏转磁铁的数量。在其他【具体实施方式】中，本领域技术人员也可以根据希望获得的电子束相位宽度，设置不同数量的鼻椎115。另外，还需要说明的是，在本实施例中，鼻椎115包括外鼻椎115-1和内鼻椎115-2，是为了能够更加精确地调节电子束的相位。在其他【具体实施方式】中，本领域技术人员也可以根据时间情况对鼻椎115进行配置，使其只包括外鼻椎115-1或只包括内鼻椎115-2。需要进一步说明的是，相位压缩装置的形状不限于圆筒形，在其他【具体实施方式】中，本领域技术人员也可以设置其他形状的相位压缩装置，只要其能够起到改变同轴谐振腔110中局部加速电场的作用即可。
[0041]为了使电子束在经过偏转磁铁时能够保持良好的横向聚焦，降低电子束在通过偏转磁铁后的束流损失，对偏转磁铁的进入部132和射出部133的边缘角进行调节，使偏转磁铁的进入部132和射出部133的边缘角均为6.8°，如此实现电子束小于1ym的归一化均方根发射度。同时还降低了同轴谐振腔110内加速电场功率的波动对电子束在靶组件140上的位置波动的影响，使得同轴谐振腔110内加速电场功率波动为± 0.5 %时，电子束在靶组件140上的位置波动小于±50μπι。需要说明的是，偏转磁铁的进入部132和射出部133的边缘角均为6.8°仅仅是一个示例，本领域技术人员能够在本实施例的基础上对偏转磁铁的边缘角进行调节，以适应不同的实际情况。
[0042 ]为了进一步限制电子束的相位，在电子束的运动轨迹上的第一个偏转磁铁一一第一偏转磁铁1301的射出部133设置狭缝准直器160，对电子束进行能量准直，从而间接地限制电子束的相位。狭缝准直器160的狭缝宽度为I Omm，从而将电子束的相位宽度限制在30°以内。需要说明的是，狭缝准直器160的宽度为1mm仅仅是一个示例，本领域技术人员能够在本实施例的基础上对狭缝准直器160的宽度进行调节，以适应不同的实际情况。
[0043]为了进一步降低电子束的发射度，粒子束发射装置120还可以包括设置在电子枪121的发射端的聚束器122和螺线管123。聚束器122的电压为llkV，电子枪121发出的电子束经过聚束器122后，再通过螺线管123射出。如此实现电子束的发射度的降低。
[0044]为了提高电子束的束流品质，电子枪121周期性的发射电子束，使得同轴谐振腔110中只有一个电子束进行加速。这样可以避免同轴谐振腔110同时加速多个电子束时，多个电子束相互碰撞引起的束流品质恶化。在本实施例中，电子枪121每间隔12个射频周期发射一个电子束。
[0045]为了更清楚的说明本实施例中的粒子束加速器100，下面对本实施例中的粒子束加速器100的工作过程进行说明。
[0046]电子枪121每间隔12个射频周期发射一个能量为40keV，相位宽度小于30°的电子束。电子束经过电压为IlkV的聚束器122和螺线管123后，从入射部111进入同轴谐振腔110，被同轴谐振腔110中的加速电场加速后从同轴谐振腔110中射出，通过第一偏转磁铁1301的进入部132进入第一偏转磁铁1301。在第一偏转磁铁1301的作用下，电子束的运动方向被偏转，从第一偏转磁铁1301的射出部13 3射出，通过狭缝宽度为I Omm的狭缝准直器160后，进入同轴谐振腔110。被同轴谐振腔110中的加速电场第二次加速后从同轴谐振腔110中射出。然后电子束依次被第七偏转磁铁1307、第二偏转磁铁1302、第八偏转磁铁1308、第三偏转磁铁1303、第九偏转磁铁1309、第四偏转磁铁1304、第十偏转磁铁1310、第五偏转磁铁13075、第i^一偏转磁铁1311、第六偏转磁铁1306和第十二偏转磁铁1312偏转，从而反复通过同轴谐振腔110。从第十二偏转磁铁1312射出的电子束经过同轴谐振腔110中的电场加速后，从出射部112射出。从电子束第一次进入同轴谐振腔110到电子束最后一次从同轴谐振腔110射出，将电子束的二十六个加速瞬间的相位被鼻椎115分别调节为5°、5°、23°、23°、15°、15°、1MO0、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°、5°。整个过程，电子束被加速二十六次，每次加速电子束获得400-700keV的能量。从出射部112射出的电子束，被由四级磁铁透镜组构成的聚焦组件150聚焦后，轰击在靶组件140上。在靶组件140上，电子束的最小焦点尺寸半高宽小于0.2_。经过轫致辐射，产生X射线。X射线用于对客体进行成像。如此实现电子束的低能散度和低发射度，进而实现高空间分辨率成像。
[0047]参照图3，图3为本发明实施例中靶组件140的结构示意图。由于在靶组件140上，电子束的最小焦点尺寸半高宽小于0.2mm，这对靶组件140的耐热性能提出了更高的要求。为此，在本实施例中，靶组件140采用如下结构。靶组件140包括盘片141和与盘片141传动连接的电机142。电子束轰击在盘片141上，电机142带动盘片141转动进辐射散热。为了使电子束能够均与的轰击在盘片141上，还可以设置与电机142连接的升降装置143。升降装置143带动升降装置143和盘片141做升降运动。在本实施例中，盘片141的直径为20?50cm，盘片141边缘处的线速度达到20-100m/s，升降装置143带动升降装置143和盘片141以0.1-lmm/s做升级运动，升级运动范围为2?10cm。如此，在盘片141的电子束轰击区域的温度达到400?800 °C时，盘片141的散热可以达到I kff，从而适应最小焦点尺寸半高宽小于0.2_的电子束，避免电子束的最小焦点尺寸半高宽由于盘片141的耐热性能不足而增大。
[0048]在本实施例中，升降装置143为直线电机，在其他【具体实施方式】中，升降装置143也可以采用液压缸、丝杠螺母副等构成。
[0049]以上所述仅为本发明的部分实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种粒子加速器，其特征在于，包括: 同轴谐振腔，所述同轴谐振腔的外周面具备入射部和出射部； 粒子束发射装置，所述粒子束发射装置正对所述入射部； 多个偏转磁铁，所述偏转磁铁具备进入部和射出部，多个所述偏转磁铁围绕所述同轴谐振腔布置； 靶组件，所述靶组件正对所述出射部； 聚焦组件，所述聚焦组件位于所述靶组件和所述出射部之间； 其中，所述同轴谐振腔上设置有相位压缩装置。2.根据权利要求1所述的一种粒子束加速器，其特征在于: 所述相位调节装置为多个布置所述同轴谐振腔上的鼻椎，所述鼻椎位于粒子束的运动轨迹上。3.根据权利要求2所述的一种粒子束加速器，其特征在于: 所述鼻椎包括设置在所述同轴谐振腔的外导体上的外鼻椎，以及设置在所述同轴谐振腔的内导体上的内鼻椎;所述外鼻椎和所述内鼻椎同轴，所述外鼻椎和所述内鼻椎的轴线与所述同轴谐振腔的中轴线垂直相交。4.根据权利要求2或3所述的一种粒子束加速器，其特征在于: 所述鼻椎的数量N=2*M+2; 其中，M表示所述偏转磁铁的数量； 两个所述鼻椎分别位于所述入射部和所述出射部;其余所述鼻椎分别与所有所述偏转磁铁的进入部和射出部一一正对。5.根据权利要求1所述的一种粒子束加速器，其特征在于: 所述偏转磁铁的进入部处和射出部处的边缘角均为6.8°。6.根据权利要求1或5所述的一种粒子束加速器，其特征在于: 在粒子束的运动轨迹上的第一个所述偏转磁铁的射出部处设置有狭缝准直器。7.根据权利要求6所述的一种粒子束加速器，其特征在于: 所述狭缝准直器的狭缝宽度为10mm。8.根据权利要求1所述的一种粒子束加速器，其特征在于: 所述靶组件包括盘片，以及与所述盘片传动连接的电机。9.根据权利要求8所述的一种粒子束加速器，其特征在于: 所述靶组件还包括与所述电机连接的升降装置。10.根据权利要求1所述的一种粒子束加速器，其特征在于: 所述聚焦组件为四极磁铁透镜组。
【文档编号】H05H7/00GK105934066SQ201610523240
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月1日
【发明人】何小中, 赵良超, 李洪, 庞健, 马超凡
【申请人】中国工程物理研究院流体物理研究所