加速管以及具有该加速管的直线加速器的制作方法

本发明涉及医疗设备领域，具体涉及一种加速管及具有该加速管的直线加速器。

背景技术：

加速管是医用电子直线加速器的关键部件，它的作用是产生用于临床癌症治疗和成像的高能射线。但为了提高临床癌症治疗的精准度，目前很多医用电子直线加速器都在发展能够同时输出用于成像的keV级射线的医用加速管。而keV级射线一般是通过在加速管上设置有能量调变功能的开关来实现，目前具有keV级成像功能的带有能量开关的加速管一般都是通过钎焊和刀口密封法兰等来装配完成，例如目前市场在售的瓦里安CL2300系列产品等。

加速器工作时，为防止电子丢失与加速管内部打火，加速管与能量开关的内部要保持高真空状态，内部真空度是加速器运行中的一个重要参数。一般情况，加速管与能量开关在大气中通过法兰连接后要进行一个长时间的排气过程，而且加速管工作时经常因为系统气密性不好或者排气不彻底导致真空度差而无法正常工作。另外，目前医用电子直线加速器如果一旦出现真空相关的问题，往往是要将整个加速管更换掉，这不仅提高了维护的难度同时大大提高了整个加速器的运营成本。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种加速管，包括：多个加速腔；耦合腔，其与所述多个加速腔中两个相邻的加速腔通过耦合口耦合；能量调节元件，其耦接到所述耦合腔上以调节所述加速管的输出能量；隔离元件，其连接到所述耦合腔的内壁上以将所述能量调节元件与所述加速腔真空密封地隔离开，其中，所述隔离元件是微波可透过的，并且所述隔离元件与所述耦合口偏离开。

选择性地，所述耦合腔具有从其内壁向内相对延伸而成的两个鼻锥，其中，所述隔离元件被布置到所述鼻锥和所述耦合口之间。

选择性地，还包括与所述耦合腔气体连通的阀门，其用于对所述耦合腔抽真空。

选择性地，所述耦合腔内填充有六氟化硫气体。

选择性地，还包括冷却管路，其邻近所述隔离元件和所述耦合腔的内壁的连接处布置，以冷却所述隔离元件。

选择性地，所述耦合腔限定了第一空间，所述隔离元件围绕所述能量调节元件连接到所述耦合腔的内壁上，其中，所述隔离元件连同所述耦合腔内壁共同限定独立于所述第一空间且与所述第一空间真空密封地隔离开的封闭的第二空间。

选择性地，所述隔离元件的数目为两个，且均为板状，其中一个布置在所述能量调节元件邻近所述耦合口的一侧，另一个布置在所述能量调节元件远离所述耦合口的一侧。

选择性地，所述隔离元件涂覆有防二次电子发射的材料。具体地，所述防二次电子发射的材料包括氮化钛、一氧化锰或氧化铬。更具体地，所述防二次电子发射的材料的厚度为10-100nm。

选择性地，所述隔离元件通过导电金属材料连接到所述耦合腔的内壁上。具体地，所述导电金属材料包括铜、金或银。

根据本发明的另一方面，公开了一种直线加速器，其包括如上各项所述的加速管。

根据本发明的另一方面，公开了一种加速管，包括：多个加速腔；耦合腔，其与所述多个加速腔中两个相邻的加速腔通过耦合口耦合；能量调节元件，其耦接到所述耦合腔上以调节所述加速管的输出能量；隔离元件，其布置在所述能量调节元件和所述耦合口之间，以将所述耦合腔位于所述能量调节元件侧的空间与所述耦合腔的位于所述耦合口侧的空间真空密封地隔离开，其中，所述隔离元件是微波可透过的。选择性地，所述耦合腔内具有从其内壁向内相对延伸而成的两个鼻锥，其中，所述隔离元件与所述鼻锥间隔开。

根据本发明的另一方面，公开了一种加速管，包括：多个加速腔；耦合腔，其与所述多个加速腔中两个相邻的加速腔通过耦合口耦合；能量调节元件，其耦接到所述耦合腔上以调节所述加速管的输出能量；隔离元件，其连接到所述耦合腔的内壁上以将所述能量调节元件与所述加速腔真空密封地隔离开，其中，所述隔离元件是微波可透过的，并且所述隔离元件与所述耦合口相比其磁场强度更小。选择性地，所述隔离元件远离所述耦合腔的最大电场强度区域。

附图说明

图1是根据本发明的一种实施方式的加速管的示意图；

图2是根据本发明的一种实施方式的带有环形连接部分的隔离元件的示意图；

图3是根据本发明的一种实施方式的加速管的示意图；

图4是根据本发明的一种实施方式的加速管的示意图；

图5是根据本发明的一种实施方式的加速管的示意图；

图6是根据本发明的一种实施方式的加速管的示意图；

图7是根据本发明的一种实施方式的加速管的示意图；以及

图8是根据本发明的一种实施方式的直线加速器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例作详细地说明。

如图1所示，图1示出了根据本发明的一种实施方式的加速管100的示意图。具体地，该加速管100为边耦合驻波加速管，其包括加速腔102、104、106、108、110、耦合腔112、114、116、118以及能量调节组件120。其中，加速腔102、104、106、108、110在纵向方向上两两之间通过漂移管122连通。耦合腔112耦合加速腔102、104，耦合腔114耦合加速腔104、106，耦合腔116耦合加速腔106、108，耦合腔118耦合加速腔108、110。耦合腔112、114、116、118的每一个均从耦合腔内壁向内相对地延伸有鼻锥101、103。

能量调节组件120耦接到耦合腔116，其中，该能量调节组件120至少包括能量调节元件124、驱动元件以及控制元件。该能量调节元件124例如可以为杆状件，其以基本垂直于加速管100的纵向轴线的方向耦接到耦合腔116。驱动元件例如可以为伺服电机，在驱动元件的驱动下，前述能量调节元件可以伸入到耦合腔116内或者从耦合腔116缩回。控制元件例如可以为控制器，其可以与预存储加速管100的输出能量和该能量调节元件124的位置之间的对应关系的存储器彼此关联的，并且可以根据接收到的加速管100的输出能量信息向驱动元件发出位置控制信息。这样，通过能量调节元件124的伸入或缩回，加速腔108的电场相位和/或幅值可以被调节进而可以调节加速管100的输出能量。

能量调节组件120中一般还包括波纹管(未示出)，该波纹管的一端与耦合腔116密封连接在一起，波纹管的另一端密封连接到前述能量调节元件124的位于耦合腔116之外的一端上。这部分内容对于本领域普通技术人员是可以理解的，故，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解如何通过在竖直方向上调节能量调节元件对加速管100的输出能量进行调节，例如可以参见美国专利US4629938，在此不予赘述。

该加速管100还包括隔离元件126，其连接到耦合腔116的内壁上并将能量调节元件124与加速腔106、108真空密封地隔离开。

具体地，该隔离元件126可以为微波可透过的材料，在此选用电介质材料，例如，该电介质材料可以为陶瓷材料或者玻璃材料。选择性地，该电介质材料可以为氧化铍的质量百分比大致为98％以上的陶瓷或者氧化铝的质量百分比为95％以上的陶瓷，或者石英玻璃、云母玻璃或者微晶玻璃。在这种例子中，该电介质材料具有介电常数低、高频损耗小、导热性好、密封性高，同时具有一定热膨胀系数。

在一种选择性的例子中，该隔离元件126可以被涂覆有防二次电子发射的材料；进一步地，该材料的二次电子发射系数小于1，例如可以为以氮化钛(TiN)为主的材料或者以一氧化锰(MnO)或氧化铬(Cr₂O₃)为主的材料；更进一步地，考虑到散热效率，该材料的厚度可以为10-100nm。在这种例子中，当该隔离元件处于高频微波场中时，该防二次电子发射的材料可以对在该隔离元件126表面可能发生的二次电子起到抑制作用。这样，可以提高该隔离元件126的抗击穿能力。

该隔离元件126的形状被配置为与耦合腔116的内壁的形状是彼此适配的。在图1中，由于该耦合腔116在垂直于纸面的截面上是大致方形的，故该隔离元件126也是大致方形的形状。

该隔离元件126被连接到鼻锥101、103和加速腔106、108通向耦合腔116的耦合口128、130之间。这样，一方面，该隔离元件126与鼻锥101、103间隔开，远离了鼻锥101、103所处的相对高的电场区域，因而，能够降低强电场引起的二次电子发生的概率；另一方面，该隔离元件126也与耦合口128、130间隔开，远离了耦合口128、130所处的相对高的磁场区域，因而，能够降低由强磁场引起的高频热损耗导致的热胀破裂。即，整体上，该隔离元件126受到的热应力会较小。

该隔离元件126通常先对其周边金属化处理后再通过诸如钎焊焊接的连接方式被连接到耦合腔116的腔壁上。该隔离元件126长度可以为30-45mm，宽度可以为24-36mm，厚度可以为2-5mm。

如图2所示，在一种选择性的例子中，围绕该隔离元件126的周边，可以焊接有环形连接部分127。该环形连接部分127由金属材料，尤其电导性较高的金属材料，构成。这样，一方面可以便于环形连接部分127连接到耦合腔116腔壁上，另一方面便于消除因引入隔离元件126而在隔离元件126两侧(即，耦合腔侧与加速腔侧)微波传输路径的阻抗不匹配现象。较优地，该环形连接部分127的材料与耦合腔116腔壁的材料是相同的。因为耦合腔116腔壁的材料通常为铜材料，更具体地，为无氧铜材料，所以，该环形连接部分127的材料可以为铜材料，更具体地，可以为无氧铜材料。可以理解，该环形连接部分127的材料还可以为金材料或者银材料。较优地，为了使隔离元件126两侧(即，耦合腔侧与加速腔侧)微波传输路径的阻抗不匹配现象更好地消除，该环形连接部分127的厚度(即，隔离元件126的外周边到耦合腔116腔壁的距离)可以为大于0小于等于2mm或者大于0小于等于1mm；更优地，该环形连接部分127的围绕该隔离元件126的长边侧的厚度为大于0小于等于1mm，围绕该隔离元件126的短边侧的厚度为大于0小于等于2mm。图2中示出一种围绕有环形连接元件127的隔离元件126的例子，它们整体上长度尺寸可以为30-45mm，宽度尺寸可以为24-36mm，竖直方向厚度可以为2-5mm。可以理解，该隔离元件可以不是方形的，厚度也可以不是均匀的。

在一种较优的例子中，可以在耦合腔116内充入六氟化硫(SF₆)气体，以进一步降低打火风险。

结合前文所述，由于耦合腔116耦接了能量调节元件124以及波纹管，若不采用前述隔离元件，这些运动部件会导致加速管腔内的真空度无法长时间保持稳定。因此，经过长期的使用，整个加速管的腔内的真空度会越来越差，最终导致加速管无法继续使用。通过在加速管100中布置隔离元件126，可以将加速腔106、108内的环境与设置有能量调节元件124的耦合腔116的环境隔离开。这样，为了准备使用该加速管100而进行高温烘烤排气时，排气所耗费的时间大大减少；另外，在使用了很长时间之后，由于存在隔离元件126，即使耦合腔116内的真空度略微变差，但该加速腔106、108仍旧可以保持极高的真空度，因此，可以提升加速管100的使用寿命。

如图3所示，图3示意性地示出了另一种加速管200的示意图。图3所示的加速管200与图1的加速管100区别在于：该加速管200还包括冷却管路202，该冷却管路202邻近隔离元件204和耦合腔206的内壁的连接处布置。该冷却管路202可以冷却隔离元件204，因而进一步降低隔离元件204在微波大功率的热损耗下受热不均而破裂的风险。而且，还可以减少由于隔离元件204与耦合腔206腔壁之间热胀冷缩导致的位移。

如图4所示，图4示意性地示出了另一种加速管300的示意图。该加速管300具有加速腔302、304以及与该加速腔302、304耦合的耦合腔306，其中加速腔302、304之间通过漂移管308连通，加速腔302、304与耦合腔306之间限定有耦合口310、312。在该耦合腔306内具有鼻锥314以及与鼻锥314相对的杆状件316。该杆状件316替代了原下游侧鼻锥并且用作能量调节组件中的能量调节元件。通过诸如控制器的控制元件控制驱动组件(例如，伺服电机)来驱动该杆状件316的伸入或缩回，从而改变加速腔304的电场相位和/或者幅值，因而改变加速管300的输出能量。本领域普通技术人员可以理解如何通过在水平方向上调节能量调节元件对加速管300的输出能量进行调节，例如可以参见美国专利US4286192，在此不予赘述。

具体地，隔离元件318布置在鼻锥314或杆状件316与加速腔302、304通向耦合腔306的耦合口310、312之间。

如图5所示，图5示意性地示出了另一种加速管400的示意图。该加速管400与图4的加速管300不同之处在于：该加速管400的耦合腔402还耦接有阀门404，具体地，该阀门404为真空阀门，更具体地，该真空阀门为角阀。由于存在阀门404，故，一方面，在准备使用该加速管400而对加速管400烘烤排气时，可以将能量调节组件拆卸掉(易言之，当烘烤结束之后再安装能量调节组件)，这样，能量开关组件就避免因暴露于高温烘烤环境而带来的损坏风险；另一方面，在长期使用过程中，若遇到需要更换能量调节组件的场合，可以对耦合腔402单独抽真空。

如图6所示，图6示意性地示出了另一种加速管500的示意图。该加速管500包括加速腔502、504、506、508、510、512、514、耦合腔516、518、520、522、524、526以及能量调节组件528。其中，加速腔在纵向方向上两两之间通过漂移管530连通。两邻近的上下游加速腔分别通过耦合腔耦合，其中，加速腔508通过耦合口507与耦合腔522耦合，耦合腔522通过耦合口509与加速腔510耦合。耦合腔516、518、520、524、526的每一个均从各自耦合腔的内壁向内相对地延伸有鼻锥501、503。能量调节组件528耦接到耦合腔522上，其取代了常规的鼻锥。

具体地，该能量调节组件528包括相对布置的第一杆状件532以及第二杆状件534，它们被用作能量调节元件。波纹管536、538分别耦接到第一杆状件532和第二杆状件534上。与之前所述类似地，该波纹管536的一端与耦合腔522腔壁密封连接，另一端与第一杆状件532的位于耦合腔522之外的一端密封连接，波纹管538的一端与耦合腔522腔壁密封连接，另一端与第二杆状件534的位于耦合腔522之外的一端密封连接。该第一杆状件532还限定有通孔540，该通孔540与阀门(未示出)耦接，其中该阀门为真空阀门，具体地，该真空阀门为角阀。

在控制元件(诸如，控制器)的控制下，驱动元件(诸如，伺服电机)可以分别驱动第一杆状件532和第二杆状件534从而改变加速腔510的电场相位和/或幅值，因而可以改变加速管500的输出能量。关于如何调节该第一杆状件532和第二杆状件534以改变加速管500的输出能量，例如可以参见中国发明专利申请公开CN105517316A的内容进行理解，在此，不再赘述。

加速管500还包括隔离元件542，其由微波可透过的材料制成，在一种例子中，该材料为电介质材料，该电介质材料可以为陶瓷材料或玻璃材料。关于该隔离元件542的其他必要或者选择性特征可以根据与加速管100有关的描述进行理解。

该隔离元件542可以为筒形的，更具体地，可以为方筒形或者圆筒形的。该筒形隔离元件542围绕杆状件以将第一杆状件532和第二杆状件534容纳于其内的方式布置到耦合腔522内，并且两端通过诸如钎焊焊接的连接方式连接到耦合腔522的腔壁上。这样，在耦合腔522限定的空间S1中，隔离元件542与耦合腔522腔壁共同限定了容纳第一杆状件532、第二杆状件534的至少一部分的空间S2，该空间S2与空间S1独立开，并且空间S2与空间S1真空密封地隔离开。本领域技术人员可以理解，对于某些其他形式的能量调节元件而言，能量调节元件是可以被全部容纳在空间S2内的。

选择性地，该隔离元件542为板状，其被配置为适配于耦合腔522的形状，且数目为两个。它们分别被布置在能量调节元件的两侧，即，分别通过诸如钎焊焊接的连接方式在能量调节元件邻近耦合口507、509的一侧连接到腔壁上以及在能量调节元件远离耦合口507、509的一侧连接到腔壁上，这样，两块板状隔离元件542和耦合腔522腔壁共同围成了一个独立的空间。

该隔离元件542可以涂覆有防二次发射的材料，关于该材料的必要和/或者选择性特征可以根据与加速管100有关的描述进行理解。

关于该隔离元件542与该耦合腔522的连接方式及其在选择性实施例中该隔离元件542周边设有环形连接部分以及各自尺寸等情形，可以根据与加速管100有关的描述进行理解。

该隔离元件542一方面与第一杆状件532、第二杆状件534间隔开，远离了第一杆状件532、第二杆状件534所处的相对高的电场区域，因而，能够降低强电场引起的二次电子发生的概率；另一方面，该隔离元件542也与耦合口507、509间隔开，远离了耦合口507、509所处的相对高的磁场区域，因而，能够降低由强磁场引起的高频热损耗导致的热胀破裂。

与前述实施例中类似的，在该隔离元件542与该耦合腔522的连接位置附近，可以设置冷却管路，以对隔离元件542进行冷却，这可以进一步降低隔离元件542在微波大功率的热损耗下受热不均而破裂的风险。而且，还可以减少由于隔离元件542与耦合腔522腔壁之间热胀冷缩导致的位移。

与前述实施例类似地，为了降低打火风险，可以在耦合腔522内充入六氟化硫(SF₆)气体。

如图7所示，图7示意性地示出了另一种加速管600的示意图。具体地，该加速管600包括相邻的两加速腔602、604、以及与前述加速腔602、604分别通过耦合口606、608耦合的耦合腔610。在耦合腔610内，从耦合腔610的腔壁向内凸伸有鼻锥612，与该鼻锥612相对地，还设有杆状件614，在此，该杆状件614作为能量调节组件的能量调节元件，其在控制元件的控制下可以被驱动元件驱动以朝向鼻锥612移动或者远离鼻锥612而缩回，因而改变加速腔604的电场相位和/或幅值，进而改变加速管600的输出能量。进一步地，该加速管600还包括隔离元件616，其大致为筒状的，其一端封闭另一端开放，其开放端通过诸如钎焊焊接的方式连接到腔壁上以将杆状件614的位于耦合腔610内的部分容纳于其内。因而，限定了与耦合腔610的第一空间S1相独立的并且与第一空间S1真空密封地间隔开的第二空间S2。

该实施例的加速管600的其他特征可以参考其他前述实施例进行理解，在此，不再赘述。

如图所示，与前述加速管100、200、300、400、500相比，其隔离元件616的一部分经过了耦合腔610内最大电场强度的区域(即，耦合腔610的中心纵向轴线所经过的区域)，因而，在降低强电场引起的二次电子发生的概率方面，可能不如前述各实施例好。尽管如此，由于该隔离元件616与耦合口606、608间隔开，远离了耦合口608、610所处的相对高的磁场区域，因而，能够降低由强磁场引起的高频热损耗导致的热胀破裂。

图8示意性地示出了根据本发明的一种实施方式的直线加速器700，该加速器700包括加速管702，其中，该加速管702可以采用如前所述的实施例中的加速管中的任一种。更具体地，该直线加速器700为医用直线加速器。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。