多头线性加速器系统的制作方法

多头线性加速器系统


背景技术：

1.无损检测(ndt)和其他筛选系统可能使用两个x射线源。x射线源可被设置成在正交方向上发射x射线，以提供样本、患者或对象的多个视图。然而，这些x射线源可以是两个独立的x射线源。另外，为了减小成本，x射线源中的一个可以是较低成本/较低功率的x射线源。
附图说明
2.图1至图6是根据一些实施方案的多头线性加速器系统的框图。
3.图7a至图7b是根据一些实施方案的多头线性加速器x射线系统的框图。
4.图8是根据一些实施方案的操作多头线性加速器系统的示例的流程图。
具体实施方式
5.将用包括多个线性加速器头的系统来描述实施方案。在一些实施方案中，当使用多个x射线源时，诸如当从多个方向照射样本、患者或对象时，两个x射线源的多个加速器结构可由单个rf源提供射频(rf)功率。如下文将进一步详细描述的，单个rf源的使用导致成本的显著减小。替代地，两个x射线源可以以类似的成本产生更高能量的x射线。
6.图1至图6是根据一些实施方案的多头线性加速器系统的框图。参考图1，在一些实施方案中，系统100a包括rf源102、rf网络106和加速器结构108。
7.rf源102可以是可以产生具有适合于线性加速器的频率的rf功率104的任何rf源。例如，rf源可以被配置为产生3ghz、10ghz等的rf功率。rf源102可以包括磁控管、速调管等。
8.rf网络106是由诸如传输线、波导、分离器、分配器、调节器、衰减器、循环器、耦合器、切换器等部件组成的网络。rf网络106耦合在rf源102和加速器结构108之间。rf网络106被配置为从rf源接收rf功率104并且将rf功率分成多个rf功率110。
9.rf功率104可以以多种方式分离，包括无源功率分割和有源功率分割。在一些实施方案中，rf网络106被配置为基本上均等地分离rf功率。例如，分离rf功率104基本上均等地包括在45/55和55/45之间的功率分离比。在其他实施方案中，rf网络106被配置为不均等地分离rf功率104。例如，功率分离比可以是60/40、80/20等。在另一个示例中，不均等地分离rf功率104是小于45/55或大于55/45的功率分离比。在一些实施方案中，功率分离比可以是可控制的。下文将描述可以以不同方式分离rf功率104的不同部件的多种示例。
10.线性加速器通常使用粒子源，所述粒子源被配置为产生粒子束(诸如电子束)。这里，仅示出了线性加速器的加速器结构108，其中输入粒子束112从另一个源(未示出)产生。粒子束112被引导穿过加速器结构108。加速器结构108是谐振结构，其使用输入rf功率来加速粒子束112中的粒子。rf功率110加速粒子以产生加速粒子束114。
11.加速器结构108的示例包括行波(tw)结构、驻波(sw)结构、混合tw
‑
sw结构或另一个类型的谐振结构。加速器结构108可以包括多个电极、波导结构等，所述多个电极、波导结构等被配置为接收rf功率110并且将所述功率施加到粒子束112以产生加速束114。
12.这里，两个加速器结构108
‑
1和108
‑
2、相关联的粒子束112
‑
1和112
‑
2以及相关联的加速粒子束114
‑
1和114
‑
2被用作示例。然而，可以使用一个以上的任何数量的加速器结构108。这些加速器结构108中的每个都包括rf输入端，所述rf输入端被配置为接收源自单个rf源102的rf功率110。
13.通过使用一个rf源102，相对于具有两个独立粒子加速器的系统，系统100a的成本可以减小。然而，加速器结构108的谐振频率必须被调谐到在使用具有单独的rf源102的粒子加速器时的较窄的范围内。对于单独的rf源102，当制造时，加速器结构108的谐振频率的容差可在0.1％或百万分之1000(ppm)内。例如，谐振频率为10千兆赫兹(ghz)的加速器结构108可以被调谐到10ghz的10兆赫兹(mhz)内。
14.相比之下，在一些实施方案中，加速器结构108被调谐为在较窄的范围内。例如，对于具有10ghz谐振频率的加速器结构108，加速器结构108可以被调谐到50千赫兹(khz)、5ppm或0.0005％内。在一些实施方案中，加速器结构108可以以匹配对、三元组或n元组的形式制造，使得加速器结构108的谐振频率在此类范围内匹配。
15.添加rf网络106和潜在的更高功率的rf源102可增加系统100a的部件的成本。另外，用于创建被调谐到更窄范围的加速器结构108的附加制造工艺也可能增加成本。然而，由于仅包括一个rf源102而导致的成本减小和由于制造单个系统而导致的制造效率可以抵消成本增加，从而导致系统100a具有减小的成本或类似成本的改善的性能。
16.在一些实施方案中，对于相同的成本，系统100a可以包括两个线性加速器而不是相同价格的线性加速器和较低功率的基于管的x射线源。然而，线性加速器可在比基于管的x射线源更高的功率下操作，从而导致更好的分辨率、穿透性或其他性能增加。
17.在一些实施方案中，为具有单个加速器结构108的系统设计的rf源102可能能够输出足够的rf功率来操作多个加速器结构108。因此，可以避免由于增加rf源102的输出功率而导致的成本增加，从而进一步减小了系统100a的成本。
18.系统100a的使用的一些示例包括x射线安全筛查、在线x射线控制、密集货物检查、消毒、立体成像等。在用两个x射线源进行货物安全筛查的特定示例中，包括加速器结构108的线性加速器可以彼此成90度定位，以朝向货物的两个正交侧发射x射线。
19.在一些实施方案中，可以使用柔性或刚性波导来形成rf源102、rf网络106和加速器结构108之间的连接。使用柔性波导允许更容易地放置加速器结构108。
20.在一些实施方案中，可以使用比加速器结构108的数量少的rf源102的数量，其中来自多个rf源102的rf功率104在rf网络106中组合，以分配给加速器结构108。例如，来自m个rf源102的功率可在n个加速器结构108之间分割，其中m和n是整数，并且m小于n。
21.在一些实施方案中，多个调制器可以是系统100a的一部分。例如，rf源102中的每个可以与单独的调制器相关联。在另一个示例中，多个rf源102可以共享调制器。rf调制器111表示一个或多个调制器。
22.参考图2，在一些实施方案中，系统100b可以类似于系统100a。然而，rf网络106包括功率分离器106
‑
1，所述功率分离器106
‑
1被配置为分离rf功率104。例如，功率分离器106
‑
1可以包括三端口、四端口或k端口波导功率分配器，其中k大于n。功率分离器106
‑
1可以是调谐到rf源102的工作频率的无源波导结构。
23.参考图3，在一些实施方案中，系统100c可以类似于系统100a
‑
100b。然而，rf网络
106包括动态功率分离器106
‑
2，所述动态功率分离器106
‑
2被配置为分离rf功率104。动态功率分离器106
‑
2可以是可控制的，使得动态功率分离器106
‑
2的功率分离比是可控制的。在一些实施方案中，动态功率分离器106
‑
2可以包括一个或多个功率调节器，所述一个或多个功率调节器被配置为调节功率分离的比率。
24.系统100c包括控制逻辑120
‑
1。控制逻辑120
‑
1可以包括通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、微控制器、可编程逻辑阵列(pla)、诸如现场可编程逻辑控制器(plc)的装置、可编程逻辑门阵列(fpga)、分立电路、此类装置的组合等。控制逻辑120
‑
1可以包括内部部分，诸如寄存器、高速缓冲存储器、处理核心、计数器、定时器、比较器、加法器等，并且还可以包括外部接口，诸如地址和数据总线接口、中断接口等。诸如逻辑电路、存储器、通信接口等的其他接口装置可以是用于将控制逻辑120
‑
1连接到动态功率分离器106
‑
2的控制逻辑120
‑
1的一部分。尽管控制逻辑120
‑
1被示为单独的部件，但是控制逻辑120
‑
1可以是用于系统100c的较大部分的控制逻辑或用于整个系统100c的控制逻辑的一部分。
25.控制逻辑120
‑
1可以被配置为产生控制信号122
‑
1。动态功率分离器106
‑
2可以被配置为响应于控制信号122
‑
1来改变功率分离比。
26.参考图4，在一些实施方案中，系统100d可以类似于系统100a等。然而，rf网络106包括rf切换器106
‑
3。rf切换器106
‑
3被配置为将rf功率104选择性地引导到加速器结构108的一个或多个rf输入端。
27.系统100d包括控制逻辑120
‑
2。控制逻辑120
‑
2可以类似于控制逻辑120
‑
1。然而，控制逻辑120
‑
2可以被配置为产生控制信号122
‑
2，以使得rf切换器106
‑
3将rf功率104切换到一个或多个加速器结构108。例如，控制逻辑120
‑
2可以被配置为控制rf切换器106
‑
3，使得来自rf源102的基本上所有rf功率104一次被供应给加速器结构108中的一个。因此，加速器结构108可以不是同时操作，而是在操作时段上可以以时分多路复用的方式操作。
28.参考图5，在一些实施方案中，系统100e可以类似于上述系统100a
‑
100d。然而，系统100e包括冷却系统130。冷却系统130耦合到加速器结构108中的每个。冷却系统130可以包括用于从加速器结构移除热量的部件诸如散热器、泵、热电冷却器、温度传感器、阀、管道等。
29.在操作中，加速器结构108可能积聚热量，所述热量可以被冷却系统130移除。冷却系统130可以用于移除所述热量的至少一些，以调节加速器结构108的温度。冷却系统130可以使用任何种类的冷却介质或冷却剂，诸如水、油、空气、热电等。
30.在一些实施方案中，提供给一个加速器结构108
‑
1的冷却量不同于提供给另一个加速器结构108
‑
2的冷却量。例如，加速器结构108
‑
1可以以与加速器结构108
‑
2不同的功率水平操作。在另一个示例中，冷却系统130可以用于优化各个加速器结构108的性能。由于加速器结构108的谐振频率可随温度变化，因此所提供的冷却量可以用于调整谐振频率，使其与rf功率104的频率更加对准。在特定示例中，冷却系统130可以使用冷却剂的供应来冷却加速器结构108。在操作时，可以诸如通过控制阀来独立地调整流向每个加速器结构108的冷却剂的流量，以优化所述加速器结构108的性能。
31.在一些实施方案中，冷却系统130可以能够将温度维持在零点几摄氏度(℃)内。例如，加速器结构108的谐振频率可以漂移约5至10mhz/℃。因此，为了维持在50khz的工作范
围内，加速器结构的相对温度可以维持在百分之几度或更小的范围内。
32.参考图6，在一些实施方案中，在一些实施方案中，系统100f类似于上述系统100a
‑
100e。然而，系统100f包括频率控制逻辑150和传感器156。传感器156耦合到rf网络106，并且被配置为基于从加速器结构108的rf输入端中的至少一个反射的功率产生反馈信号154。频率控制器150被配置为响应于反馈信号154来调整rf功率104的频率。
33.例如，rf源102可以是磁控管，并且频率控制逻辑150可以被配置为控制耦合到磁控管的调谐马达和调谐块。在另一个示例中，rf源102可以是电可调源，诸如向速调管提供信号的rf驱动器。频率控制逻辑150可以包括用于rf驱动器的电调谐电路。然而，在其他实施方案中，rf源102可以具有不同的形式并且可以具有不同的频率控制逻辑150。
34.在一些实施方案中，传感器156被配置为感测rf信号120的部分，以产生反馈信号152。传感器156可以采取多种形式。例如，传感器156可以包括定向耦合器、3分贝(db)混合耦合器、移相器、检测器、滤波器等。可以提供指示rf信号的频率和加速器结构104的谐振频率之间的匹配的反馈信号152的任何电路都可以用作传感器156。在一些实施方案中，反馈信号152包括表示由传感器156感测到的与一个或多个加速器结构108相关联的rf功率110的正向信号和反射信号之间的相移的一个或多个信号。例如，当rf功率110的频率与加速器结构108的谐振频率匹配时，正向rf信号和反射rf信号之间的相位关系可以具有特定值。随着rf功率104的频率以及因此rf功率110的频率变得与加速器结构108失准，相位关系改变。反馈信号152可以表示所述相移并且可以用于调整rf源102。
35.频率控制逻辑150被配置为接收反馈信号152。频率控制逻辑150可以包括通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、微控制器、现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑阵列(pla)、可编程逻辑装置、分立电路、此类装置的组合等。频率控制逻辑150可以被配置为实现多种控制回路，诸如比例积分微分(pid)控制回路。
36.图7a至图7b是根据一些实施方案的多头线性加速器x射线系统的框图。参考图7a，在一些实施方案中，系统700a类似于上述系统100a
‑
f。系统700a包括多个x射线源200。这里举例说明了两个x射线源200
‑
1和200
‑
2；然而，在其他实施方案中，x射线源200的数量可以大于两个。
37.x射线源200中的每个包括电子枪202，所述电子枪202被配置为产生电子束204。加速器结构206被配置为响应于rf功率110而加速电子束204，以产生加速的电子束208。加速的电子束对准靶标210。靶标210可以包括可以将入射电子转换成x射线212的任何材料。例如，靶标210的材料可以包括钨、铼、钼、铑、其他重金属、高z材料等。高z材料是原子核中质子的原子序数(z)高的化学元素。
38.参考图7b，在一些实施方案中，系统700b可以类似于上述系统700a。然而，在系统700b中，第一x射线源200
‑
1和第二x射线源200
‑
2被配置为产生正交x射线束212
‑
1和212
‑
2。在操作中，正交x射线束212
‑
1和212
‑
2被设置成穿过样本260到达相应的检测器250
‑
1和250
‑
2。检测器250是被配置为检测x射线束212以产生信号(诸如图像)的装置。尽管已经以正交x射线束212为例描述了系统700b，但是在其他实施方案中，x射线源200和所得束212的取向可以不同，诸如束212之间的角度不同、束212偏移或相交等。
39.图8是根据一些实施方案的操作多头线性加速器系统的示例的流程图。图1的系统100a将被用作示例，但是在其他实施方案中，可由本文所描述的其他系统等来执行所述操
作。参考图1和图8，在800中，产生rf功率104。例如，如上所描述的，rf功率104可由一个或多个rf源102产生。在802中，rf功率104被分成多个分离的rf功率110。例如，如上所描述的，rf网络106可以用于分离rf功率104。在804中，对于每个分离的rf功率110，加速器结构(诸如加速器结构108或206)可以用于响应于分离的rf功率110来加速对应的粒子束112。
40.在一些实施方案中，在806中，加速器结构108或206被独立地冷却。例如，如上所描述的，图5的冷却系统130可以用于冷却加速器结构108或206。
41.一些实施方案包括一种系统，所述系统包括：多个加速器结构108，每个加速器结构108包括rf输入端并且被配置为加速不同的粒子束112；rf源102，其被配置为产生rf功率104；以及rf网络106，其耦合在rf源102和加速器结构108的rf输入端中的每个之间，并且被配置为在加速器结构108的rf输入端之间分离rf功率104。
42.在一些实施方案中，rf网络106包括功率分离器106
‑
1、106
‑
2，所述功率分离器106
‑
1、106
‑
2被配置为分离rf功率104。
43.在一些实施方案中，功率分离器106
‑
2的功率分离比是可控制的。
44.在一些实施方案中，rf网络106包括rf切换器106
‑
3，所述rf切换器106
‑
3被配置为将rf功率104选择性地引导到加速器结构108的rf输入端中的一个。
45.在一些实施方案中，rf网络106被配置为在加速器结构108的rf输入端之间基本上均等地分离rf功率104。
46.在一些实施方案中，rf网络106被配置为在加速器结构108的rf输入端之间不均等地分离rf功率104。
47.在一些实施方案中，加速器结构108包括第一加速器结构108
‑
1和第二加速器结构108
‑
1。
48.在一些实施方案中，第一加速器结构108
‑
1是第一x射线源200
‑
1的一部分；第二加速器结构108
‑
2是第二x射线源200
‑
2的一部分；并且第一x射线源200
‑
1和第二x射线源200
‑
2被配置为产生正交x射线束212
‑
1和212
‑
2。
49.在一些实施方案中，第一加速器结构108
‑
1的谐振频率在第二加速器结构108
‑
2的谐振频率的0.0005％内。
50.在一些实施方案中，所述系统还包括冷却系统130，所述冷却系统130耦合到加速器结构108中的每个。
51.在一些实施方案中，加速器结构108包括第一加速器结构108和第二加速器结构108；并且提供给第一加速器结构108的冷却量不同于提供给第二加速器结构108的冷却量。
52.在一些实施方案中，所述系统还包括：传感器，其耦合到rf网络106并且被配置为基于从加速器结构108的rf输入端中的至少一个反射的功率产生反馈信号；并且所述系统还包括频率控制逻辑，所述频率控制逻辑被配置为响应于反馈信号来调整rf功率104的频率。
53.在一些实施方案中，所述系统还包括：多个x射线源，每个x射线源包括对应的加速器结构108；以及多个检测器，其中每个检测器被配置为检测来自x射线源中的对应的一个x射线源的x射线。
54.在一些实施方案中，rf源102是被配置为向rf网络106提供功率的多个rf源102s中的一个；并且rf源102s的数量少于加速器结构108的数量。
55.一些实施方案包括一种方法，所述方法包括：通过rf源102产生rf功率104；使用rf网络106将rf功率104分成多个分离的rf功率104s；并且对于分离的rf功率104s中的每个，使用对应的加速器结构108响应于分离的rf功率104来加速对应的粒子束112。
56.在一些实施方案中，分离的rf功率104s相等。
57.在一些实施方案中，分离rf功率104包括切换rf功率104以产生分离的rf功率104s。
58.在一些实施方案中，所述方法还包括独立地冷却加速器结构108。
59.一些实施方案包括一种系统，所述系统包括：用于加速粒子束的多个装置；用于产生rf功率的装置；以及用于在用于加速粒子束的装置之间分配分离rf功率的装置。用于加速粒子束的装置的示例包括加速器结构108等。用于产生rf功率的装置的示例包括rf源102。用于在用于加速粒子束的装置中分配分离rf功率的装置的示例包括rf网络106、功率分离器106
‑
1、动态功率分离器106
‑
2、rf切换器106
‑
3等。
60.在一些实施方案中，所述系统还包括用于独立地冷却用于加速粒子束的多个装置的装置。用于独立地冷却用于加速粒子束的多个装置的装置的示例包括冷却系统130。
61.尽管一些实施方案可以单独地描述，但是其他实施方案可以包括所描述的任何实施方案的一些或全部的组合。
62.尽管已经根据特定实施方案描述了结构、装置、方法和系统，但是本领域的普通技术人员将容易认识到，对特定实施方案的许多变化是可能的，并且因此任何变化都应被认为在本文公开的精神和范围内。因此，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以进行许多修改。
63.本书面公开之后的权利要求由此被明确地并入到本书面公开中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施方案。本公开包括独立权利要求及其从属权利要求的所有排列。而且，能够从随后的独立权利要求和从属权利要求衍生的另外的实施方案也明确地并入到本书面描述中。这些另外的实施方案是通过用短语“以权利要求[x]开始并且以紧接在所述权利要求之前的权利要求结束的权利要求中的任一个”来替换给定从属权利要求的从属关系来确定的，其中括号内的术语“[x]”被用最近引用的独立权利要求的编号来替换。例如，对于以独立权利要求1开始的第一权利要求集，权利要求3可以从属于权利要求1和权利要求2中的任一个，其中这些单独的从属关系产生两个不同的实施方案；权利要求4可以从属于权利要求1、权利要求2或权利要求3中的任一个，其中这些单独的从属关系产生三个不同的实施方案；权利要求5可以从属于权利要求1、权利要求2、权利要求3或权利要求4中的任一个，其中这些单独的从属关系产生四个不同的实施方案；以此类推。权利要求中关于特征或要素的术语“第一”的叙述不一定意味着第二或另外的此类特征或要素的存在。
[0064]
要求排他性属性或特性的本发明的实施方案限定如下。