一种紧凑型质子注入器

本发明属于带电粒子加速器领域，具体涉及一种质子注入器，该注入器用于为质子直线加速器提供高品质的束流，同时也可以作为其他类型质子加速器的注入器。

背景技术：

1、质子加速器是质子治疗装置的关键组成，是为质子治疗提供合适质子束的装置，常见的加速器有三种类型，分别是回旋加速器、同步加速器和直线加速器。三种加速器各有优缺点：回旋加速器的输出能量是固定的，只能通过吸收器来降低能量来满足质子治疗不同的能量需求，同时回旋加速器的输出流强较低；同步加速器的输出能量是主动可调的，通过改变加速器中一些部件的参数来实现，调能响应时间较长，大约在秒量级，并且同步加速器的输出流强也不高；直线加速器不仅输出能量主动可调，而且通过控制微波功率即可实现调能，调能的响应时间极短，在毫秒量级，另外直线加速器可以实现非常高的输出流强。因此直线加速器在质子治疗中具备优势，并且几乎只有直线加速器才能满足新兴的闪疗(高剂量率放疗，flash)的需求。目前回旋加速器和同步加速器均有较为成熟的方案和产品，但是直线加速器仍然没有可靠的方案，其重要的原因之一在于缺少合适的低能加速器——即注入器——方案。

2、质子注入器在整个加速器中非常关键，它的性能在很大程度上决定了整个加速器的性能。在低能下，质子具有速度慢、空间电荷效应强的特点，通过常规的加速器加速会导致束流品质较差，而在经过注入器的加速后，质子能量得到提高，速度大大提升，空间电荷效应也随之减弱，在后续的加速过程中束流品质易于控制。因此注入器的传输效率、输出流强、输出束流的发射度等参数将极大地决定整个加速器的参数。

3、现有的注入器方案难以应用到直线加速器中。它们一般具有以下特征：工作频率较低，从早期的几十兆赫兹到如今常用的三百多、四百多兆赫兹；体积庞大，重量极大；建造成本高。其中最主要的原因在于，要将束流注入到后续直线加速器中，注入器的频率必须是主加速器的频率的整数分之一，而直线加速器受加速器技术发展和功率源的影响，主要的工作频率为s波段(2856、2998mhz)，因此现有的注入器方案均无法满足直线加速器的注入需求。

4、现有的质子注入器主要是由离子源、低能传输线、射频四极加速器(rfq，radiofrequency quadruple)、和漂移管直线加速器(dtl，drifting tube linac)组成。在现有的装置中，dtl部分以alvarez型为主。现有的方案加速器频率主要有：216mhz、325mhz、425mhz等，不是主加速器的频率的整数分之一，这些频率显然无法满足直线加速器的注入需求。

5、离子源是整个系统的源头，是产生质子的地方。离子源的基本原理是向腔体内通入氢气，通过电离将氢气变为等离子体，然后利用引出高压为相应的粒子提高一定的速度并引出。通常将低能传输段(lebt)当作整个离子源系统的一部分，其作用是输运束流并调整其参数，使其满足rfq的注入需求。

6、rfq是针对低能下质子束的特点而发明的加速结构，主要是由四根电极产生较强的聚焦效果，解决了低能下质子束的发射度增长问题，同时在极头上添加调制，产生加速效果。rfq主要有两种类型，分别是四杆型和四翼型，主要区别在于电极的形状。四杆型rfq的电极为杆状，通过金属板交替连接到支撑板上，形成正负电压；四翼型rfq的电极直接连接到腔壁上，通过圆周相位差实现正负电压。四翼型rfq是带有四根电极的腔体，在横截面看四根电极呈90°分布，极头经过调制形成类三角函数的形状，相对极头的形状是对称的，而相邻极头则相反(三角函数相差180°)。在腔体中因为四个极头而形成电四极场，因为极头的类三角函数调制形成纵向电场。根据rfq极头调制的特点，可以将rfq划分为四段：径向匹配段、成型段、聚束段和加速段，上述rfq的各段组成主要根据极头调制的变化在功能上加以区分。径向匹配段中聚焦力在较短的距离内从0增长到最大值，而束流在此无损地与随时间变化的聚焦力相匹配，其中聚焦力是电磁场对束流的作用，由于径向匹配段的电磁场是时谐的，随时间振荡，如电场为e＝e0eiωt，磁场类似，因此聚焦力也同电磁场一样随时间振荡；成型段中开始调制同步相位和纵向电场，同步相位从-90°开始增大，纵向电场从0开始增加，初步为塑造束流形状，为聚束作准备，其中，同步相位是指束团中心在电磁场中对应的相位。在rfq入口处束流处于连续状态，等效为同步相位-90°。从聚束段开始束流聚成束团，同步相位具有严格意义。聚束段中对同步相位进一步被调制，直至变成最终值，传统的最终值选择为-30°；加速段中同步相位不再变化，而极头调制进一步增大，以提高加速效率，将束流加速至最终所需能量。

7、dtl是由漂移管和加速间隙组成的加速器结构，在质子的相对速度β～0.1时(相对速度β＝v/c，其中，v为质子的速度，c为光速)，dtl是最适宜的加速器类型。传统的dtl类型。即alvarez型dtl，加速梯度较低，加速相同的能量长度较长，并且该种dtl需要在漂移管中加入永磁四极铁，工艺难度大，可能产生的误差也较大，并且加工完成后难以调整。ih-dtl是一种新的dtl类型，其优点在于加速梯度高，可以大大减小dtl的长度，同时磁铁不需要安装在漂移管内，降低了工艺难度，并且在磁铁的选择上范围更广，可以选用电磁四极铁，在实际调试、运行过程中可以针对误差进行调整。ih-dtl又主要有两种不同的设计。一种是konus(kombinierte null grad struktur)束流动力学设计，现有konus设计的ih-dtl并没有针对高工作频率，其结构不够紧凑，加速梯度还不够高；另一种是apf(alternatingphasefocusing，交替相位聚焦)束流动力学设计。apf方案的ih-dtl的入口接受度较低，对加工误差、运行稳定性的要求极高，一旦入口束流参数发生偏差或者结构存在误差，出口束流参数就会产生极大的错误，无法满足要求。

8、加速器在加工、装配等环节会在结构上累计一定的误差，需要通过调节调谐棒来补偿这些误差，使加速器的频率、场分布达到目标值，这个过程称为调谐。对于质子注入器中的rfq和ih-dtl，现有的调谐方法步骤如下：测量结构中各个象限中的纵向场分布，将测量结果与模拟计算的结果相比较，然后利用模拟计算得到的加速器微波特性解出调谐棒的调节量，对以上步骤进行迭代，完成调谐。虽然现有方法中调谐量的解法有多种，但是这些方法都是利用模拟结果得到的理论解，在针对现有频率不高的注入器而言，经过数次迭代即可实现目标，但在针对频率更高的质子注入器而言，由于其敏感度更高，一点微小的扰动就可以造成较大的误差，因此如果使用现有的调谐方法，需要更多的迭代次数，甚至可能因为理论模拟与实际微波性能的差别而无法实现调谐目标。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种紧凑型质子注入器，以解决质子直线加速器目前缺乏低能质子加速器作为注入器的问题，缩减现有低能质子加速器的体积、重量和建造成本。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种紧凑型质子注入器，包括依次连接的离子源系统、rfq和ih-dtl，所述rfq和ih-dtl的工作频率为714mhz，使得rfq和ih-dtl的总长度小于3米，且所述ih-dtl的束流输出能量高于8mev。

3、所述rfq和ih-dtl的工作频率取决于rfq和ih-dtl的腔体横截面积。

4、所述ih-dtl包括第一周期段和第二周期段，所述第一周期段通过其0相位加速段直接与rfq连接。

5、所述rfq的长度小于2米，所述rfq的束流输出能量高于4mev。

6、所述第一周期段只包括0相位加速段。

7、所述紧凑型质子注入器用于直线加速器。

8、所述第二周期段包括依次设置的匹配段、聚束段和0相位加速段。

9、所述第二周期段的聚束段使用同步相位为-35°的加速单元或者同步相位为-60°的加速单元。

10、所述rfq划分为径向匹配段、成型段、聚束段和加速段，所述rfq的聚束段的同步相位达到的最终值为-20°。

11、所述rfq的束流孔径的尺寸在0.8-1毫米，以提高束流的传输效率。

12、本发明的紧凑型质子注入器满足了质子直线加速器的注入需求，可以作为广大质子加速器的注入器，提供高品质的束流。紧凑型注入器通过工作频率设置为714mhz，使得rfq的加速梯度达到2mv/m，ih-dtl的有效加速梯度可以提高到9mv/m，使得rfq和ih-dtl的总长度小于3米(包含离子源约4米)，从而减小了注入器的体积和重量，缩减了建造成本，可以服务于各种医用质子设备中，促进医用质子设备的推广，对质子的医疗应用(如闪疗(flash)、硼中子俘获治疗(bnct)等)具有积极的推动作用。

13、本发明的紧凑型质子注入器分为两种方案，一种长度较短，最终能量高于8mev；另一种最终能量高于10mev，相应地长度将会更长一些。两种方案的传输效率均在50％以上。

14、本发明不仅可以满足直线加速器的注入需求，推动闪疗的发展，还可以满足大部分其他类型医用加速器的注入需求。