加速管以及具有該加速管的直線加速器的製作方法

2023-05-01 02:59:47 1

本發明涉及醫療設備領域，具體涉及一種加速管及具有該加速管的直線加速器。

背景技術：

加速管是醫用電子直線加速器的關鍵部件，它的作用是產生用於臨床癌症治療和成像的高能射線。但為了提高臨床癌症治療的精準度，目前很多醫用電子直線加速器都在發展能夠同時輸出用於成像的keV級射線的醫用加速管。而keV級射線一般是通過在加速管上設置有能量調變功能的開關來實現，目前具有keV級成像功能的帶有能量開關的加速管一般都是通過釺焊和刀口密封法蘭等來裝配完成，例如目前市場在售的瓦裡安CL2300系列產品等。

加速器工作時，為防止電子丟失與加速管內部打火，加速管與能量開關的內部要保持高真空狀態，內部真空度是加速器運行中的一個重要參數。一般情況，加速管與能量開關在大氣中通過法蘭連接後要進行一個長時間的排氣過程，而且加速管工作時經常因為系統氣密性不好或者排氣不徹底導致真空度差而無法正常工作。另外，目前醫用電子直線加速器如果一旦出現真空相關的問題，往往是要將整個加速管更換掉，這不僅提高了維護的難度同時大大提高了整個加速器的運營成本。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明提供了一種加速管，包括：多個加速腔；耦合腔，其與所述多個加速腔中兩個相鄰的加速腔通過耦合口耦合；能量調節元件，其耦接到所述耦合腔上以調節所述加速管的輸出能量；隔離元件，其連接到所述耦合腔的內壁上以將所述能量調節元件與所述加速腔真空密封地隔離開，其中，所述隔離元件是微波可透過的，並且所述隔離元件與所述耦合口偏離開。

選擇性地，所述耦合腔具有從其內壁向內相對延伸而成的兩個鼻錐，其中，所述隔離元件被布置到所述鼻錐和所述耦合口之間。

選擇性地，還包括與所述耦合腔氣體連通的閥門，其用於對所述耦合腔抽真空。

選擇性地，所述耦合腔內填充有六氟化硫氣體。

選擇性地，還包括冷卻管路，其鄰近所述隔離元件和所述耦合腔的內壁的連接處布置，以冷卻所述隔離元件。

選擇性地，所述耦合腔限定了第一空間，所述隔離元件圍繞所述能量調節元件連接到所述耦合腔的內壁上，其中，所述隔離元件連同所述耦合腔內壁共同限定獨立於所述第一空間且與所述第一空間真空密封地隔離開的封閉的第二空間。

選擇性地，所述隔離元件的數目為兩個，且均為板狀，其中一個布置在所述能量調節元件鄰近所述耦合口的一側，另一個布置在所述能量調節元件遠離所述耦合口的一側。

選擇性地，所述隔離元件塗覆有防二次電子發射的材料。具體地，所述防二次電子發射的材料包括氮化鈦、一氧化錳或氧化鉻。更具體地，所述防二次電子發射的材料的厚度為10-100nm。

選擇性地，所述隔離元件通過導電金屬材料連接到所述耦合腔的內壁上。具體地，所述導電金屬材料包括銅、金或銀。

根據本發明的另一方面，公開了一種直線加速器，其包括如上各項所述的加速管。

根據本發明的另一方面，公開了一種加速管，包括：多個加速腔；耦合腔，其與所述多個加速腔中兩個相鄰的加速腔通過耦合口耦合；能量調節元件，其耦接到所述耦合腔上以調節所述加速管的輸出能量；隔離元件，其布置在所述能量調節元件和所述耦合口之間，以將所述耦合腔位於所述能量調節元件側的空間與所述耦合腔的位於所述耦合口側的空間真空密封地隔離開，其中，所述隔離元件是微波可透過的。選擇性地，所述耦合腔內具有從其內壁向內相對延伸而成的兩個鼻錐，其中，所述隔離元件與所述鼻錐間隔開。

根據本發明的另一方面，公開了一種加速管，包括：多個加速腔；耦合腔，其與所述多個加速腔中兩個相鄰的加速腔通過耦合口耦合；能量調節元件，其耦接到所述耦合腔上以調節所述加速管的輸出能量；隔離元件，其連接到所述耦合腔的內壁上以將所述能量調節元件與所述加速腔真空密封地隔離開，其中，所述隔離元件是微波可透過的，並且所述隔離元件與所述耦合口相比其磁場強度更小。選擇性地，所述隔離元件遠離所述耦合腔的最大電場強度區域。

附圖說明

圖1是根據本發明的一種實施方式的加速管的示意圖；

圖2是根據本發明的一種實施方式的帶有環形連接部分的隔離元件的示意圖；

圖3是根據本發明的一種實施方式的加速管的示意圖；

圖4是根據本發明的一種實施方式的加速管的示意圖；

圖5是根據本發明的一種實施方式的加速管的示意圖；

圖6是根據本發明的一種實施方式的加速管的示意圖；

圖7是根據本發明的一種實施方式的加速管的示意圖；以及

圖8是根據本發明的一種實施方式的直線加速器。

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施例作詳細地說明。

如圖1所示，圖1示出了根據本發明的一種實施方式的加速管100的示意圖。具體地，該加速管100為邊耦合駐波加速管，其包括加速腔102、104、106、108、110、耦合腔112、114、116、118以及能量調節組件120。其中，加速腔102、104、106、108、110在縱向方向上兩兩之間通過漂移管122連通。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的每一個均從耦合腔內壁向內相對地延伸有鼻錐101、103。

能量調節組件120耦接到耦合腔116，其中，該能量調節組件120至少包括能量調節元件124、驅動元件以及控制元件。該能量調節元件124例如可以為杆狀件，其以基本垂直於加速管100的縱向軸線的方向耦接到耦合腔116。驅動元件例如可以為伺服電機，在驅動元件的驅動下，前述能量調節元件可以伸入到耦合腔116內或者從耦合腔116縮回。控制元件例如可以為控制器，其可以與預存儲加速管100的輸出能量和該能量調節元件124的位置之間的對應關係的存儲器彼此關聯的，並且可以根據接收到的加速管100的輸出能量信息向驅動元件發出位置控制信息。這樣，通過能量調節元件124的伸入或縮回，加速腔108的電場相位和/或幅值可以被調節進而可以調節加速管100的輸出能量。

能量調節組件120中一般還包括波紋管(未示出)，該波紋管的一端與耦合腔116密封連接在一起，波紋管的另一端密封連接到前述能量調節元件124的位於耦合腔116之外的一端上。這部分內容對於本領域普通技術人員是可以理解的，故，在此不再贅述。

本領域普通技術人員可以理解如何通過在豎直方向上調節能量調節元件對加速管100的輸出能量進行調節，例如可以參見美國專利US4629938，在此不予贅述。

該加速管100還包括隔離元件126，其連接到耦合腔116的內壁上並將能量調節元件124與加速腔106、108真空密封地隔離開。

具體地，該隔離元件126可以為微波可透過的材料，在此選用電介質材料，例如，該電介質材料可以為陶瓷材料或者玻璃材料。選擇性地，該電介質材料可以為氧化鈹的質量百分比大致為98％以上的陶瓷或者氧化鋁的質量百分比為95％以上的陶瓷，或者石英玻璃、雲母玻璃或者微晶玻璃。在這種例子中，該電介質材料具有介電常數低、高頻損耗小、導熱性好、密封性高，同時具有一定熱膨脹係數。

在一種選擇性的例子中，該隔離元件126可以被塗覆有防二次電子發射的材料；進一步地，該材料的二次電子發射係數小於1，例如可以為以氮化鈦(TiN)為主的材料或者以一氧化錳(MnO)或氧化鉻(Cr2O3)為主的材料；更進一步地，考慮到散熱效率，該材料的厚度可以為10-100nm。在這種例子中，當該隔離元件處於高頻微波場中時，該防二次電子發射的材料可以對在該隔離元件126表面可能發生的二次電子起到抑制作用。這樣，可以提高該隔離元件126的抗擊穿能力。

該隔離元件126的形狀被配置為與耦合腔116的內壁的形狀是彼此適配的。在圖1中，由於該耦合腔116在垂直於紙面的截面上是大致方形的，故該隔離元件126也是大致方形的形狀。

該隔離元件126被連接到鼻錐101、103和加速腔106、108通向耦合腔116的耦合口128、130之間。這樣，一方面，該隔離元件126與鼻錐101、103間隔開，遠離了鼻錐101、103所處的相對高的電場區域，因而，能夠降低強電場引起的二次電子發生的概率；另一方面，該隔離元件126也與耦合口128、130間隔開，遠離了耦合口128、130所處的相對高的磁場區域，因而，能夠降低由強磁場引起的高頻熱損耗導致的熱脹破裂。即，整體上，該隔離元件126受到的熱應力會較小。

該隔離元件126通常先對其周邊金屬化處理後再通過諸如釺焊焊接的連接方式被連接到耦合腔116的腔壁上。該隔離元件126長度可以為30-45mm，寬度可以為24-36mm，厚度可以為2-5mm。

如圖2所示，在一種選擇性的例子中，圍繞該隔離元件126的周邊，可以焊接有環形連接部分127。該環形連接部分127由金屬材料，尤其電導性較高的金屬材料，構成。這樣，一方面可以便於環形連接部分127連接到耦合腔116腔壁上，另一方面便於消除因引入隔離元件126而在隔離元件126兩側(即，耦合腔側與加速腔側)微波傳輸路徑的阻抗不匹配現象。較優地，該環形連接部分127的材料與耦合腔116腔壁的材料是相同的。因為耦合腔116腔壁的材料通常為銅材料，更具體地，為無氧銅材料，所以，該環形連接部分127的材料可以為銅材料，更具體地，可以為無氧銅材料。可以理解，該環形連接部分127的材料還可以為金材料或者銀材料。較優地，為了使隔離元件126兩側(即，耦合腔側與加速腔側)微波傳輸路徑的阻抗不匹配現象更好地消除，該環形連接部分127的厚度(即，隔離元件126的外周邊到耦合腔116腔壁的距離)可以為大於0小於等於2mm或者大於0小於等於1mm；更優地，該環形連接部分127的圍繞該隔離元件126的長邊側的厚度為大於0小於等於1mm，圍繞該隔離元件126的短邊側的厚度為大於0小於等於2mm。圖2中示出一種圍繞有環形連接元件127的隔離元件126的例子，它們整體上長度尺寸可以為30-45mm，寬度尺寸可以為24-36mm，豎直方向厚度可以為2-5mm。可以理解，該隔離元件可以不是方形的，厚度也可以不是均勻的。

在一種較優的例子中，可以在耦合腔116內充入六氟化硫(SF6)氣體，以進一步降低打火風險。

結合前文所述，由於耦合腔116耦接了能量調節元件124以及波紋管，若不採用前述隔離元件，這些運動部件會導致加速管腔內的真空度無法長時間保持穩定。因此，經過長期的使用，整個加速管的腔內的真空度會越來越差，最終導致加速管無法繼續使用。通過在加速管100中布置隔離元件126，可以將加速腔106、108內的環境與設置有能量調節元件124的耦合腔116的環境隔離開。這樣，為了準備使用該加速管100而進行高溫烘烤排氣時，排氣所耗費的時間大大減少；另外，在使用了很長時間之後，由於存在隔離元件126，即使耦合腔116內的真空度略微變差，但該加速腔106、108仍舊可以保持極高的真空度，因此，可以提升加速管100的使用壽命。

如圖3所示，圖3示意性地示出了另一種加速管200的示意圖。圖3所示的加速管200與圖1的加速管100區別在於：該加速管200還包括冷卻管路202，該冷卻管路202鄰近隔離元件204和耦合腔206的內壁的連接處布置。該冷卻管路202可以冷卻隔離元件204，因而進一步降低隔離元件204在微波大功率的熱損耗下受熱不均而破裂的風險。而且，還可以減少由於隔離元件204與耦合腔206腔壁之間熱脹冷縮導致的位移。

如圖4所示，圖4示意性地示出了另一種加速管300的示意圖。該加速管300具有加速腔302、304以及與該加速腔302、304耦合的耦合腔306，其中加速腔302、304之間通過漂移管308連通，加速腔302、304與耦合腔306之間限定有耦合口310、312。在該耦合腔306內具有鼻錐314以及與鼻錐314相對的杆狀件316。該杆狀件316替代了原下遊側鼻錐並且用作能量調節組件中的能量調節元件。通過諸如控制器的控制元件控制驅動組件(例如，伺服電機)來驅動該杆狀件316的伸入或縮回，從而改變加速腔304的電場相位和/或者幅值，因而改變加速管300的輸出能量。本領域普通技術人員可以理解如何通過在水平方向上調節能量調節元件對加速管300的輸出能量進行調節，例如可以參見美國專利US4286192，在此不予贅述。

具體地，隔離元件318布置在鼻錐314或杆狀件316與加速腔302、304通向耦合腔306的耦合口310、312之間。

如圖5所示，圖5示意性地示出了另一種加速管400的示意圖。該加速管400與圖4的加速管300不同之處在於：該加速管400的耦合腔402還耦接有閥門404，具體地，該閥門404為真空閥門，更具體地，該真空閥門為角閥。由於存在閥門404，故，一方面，在準備使用該加速管400而對加速管400烘烤排氣時，可以將能量調節組件拆卸掉(易言之，當烘烤結束之後再安裝能量調節組件)，這樣，能量開關組件就避免因暴露於高溫烘烤環境而帶來的損壞風險；另一方面，在長期使用過程中，若遇到需要更換能量調節組件的場合，可以對耦合腔402單獨抽真空。

如圖6所示，圖6示意性地示出了另一種加速管500的示意圖。該加速管500包括加速腔502、504、506、508、510、512、514、耦合腔516、518、520、522、524、526以及能量調節組件528。其中，加速腔在縱向方向上兩兩之間通過漂移管530連通。兩鄰近的上下遊加速腔分別通過耦合腔耦合，其中，加速腔508通過耦合口507與耦合腔522耦合，耦合腔522通過耦合口509與加速腔510耦合。耦合腔516、518、520、524、526的每一個均從各自耦合腔的內壁向內相對地延伸有鼻錐501、503。能量調節組件528耦接到耦合腔522上，其取代了常規的鼻錐。

具體地，該能量調節組件528包括相對布置的第一桿狀件532以及第二桿狀件534，它們被用作能量調節元件。波紋管536、538分別耦接到第一桿狀件532和第二桿狀件534上。與之前所述類似地，該波紋管536的一端與耦合腔522腔壁密封連接，另一端與第一桿狀件532的位於耦合腔522之外的一端密封連接，波紋管538的一端與耦合腔522腔壁密封連接，另一端與第二桿狀件534的位於耦合腔522之外的一端密封連接。該第一桿狀件532還限定有通孔540，該通孔540與閥門(未示出)耦接，其中該閥門為真空閥門，具體地，該真空閥門為角閥。

在控制元件(諸如，控制器)的控制下，驅動元件(諸如，伺服電機)可以分別驅動第一桿狀件532和第二桿狀件534從而改變加速腔510的電場相位和/或幅值，因而可以改變加速管500的輸出能量。關於如何調節該第一桿狀件532和第二桿狀件534以改變加速管500的輸出能量，例如可以參見中國發明專利申請公開CN105517316A的內容進行理解，在此，不再贅述。

加速管500還包括隔離元件542，其由微波可透過的材料製成，在一種例子中，該材料為電介質材料，該電介質材料可以為陶瓷材料或玻璃材料。關於該隔離元件542的其他必要或者選擇性特徵可以根據與加速管100有關的描述進行理解。

該隔離元件542可以為筒形的，更具體地，可以為方筒形或者圓筒形的。該筒形隔離元件542圍繞杆狀件以將第一桿狀件532和第二桿狀件534容納於其內的方式布置到耦合腔522內，並且兩端通過諸如釺焊焊接的連接方式連接到耦合腔522的腔壁上。這樣，在耦合腔522限定的空間S1中，隔離元件542與耦合腔522腔壁共同限定了容納第一桿狀件532、第二桿狀件534的至少一部分的空間S2，該空間S2與空間S1獨立開，並且空間S2與空間S1真空密封地隔離開。本領域技術人員可以理解，對於某些其他形式的能量調節元件而言，能量調節元件是可以被全部容納在空間S2內的。

選擇性地，該隔離元件542為板狀，其被配置為適配於耦合腔522的形狀，且數目為兩個。它們分別被布置在能量調節元件的兩側，即，分別通過諸如釺焊焊接的連接方式在能量調節元件鄰近耦合口507、509的一側連接到腔壁上以及在能量調節元件遠離耦合口507、509的一側連接到腔壁上，這樣，兩塊板狀隔離元件542和耦合腔522腔壁共同圍成了一個獨立的空間。

該隔離元件542可以塗覆有防二次發射的材料，關於該材料的必要和/或者選擇性特徵可以根據與加速管100有關的描述進行理解。

關於該隔離元件542與該耦合腔522的連接方式及其在選擇性實施例中該隔離元件542周邊設有環形連接部分以及各自尺寸等情形，可以根據與加速管100有關的描述進行理解。

該隔離元件542一方面與第一桿狀件532、第二桿狀件534間隔開，遠離了第一桿狀件532、第二桿狀件534所處的相對高的電場區域，因而，能夠降低強電場引起的二次電子發生的概率；另一方面，該隔離元件542也與耦合口507、509間隔開，遠離了耦合口507、509所處的相對高的磁場區域，因而，能夠降低由強磁場引起的高頻熱損耗導致的熱脹破裂。

與前述實施例中類似的，在該隔離元件542與該耦合腔522的連接位置附近，可以設置冷卻管路，以對隔離元件542進行冷卻，這可以進一步降低隔離元件542在微波大功率的熱損耗下受熱不均而破裂的風險。而且，還可以減少由於隔離元件542與耦合腔522腔壁之間熱脹冷縮導致的位移。

與前述實施例類似地，為了降低打火風險，可以在耦合腔522內充入六氟化硫(SF6)氣體。

如圖7所示，圖7示意性地示出了另一種加速管600的示意圖。具體地，該加速管600包括相鄰的兩加速腔602、604、以及與前述加速腔602、604分別通過耦合口606、608耦合的耦合腔610。在耦合腔610內，從耦合腔610的腔壁向內凸伸有鼻錐612，與該鼻錐612相對地，還設有杆狀件614，在此，該杆狀件614作為能量調節組件的能量調節元件，其在控制元件的控制下可以被驅動元件驅動以朝向鼻錐612移動或者遠離鼻錐612而縮回，因而改變加速腔604的電場相位和/或幅值，進而改變加速管600的輸出能量。進一步地，該加速管600還包括隔離元件616，其大致為筒狀的，其一端封閉另一端開放，其開放端通過諸如釺焊焊接的方式連接到腔壁上以將杆狀件614的位於耦合腔610內的部分容納於其內。因而，限定了與耦合腔610的第一空間S1相獨立的並且與第一空間S1真空密封地間隔開的第二空間S2。

該實施例的加速管600的其他特徵可以參考其他前述實施例進行理解，在此，不再贅述。

如圖所示，與前述加速管100、200、300、400、500相比，其隔離元件616的一部分經過了耦合腔610內最大電場強度的區域(即，耦合腔610的中心縱向軸線所經過的區域)，因而，在降低強電場引起的二次電子發生的概率方面，可能不如前述各實施例好。儘管如此，由於該隔離元件616與耦合口606、608間隔開，遠離了耦合口608、610所處的相對高的磁場區域，因而，能夠降低由強磁場引起的高頻熱損耗導致的熱脹破裂。

圖8示意性地示出了根據本發明的一種實施方式的直線加速器700，該加速器700包括加速管702，其中，該加速管702可以採用如前所述的實施例中的加速管中的任一種。更具體地，該直線加速器700為醫用直線加速器。

雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。