阶梯式电子束流加速的方法及阶梯式直线加速器

技术领域

本发明属于电子束流加速处理领域，尤其涉及一种可用于肿瘤放射治疗和核医学放射药物研发的阶梯式电子束流加速的方法及阶梯式直线加速器。

背景技术

目前，肿瘤的放射治疗技术已进入精确的时代，即精准的照射位置和精准的剂量给予。如果在此基础上能从生物学角度对照射的生物学位置和生物学剂量给予验证和研究，即从生物靶区(biological target volume，BTV)及分子生物学适形调强放疗(biological IMRT，BIMRT)方面研究肿瘤的放射治疗，必将使肿瘤的放射治疗技术上一个新台阶。当用重离子束(如¹²C)、质子束流和高能X射线放疗患者时，这些射线在杀死和损伤肿瘤组织同时，还与肿瘤组织的主要组成元素碳C、氧O、氮N等进行核反应，在肿瘤靶区会产生可发射正电子的¹¹C，¹⁵O，¹³N等同位素，这些正电子发射核可在分子影像学或生物学影像设备PET/CT(正电子发射计算机断层显像/计算机断层扫描)上显像。由于分子影像学设备PET/CT可以提供组织和细胞的代谢、增殖、乏氧状态等分子生物学信息，所以根据显像的位置和强度便可分析推断肿瘤照射的生物学位置和相对生物学剂量，据此分子生物学信息对治疗计划进行修改完善，从而可真正意义上实现精确的三维生物适形调强放疗(biological IMRT，BIMRT)和验证。

在德国达姆施塔特的核物理研究所GSI和日本千叶县重离子研究所HIMAC和日本癌症中心NCC的研究人员用碳12C束^【1-6】、美国波士顿的MGH的Parodi et al用质子^【7-9】，分别在这方面做了大量的理论和实验研究，取得了很好的成果。当X射线能量很高时，会发生光核反应，产生发射正电子的¹¹C，¹⁵O，¹³N等同位素^【10-11】，有与重离子和质子一样的效果。但光核反应是有阈反应，只有当光子能量高于反应阈能量时，才能发生，该阈值对不同的元素一般为12～15MeV(兆电子伏特)。

然而，目前国内外各医疗单位放疗使用的绝大多数直线加速器标称加速电位不超过18MV(兆伏)，其发射的轫致辐射光子的最大能量不超过15MeV，都低于该阈值，因此不能引起光核反应。即使很少一部分高能加速器的标称加速电位达18MV以上，但由于其发射的轫致辐射光子的能量绝大部分低于光核反应阈值，仅有非常少部分光子可引起光核反应，要对他们产生的¹⁵O，¹¹C，¹³N等正电子发射核进行定量分析和研究生物学位置和相对生物学剂量是很困难的，因此在这些常规直线加速器上进行这项研究无实际意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种阶梯式电子束流加速的方法及阶梯式直线加速器，能够获得满足各种不同的临床研究所需的电子束流。

为了达到上述目的，本发明提供一种阶梯式电子束流加速的方法，包括：

步骤1、将电子束流送入直线加速器中进行第一阶梯加速处理；

步骤2、第一阶梯加速处理后，第一偏转磁铁对经过第一阶梯加速后的所述电子束流进行偏转处理，偏转处理后的所述电子束流再进入到所述直线加速器中进行第二阶梯加速处理；

步骤3、第二阶梯加速处理后，第二偏转磁铁对经过第二阶梯加速后的电子束流进行偏转处理，偏转处理后的所述电子束流再次进入到所述第一偏转磁铁，由所述第一偏转磁铁对所述电子束流进行偏转处理，偏转处理后的电子束流再进入到所述直线加速器中进行第三阶梯加速处理；

步骤4、重复执行所述步骤3，当经过多次阶梯式加速处理的所述电子束流的能量达到能量阈值时，引出所述电子束流。

优选的，所述步骤2具体为：

经过第一阶梯加速处理后，所述电子束流依次通过第一四极聚焦磁铁、第二四极聚焦磁铁、第二平移磁铁、第一平移磁铁和第一轴校正磁铁，再通过所述第一偏转磁铁进行偏转处理，之后再依次经过所述第一轴校正磁铁、所述第一平移磁铁和所述第二平移磁铁，之后所述电子束流进入到所述直线加速器中，进行第二阶梯加速。

优选的，所述步骤3具体为：

经过第二阶梯加速后，所述电子束流依次经过第二注入磁铁、第一注入磁铁、第三四极聚焦磁铁和第二轴校正磁铁，再进入到所述第二偏转磁铁进行偏转处理，偏转处理后再经过第一调整磁铁和第二调整磁铁进行运行轨迹的校正，之后进入到所述第一偏转磁铁进行偏转处理，偏转处理后再依次经过所述第一轴校正磁铁、所述第一平移磁铁和第二平移磁铁，之后进入到所述直线加速器中，进行第三阶梯加速。

优选的，重复执行步骤3对所述电子束流进行九次阶梯加速处理后，得到45兆电子伏特的电子束流。

本发明还提供一种阶梯式直线加速器，包括：

一用于产生和发射电子束流的电子枪，；

一用于对来自所述电子枪的所述电子束流进行阶梯式加速的直线加速器；

一第一偏转磁铁，设置在所述直线加速器的一侧，用于对所述电子束流进行偏转处理，并将偏转处理过的所述电子束流发送给所述直线加速器，由所述直线加速器对所述电子束流进行阶梯加速处理；

一第二偏转磁铁，设置在所述直线加速器的另一侧，用于对经过所述直线加速器加速处理过的所述电子束流进行偏转处理，并将偏转处理过的所述电子束流传递给所述第一偏转磁铁；以及

一电子束流提取装置，用于当经过阶梯式加速处理过的所述电子束流的能量达到能量阈值时，引出所述电子束流。

优选的，所述阶梯式直线加速器还包括：第一注入磁铁和第二注入磁铁，分别位于所述电子枪的两侧，用于对所述电子束进行偏转处理，然后将偏转处理后的所述电子束流送入到所述直线加速器中进行阶梯式加速处理。

优选的，所述直线加速器和所述第一偏转磁铁之间依次设置有：第一四极聚焦磁铁、第二四极聚焦磁铁、第一平移磁铁、第二平移磁铁和第一轴校正磁铁。

优选的，所述第一注入磁铁和所述第二偏转磁铁之间依次设置有：第三四极聚焦磁铁和第二轴校正磁铁。

优选的，所述阶梯式直线加速器还包括一椭圆形轨道，设置在所述第一偏转磁铁和所述第二偏转磁铁之间。

优选的，所述直线加速器为驻波型电子直线加速器，加速能量为3～10兆电子伏特。

由上述技术方案可知，通过采用直线加速、磁铁偏转和椭圆跑道式运动轨迹，可对电子枪产生的电子束流进行多次阶梯加速处理，因此可获得多个能量档的电子束流，并且每个能量档的电子束流可单独引出，而一般医用直线加速器最多只能获得2～3个能量档的电子束流，因此本实施例中的阶梯式电子束流加速可满足各种不同的临床需要，可广泛应用于放射治疗学、核医学和和物理学研究等领域。

附图说明

图1为本发明的实施例中阶梯式电子束流加速的方法流程图；

图2为本发明的实施例中四极聚焦磁铁示意图；

图3为本发明的实施例中阶梯式直线加速器的示意图；

图4为本发明的实施例中阶梯式直线加速器的具体结构图；

图5为本发明的实施例中第一偏转磁铁和第二偏转磁铁的工作原理图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细地说明。在此，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参见图1，为本发明的实施例中阶梯式电子束流加速的方法流程图，具体步骤如下：

步骤101、将电子束流送入到直线加速器中进行第一阶梯加速处理；

在本步骤中，可将电子枪产生的电子束流经第二注入磁铁偏转后，再进入到直线加速器中进行第一阶梯加速处理。

在本实施例中，该直线加速器可选用驻波型电子直线加速器，并采用微波加速，加速能量可设置为3～10MeV。若直线加速器的标称加速电位为5MV时，经过第一阶梯加速处理后，可得到能量为5MeV的电子束流。

上述第二注入磁铁的作用是将电子枪产生的电子束流经偏转(约90度)后，再进入到直线加速器中，第二注入磁铁的电流值大小为0.45～0.49A。

在本实施例中，电子枪可选用热阴极型电子枪，灯丝电流为3～5A(安培)，枪电压为27～31kV(千伏)，发射的电子束流能量约为30keV(千电子伏特)。该电子枪与直线加速器的束流轴线方向约为90度。

步骤102、第一阶梯加速处理后，第一偏转磁铁对经过第一阶梯加速后的电子束流进行偏转处理，偏转处理后的电子束流再进入到直线加速器中进行第二阶梯加速处理；

本步骤中，在经过第一阶梯加速后，电子束流可依次通过第一四极聚焦磁铁、第二四极聚焦磁铁、第二平移磁铁、第一平移磁铁和第一轴校正磁铁后，再通过第一偏转磁铁进行偏转处理(约偏转180度)，之后再依次经过第一轴校正磁铁、第一平移磁铁和第二平移磁铁，之后电子束流进入到直线加速器进行第二阶梯加速。若直线加速器的加速能量为5MeV时，经过步骤102后可得到能量达到10MeV的电子束流。

在本实施例中，第一平移磁铁和第二平移磁铁位于第一偏转磁铁和直线加速器之间，其中第一平移磁铁靠近第一偏转磁铁，第二平移磁铁靠近直线加速器。当电子束流由直线加速器向第一偏转磁铁运动时，第一平移磁铁和第二平移磁铁可对电子束流进行左、右两侧平移调整，使得电子束流能够进入相应轨道。在经过第一偏转磁铁180度偏转处理后，电子束流再次经过第一平移磁铁和第二平移磁铁的平移控制而进入到直线加速器中。

步骤103、第二阶梯加速处理后，第二偏转磁铁对经过第二阶梯加速后的电子束流进行偏转处理，偏转处理后的电子束流再次进入到第一偏转磁铁，由第一偏转磁铁对电子束流进行偏转处理，偏转处理后的电子束流再进入到直线加速器中进行第三阶梯加速处理；

本步骤中，经过第二阶梯加速处理后，电子束流可依次经过第二注入磁铁、第一注入磁铁(第一注入磁铁和第二注入磁铁对电子枪产生的电子束流进行偏转处理)、第三四极聚焦磁铁和第二轴校正磁铁后，再进入到第二偏转磁铁进行偏转处理，偏转处理后再经过第一调整磁铁和第二调整磁铁进行运行轨迹的校正，之后进入到第一偏转磁铁进行偏转处理，偏转处理后再依次经过第一轴校正磁铁、第一平移磁铁和第二平移磁铁校正，之后进入到直线加速器进行第三阶梯加速处理。若直线加速器的加速能量为5MeV时，经过步骤103后，可得到能量达到15MeV的电子束流。

经过步骤103中的偏转处理后，电子束流相当于在椭圆形轨道中运动，运动一次进行一次阶梯加速，该椭圆形轨道可以是真空状态，例如该椭圆形轨道的真空度不低于4×10^-6托。

在本实施例中，第一四极聚焦磁铁、第二四极聚焦磁铁和第三四极聚焦磁铁用于聚焦电子束流在直线加速器的轴向上，其聚焦作用如图2所示。

步骤104、重复执行步骤103，当经过多次阶梯式加速处理的电子束流的能量达到能量阈值时，引出该电子束流。

通过设置能量阈值，可从该阶梯式直线加速器中引出不同能量档的电子束流，从而可满足各种不同的临床研究所需的电子束流。例如当能量阈值设置为15MeV时，若直线加速器的加速能量为5MeV时，经过步骤101～103后则可将步骤103获得的15MeV电子束流通过引出通道引出。在本实施例中并不限定能量阈值的具体数值，该能量阈值可根据具体情况进行设置。

当然，也可按照步骤103中的过程进行第四阶梯加速，获得能量达到20MeV的电子束流。或者依次类推，对电子束流进行多次阶梯的加速，例如进行9次阶梯加速，从而可获得能量达到45MeV的电子束流。然后再通过步骤104将获得的电子束流通过引出通道引出。

由此可知，本实施例中的阶梯式电子束流加速方法可获得多个能量档次的电子束流，而且该电子束流的能量最高可到45MeV，而由于一般医用的直线加速器最多可获得2～3个能量档次的电子束流，因此本实施例中的阶梯式电子束流加速方法可满足各种不同的临床需求，可广泛应用于放射治疗学、核医学和和物理学研究等领域。

参见图3，为本发明的实施例中阶梯式直线加速器的结构图，该阶梯式直线加速器包括：

一电子枪(图中未示出)，用于产生和发射电子束流；

在本实施例中，电子枪可选用热阴极型电子枪，灯丝电流为3～5A，枪电压为27～31kV，发射的电子束流能量约为30keV，当然也并不限于此。该电子枪与直线加速器的束流轴线方向约90度。

一直线加速器31，用于对电子束流进行阶梯式加速；

在本实施例中，直线加速器可选用驻波型电子直线加速器，加速能量为3～10兆电子伏特，当然也并不限于此。

一第一偏转磁铁32，设置在直线加速器31的一侧，用于对电子束流进行偏转处理，并将偏转处理过的电子束流发送给所述直线加速器31，由所述直线加速器31对所述电子束流进行阶梯加速处理；

一第二偏转磁铁33，设置在直线加速器31的另一侧，用于对电子束流进行偏转处理，并将偏转处理过的电子束流传递给第一偏转磁铁32；以及

一电子束流提取装置34，用于当经过阶梯式加速处理过的电子束流的能量大于能量阈值时，从阶梯式直线加速器中引出电子束流。

在本实施例中，所述阶梯式直线加速器还包括：第一注入磁铁和第二注入磁铁，分别位于所述电子枪的两侧，用于对所述电子束进行偏转处理，然后将偏转处理后的所述电子束流送入到所述直线加速器中进行阶梯式加速处理。

在本实施例中，所述直线加速器和所述第一偏转磁铁之间依次设置有：第一四极聚焦磁铁、第二四极聚焦磁铁、第一平移磁铁、第二平移磁铁和第一轴校正磁铁。

在本实施例中，所述第一注入磁铁和所述第二偏转磁铁之间依次设置有：第三四极聚焦磁铁和第二轴校正磁铁。

在本实施例中，所述阶梯式直线加速器还包括一椭圆形轨道，设置在所述第一偏转磁铁和所述第二偏转磁铁之间。

在本实施例中，所述直线加速器为驻波型电子直线加速器，加速能量为3～10兆电子伏特。

参见图4，为本实施例中阶梯式直线加速器的具体结构图，图中第一注入磁铁41、第二注入磁铁42分别位于电子枪43左右两边。第二注入磁铁42用于将电子枪43产生的电子束流经其偏转(约90度)进入直线加速器44，其电流值大小为0.45～0.49A，当电子束流加速到10MeV及以上能量时，每个阶梯加速后都必须再次经过第二注入磁铁42，第一注入磁铁41电流值与第二注入磁铁42接近，电流方向相反。

第一偏转磁铁45和第二偏转磁铁46可分别位于直线加速器44的左右两侧，作用是将电子束流进行半圆形轨道偏转弯曲，弯曲的轨道半径r、磁场强度B和电子束流能量E的关系如下：

r≈E/(e×c×B)，其中e是电子的电荷量，c是光束。

参见图5，为本实施例中第一偏转磁铁45和第二偏转磁铁46的工作原理图。图中r₁、r₂为弯曲的轨道半径，磁场强度为B，E₁和E₂为电子束流能量。

继续参见图24，在经过第一阶梯加速处理后，电子束流依次通过第一四极聚焦磁铁47、第二四极聚焦磁铁48、第一平移磁铁49、第二平移磁铁50和第一轴校正磁铁51，再通过第一偏转磁铁45进行偏转处理，之后再依次经过第一轴校正磁铁51、第二平移磁铁50和第一平移磁铁49，之后电子束流进入到直线加速器44进行第二阶梯加速。

上述第一平移磁铁47和第二平移磁铁48分别位于第一偏转磁铁45和直线加速器44之间，其中第二平移磁铁48靠近第一偏转磁铁45，第一平移磁铁47靠近直线加速器44，第一平移磁铁47和第二平移磁铁用于对电子束流进行控制和调整。当5MeV电子束流由直线加速器44向第一偏转磁铁45运动时，第一平移磁铁47和第二平移磁铁48分别使电子束流向左或右侧平移偏转而进入相应轨道。经第一偏转磁铁45进行180度偏转后，再次经过第一平移磁铁47和第二平移磁铁48的平移控制而进入直线加速器44中。

上述第一轴校正磁铁51位于第一偏转磁铁45旁，第二轴校正磁铁52位于第二偏转磁铁46旁，其中第二轴校正磁铁52用于校正电子束流经第一注入磁铁41后引起的角度误差。第一轴校正磁铁51有两个作用，一个是改变电子束流经第一阶梯加速(能量为5MeV)和经第一偏转磁铁45后的运动轨迹，以便使电子束流以正确的相位返回到直线加速器44中；另一个作用是对10MeV以上的电子束流进行束流作用。

在本实施例中，经过第二阶梯加速处理后，电子束流依次经过第二注入磁铁42、第一注入磁铁41、第三四极聚焦磁铁53和第二轴校正磁铁52，再进入到第二偏转磁铁46进行偏转处理，偏转处理后再经过第一调整磁铁54和第二调整磁铁55进行运行轨迹的校正，之后进入到第一偏转磁铁45进行偏转处理，偏转处理后再依次经第一轴校正磁铁51，第二平移磁铁48和第一平移磁铁47，之后进入到直线加速器44进行第三阶梯加速。

在后续的阶梯加速处理中，当电子束流加速到10MeV及以上能量时，每个阶梯加速后都可再经过第一注入磁铁41，尽管此时第一注入磁铁41的作用很小(其作用对象是30keV的电子束流)，但仍可采用其对电子束流进行校正，这种校正可由第二注入磁铁42完成，其电流值与第一注入磁铁41接近，但电流方向相反。

上述第一调整磁铁54位于多个能量轨道上(例如位于9个能量轨道上)，用于在电子束流垂直方向上进行控制调整，第二调整磁铁55位于第一调整磁铁54的一侧(靠近第一偏转磁铁45)，用于在电子束流水平方向上进行控制调整。

在本实施例中，第一偏转磁铁45和第二偏转磁铁46分别用于对电子束流进行180度偏转，使得电子束流在椭圆形轨道56中运行。该椭圆形轨道56为真空状态，真空度不低于4×10^-6托。

在本实施例中，在第一偏转磁铁45和第二偏转磁铁46的内侧，还可设置磁屏蔽57，该磁屏蔽57用于屏蔽第一偏转磁铁45和第二偏转磁铁46对其内侧各校正磁铁和电子束流的影响。

在本实施例中，该阶梯式直线加速器还包括引出校正X向磁铁和引出校正Y向磁铁，可分别与第二调整磁铁55和第一调整磁铁54一起在电子束流提取装置58的水平、垂直方向上控制电子束流。

在本实施例中，在直流加速器的两侧和引出管道的出口处可分别设置束流监测器(共三个)，用于监测电子束流的大小，监测参数为电流I_BL、I_BR和I_EX，其中，电流I_BL和I_BR为直流加速器的两侧电子束流的电流值，电流I_EX引出管道出口处电子束流的电流值。该束流监测器可通过电流感应变压器来实现。

下面以阶梯式直线加速器对电子束流进行6阶梯加速处理和9阶梯加速处理，分别来介绍本发明的阶梯式电子束流加速的实施例。

实施例一：6阶梯加速处理，此时直线加速器的加速能量为4MeV，电子束流运行轨迹为椭圆形轨道或圆形轨道。工作过程如下：

步骤1、由电子枪产生的电子束流经第二注入磁铁偏转进入直线加速器中，直线加速器的加速能量为4MeV，进行第一阶梯加速，电子束流能量达4MeV。

步骤2、第一阶梯加速后的5MeV电子束流，先通过第一四极聚焦磁铁、第二四极聚焦磁铁、第一平移磁铁、第二平移磁铁、第一轴校正磁铁后，经第一偏转磁铁约180度偏转、再经第一轴校正磁铁、第一平移磁铁、第二平移磁铁校正控制后沿轴线进入直线加速器中，进行第二阶梯加速，电子束流的能量达8MeV。

步骤3、第二阶梯加速后的8MeV电子束流，再经第二注入磁铁、第一注入磁铁微调控制、第三四极聚焦磁铁和第二轴校正磁铁后进入第二偏转磁铁进行约180度偏转，再经第一调整磁铁、第二调整磁铁微调校正运行轨迹后，进入第一偏转磁铁约180度偏转。之后，或经第一轴校正磁铁、第一平移磁铁、第二平移磁铁偏转校正和控制，沿轴线再次准确进入直线加速器，进行第三阶梯加速，能量达12MeV；或经引出校正X向磁铁和引出校正Y向磁铁控制(与第二调整磁铁共同作用)将8MeV的电子束流引出。

步骤4、由步骤3获得的12MeV电子束流，或经步骤3同样过程进行第四阶梯加速，能量达6MeV；或经引出校正X向磁铁和引出校正Y向磁铁控制将12MeV的电子束流引出。依次类推，直到完成6次阶梯的加速处理，电子束流能量达24MeV。

实施例二，直线加速器的加速能量为5MeV，进行9阶梯加速处理。工作过程如下：

步骤1、由电子枪产生的电子束流经第二注入磁铁偏转进入直线加速器，直线加速器加速能量为5MeV，进行第一阶梯加速，电子束流能量达5MeV。

步骤2、第一阶梯加速后的5MeV电子束流，先通过第一四极聚焦磁铁、第二四极聚焦磁铁和第一平移磁铁、第二平移磁铁、第一轴校正磁铁后，经第一偏转磁铁约180度偏转、再经第一轴校正磁铁、第一平移磁铁和第二平移磁铁校正控制后沿轴线准确进入直线加速器，进行第二阶梯加速，能量达10MeV。

步骤3、第二阶梯加速后的10MeV电子束流，再经第二注入磁铁、第一注入磁铁微调控制、第三四极聚焦磁铁和第二轴校正磁铁后进入第二偏转磁铁进行约180度偏转，再经第一调整磁铁、第二调整磁铁微调校正运行轨迹后，进入第一偏转磁铁约180度偏转。之后，或经第一轴校正磁铁、第一平移磁铁和第二平移磁铁偏转校正和控制，沿轴线再次准确进入直线加速器，进行第三阶梯加速，能量达15MeV；或经引出校正X向磁铁和引出校正Y向磁铁控制将10MeV的电子束流引出。

步骤4、由步骤3获得的15MeV电子束流，或经步骤3同样过程进行第四阶梯加速，能量达20MeV；或经引出校正X向磁铁和引出校正Y向磁铁控制将15MeV的电子束流引出。依次类推，直到完成9次阶梯的加速处理，电子束流能量达45MeV。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。