專利名稱：：高頻變諧波同步加速的方法及其控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及質(zhì)子-重離子治癌同步加速器中加速離子的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種高頻變諧波同步加速的方法及其控制裝置。
背景技術(shù)：
：重離子在束照射中具有倒轉(zhuǎn)的深度劑量分布(Bragg峰)、側(cè)向散射小、較高的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)(RBE)和低的氧增比(0ER)等特點(diǎn)，使重離子束治癌成為當(dāng)今國際上先進(jìn)有效的癌癥放射治療方法。目前，初步臨床治療試驗(yàn)研究結(jié)果顯示重離子束治癌具有非常顯著的療效，且沒有明顯的毒副作用。同步儲(chǔ)存環(huán)是質(zhì)子-重離子治癌最基本的加速器裝置。其運(yùn)行模式是將預(yù)加速器(如回旋加速器)提供的重離子束注入同步儲(chǔ)存環(huán)，在同步儲(chǔ)存環(huán)中將離子累積到臨床需要的流強(qiáng)，并加速至臨床所需能量，然后引出到治癌終端進(jìn)行腫瘤治療。公知的同步儲(chǔ)存環(huán)中提高離子能量的方法是采用高頻腔產(chǎn)生高頻電場加速離子。高頻加速的基本原理是采用高頻腔產(chǎn)生一個(gè)頻率與儲(chǔ)存離子回旋頻率相等、或是儲(chǔ)存離子回旋頻率某次諧波相等的高頻電場，離子經(jīng)過高頻腔時(shí)，被電場加速獲得能量，隨著高頻腔頻率的提高，離子的能量提高，離子被加速?，F(xiàn)有技術(shù)中公開的同步加速器，在采用高頻腔加速離子時(shí)，在整個(gè)加速過程中，都采用一個(gè)固定的離子回旋頻率的諧波次數(shù)，由于受到高頻腔工作頻率范圍的限制，儲(chǔ)存環(huán)只能加速一定能量范圍內(nèi)的離子。因此同步加速器所能接受的注入離子的能量取決于高頻腔工作頻率的下限，而同步加速器所能加速的最高能量則取決于上限。這要求同步加速器的預(yù)加速器(無論采用回旋加速器或直線加速器)都必須將離子首先加速到滿足高頻腔的最低要求，也必將增大預(yù)加速器的建設(shè)成本。同時(shí)，由于采用的是固定的諧波次數(shù)，因此其加速離子的能量范圍不能擴(kuò)展到高頻腔工作頻率之外。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種高頻變諧波同步加速的方法及其控制裝置，其在較窄的高頻腔工作頻率范圍的基礎(chǔ)上，拓寬俘獲和加速離子的能量范圍，實(shí)現(xiàn)人體不同深度腫瘤的離子束照射治療對(duì)束流能量的要求，滿足實(shí)際中不同臨床病例的需要。本發(fā)明的目的可以通過采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)所述的高頻變諧波同步加速的方法，包括有如下步驟(1)、經(jīng)過預(yù)加速至能量為2.925.0MeV/u的離子注入并在同步加速器中累積到流強(qiáng)為2.54.8微安、離子數(shù)目為.1071(^量級(jí)，觸發(fā)加速系統(tǒng)元件，開始同步加速過程；(2)、同步觸發(fā)高頻加速腔及相應(yīng)磁場電源系統(tǒng)，離子的回旋頻率為0.15MHz0.423MHz，將高頻腔電場的工作頻率設(shè)定為儲(chǔ)存離子回旋頻率的2次諧波，俘獲離子，逐漸升高高頻電場工作頻率開始加速離子；(3)、俘獲的離子被加速至中間能量平臺(tái)為50MeV/u,回旋頻率為0.587MHz，此時(shí)高頻頻率為1.173MHz，為離子回旋頻率的2次諧波；(4)、離子在加速至中間能量時(shí)，將高頻電場的電壓降零，并將電場工作頻率變?yōu)閮?chǔ)存離子束回旋頻率的1次諧波，變諧波結(jié)束之后，重新開始離子加速過程，最終將離子加速至引出能量平臺(tái)100MeV/u1000MeV/u，此時(shí)離子的回旋頻率范圍是0.7991.63MHz，高頻電場的工作頻率與離子的回旋頻率相同；(5)、完成整個(gè)加速過程，在引出能量平臺(tái)將離子束輸送到治癌終端，5將符合臨床要求的離子束照射至病灶，達(dá)到重離子治癌臨床應(yīng)用的目的。所述的高頻變諧波同步加速的控制裝置，包括有PC機(jī)(l)，其特點(diǎn)在于所述的PC機(jī)(1)上設(shè)有直接數(shù)字頻率合成器(2)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3),直接數(shù)字頻率合成器(2)與分配器(4)相接，分配器(4)的輸出口分別與第一相位檢測電路(5)、控制放大器(6)和第二相位檢測電路(14)相接，控制放大器(6)通過前置放大器(10)與高頻發(fā)射機(jī)(11)相接，高頻腔(12)與高頻發(fā)射機(jī)(11)相連；數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3)分別與調(diào)制器(9)和第二相位檢測電路(14)相接，調(diào)制器(9)分別與高頻發(fā)射機(jī)(11)、高頻腔(12)、第二相位檢測電路(14)相接，第二相位檢測電路(14)通過直流放大電路(13)與高頻腔(12)相接。所述的變諧波控制電路還包括有脈沖分配器(17);所述的PC機(jī)(1)上還設(shè)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(18)和數(shù)據(jù)總線接口(19)。所述的控制放大器(6)內(nèi)設(shè)有移相控制器(7)和增益控制電路(8)，第一相位檢測電路(5)與移相控制器(7)相接，調(diào)制器(9)與增益控制電路(8)相接。所述的調(diào)制器(9)的輸出端還與第一相位檢測電路(5)相接，調(diào)制器(9)與聯(lián)鎖電路(15)相接，真空腔檢測電路(16)與聯(lián)鎖電路(15)相接。所述的高頻變諧波同步加速的方法及其控制裝置，存在以下有益效果是1、在治癌應(yīng)用中，能將SFC束流能量(7.0MeV/u)提高到400MeV/u，實(shí)現(xiàn)能量增益達(dá)40倍以上的寬能區(qū)加速；以相同工作頻率的高頻腔比較，如果不采用變諧波加速技術(shù)，而是采用固定諧波加速技術(shù)，同步加速器內(nèi)離子的能量范圍將大大縮小。2、拓寬了CSRm可加速離子能量的下限，優(yōu)化了與注入器的匹配，降低了注入器的建造成本。鑒于注入器SFC的運(yùn)行情況，其所能提供的部分離子的能量較低，如Xe29+離子，能量2.93MeV/u，在CSRm中的回旋頻率為0.147MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CSRm高頻腔的最低工作頻率0.25MHz,因此無法用高的乂浐+離子的2次諧波頻率為0.294MHz，處于高頻腔的工作頻率范圍內(nèi)。因此在CSRm加速2.93MeV/u的Xe29+離子過程中，首先用2次諧波俘獲離子并加速到50MeV/u，此時(shí)離子的回旋頻率為0.587MHz，其2次諧波的頻率為1.173MHz，均處在CSRm高頻腔的工作頻率0.25-1.7MHz范圍內(nèi)。之后將高頻腔的諧波次數(shù)變?yōu)?次，繼續(xù)加速至離子能量為235MHz/u。表1顯示了在CSRm高頻腔工作頻率范圍內(nèi)(0.25至-1.7MHz)，采用固定諧波加速和采用變諧波加速，同步加速器內(nèi)離子能量范圍的不同。變諧波加速技術(shù)的采用，降低了注入能量的最低限制，減小了注入器建造的成本。圖1變諧波加速控制電路示意圖2為本發(fā)明^Xe27+離子由2.93MeV/u加速到235MeV/u過程中，高頻電場的頻率變化示意圖3本發(fā)明,627+離子由2.93MeV/u加速到235MeV/u過程中，高頻電場的電壓變化示意圖4為本發(fā)明12(:4+離子由7.OMeV/u加速到178.5MeV/u過程中，高頻電場的頻率變化示意圖5本發(fā)明12(]4+離子由7.OMeV/u加速到178.5MeV/u過程中，高頻電場的電壓變化示意圖6為本發(fā)明1r"+離子由22.OMeV/u加速到1000MeV/u過程中，高頻電場的頻率變化示意圖7本發(fā)明36A8+離子由22.OMeV/u加速到1000MeV/u過程中，高頻電場的電壓變化示意具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示之最佳實(shí)施例作進(jìn)一步詳述見圖1，所述的高頻變諧波同步加速的方法，包括有如下步驟(1)、經(jīng)過預(yù)加速至能量為2.925.0MeV/u的離子注入并在同步加速器中累積到流強(qiáng)為2.54.8微安、離子數(shù)目為1071(T量級(jí)，觸發(fā)加速系統(tǒng)元件，開始同步加速過程；(2)、同步觸發(fā)高頻加速腔及相應(yīng)磁場電源系統(tǒng)，離子的回旋頻率為0.15MHz0.423MHz，將高頻腔電場的工作頻率設(shè)定為儲(chǔ)存離子回旋頻率的2次諧波，俘獲離子，逐漸升高高頻電場工作頻率開始加速離子；(3)、俘獲的離子被加速至中間能量平臺(tái)為50MeV/u，回旋頻率為0.587MHz，此時(shí)高頻頻率為1.173MHz，為離子回旋頻率的2次諧波；(4)、離子在加速至中間能量時(shí)，將高頻電場的電壓在高頻變諧波同步加速的控制裝置控制下降零，并將電場工作頻率變?yōu)閮?chǔ)存離子束回旋頻率的1次諧波，變諧波結(jié)束之后，重新開始離子加速過程，最終將離子加速至引出能量平臺(tái)100MeV/u1000MeV/u，此時(shí)離子的回旋頻率范圍是0.7991.63MHz、以及高頻電場的工作頻率與離子的回旋頻率相同；(5)、完成整個(gè)加速過程，在引出能量平臺(tái)將離子束輸送到治癌終端，將符合臨床要求的離子束照射至病灶，達(dá)到重離子治癌臨床應(yīng)用的目的。所述的高頻變諧波同步加速的控制裝置，包括有PC機(jī)1，其特點(diǎn)在于所述的PC機(jī)1上設(shè)有直接數(shù)字頻率合成器2和數(shù)模轉(zhuǎn)換器3，直接數(shù)字頻率合成器2與分配器4相接，分配器4的輸出口分別與第一相位檢測電路5、控制放大器6和第二相位檢測電路14相接，控制放大器6通過前置放大器10與高頻發(fā)射機(jī)11相接，高頻腔12與高頻發(fā)射機(jī)11相連；數(shù)模轉(zhuǎn)換器3分別與調(diào)制器9和第二相位檢測電路14相接，調(diào)制器9分別與高頻發(fā)射機(jī)ll、高頻腔12、第二相位檢測電路14相接，第二相位檢測電路14通過直流放大電路13與高頻腔12相接。所述的變諧波控制電路還包括有脈沖分配器17;所述的PC機(jī)1上還設(shè)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器18和數(shù)據(jù)總線接口19。所述的控制放大器6內(nèi)設(shè)有移相控制器7和增益控制電路8，第一相位檢測電路5與移相控制器7相接，調(diào)制器9與增益控制電路8相接。所述的調(diào)制器9的輸出端還與第一相位檢測電路5相接，調(diào)制器9與聯(lián)鎖電路15相接，真空腔檢測電路16與聯(lián)鎖電路15相接。實(shí)施例1:本發(fā)明方法已經(jīng)在蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)主環(huán)CSRm上應(yīng)用，并進(jìn)行了重離子治癌的相關(guān)研究，具體以實(shí)施一次治癌終端癌癥照射治療研究為例說明本發(fā)明方法1.ECR離子源提供+離子，經(jīng)過扇聚焦回旋加速器SFC(能量常數(shù)K=69)，經(jīng)過預(yù)加速至能量為2.93MeV/u的離子注入并并輸送至CSRm入口，在同步加速器中累積到流強(qiáng)為2.5微安、離子數(shù)目為107量級(jí)，觸發(fā)加速系統(tǒng)元件，開始同步加速過程；2.同步觸發(fā)高頻加速腔及相應(yīng)磁場電源系統(tǒng)，離子的回旋頻率為0.147MHz，將高頻腔電場的工作頻率設(shè)定為儲(chǔ)存離子回旋頻率的2次諧波，俘獲離子，逐漸升高高頻電場工作頻率開始加速離子；3.俘獲的離子被加速至中間能量平臺(tái)50MeV/u，V離子在CSRm中的回旋頻率為0.587MHz，此時(shí)高頻頻率為1.173MHz，為離子回旋頻率的2次諧波；4.離子在加速至中間能量時(shí)，將高頻電場的電壓在高頻變諧波同步加速的控制裝置控制下降零，并將電場工作頻率變?yōu)閮?chǔ)存離子束回旋頻率的1次諧波，變諧波結(jié)束之后，重新開始離子加速過程，最終將離子加速至引出能量平臺(tái)235MeV/u，此時(shí)離子的回旋頻率、以及高頻電場的工作頻率均為1.121MHz;5.完成整個(gè)加速過程，在引出能量平臺(tái)將離子束輸送到治癌終端，開展重離子束照射治療。實(shí)施例2:本發(fā)明方法已經(jīng)在蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)主環(huán)CSRm9上應(yīng)用，并進(jìn)行了重離子治癌的相關(guān)研究，具體以實(shí)施一次治癌終端癌癥照射治療研究為例說明本發(fā)明方法1.ECR離子源提供12(:4+離子，經(jīng)過扇聚焦回旋加速器SFC(能量常數(shù)K=69)，經(jīng)過預(yù)加速至能量為7.0MeV/u的離子注入并并輸送至CSRm入口，在同步加速器中累積到流強(qiáng)為4.8微安、離子數(shù)目為108量級(jí)，觸發(fā)加速系統(tǒng)元件，開始同步加速過程；2.同步觸發(fā)高頻加速腔及相應(yīng)磁場電源系統(tǒng)，離子的回旋頻率為0.227MHz，將高頻腔電場的工作頻率設(shè)定為儲(chǔ)存離子回旋頻率的2次(或4次)諧波，俘獲離子，逐漸升高高頻電場工作頻率開始加速離子；3.俘獲的離子被加速至中間能量平臺(tái)50MeV/u，7.OMeV/u的12(:4+離子在CSRm中的回旋頻率為0.587MHz，此時(shí)高頻頻率為1.173MHz，為離子回旋頻率的2次諧波；4.離子在加速至中間能量時(shí)，將高頻電場的電壓在高頻變諧波同步加速的控帝蝶置控制下降零，并將電場工作頻率變?yōu)閮?chǔ)存離子束回旋頻率的1次諧波，變諧波結(jié)束之后，重新開始離子加速過程，最終將離子加速至引出能量平臺(tái)178.5MeV/u，此時(shí)離子的回旋頻率、以及高頻電場的工作頻率均為1.012MHz;5.完成整個(gè)加速過程，在引出能量平臺(tái)將離子束輸送到治癌終端，將符合臨床要求的離子束照射至病灶，達(dá)到重離子治癌臨床應(yīng)用的目的在治癌終端，178.5MeV/u的12(:4+離子照射在癌細(xì)胞上，開展重離子束照射治療。實(shí)施例3:本發(fā)明方法已經(jīng)在蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)主環(huán)CSRm上應(yīng)用，并進(jìn)行了重離子治癌的相關(guān)研究，具體以實(shí)施一次治癌終端癌癥照射治療研究為例說明本發(fā)明方法-1.ECR離子源提供1118+離子，經(jīng)過分離扇回旋加速器SSC(能量常數(shù)K=450),經(jīng)過預(yù)加速至能量為22.OMeV/u的離子注入并并輸送至CSRm入口，在同步加速器中累積到流強(qiáng)為3.0微安、離子數(shù)目為108量級(jí)，觸發(fā)加速系統(tǒng)元件，開始同步加速過程；102.同步觸發(fā)高頻加速腔及相應(yīng)磁場電源系統(tǒng)，離子的回旋頻率為0.398MHz，將高頻腔電場的工作頻率設(shè)定為儲(chǔ)存離子回旋頻率的2次諧波，俘獲離子，逐漸升高高頻電場工作頻率開始加速離子；3.俘獲的離子被加速至中間能量平臺(tái)50MeV/u，3118+離子在CSRm中的回旋頻率為0.587MHz，此時(shí)高頻頻率為1.173MHz，為離子回旋頻率的2次諧波；4.離子在加速至中間能量時(shí)，將高頻電場的電壓在高頻變諧波同步加速的控制裝置控制下降零，并將電場工作頻率變?yōu)閮?chǔ)存離子束回旋頻率的1次諧波，變諧波結(jié)束之后，重新開始離子加速過程，最終將離子加速至引出能量平臺(tái)1000MeV/u，此時(shí)離子的回旋頻率、以及高頻電場的工作頻率均為1.36MHz;5.完成整個(gè)加速過程，在引出能量平臺(tái)將離子束輸送到治癌終端，開展重離子束照射治療。其中，圖2是上述實(shí)施例1中121627+離子由2.93MeV/u加速到235MeV/u過程中，高頻電場的頻率變化示意圖；圖3是上述實(shí)施例1中+離子由7.0MeV/u加速到178.5MeV/u過程中，高頻電場的電壓變化示意圖；圖4是上述實(shí)施例2中12(:4+離子由70.MeV/u加速到178.5MeV/u過程中，高頻電場的頻率變化示意圖；圖5上述實(shí)施例2中12(:4+離子由7.0MeV/u加速到178.5MeV/u過程中，高頻電場的電壓變化示意圖；圖6上述實(shí)施例3中36Ar18+離子由22.OMeV/u加速到1000MeV/u過程中，高頻電場的頻率變化示意圖；圖7上述實(shí)施例3中18+離子由22.OMeV/u加速到1000MeV/u過程中，高頻電場的電壓變化示意圖。所述的高頻變諧波同步加速的方法及其控制裝置，其方法的實(shí)現(xiàn)在其控制裝置的控制之下運(yùn)行，其運(yùn)行模式是，同步加速器中的高頻腔首先采用頻率等于儲(chǔ)存離子回旋頻率的高次諧波(2次或4次)的高頻電場加速離子，當(dāng)加速至一定的中間能量時(shí)，將高頻腔的高頻電場頻率改變?yōu)閮?chǔ)存離子回旋頻率的低次諧波(1次或2次)，繼續(xù)加速離子直至臨床所需要的能量。在高頻腔工作頻率范圍內(nèi)，采用高頻變諧波加速技術(shù)，避免了鐵氧體加載高頻系統(tǒng)寬頻帶加速時(shí)低端擴(kuò)展的困難。其CSRm高頻系統(tǒng)同軸諧振腔采用鐵氧體材料制成。CSRm加速腔工作頻率范圍為0.25至-1.7MHz，最高脈沖電壓8.0kV，脈沖調(diào)制工作方式與連續(xù)波工作方式并存，平均功率為70KW。如下表l，是CSRm采用不同加速方式得到的離子能量范圍。表1.CSRm采用不同加速方式得到的離子能量范圍<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>權(quán)利要求1.一種高頻變諧波同步加速的方法，其特征在于包括有如下步驟(1)、經(jīng)過預(yù)加速至能量為2.9～25.0MeV/u的離子注入并在同步加速器中累積到流強(qiáng)為2.5～4.8微安、離子數(shù)目為107～1010量級(jí)，觸發(fā)加速系統(tǒng)元件，開始同步加速過程；(2)、同步觸發(fā)高頻加速腔及相應(yīng)磁場電源系統(tǒng)，離子的回旋頻率為0.15MHz～0.423MHz，將高頻腔電場的工作頻率設(shè)定為儲(chǔ)存離子回旋頻率的2次諧波，俘獲離子，逐漸升高高頻電場工作頻率開始加速離子；(3)、俘獲的離子被加速至中間能量平臺(tái)為50MeV/u，回旋頻率為0.587MHz，此時(shí)高頻頻率為1.173MHz，為離子回旋頻率的2次諧波；(4)、離子在加速至中間能量時(shí)，將高頻電場的電壓降零，并將電場工作頻率變?yōu)閮?chǔ)存離子束回旋頻率的1次諧波，變諧波結(jié)束之后，重新開始離子加速過程，最終將離子加速至引出能量平臺(tái)100MeV/u～1000MeV/u，此時(shí)離子的回旋頻率范圍是0.799～1.63MHz、以及高頻電場的工作頻率與離子的回旋頻率相同；(5)、完成整個(gè)加速過程，在引出能量平臺(tái)將離子束輸送到治癌終端，將符合臨床要求的離子束照射至病灶，達(dá)到重離子治癌臨床應(yīng)用的目的。2.—種高頻變諧波同步加速的控制裝置，包括有PC機(jī)(1)，其特征在于所述的PC機(jī)(1)上設(shè)有直接數(shù)字頻率合成器(2)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3)，直接數(shù)字頻率合成器(2)與分配器(4)相接，分配器(4)的輸出口分別與第一相位檢測電路(5)、控制放大器(6)和第二相位檢測電路(14)相接，控制放大器(6)通過前置放大器(10)與高頻發(fā)射機(jī)(11)相接，高頻腔(12)與高頻發(fā)射機(jī)(11)相連；數(shù)模轉(zhuǎn)換器(3)分別與調(diào)制器(9)和第二相位檢測電路(14)相接，調(diào)制器(9)分別與高頻發(fā)射機(jī)(11)、高頻腔(12)、第二相位檢測電路(14)相接，第二相位檢測電路(14)通過直流放大電路(13)與高頻腔(12)相接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高頻變諧波同步加速的控帝蝶置，其特征在于所述的變諧波控制電路還包括有脈沖分配器(17);所述的PC機(jī)(1)上還設(shè)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(18)和數(shù)據(jù)總線接口(19)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高頻變諧波同步加速的控制裝置，其特征在于所述的控制放大器(6)內(nèi)設(shè)有移相控制器(7)和增益控制電路(8)，第一相位檢測電路(5)與移相控制器(7)相接，調(diào)制器(9)與增益控制電路(8)相接。5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的高頻變諧波同步加速的控制裝置，其特征在于所述的調(diào)制器(9)的輸出端還與第一相位檢測電路(5)相接，調(diào)制器(9)與聯(lián)鎖電路(15)相接，真空腔檢測電路(16)與聯(lián)鎖電路(15)相接。全文摘要本發(fā)明涉及質(zhì)子-重離子治癌同步加速器中加速離子的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種高頻變諧波同步加速的方法及其控制裝置。其采用與高頻變諧波同步加速相對(duì)應(yīng)的控制裝置，并利用同步加速器中的高頻腔首先采用頻率等于儲(chǔ)存離子回旋頻率的高次諧波(2次或4次)的高頻電場加速離子，當(dāng)加速至一定的中間能量時(shí)，將高頻腔的高頻電場頻率改變?yōu)閮?chǔ)存離子回旋頻率的低次諧波(1次或2次)，繼續(xù)加速離子直至臨床所需要的能量。在高頻腔工作頻率范圍內(nèi)，采用高頻變諧波加速技術(shù)，避免了鐵氧體加載高頻系統(tǒng)寬頻帶加速時(shí)低端擴(kuò)展的困難。其在較窄的高頻腔工作頻率范圍的基礎(chǔ)上，拓寬俘獲和加速離子的能量范圍，實(shí)現(xiàn)人體不同深度腫瘤的離子束照射治療對(duì)束流能量的要求。文檔編號(hào)H05H13/04GK101652017SQ20091000075公開日2010年2月17日申請日期2009年1月12日優(yōu)先權(quán)日2009年1月12日發(fā)明者勇劉,原有進(jìn),夏佳文申請人:中國科學(xué)院近代物理研究所