用于提供加速带电粒子或辐射束的混合驻波/行波线性加速器制造技术

本发明专利技术公开一种混合线性加速器，所述混合线性加速器包括跟有行波线性加速器区段(“TW区段”)的驻波线性加速器区段(“SW区段”)。在一个实例中，RF功率被提供到所述TW区段并且未由所述TW区段使用的功率通过波导提供到所述SW区段。RF开关、RF相位调整器、和/或RF功率调整器沿所述波导提供，以改变提供到所述SW区段的所述RF功率的能量和/或相位。在另一实例中，RF功率被提供到所述SW区段和所述TW区段两者，并且未由所述TW区段使用的RF功率通过RF开关、RF相位调整器、和/或RF功率提供到所述SW区段。在另一实例中，RF负载通过RF开关与所述TW区段的输出匹配。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于提供加速带电粒子或辐射束的混合驻波/行波线性加速器相关申请本申请是2016年3月11日提交的美国专利申请第15/068,355号的部分继续申请，所述美国专利申请让渡给本专利技术的受让人，并且通过引用并入本文中。
本专利技术的实施方案大体上涉及提供电子束或x射线束的线性加速器，并且具体地涉及包括处于共线关系中的驻波区段和在驻波区段之后的行波区段的这种线性加速器。
技术介绍
线性加速器(也称为“LINACS”)广泛地使用于广泛范围的应用中的各种任务，所述广泛范围的应用包括工业应用，如例如非破坏性试验(NDT)、安全检查(SI)、放射疗法(RT)、电子束处理灭菌和聚合物固化。加速电子束，和通过在加速通道的末端处撞击转换靶的这种电子束生成的轫致辐射X射线束两者可用于各种任务。所选择的辐射束的类型通常由特定的应用及其要求确定。在许多应用中，要求包括辐射束的能量变化和剂量率变化，包括广泛范围的RB能量变化，例如，从0.5MeV到最大能量，所述最大能量通常由于中子产生和激活问题而不超过10MeV。然而，在一些已知情况下，能量可达到高达12MeV、15MeV、20MeV、或甚至更高的能量。本领域技术人员充分意识到线性加速器是在这样的大辐射束操作能量范围内并非始终有效运行，或完全不执行的精密工具。线性加速器包括多个空腔，所述多个空腔的长度沿电子束传播的方向逐渐地增加，以便在粒子的速度增加时将粒子保持在正确的加速相位中。一旦电子速度几乎达到光速，加速单元的结构和形状的周期通常保持相同，直到加速器的末端。电子速度实质上改变(从光速的约20％改变到95％)和电子作为电子聚束的流集中在一起所在的线性加速器的前部不规则区段通常称为“聚束器”。聚束器负责形成相对论性电子束，所述相对论性电子束然后进入线性加速器结构的称为“加速器”的规则周期部分，在所述规则周期部分，电子的速度并不实质上改变，而它们达到1MeV以上，和高达Nx10MeV范围或更高(其中N是整数1,2,…N)的较高能量。用于定义聚束器的效率的重要参数称为“捕获”，其呈现由加速场捕获并且同时加速到所需能量的粒子相对于注入到结构中的总粒子数的百分比。捕获对聚束器中的加速场分布非常敏感。虽然技术人员试图通过变化进入线性加速器中的输入RF功率来调节所产生的辐射束的输出能量，但聚束器中的场的结构有所改变，并且加速通道中的电子束电流可能会由于聚束器中的捕获的衰退而实质上降低，借此降低产生的辐射束的强度。对于在不沿线性加速器最优化功率和场分布的情况下通过注入电子束脉冲电流的开关来调节辐射束能量，也是如此。最优化对于磁控管驱动的线性加速器尤其重要，所述磁控管驱动的线性加速器代表大部分商业市场。最优化对于被设计来用例如X频带功率源操作的高频率线性加速器甚至更重要，其中尽管不是在所有情况下，也是在大多数情况下(所谓的“高耗电”操作模式)，都缺乏由最好的市售X频带磁控管针对给定的任务生成的输入RF功率。图1示意性地展示本领域中已知的驻波线性加速器的实例。线性加速器包括取决于RF结构设计以各种方式耦合在一起的多个单一RF空腔(未示出)。RF功率由RF功率源1，如磁控管或速调管提供。RF功率通过RF传输波导2和高功率循环器3传播到输入RF耦合器4，所述输入RF耦合器被配置来匹配外部和内部RF电路的阻抗以便最小化在操作RF频率处的功率反射。高功率循环器3防止反射功率传播回RF源1。循环器3称为“高功率”循环器而不是“低功率”循环器，因为其适于由RF源1生成的最大可能功率。因此，来自RF源1的大部分RF功率进入线性加速器。在图1中，线性加速器具有耦合在一起的两个单一RF结构，驻波聚束器区段6(或“聚束器6”)和驻波加速器区段7(或“加速器7”)。聚束器区段6含有一系列空腔，所述空腔在长度上不同，以维持相邻单元中加速场之间的适当相移，从而适应逐渐增加的电子速度。电子速度在驻波聚束器区段6中快速地增加到相对论性值(接近于光速)。因为电子速度在加速器区段7中变得几乎恒定，所以全部单元具有相同长度。RF源通过一个或多个源(未示出)供电，如本领域中已知的。输入RF耦合器4的单一RF空腔也是线性加速器RF结构的部分。在驻波线性加速器的情况下，输入RF耦合器4通常放置在聚束器5之后和加速器7之前的某个地方，尽管其可沿线性加速器定位在任何地方。在图1的线性加速器中，聚束器5、输入RF耦合器4和加速器区段7一起提供线性加速器的单一RF耦合加速结构。由RF源提供的RF功率根据线性加速器配置及其RF性质而分布在线性加速器空腔间，从而形成用于使带电粒子，如电子，加速的RF场分布。电子束10形成于电子枪11中，所述电子枪可在高压Nx(1,2,3…100)kV范围内操作，从而形成直径小到足以进入聚束器6的电子束10。电子束10在通过聚束器6和加速器区段7的线性加速器空腔的RF场传播时使能量增加。在电子束10离开RF加速结构之后，电子束在线性加速器的真空封壳外侧通过用于电子束应用的真空密封薄箔提取，或者所述电子束撞击重金属靶以产生韧致辐射(X射线)，如本领域中已知的。选举枪11可以是例如二极管或三极管选举枪，如本领域中已知的。电子枪11可由供电至RF源的同一功率供应或另一个功率供应(未示出)供电，也如本领域中已知的。可使用任择的外部磁性系统13，如聚焦螺线管或永久周期磁铁(“PPM”)系统。磁性系统13还可包括转向线圈、弯转磁铁等，用于线性加速器内侧，或在通过电子束窗口或转换靶12的出口处的束定位的校正。外部聚焦系统的使用是不合需要的，因为其增加复杂性和功率消耗，因此增加线性加速器系统的成本。在驻波线性加速器系统中，可避免使用磁性系统13。相反，在行波线性加速器中，在大多数情况下，尤其对于线性加速器的聚束器部分，提供磁性系统13。为了调节具有来自RF源1的单一RF馈入的图1的驻波线性加速器中的能量，线性加速器RF结构中的场幅度可通过变化束负载或通过变化输入功率调节而改变。图2展示性能分析，所述图2是电子束能量与峰值电子束电流(底部轴)以及负载线和剂量率(顶部轴)的图表。图2展示相对于基于束动力学的Parmela模拟的校正负载线(菱形)，第一近似(能量，MeV)中的理论线性加速器负载线(正方形)的改变。没有提供外部磁性聚焦场。图2的图表还展示基于第一线性负载线的对应剂量率曲线(分别表示为X和三角形)(剂量率，1m处的R/min)和对应于基于Parmela计算的负载线的其它剂量率曲线(或函数)(Parmela/剂量)。束动力学对输出辐射束特性的效应很明显。复杂性降低且成本降低的线性加速器通常是优选的。相比于设计没有这种聚焦的行波线性加速器，设计驻波线性加速器以避免使用外部聚焦比较容易。虽然行波线性加速器表现出的一些性质优于驻波线性加速器的那些性质，但是其通常需要聚焦螺线管。行波波导主要行为将类似于上文所述的驻波的那些行为。由于RF功率的常见不足，线性加速器通常被设计来用于接近最大的最佳输出能量，其中剂量率在其最大值处由众所周知的经验比定义如下：P＝70xIxWn，(1)其中：P是在距重金属转换靶1米处的韧致辐射剂量率，以R/min为单位；I是撞击靶的平均电子束电流，以mA为单位；W是电子束能量，以MeV为单位；并且n是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合线性加速器，其包括：带电粒子源，其被配置来提供带电粒子的输入束；驻波线性加速器区段，其被配置来接收所述带电粒子的输入束并且使所述带电粒子加速，所述驻波线性加速器区段提供加速电子的中间束；行波线性加速器区段，其被配置来接收所述加速电子的中间束，并且进一步增加所述加速电子的中间束的动量和能量，所述行波线性加速器区段提供带电粒子的输出束；漂移管，其被配置来提供用于所述中间束从所述驻波线性加速器区段到所述行波线性加速器区段的通道的路径，所述漂移管被配置来使所述驻波线性加速器区段从所述行波线性加速器区段RF去耦以进一步增加所述中间束的所述动量和能量；RF源，其被配置来将RF功率提供到所述行波线性加速器区段；以及波导，其具有耦合到所述行波线性加速器区段的输出的输入和耦合到所述驻波线性加速器区段的输入的输出；其中在所述行波线性加速器区段中的衰减之后剩余的RF功率被馈入到所述驻波线性加速器区段以使所述带电粒子加速。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.11 US 15/068,3551.一种混合线性加速器，其包括：带电粒子源，其被配置来提供带电粒子的输入束；驻波线性加速器区段，其被配置来接收所述带电粒子的输入束并且使所述带电粒子加速，所述驻波线性加速器区段提供加速电子的中间束；行波线性加速器区段，其被配置来接收所述加速电子的中间束，并且进一步增加所述加速电子的中间束的动量和能量，所述行波线性加速器区段提供带电粒子的输出束；漂移管，其被配置来提供用于所述中间束从所述驻波线性加速器区段到所述行波线性加速器区段的通道的路径，所述漂移管被配置来使所述驻波线性加速器区段从所述行波线性加速器区段RF去耦以进一步增加所述中间束的所述动量和能量；RF源，其被配置来将RF功率提供到所述行波线性加速器区段；以及波导，其具有耦合到所述行波线性加速器区段的输出的输入和耦合到所述驻波线性加速器区段的输入的输出；其中在所述行波线性加速器区段中的衰减之后剩余的RF功率被馈入到所述驻波线性加速器区段以使所述带电粒子加速。2.如权利要求1所述的混合线性加速器，其还包括：沿所述波导的开关、移相器、和/或功率调整器，用以改变提供到所述驻波线性加速器区段的所述RF功率的功率和/或相位。3.如权利要求2所述的混合线性加速器，其中移相器、和/或所述功率调整器被配置来提供所述开关，从约0.5MeV到最大线性加速器能量的所述电子的输出束的能量调节。4.如权利要求1所述的混合线性加速器，其中所述驻波线性加速器是以聚束器的形式配置。5.如权利要求1所述的混合线性加速器，其中所述带电粒子源包括电子枪，所述电子枪被配置来提供电子的输入束。6.如权利要求1所述的混合线性加速器，其还包括：第一外部磁性系统，其与所述驻波线性加速器合作；和/或第二外部磁性系统，其与所述行波线性加速器区段合作。7.如权利要求1所述的混合线性加速器，其还包括：介于所述RF源与行波线性加速器之间的第二RF波导，所述第二RF波导被配置来将来自所述RF源的RF功率提供到所述行波线性加速器区段；以及沿所述第二RF波导的高功率循环器，所述高功率循环器用以防止反射RF功率传播回所述RF源；和/或沿所述第一RF波导的低功率循环器，所述低功率循环器用以防止反射RF功率传播回所述行波线性加速器区段。8.如权利要求1所述的混合线性加速器，其还包括以下各项中的至少一个：带电粒子束窗口和用于产生轫致辐射的转换靶。9.一种混合线性加速器，其包括：带电粒子源；驻波线性加速器区段，其被配置来接收所述电子的输入束并且使所述带电粒子加速，所述驻波线性加速器区段提供加速带电粒子的中间束；行波线性加速器区段，其被配置来接收所述加速带电粒子的中间束，并且进一步增加所述加速电子的所述动量和能量，所述行波线性加速器提供带电粒子的输出束；漂移管，其被配置来提供所述驻波线性加速器区段与所述行波线性加速器区段之间的RF去耦，同时还允许所述加速电子的中间束从所述驻波线性加速器区段到所述行波线性加速器区段的运送；RF功率源；以及RF分配器，其被配置来从所述RF功率源接收RF功率并且将所述RF功率分叉成将要提供到所述驻波线性加速器区段的RF功率的第一部分和将要提供到所述行波线性加速器区段的RF功率的第二部分。10.如权利要求9所述的混合线性加速，其还包括：介于所述行波线性加速器区段与所述RF分配器之间的RF开关、RF移相器、和RF功率调整器，所述RF开关、所述RF移相器、和所述RF功率调整器被配置来将未由所述行波线性加速器区段使用的RF功率馈入所述驻波驻波线性加速器区段，且/或改变所述驻波线性加速器与所述行波线性加速器区段之间的相位关系。11.如权利要求10所述的混合线性加速器，其中所述开关、所述移相器、和/或所述功率调整器被配置来提供从约0.5MeV到最大线性加速器能量的能量调节。12.如权利要求9所述的混合线性加速器，其中所述驻...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·米欣，
申请(专利权)人：万睿视影像有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US