一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置及扫描方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，包括：功率源系统、射频结构系统、低电平系统；射频结构系统包括波导结构和射频偏转结构；射频偏转结构具备两个独立且正交的极化方向，对质子束流提供两个独立正交的横向偏转力；低电平系统独立控制两台功率源系统的功率水平，同时独立驱动两个正交极化方向的电磁场，经过所产生的两个正交横向偏转力的矢量叠加，使质子束流发射至待扫描物体的不同位置。本发明专利技术还提供相应扫描方法。本发明专利技术的装置通过具备两个独立正交的极化方向的射频偏转结构，实现任意立体角偏转；且其与低电平系统结合，可利用低电平系统快速改变脉冲微波功率的输出功率水平，实现质子束流任意角度的快速变换。

【技术实现步骤摘要】
一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置及扫描方法
本专利技术属于质子治疗装置中的质子束团扫描
，尤其涉及一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置及扫描方法。
技术介绍
闪疗(FLASH)是当前放射治疗领域最为前沿的技术，要求在100毫秒时间内，将不低于30Gy剂量照射到肿瘤上，即产生不低于300Gy/s的超高剂量率，如此可以在不降低照射剂量对靶标治疗效果的前提下，极大降低照射剂量对正常组织的伤害。质子治疗技术在众多放射治疗手段中具有治疗效果显著和应用范围广特征，是欧美日和我国正在大范围推广的治疗手段，同时也正在积极推进质子闪疗技术的研发。质子束团扫描技术在质子闪疗装置的关键技术，现有的质子束流扫描技术通过两个不同偏转方向的扫描磁铁实现质子束流不同方向的扫描，存在响应时间长，磁滞效应等问题，无法满足闪疗需求。同时，有一些质子治疗装置采用的方式是逐点笔形束扫描，那就意味着两个扫描点之间要停束，因此造成单层扫描时间需要达到秒级，更无法达到基于多层扫描的单个治疗计划的闪疗剂量率目标。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置及扫描方法，以在100毫秒内完成100扫描层的照射，达到闪疗的剂量率目标。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其位于闪疗装置的最下游，包括：功率源系统，其数量为2套，设置为提供脉冲微波功率；射频结构系统，其与2套功率源系统连接，包括依次连接的波导结构和射频偏转结构；射频偏转结构具备两个独立且彼此正交的极化方向，设置为通过2套功率源系统的脉冲微波功率生成两个独立且正交的微波电磁场，并通过微波电磁场对质子束流提供两个独立且正交的横向偏转力，使得质子束流在横向偏转力的作用下偏转一立体角并发射至待扫描物体；以及低电平系统，其数量为2套并分别与2套功率源系统连接，设置为独立控制其对应的功率源系统的脉冲微波功率的功率水平，从而通过改变脉冲微波功率的功率水平来对待扫描物体进行扫描，使得不同的质子束流随时间发射至待扫描物体的不同横向位置。所述射频结构系统的数量为2套，每一套射频结构系统分别包括一组波导结构和一个极化方向固定的射频偏转结构，每个射频偏转结构分别通过波导结构与一套功率源系统相连；2套射频结构系统中的2个射频偏转结构分别为一个水平极化方向的射频偏转结构和一个垂直极化方向的射频偏转结构。所述水平极化方向的射频偏转结构和垂直极化方向的射频偏转结构位于同一轴线上。所述射频结构系统的数量为1套，所述射频结构系统包括两组波导结构、与两组波导结构同时连接的一个极化方向可变的射频偏转结构；所述射频偏转结构为一个同时存在两个独立且彼此正交的极化方向的射频偏转结构。所述功率源系统包括依次连接的微波信号源、固态放大器和速调管，所述低电平系统与所述固态放大器连接；所述微波信号源设置为提供一连续微波信号，所述固态放大器设置为将连续微波信号放大至脉冲微波信号；所述速调管设置为将所述脉冲微波信号转换为脉冲微波功率并输出。所述功率源系统还包括与所述固态放大器直接连接且通过调制器与所述速调管的触发信号源，所述触发信号源设置为输出一时间控制信号，以控制固态放大器和调制器的工作时间。所述微波信号源设置为提供一毫瓦级功率的连续微波信号；所述固态放大器设置为根据所述时间控制信号，将连续微波信号放大至百瓦级功率的脉冲微波信号；调制器设置为根据所述时间控制信号，产生相应的几十千伏的直流高压信号；速调管设置为根据所述直流高压信号将所述脉冲微波信号转换为兆瓦级的脉冲微波功率。所述射频结构系统还包括与所述射频偏转结构连接的高功率负载，所述高功率负载设置为吸收剩余的脉冲微波功率。另一方面，本专利技术提供一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描方法，包括：提供根据上文所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，利用其低电平系统按照预设规则来改变脉冲微波功率的功率水平，以对待扫描物体进行扫描，使得不同的质子束流随时间发射至待扫描物体的不同横向位置；所述功率源系统包括第一功率源系统和第二功率源系统，按照预设规则改变脉冲微波功率的功率水平，包括：S1：控制第一功率源系统的功率水平不变并沿第一方向连续切换第二功率源系统的功率水平；S2：在控制第二功率源系统的功率水平不变的情况下使第一功率源系统的功率水平步进一次；S3：控制第一功率源系统的功率水平不变并沿第一方向的相反方向连续切换第二功率源系统的功率水平，随后重复步骤S2；S4：重复步骤S1-步骤S3，直到完成单层扫描。在步骤S1之前，还包括步骤S0：收到扫描开始指令，则在完成准备工作后进行步骤S1；且所述步骤S4还包括：完成单层扫描后，等待下一层的扫描开始指令。本专利技术通过极化方向可变的射频偏转结构，使得作用在质子束团上的两个横向矢量作用力的独立可调；并采用基于射频偏转结构和低电平系统的扫描技术，使质子束扫描的响应时间与低电平系统的响应时间相关联，当需要水平方向偏转时，则由低电平系统独立控制水平方向的功率输出水平，当需要垂直方向偏转时，则由低电平系统独立控制垂直方向的功率输出水平，可以实现质子束超快扫描；低电平控制系统的响应时间由电子学技术实现，响应时间快，因此在该技术方案下单层扫描的时间将比传统扫描方式完成更快，同样完成单次治疗的时间也将大大缩短，能够实现闪疗(FLASH)的技术目标。附图说明图1是根据本专利技术的第一个实施例的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置的系统结构示意图。图2和图3分别为沿图1中的A-A线和B-B线的剖视图，其示出了基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置的射频偏转结构的侧视效果，其中，图2示出了水平极化平面的射频偏转结构，图3示出了垂直极化平面的射频偏转结构。图4是本专利技术的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置的分配效果示意图。图5是根据本专利技术的第二个实施例的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置的系统结构示意图。图6是沿图4中的C-C线的剖视图，其示出了基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置的射频偏转结构的侧视效果。具体实施方式下面结合附图，给出本专利技术的实施例，并予以详细描述。如图1所示为根据本专利技术的第一个实施例的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其位于一闪疗装置的最下游，包括：功率源系统，以及与所述功率源系统连接的射频结构系统和低电平系统31。其中，低电平系统31通过电缆与所述功率源系统连接。所述功率源系统的数量为2套，其设置为提供脉冲微波功率。每个功率源系统分别对应于一个极化方向，并具体包括：依次连接的微波信号源11、固态放大器12和速调管15，以及与所述固态放大器12直接连接且通过调制器14与所述速调管15的触发信号源13。其中，微波信号源11设置为提供一毫瓦级功率的连续微波信号；触发信号源13设置为输出一时间控制信号，以控制固态放大器12和调制器14的工作时间；固态放大器12设置为根据所述时间控制信号，将连续微波信号放大至百瓦本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其位于闪疗装置的最下游，其特征在于，包括：/n功率源系统，其数量为2套，设置为提供脉冲微波功率；/n射频结构系统，其与2套功率源系统连接，包括依次连接的波导结构和射频偏转结构；射频偏转结构具备两个独立且彼此正交的极化方向，设置为通过2套功率源系统的脉冲微波功率生成两个独立且正交的微波电磁场，并通过微波电磁场对质子束流提供两个独立且正交的横向偏转力，使得质子束流在横向偏转力的作用下偏转一立体角并发射至待扫描物体；以及/n低电平系统，其数量为2套并分别与2套功率源系统连接，设置为独立控制其对应的功率源系统的脉冲微波功率的功率水平，从而通过改变脉冲微波功率的功率水平来对待扫描物体进行扫描，使得不同的质子束流随时间发射至待扫描物体的不同横向位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其位于闪疗装置的最下游，其特征在于，包括：
功率源系统，其数量为2套，设置为提供脉冲微波功率；
射频结构系统，其与2套功率源系统连接，包括依次连接的波导结构和射频偏转结构；射频偏转结构具备两个独立且彼此正交的极化方向，设置为通过2套功率源系统的脉冲微波功率生成两个独立且正交的微波电磁场，并通过微波电磁场对质子束流提供两个独立且正交的横向偏转力，使得质子束流在横向偏转力的作用下偏转一立体角并发射至待扫描物体；以及
低电平系统，其数量为2套并分别与2套功率源系统连接，设置为独立控制其对应的功率源系统的脉冲微波功率的功率水平，从而通过改变脉冲微波功率的功率水平来对待扫描物体进行扫描，使得不同的质子束流随时间发射至待扫描物体的不同横向位置。


2.根据权利要求1所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其特征在于，所述射频结构系统的数量为2套，每一套射频结构系统分别包括一组波导结构和一个极化方向固定的射频偏转结构，每个射频偏转结构分别通过波导结构与一套功率源系统相连；2套射频结构系统中的2个射频偏转结构分别为一个水平极化方向的射频偏转结构和一个垂直极化方向的射频偏转结构。


3.根据权利要求2所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其特征在于，所述水平极化方向的射频偏转结构和垂直极化方向的射频偏转结构位于同一轴线上。


4.根据权利要求2所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其特征在于，所述射频结构系统的数量为1套，所述射频结构系统包括两组波导结构、与两组波导结构同时连接的一个极化方向可变的射频偏转结构；所述射频偏转结构为一个同时存在两个独立且彼此正交的极化方向的射频偏转结构。


5.根据权利要求1所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其特征在于，所述功率源系统包括依次连接的微波信号源、固态放大器和速调管，所述低电平系统与所述固态放大器连接；所述微波信号源设置为提供一连续微波信号，所述固态放大器设置为将连续微波信号放大至脉冲微波信号；所述速调管设置为将所述脉冲微波信号转换为脉冲微波功率并输出。

【专利技术属性】
技术研发人员：方文程，赵振堂，谭建豪，黄晓霞，肖诚成，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31