[发明专利]一种紧凑型质子注入器

说明书

本发明提供一种紧凑型质子注入器，包括依次连接的离子源系统、RFQ和IH‑DTL，所述RFQ和IH‑DTL的工作频率为714MHz，使得RFQ和IH‑DTL的总长度小于3米，且所述IH‑DTL的束流输出能量高于8MeV。本发明的紧凑型质子注入器通过工作频率设置为714MHz，使得IH‑DTL的加速梯度可以提高到9MV/m，而RFQ的加速梯度达到2MV/m，使得RFQ和IH‑DTL的总长度小于3米，从而减小了注入器的体积和重量，缩减了建造成本。

技术领域

本发明属于带电粒子加速器领域，具体涉及一种质子注入器，该注入器用于为质子直线加速器提供高品质的束流，同时也可以作为其他类型质子加速器的注入器。

背景技术

质子加速器是质子治疗装置的关键组成，是为质子治疗提供合适质子束的装置，常见的加速器有三种类型，分别是回旋加速器、同步加速器和直线加速器。三种加速器各有优缺点：回旋加速器的输出能量是固定的，只能通过吸收器来降低能量来满足质子治疗不同的能量需求，同时回旋加速器的输出流强较低；同步加速器的输出能量是主动可调的，通过改变加速器中一些部件的参数来实现，调能响应时间较长，大约在秒量级，并且同步加速器的输出流强也不高；直线加速器不仅输出能量主动可调，而且通过控制微波功率即可实现调能，调能的响应时间极短，在毫秒量级，另外直线加速器可以实现非常高的输出流强。因此直线加速器在质子治疗中具备优势，并且几乎只有直线加速器才能满足新兴的闪疗(高剂量率放疗，FLASH)的需求。目前回旋加速器和同步加速器均有较为成熟的方案和产品，但是直线加速器仍然没有可靠的方案，其重要的原因之一在于缺少合适的低能加速器——即注入器——方案。

质子注入器在整个加速器中非常关键，它的性能在很大程度上决定了整个加速器的性能。在低能下，质子具有速度慢、空间电荷效应强的特点，通过常规的加速器加速会导致束流品质较差，而在经过注入器的加速后，质子能量得到提高，速度大大提升，空间电荷效应也随之减弱，在后续的加速过程中束流品质易于控制。因此注入器的传输效率、输出流强、输出束流的发射度等参数将极大地决定整个加速器的参数。

现有的注入器方案难以应用到直线加速器中。它们一般具有以下特征：工作频率较低，从早期的几十兆赫兹到如今常用的三百多、四百多兆赫兹；体积庞大，重量极大；建造成本高。其中最主要的原因在于，要将束流注入到后续直线加速器中，注入器的频率必须是主加速器的频率的整数分之一，而直线加速器受加速器技术发展和功率源的影响，主要的工作频率为S波段(2856、2998MHz)，因此现有的注入器方案均无法满足直线加速器的注入需求。

现有的质子注入器主要是由离子源、低能传输线、射频四极加速器(RFQ，RadioFrequency Quadruple)、和漂移管直线加速器(DTL，Drifting Tube Linac)组成。在现有的装置中，DTL部分以Alvarez型为主。现有的方案加速器频率主要有：216MHz、325MHz、425MHz等，不是主加速器的频率的整数分之一，这些频率显然无法满足直线加速器的注入需求。

离子源是整个系统的源头，是产生质子的地方。离子源的基本原理是向腔体内通入氢气，通过电离将氢气变为等离子体，然后利用引出高压为相应的粒子提高一定的速度并引出。通常将低能传输段(LEBT)当作整个离子源系统的一部分，其作用是输运束流并调整其参数，使其满足RFQ的注入需求。