一种具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器制造技术

本发明专利技术公开了一种具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器，包括碳化硼能量粗调单元、石墨能量精调单元、束流准直器组、运动控制模块、真空模块；碳化硼能量粗调单元实现能量的初级步进调节，提高了束流传输效率；石墨能量精调单元可实现束流能量的连续精准调节；准直器组可对束流发射度进行有效抑制，通过改变孔径实现了发射度的选择；运动控制模块可分别对碳化硼和石墨能量调节单元进行快速运动控制，保证了能量的快速调节；真空模块创造并维持了真空环境。本发明专利技术的降能器可以实现束流能量的高传输效率、快速、连续调节，并且对输出发射度进行有效抑制和选择，保证了良好的治疗用途束流品质。

A energy converter with high transmission efficiency and fast and continuous energy regulation

The invention discloses a high transmission efficiency can rapidly and continuously regulate energy degrader, including boron carbide coarse graphite energy unit, energy adjustment unit, beam collimators, motion control module, vacuum module; the primary step of energy boron carbide energy unit into coarse adjustment, improve the beam the energy transmission efficiency; graphite fine tuning unit can realize the continuous adjustable beam energy; collimators on beam emittance can be effectively suppressed by changing the aperture to achieve emission of selection; motion control module of boron carbide and graphite energy adjusting unit for fast motion control, ensure energy fast adjustment vacuum module; create and maintain the vacuum environment. The energy reduction device of the present invention can realize high transmission efficiency, fast and continuous adjustment of beam energy, effectively suppress and select output emittance, and ensure good therapeutic use, beam quality.

【技术实现步骤摘要】
一种具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器
本专利技术属于质子重离子肿瘤放疗中束流能量调节
，更具体地，涉及一种具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器。
技术介绍
在通常采用回旋加速器作为高能质子束产生源的质子治疗系统中，从回旋加速器中引出的质子束束流能量固定(250MeV)，根据质子的布拉格峰特性可知，质子束束流能量越高，能量释放深度也越深，对应于不同深度的肿瘤细胞，便需要不同能量(70MeV～250MeV)的束流进行治疗。能量降能器可以用于将束流能量按照一定的步长如2.5MeV从250MeV向70MeV变化。目前的降能器都是通过束流与材料物质的相互作用(电离能损)实现能量的降低，然而除了电离过程还有散射过程，这会使得束流发射度明显增加。在治疗过程中，过高的发射度会造成治疗半影的增大，这不利于治疗，并且发射度过大也会使得束流传输过程中束流损失增大。因此，能量选择系统除了降能器之外还必须有束流准直器用来抑制发射度。目前，能量降能器一般采用密度较高且原子序数较低的材料，这样可以减小质子束与降能器材料之间的散射作用，原子序数越低，散射作用越小，传输效率也就越大，降能器传输效率更高。碳化硼平均原子序数较碳低，散射作用更低，作为降能器传输效率更高，但是碳化硼硬度非常高，加工难度高，对于较复杂的结构难于加工。传统的降能器一般有方块叠加式和多楔形两种结构。方块叠加式采用的是一组长度不同的降能材料方块，束流经过不同长度的方块可以得到不同的能量，从而实现能量的调节。这种降能器结构简单，加工容易，并且由于中间没有真空间隙，其发射度增长较小，传输效率更高，在质子治疗早期使用较为广泛。然而，这种降能器无法实现能量的连续调节，并且体积和质量较大，响应较慢，对于需要快速调节的治疗系统控制难度较高。多楔形结构降能器采用的是一对完全对称的多楔形块，通过径向控制两楔形块的距离，从而使得轴向的束流经过的降能器材料厚度改变，从而实现能量的调节。这种降能器可以实现能量的连续调节，并且体积可以做得很小，响应速度快，适用于需要快速响应的肿瘤放疗过程中。然而这种降能器加工难度与精度要求较高，无法应用于性能更优但是硬度更高的材料如B4C。并且，由于楔形齿之间有真空间隙，这使得降能器不够紧凑，因此发射度增长较大，传输效率偏低。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种具有既能保证高传输效率又能快速连续调节能量的降能器方案，在充分考虑现有加工水平的条件下，实现降能器对于束流能量连续可调，并且传输效率得到提升，响应速度更快。并且，本专利技术对于束流的发射度也能实现抑制和可调。本专利技术提供了一种具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器，包括：依次设置在真空环境中的降能模块和发射度抑制模块，与降能模块连接且用于控制所述降能模块运动的运动控制模块，以及用于保证所述降能模块和发射度抑制模块处于真空环境的真空模块；降能模块包括：用于提高能量的传输效率的能量粗调单元和用于实现能量连续调节的能量精调单元。本专利技术是一种具有高传输效率、可快速连续调节的降能器，能量粗调单元采用碳化硼材料可以将能量选择系统的传输效率提高，能量精调单元采用石墨可以实现能量连续调节。碳化硼降能器和石墨降能器一起可以实现束流能量的高传输效率、快速连续调节，降能器在调节能量的同时会带来发射度的增长，三组束流准直器用于对发射度进行抑制，运动控制模块确保实现能量的快速精准调节，真空模块创造并维持了降能器工作的环境。更进一步地，能量粗调单元由N片长度不同的碳化硼方块叠制而成，且沿束流方向碳化硼方块的长度从L1依次递增至LN，L1-LN长度根据阻挡能量决定，长度越长阻挡能量也就越多，阻挡能量步进ΔE时，对应的长度也就步进ΔL。第一片碳化硼方块和第N片碳化硼方块的厚度为1.5*d1，第二片碳化硼方块至第N-1片碳化硼方块的厚度均为d1。碳化硼能量粗调单元由一组长度不一的碳化硼方片叠制而成阶梯状，碳化硼平均原子序数较碳低，并且其密度比石墨高，因此，碳化硼能量粗调单元可以提高整个降能器的传输效率。厚度d1由初始束流发射度与横向尺寸决定；考虑到束流在通过碳化硼过程中束斑尺寸会增大，第一片和最后一片碳化硼方块需要分别增厚50％，即1.5*d1。更进一步地，能量粗调单元中每一层碳化硼B4C方块的厚度大于等于束斑直径。更进一步地，N由粗调能量步进ΔE决定，通常取20～40。更进一步地，能量精调单元由一对多楔形石墨块组成，两楔形块材料、形状、大小完全相同，位置完全对称，同时同速相对运动；每个多楔形石墨块含有n个楔形齿，每个楔形齿的角度为θ，因此径向与轴向传动比为多楔形的结构可以使得降能器更加紧凑，质量较小，可以实现快速响应；通过运动控制模块控制多楔形石墨降能器沿束流方向的重叠厚度，从而实现能量的调节，由于重叠厚度可以通过运动控制模块连续控制，从而多楔形的石墨能量精调单元可以实现能量的连续调节。更进一步地，能量精调单元沿束流方向的厚度调节范围为l0～l；l0为能量精调单元沿束流方向初始重叠厚度，l为能量精调单元沿束流方向的总长，D为束流经过能量粗调单元散射后束斑直径。考虑到束流在通过石墨降能器之前已经通过碳化硼能量粗调单元进行了能量粗调，因此束流横向尺寸已经较大，因此石墨降能器工作时的初始重叠厚度为l0，重叠厚度(阻挡束流的厚度)调节范围为l0～l，对应能量变化为能量步进ΔE。能量较高时由于束流损失较小，因此用石墨能量精调单元降能传输效率已足够高，能量较低时束流损失较大，所以需结合碳化硼能量粗调单元和石墨能量精调单元一起降能才能实现高传输效率和连续调节。若能量调节范围为EH～EL，则在高能段EH～EM时，由于束流损失较少，我们仅使用石墨能量精调单元进行降能；在低能段EM～EL，由于束流损失较多为了提高传输效率，我们使用碳化硼能量粗调单元和石墨能量精调单元一起降能，其中碳化硼降能器每一层能量间隔为ΔE，ΔE之内的连续调节由石墨降能器实现，能量改变ΔE时需碳化硼降能器换层进行降能。更进一步地，能量精调单元中楔形齿在垂直束流输运方向上的长度大于等于束斑尺寸。在本专利技术实施例中，碳化硼能量粗调单元和石墨能量精调单元的材料密度均匀性应较好，这也是降能器材料所需的性能，否则不同方向的束流降能将不一致。更进一步地，发射度抑制模块包括：依次同轴设置且大小孔径均不相同的第一准直器、第二准直器和第三准直器，所述第一准直器用于对经所述能量精调单元发散的束流进行截面尺寸的抑制；所述第二准直器用于阻挡从所述第一个准直器旁边经过的粒子；所述第三准直器用于对束流角度进行抑制，三个束流准直器组合使用实现束流发射度的抑制；其中束流第一准直器和第三准直器上设置有多组孔径大小不同的准直孔，通过不同孔径大小的组合可以使得最终的束流发射度大小不一样，从而实现了发射度的可调。更进一步地，第一准直器采用无氧铜材料，所述第二准直器采用碳材料，所述第三准直器采用无氧铜材料。更进一步地，运动控制模块包括：伺服电机、位移平台、控制器和波纹管；所述伺服电机用于驱动位移平台，所述控制器设置在所述位移平台上且通过所述波纹管与所述降能模块连接。可分别实现碳化硼能量粗调单元和石墨能量精调单元的快速精准运动，从而实现了能量的快速精准调节。更进一步地，真空模块由真本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器，其特征在于，包括：依次设置在真空环境中的降能模块和发射度抑制模块，与所述降能模块连接且用于控制所述降能模块运动的运动控制模块，以及用于保证所述降能模块和所述发射度抑制模块处于真空环境的真空模块；所述降能模块包括：用于提高能量的传输效率的能量粗调单元(1)和用于实现能量连续调节的能量精调单元(2)。

【技术特征摘要】
1.一种具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器，其特征在于，包括：依次设置在真空环境中的降能模块和发射度抑制模块，与所述降能模块连接且用于控制所述降能模块运动的运动控制模块，以及用于保证所述降能模块和所述发射度抑制模块处于真空环境的真空模块；所述降能模块包括：用于提高能量的传输效率的能量粗调单元(1)和用于实现能量连续调节的能量精调单元(2)。2.如权利要求1所述的降能器，其特征在于，所述能量粗调单元(1)由N片长度不同的碳化硼方块叠制而成，且沿束流方向碳化硼方块的长度从L1依次递增至LN，阻挡能量步进ΔE时，碳化硼方块长度也步进ΔL，第一片碳化硼方块和第N片碳化硼方块的厚度为1.5*d1，第二片碳化硼方块至第N-1片碳化硼方块的厚度均为d1。3.如权利要求2所述的降能器，其特征在于，所述能量粗调单元(1)中每一层碳化硼B4C方块的厚度大于等于束斑直径。4.如权利要求2或3所述的降能器，其特征在于，N由粗调能量范围与能量步进ΔE决定，通常取20～40。5.如权利要求1-4任一项所述的降能器，其特征在于，所述能量精调单元(2)由一对多楔形石墨块组成，两楔形块材料、形状、大小完全相同，位置完全对称，同时同速相对运动；每个多楔形石墨块含有n个楔形齿，每个楔形齿的角...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦斌，梁志开，刘开锋，陈炜，刘旭，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42