包括射束剂量和能量补偿的带电粒子加速器系统及用于其的方法
【专利说明】包括射束剂量和能量补偿的带电粒子加速器系统及用于其 的方法
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求享有于2012年12月3日提交的美国专利申请No. 13/692344的权益， 所述申请被转让给本发明的受让人并通过引用并入本文。
技术领域
[0003] 带电粒子加速器系统和方法，更具体而言，包括用于射束剂量和能量不稳定性的 补偿的带电粒子加速器系统和方法，其方式是调节电源向RF源提供的电力W及调节提供 到加速器的所得RF功率。
【背景技术】
[0004] 福射广泛用于对象（包括人）的探查和福照。探查的范例包括医学成像，货物成 像，工业层析成像和对象的非破坏性测试（NDT)。福照的范例包括食品福照和福射肿瘤学 (radiationoncology)。福射肿瘤学中还使用了加速的带电粒子，例如质子。
[0005] 通常使用射频（"RF")加速器来加速带电粒子并产生福射束，例如X射线。基于 RF加速器的福射源可W工作于脉冲模式中，其中W几微秒长的短脉冲（例如，由静止周期 (dormantperiod)分开）来加速带电粒子。一些应用需要"稳态"福射束，其中福射的每个 脉冲都预期是相同的。其他应用，例如货物成像，可W使用交织的多个能量福射束，例如，如 2008年8月12日提交的美国专利No. 8183801B2中所述，所述专利被转让给本发明的受让 人并通过引用并入本文。
[0006] 图1是配置成产生福射的RF加速器系统10的范例的主要部件的框图。系统10 包括加速器（也称为射束中屯、线（"BCL") 12。RF源14可W是磁控管或速调管，通过RF网 络16向加速器12提供RF功率。RF网络16确保RF源14与加速器12适当禪合，并将RF 源与反射的RF功率W及由加速器导致的频率牵引效应（frequencypullingeffect)相隔 离。RF网络16通常包括循环器和RF负载（未示出）。带电粒子源18向加速器12的谐振 腔（未示出）中注入带电粒子来进行加速。放置诸如鹤的祀20W被加速的带电粒子所撞 击，W通过初致福射效应来产生福射，如现有技术中所知那样。为了产生X射线福射，带电 粒子源可W包括例如二极管或=极管型电子枪。
[0007] RF源14由灯丝加热器（未示出）维持在"准备产生"的RF状况。RF源的外部表 面通常受到温度控制。带电粒子源18还包括灯丝加热器（未示出），从而使粒子源在被请 求时能够随时注入粒子。
[000引 电源22向RF源14和带电粒子源18提供电力。电源22受到控制器24的控制， 控制器24例如是可编程逻辑控制器、微处理器或计算机。在加速器12和RF源14之间提 供自动频率控制器（"AFC") 26W将加速器12的谐振频率与RF源的频率相匹配，如上文所 述的美国专利No. 8183801B2中所述。
[0009] 在操作员向控制器24提供射束开启命令W产生福射束时，例如，控制器24使电源 22能够向RF源14和带电粒子源18供电。可W通过脉冲的形式（每个脉冲达几微秒），W最高达例如每秒几百个脉冲的速率，来提供电力。加速器12从RF源14接收RF功率并根据 加速器的设计在加速器的谐振腔中建立电磁驻波或电磁行波。谐振腔对带电粒子源18注 入的带电粒子进行成束并加速。在本范例中，加速的带电粒子指向祀20。如上所述，加速带 电粒子撞击在祀20上导致通过初致福射效应W对应的福射脉冲长度和速率来产生福射。 在不再需要福射时（射束关闭），电源22被禁用，不向RF源提供脉冲电力。可W从操作员 接收射束关闭命令，或者可W编程控制控制器W在预定一段时间之后结束射束的产生。例 如，在射束开启命令和射束关闭命令之间，射束运行可W持续数秒、数分钟或数小时。当再 次希望产生福射时，再次启用电源，并向RF源提供脉冲电力。也可W直接使用加速带电粒 子，在该种情况下，祀20不是必要的。
[0010] 所产生的福射束稳定性可W从福射束的开头到末尾发生变化。例如，参见化en， Gongyin等人的女曰下文章；"Dual-energyX-rayradiographyforautomatichigh-Z materialdetection"，NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSection B;BeamInteractionswithMaterialsandAtoms261卷，1-2期，2007年8月，356-359 页。图2是基于实际测试结果，关于由可从化li化rnia的化loAlto的VarianMedical Systems,Inc( "Varian")获得的VarianM6Lina化on⑥在300秒内产生的连续福射束 2a的归一化福射剂量与时间关系的曲线图。本范例中的稳态福射束2a包括W每秒几百个 脉冲的速率产生的福射脉冲。每个脉冲可W持续几个微秒。并未示出该些微秒脉冲。在本 范例中，剂量率从福射束的一开始的峰值剂量化下降大约10%，在大约150秒之后，到达更 稳定的剂量率。福射束的能量也可W改变。其他市场上可买到的直线加速器可W显示出类 似于图2所示那些的不稳定性。
[OCm] 可从Varian和其他公司获得的医学应用的一些加速器包括PFN伺服系统，其基于 福射束的弯曲路径上的粒子损失，来调节电源22向RF源14提供的电力。该种基于反馈的 方法需要表示系统状态的高质量信号。由于来回调节提供给RF源的电力，该种基于反馈的 方法可能带来剂量和/或能量的振荡。
【发明内容】
[0012] 尽管可W为很多应用所接受，但剂量和能量的变化可能会对在产生福射束的整个 时间期间（从开始产生福射束起）都需要更稳定的福射剂量和能量的应用结果产生负面影 响。在物体和货物成像中，例如，可靠的材料区分和/或识别需要稳定的X射线射束能量和 剂量输出。对于交织能量福射脉冲的情况，每个脉冲串都需要稳定。由于福射安全问题和 吞吐量的要求，打开X射线束，等待其稳定，然后再扫描物体是不切实际的。在癌症治疗中， 也有严格的福射束质量（和量）要求。
[0013] 在加速器系统中可能存在各种潜在不稳定性源。例如，已经发现，如果RF功率已 经关闭足够长时间，RF源在比其RF开热平衡状态更低的温度处达到RF关热平衡状态。在 开始向RF源提供电力之后，它达到RF开热平衡状态。从RF关热平衡状态快速过渡到RF 开热平衡状态可能导致在第一次打开射束时RF输出功率和/或频率发生变化，导致福射束 能量和剂量输出的变化。
[0014] 不稳定性的另一个潜在源是RF网络，其中RF网络部件（主要是RF循环器）的插 入损耗在热平衡状态之间的相似过渡期间可能会漂移。插入损耗的变化可能导致被发射到 加速器的RF功率的变化。
[0015] 加速器是不稳定性的另一个潜在源，部分因为加速器的谐振频率易受小的温度变 化影响。在加速器受到RF功率加热时，它会膨胀，导致加速器在接近热平衡时，加速器的谐 振频率发生缓慢的频率漂移。在工作的第一分钟或两分钟内该种漂移最为显著。加速器的 谐振频率也响应于环境变化（包括环境温度）而变化。谐振频率的变化可能导致与RF源 和RF网络的频率失配，增大反射的RF功率并削弱加速器之内的电磁场，导致福射束能量的 降低。频率伺服系统或自动频率控制器（"AFC")通常用于跟踪加速器谐振腔的整体频率 漂移。不过，AFC可能不会充分补偿个体腔中的频率漂移。
[0016] 带电粒子源是不稳定性的另一个潜在源。向加速器中注入带电粒子可W冷却带电 粒子源，而一些带电粒子可能被加速器强制返回到带电粒子源中，该可能会加热带电粒子 源。因此，在带电粒子注入的开始处，带电粒子源也经历着热平衡状态之间的过渡。该可能 改变从源拉出的粒子数特性，例如它们的发射特性（给定时间处的位置和矢量速度），该可 能通过加速器中的电磁场来影响成束和加速。
[0017] 2011年6月22日提交的美国专利申请No. 13/134989被转让给本发明的受让人， 并通过引用并入本文，描述了用于在产生福射之前对系统部件预热W减小温度变化效应的 技术。
[0018] 根据本发明的实施例，基于加速器系统的过往性能为带电粒子束或福射束的剂量 和/或能量不稳定性提供补偿。补偿可W基于装运之前在工厂中和/或在现场对系统的测 试。可W基于系统的过往性能，通过调节提供给加速器的RF功率来进行补偿。在一个实施 例中，通过调节控制器向电源提供的控制电压来调节RF功率，电源向RF源提供电力。提供 的补偿量可W在对带电粒子进行加速和/或任选地产生福射束的同时减小，因为在工作期 间，在系统部件接近其射束开启热平衡状态时需要更少的补偿。在每个射束开启时期期间， 补偿可指数形式来减小或W其他速率减小。作为替代，可W提供恒定的补偿。在冷启 动之后要提供的补偿量最大，其中系统状态已经是射束关闭达最够长时间，系统部件可W 到达其射束关闭热平衡状态。典型地，在系统状态已经是射束关闭大约5-10分钟之后变为 射束开启状态被作为冷启动来对待。在冷启动之后后续射束开启时期开始时所提供的补偿 量可W小于最大补偿，因为需要更少补偿。可W通过在后续射束关闭时期期间，在将相应的 在先射束开启时期结束处的补偿水平W指数形式朝向最大值增大，来确定后续射束开启时 期开始处要提供的补偿量。也可其他速率或W恒定速率来增大补偿。可W由电路来提 供补偿或可W由软件基于系统的过往性能来确定补偿。在本发明的实施例中不需要反馈， 尽管如果需要的话，可W根据本发明的实施例来提供除补偿之外的反馈。
[0019] 根据本发明的实施例，公开了一种稳定化射频（"RF")加速器系统，该加速器系统 包括对带电粒子进行加速的RF加速器，禪合到加速器W向加速器中提供RF功率的RF源， W及禪合到加速器W向加速器中注入带电粒子的带电粒子源。电源禪合到RF源W及带电 粒子源W向其提供电力。提供控制器W控制电源的运行。控制器被配置成向电源提供补偿 的控制电压，由电源向RF源提供的电力至少部分基于补偿的控制电压。所述补偿的控制电 压至少部分基于所述系统的过往性能。可W定位祀材料W被加速的带电粒子所撞击，来产 生福射。
[0020] 可W配置控制器W在射束开启时期期间通过将在先的补偿控制电压从第一值减 小到当前补偿控制电压来确定当前的补偿控制电压，并在射束开启时期期间向电源提供当 前补偿控制电压。可W进一步配置控制器W通过将在先补偿控制电压从第一值增大到当前 补偿控制电压而在射束关闭时期期间确定当前补偿控制电压。可W