一种具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710035426.4 (22)申请日 2017.01.17 (71)申请人 华中科技大学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 秦斌梁志开刘开锋陈炜 刘旭 (74)专利代理机构 华中科技大学专利中心 42201 代理人 廖盈春 (51)Int.Cl. A61N 5/10(2006.01) (54)发明名称 一种具有高传输效率可快速连续调节能量 的降能器 (57)摘要 本发明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。

2、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。 权利要求书1页 说明书7页 附图3页 CN 1069。

3、02476 A 2017.06.30 CN 106902476 A 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， 。

4、阻挡能量步进E 时， 碳化硼方块长度也步进L， 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E决定， 通常取2040。 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。

5、， 每个楔形齿的角度为， 径向与轴向传动比为 6.如权利要求5所述的降能器， 其特征在于， 所述能量精调单元(2)沿束流方向的厚度 调节范围为l0l； l0为能量精调单元(2)沿束流方向初始重叠厚度，l为能量精调单元(2) 沿束流方向的总长， D为束流经过能量粗调单元(1)散射后束斑直径。 7.如权利要求5所述的降能器， 其特征在于， 所述能量精调单元(2)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。 8.如权利要求1-7任一项所述的降能器， 其特征在于， 所述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(3)、 第二准直器(4)和第三准直器(5)， 所述第 一。

6、准直器(3)用于对经所述能量精调单元(2)发散的束流进行截面尺寸的抑制； 所述第二准 直器(4)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(5)用于对束流角 度进行抑制。 9.如权利要求8所述的降能器， 其特征在于， 所述第一准直器(3)采用无氧铜材料， 所述 第二准直器(4)采用碳材料， 所述第三准直器(5)采用无氧铜材料。 10.如权利要求1-9任一项所述的降能器， 其特征在于， 所述运动控制模块包括： 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， 通过所述波纹管与所述降能模块连接。 权利要求书 1/1 页 。

7、2 CN 106902476 A 2 一种具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器 技术领域 0001 本发明属于质子重离子肿瘤放疗中束流能量调节技术领域， 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。 背景技术 0002 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。

8、向70MeV变化。 0003 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。 0004 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。

9、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。 0005 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。 0006 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 。

10、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。 发明内容 0007 针对现有技术的缺陷， 本发明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，。

11、 响应速度更快。 并且， 本发明对于束流的发射度 也能实现抑制和可调。 0008 本发明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 说明书 1/7 页 3 CN 106902476 A 3 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。 本发明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，。

12、 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。 0009 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E时， 对应的长度也就步进L。 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。

13、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。 0010 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。 0011 更进一步地， N由粗调能量步进E决定， 通常取2040。 0012 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。

14、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 ， 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。 0013 更进一步地， 能量精调单元沿束流方向的厚度调节范围为l0l； 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。

15、。 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l0l， 对应能量变化为能量步进 E。 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EHEL， 则在高能段EHEM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EMEL， 由于束流损失较多为了 提高传输效率， 我们使用。

16、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E， E之内的连续调节由石墨降能器实现， 能量改变E时需碳 化硼降能器换层进行降能。 说明书 2/7 页 4 CN 106902476 A 4 0014 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。 0015 在本发明实施例中， 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。 0016 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。

17、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。 0017 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。 0018 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。

18、， 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。 0019 更进一步地， 真空模块由真空泵、 真空管道、 真空计等组成， 可创造并维持束流输 运所需的真空环境， 碳化硼能量粗调单元、 石墨能量精调单元、 束流第一准直器、 束流第二 准直器、 束流第三准直器都应该布置在真空室中。 0020 通过本发明所构思的以上技术方案， 与现有技术相比， 本发明具有如下技术优点： 0021 (1)本发明使用的降能器分为能量粗调和精调两级结构， 实现了束流连续精细调 节。 0022 (2)本。

19、发明使用的降能器为碳化硼和碳组合的形式， 既避开了碳化硼难加工这一 技术难题， 也较目前的碳材料降能器大大提升了降能器的传输效率。 0023 (3)本发明将降能器拆分为两部分， 每一部分独立控制， 减小了体积和重量， 使得 响应速度更快， 提升了肿瘤治疗的速度。 0024 (4)本发明的降能器方案具有快速调节、 精准定位的特点。 0025 (5)本发明采用含有多个不同孔径准直孔的准直器组合的形式抑制发射度， 使得 发射度在线可调。 附图说明 0026 图1为根据本发明实施例的具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器方案布 局图； 0027 图2为根据本发明实施例的碳化硼能量粗调单元结构示意图；。

20、 0028 图3为根据本发明实施例的石墨能量精调单元结构示意图； 0029 图4为根据本发明实施例的碳化硼和石墨材料出射束流能量随阻挡厚度变化曲线 图； 0030 图5为根据本发明实施例的发射度准直器原理图与阻挡束流极限轨迹示意图。 说明书 3/7 页 5 CN 106902476 A 5 具体实施方式 0031 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例， 对 本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并 不用于限定本发明。 0032 本发明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： 高传输 效率连续调。

21、节降能模块、 发射度抑制模块、 运动控制模块、 真空模块。 其中， 高传输效率连续 调节降能模块分为两个部分， 首先是一组长度不同的碳化硼(B4C)方块叠制而成的能量粗 调单元， 然后是由一对多楔形的碳块组成能量精调单元。 0033 降能器能量粗调单元采用的是碳化硼， 这结合了当前的机械加工水平， 碳化硼硬 度极高， 因此加工难度很高， 而方块组合式降能器由许多长度不同的方块组成， 不需特殊加 工， 可适用于硬度极高的碳化硼材料。 而碳化硼材料原子序数比碳更低， 密度较碳更高， 因 此束流经过碳化硼的散射作用比碳更小， 传输效率可以得到提升。 0034 降能器能量精调单元采用的是石墨， 由于肿。

22、瘤细胞位置各不相同， 肿瘤组织形状 也千差万别， 因此治疗肿瘤的束流能量也需要实现更精细的变化， 从而消灭不同位置的肿 瘤细胞。 能量精调单元降能器的结构是双楔形， 这对于加工性能极差的碳化硼材料不太可 能， 因此我们采用碳材料， 而碳也是目前降能器使用最为广泛的材料。 由于能量精调单元只 需要实现在粗调部分的步进能量间连续可调即可， 因此该部分尺寸很小， 束流经过的路径 也很小， 因此对于束流的传输效率影响也不大。 0035 本发明所采用的降能器分为了粗调和精调两个单元， 从束流品质而言， 由于采用 了碳化硼材料而使得束流传输效率得到了提升， 并且能量也能实现连续可调。 同时， 由于将 降能。

23、器分拆为两个部分， 每一部分的体积较现有的技术方案都会有所下降， 因此响应速度 得到了提升， 这对于当前肿瘤治疗快速扫描的要求也是有利的。 0036 发射度抑制模块包括三个大小、 孔径均不相同的准直器， 由于束流经过降能器降 低能量的同时发射度也会急剧增加， 因此需要准直器对束流发射度进行抑制。 第一个准直 器紧挨着精调部分的降能器， 采用无氧铜材料， 它的作用是对发散的束流进行截面尺寸的 抑制； 第二个准直器紧挨着第一个准直器， 采用碳材料， 它的作用是阻挡从第一个准直器旁 边经过的粒子； 第三个准直器在距离第一个准直器较远的位置， 采用无氧铜材料， 它的作用 是对束流角度进行抑制。 采用三。

24、个离散的准直器对束流发射度进行抑制， 一方面减小了准 直器的体积， 同时也可以实现发射度的在线调节。 通过改变准直器的孔径和相互距离， 从而 改变最终的束流发射度。 0037 运动控制模块由高速伺服电机、 高精度位移平台、 控制器、 波纹管及其他机电部件 组成， 伺服电机驱动高精密位移平台， 通过波纹管连接， 在保证真空不破坏的情况下将运动 传递给降能器， 可分别对降能器能量粗调单元和降能器能量精调单元进行快速精确的运 动。 0038 真空模块由真空泵、 真空计、 真空管道等组成， 它创造并维持束流输运所需的真空 环境(真空度范围为10-3-10-4Pa)， 减小了束流在输运过程中产生不必要的。

25、损失。 0039 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例， 对 本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并 说明书 4/7 页 6 CN 106902476 A 6 不用于限定本发明。 0040 图1示出了本发明的一个实施例的结构示意图， 一种具有高传输效率可快速连续 调节能量的降能器方案包括： 能量粗调单元1、 能量精调单元2、 第一准直器3、 第二准直器4、 第三准直器5、 运动控制模块6、 真空模块7。 沿束流输运方向的位置关系首先是能量粗调单 元1， 之后紧挨着能量精调单元2， 然后紧挨着的是第一准直器3， 。

26、之后紧挨着的是第二准直 器4， 最后距离较远处的是第三准直器5， 能量粗调单元1、 能量精调单元2、 第一准直器3、 第 二准直器4、 第三准直器5的中心位置都在同一轴线上， 其中能量粗调单元1和能量精调单元 2分别由运动控制模块6单独控制， 降能器系统的外围由真空模块7所包围形成并维持束流 输运所需的真空环境。 0041 质子束经过碳化硼方块能量粗调单元实现能量初步粗调， 然后经过石墨楔形能量 精调单元实现能量精细调节， 此时的束流发射度较大， 需要经过三个准直器进行发射度抑 制， 运动控制模块实现降能器快速且精确运动， 真空模块创造并维持束流运输所需的真空 环境。 在这个降能器方案中， 对。

27、于束流能量、 发射度的调节， 都是以降低传输效率为代价的， 即束流损失发生在每一个环节中。 而评价一个降能器及其能量选择系统性能的好坏的一个 重要指标就是， 在获得同等束流品质的条件下， 束流传输效率的高低如何。 0042 在本发明实施例中， 初始束流参数是能量为250MeV， 流强为500nA， 发射度为5 mmmrad， 半高宽能散度为0.5。 由于进入能量精调单元2的束流具有一定的尺寸， 能量精 调单元2楔形齿在垂直束流输运方向上的长度不能比束斑尺寸小， 否则束流经过能量精调 单元2时不同位置的粒子所受到的阻挡距离不均匀， 这也就说明能量精调单元2不能从0mm 开始阻挡束流， 束流能量变。

28、化范围一般是238MeV70MeV， 而不是250MeV70MeV。 同理， 对 于能量粗调单元1， 每一层碳化硼(B4C)方块的厚度不能小于束斑直径， 由于能量粗调单元1 采用的是多层结构， 为了减小体积， 将能量粗调单元1放在能量精调单元2的上游， 这是因为 束流经过能量精调单元2之后束斑尺寸会变大。 0043 在本发明实施例中， 束流降能越多， 束流发射度增长越多， 束流传输效率也就越 低。 束流传输效率过低， 束流流强就越低， 从而治疗时剂量率就会越低， 治疗时间就会越长， 这不符合肿瘤快速治疗的目的， 一般束流流强为0.55nA。 因此， 提高传输效率主要关心的 是低能量下的束流流强。

29、是否满足要求， 对于高能量段， 使用碳作为降能器材料时其传输效 率便已符合要求。 因此， 在本发明实施例中， 束流能量在238MeV220MeV时仅使用能量精调 单元2即可， 束流能量为220MeV70MeV时采用能量粗调单元1和能量精调单元2配合降能， 粗调时以5MeV为每一层的降能能量间隔， 精调时在E之间进行连续调节。 0044 在本发明实施例中， 如图2所示， 能量粗调单元1由N片长度不同的碳化硼(B4C)方 块叠制而成， N由粗调能量步进E决定， 通常取2040， 沿束流方向的长度从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E时。

30、， 对应的 长度也就步进L(对应关系如图4可知)。 为了减小该部分降能器的体积， 每一片的碳化硼 (B4C)厚度d1需尽量小， 但是该厚度不能小于束流截面直径， 一般取等于或稍大于束流截面 直径即可。 因此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， 因此第一片和最后一片碳化硼方块需要分别增厚50， 即1.5*d1。 相邻每一 片碳化硼阻挡长度对应的阻挡能量相差E， E之内的连续降能由能量精调单元2实现。 束 流能量在238MeV220MeV范围内时， 束流降能较少， 传输效率本身足够高， 因此可以仅使用 说明书 5/7 页 7 CN 106902476。

31、 A 7 能量精调单元2进行连续调节； 当束流能量需要降至220MeV以下时， 由于降能较多， 束流散 射程度增大， 束流发射度增长较大， 因此束流传输效率较低， 此时采用能量粗调单元1和能 量精调单元2一起调节， 传输效率可以得到一定程度的提升。 这样便可以实现238MeV 70MeV之间进行连续调节， 并且传输效率也能达到提升。 0045 在本发明实施例中， 如图3所示， 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(本实施例中n2.5)， 每个楔形齿的角度为 ， 因此径向与轴向(束流。

32、输运方向)传 动比为束流经过能量粗调单元1散射之后束斑直径为D， 则能量精调单元2沿束流 方向初始重叠厚度为能量精调单元2沿束流方向的总长为l， 因此能量精调单 元2沿束流方向的厚度调节范围为l0l(本实施例中为4050mm)， 以实现步进能量E内 的连续调节。 0046 在本发明实施例中， 对于1.88g/cm3石墨材料， 其出射束流能量随碳阻挡厚度变化 规律如图4所示， 该曲线说明束流能量与碳厚度关系并不是线性的， 束流能量较高时束流能 量改变较慢， 这决定了楔形降能器的位置精度要求。 当位置精度为30 m时， 能量误差为 0.020.18。 图4同时展示了出射束流能量随碳化硼阻挡厚度变化。

33、规律， 可以看出碳化 硼降能速率更大。 0047 在本发明实施例中， 发射度限制采用3个孔径不同、 长度不同的光阑对束流尺寸和 角度进行选择。 束流第一准直器3采用无氧铜材料， 主要作用是对束流外径尺寸有较好的限 制作用； 束流第二准直器4采用石墨材料， 主要作用是对于从束流第一准直器3外围穿过的 粒子有较好的阻挡作用； 束流第三准直器5采用无氧铜材料， 与束流第二准直器4之间距离 较远， 主要作用是对束流角度有较好的限制作用。 可见， 束流第一准直器3和5分别对于束流 的尺寸和角度有较好的限制作用， 因此它们的孔径和距离也就决定了最终束流发射度的大 小。 如图3所示， 光阑对于束流发射度的限。

34、制取决于入射孔半径r1、 出射孔半径r2以及光阑 长度L， 最终束流发射度由于能量选择系统要求所得束流孔径尺寸较小， 发射度较 小， 所需要的长度L要求较长， 因此发射度准直模块采用一组间隔的光阑进行发射度抑制。 这里， 入射孔径r1对应第一准直器3的孔半径， 出射孔径r2对应第三准直器5的孔半径， 光阑 长度L对应第一准直器3和5之间的距离。 在实际肿瘤治疗中， 可供选择的发射度是必须的， 因此， 第一准直器3和5上分别加工有一系列不同大小的孔径， 对不同的孔径进行组合即可 得到不同的发射度， 从而实现了发射度的可选。 0048 在本发明实施例中， 运动控制模块6包括： 高速伺服电机、 高精。

35、度位移平台、 控制器 和波纹管， 分别对能量粗调单元1和精调单元2进行快速且精准的运动控制。 高速伺服电机 旋转带动高精度位移平台运动， 将圆周运动转化为直线运动， 高精度位移平台通过波纹管 连接降能器， 保证了运动传递到降能器的同时保持真空不被破坏， 而控制器则能实现运动 位置的精准控制， 从而也实现了束流能量的精准控制。 两级降能器粗调和精调单元分别独 立控制， 这使得控制对象的重量得到减轻， 控制的响应时间得到了缩短， 实现了快速调节的 目的。 这使得能量能在50ms内平均改变2.5MeV(束流经过5mm水透射深度的能量损失)。 通常 238MeV70MeV质子束可以达到人体常见肿瘤的最。

36、大和最小深度， 肿瘤治疗时将肿瘤组织 说明书 6/7 页 8 CN 106902476 A 8 按照深度划分为若干层， 每一层的距离对应的束流能量变化2.5MeV(对于更精细治疗， 束流 能量间隔更低)。 为了实现快速治疗的效果， 每一层扫描治疗结束后应在50ms内换至另一 层， 这也就要求降能器及能量选择系统要在50ms内实现2.5MeV的能量变化， 本降能器方案 中的运动控制模块6即可满足这一要求。 0049 在本发明实施例中， 真空模块7由真空泵、 真空管道、 真空计等组成， 可创造并维持 束流输运所需的真空环境， 碳化硼能量粗调单元1、 石墨能量精调单元2、 束流第一准直器3、 束流第。

37、二准直器4、 束流第三准直器5都应该布置在真空室中。 0050 在本发明实施例中， 给定初始质子束流能量E250MeV， 半高宽能散度 E/E 0.5， 发射度5 mmmrad， 束斑半径r1.49mm(1sigma)时， 根据Geant4软件的计算结果可 得， 碳化硼与石墨组合的降能器的发射度明显低于传统的石墨降能器， 下降幅度约为15 左右； 由碳化硼与石墨组合的降能器的传输效率明显高于传统的石墨降能器， 上升幅度约 为25左右。 0051 以上， 对于本发明根据其实施方式进行了具体的说明， 但本发明并不限定于上述 实施方式， 凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等，。

38、 均应包含在 本发明的保护范围之内。 0052 本发明中的束流的能量选择系统并不限定于质子束， 也可为碳离子等其他重离子 束流等。 并且本发明中的能量选择系统并不限定于质子治疗医学设备， 也可为其他研究中 束流能量参数使用。 0053 本领域的技术人员容易理解， 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以 限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含 在本发明的保护范围之内。 说明书 7/7 页 9 CN 106902476 A 9 图1 图2 说明书附图 1/3 页 10 CN 106902476 A 10 图3 图4 说明书附图 2/3 页 11 CN 106902476 A 11 图5 说明书附图 3/3 页 12 CN 106902476 A 12 。