存在非常高的磁场的情况下失去其超导性能。高性能的超导导线绕组用来实现非常高的磁场。
[0077]超导材料通常需要冷却至低温以实现其超导性能。在本文所述的某些示例中，低温冷却器用来使超导线圈绕组达到接近绝对零度的温度。使用低温冷却器可以降低复杂性和成本。
[0078]同步回旋加速器支撑在台架上，使得束与患者并排地直接产生。台架允许回旋加速器围绕含有在患者内或在患者附近的点(等角点540)的水平旋转轴线旋转。平行于旋转轴线的分裂桁架在两侧上支撑回旋加速器。
[0079]由于台架的旋转范围是有限的，所以患者支撑区域可以容纳在围绕等角点的宽广区域中。由于地板可以大致围绕等角点延伸，所以患者支撑台可以定位成相对于穿过等角点的垂直轴线542移动并绕其旋转，使得通过台架旋转与台运动及旋转的组合，可以实现到患者的任何部分中的束引导的任何角度。两个台架臂隔开了高个子患者身高的两倍以上，从而允许带有患者的床在被抬高的地板上方的水平平面中旋转及平移。
[0080]限制台架旋转角度允许减小环绕治疗室的至少一个壁的厚度。通常由混凝土构成的厚壁向治疗室外的个人提供辐射保护。停止质子束的下游的壁可以是在该室的相对端部的壁的约两倍厚，以提供等同水平的保护。限制台架旋转的范围使得治疗室能够在三侧上位于地平面之下，同时允许所占用的区域相邻于最薄壁，从而降低构造治疗室的成本。
[0081]在图1所示的示例性实施方式中，超导同步回旋加速器502在8.8特斯拉的同步回旋加速器的极隙中以峰值磁场操作。同步回旋加速器产生具有250MeV的能量的质子束。在其它实施方式中，场强度可以在4至20特斯拉或6至20特斯拉的范围内，且质子能量可以在150至300MeV的范围内。
[0082]在此示例中所述的辐射治疗系统用于质子辐射治疗，但相同的原理和细节可应用于在重离子(离子)治疗系统中使用的类似系统中。
[0083]如图2、3、4、5和6所示，示例性同步回旋加速器10(例如图1中的502)包括磁体系统12，该磁体系统包含粒子源90、射频驱动系统91、以及束提取系统38。由磁体系统建立的磁场具有的形状适于通过使用一对分裂环形超导线圈40、42与一对成形的铁磁(例如，低碳钢)极面44、46的组合来维持所含的质子束的聚焦。
[0084]两个超导磁体线圈定心于共同轴线47上，并且沿着该轴线间隔开。如图7和8所示，线圈由以绞合的通道中电缆的导体几何形状布置的基于Nb3Sn的超导0.8mm直径股线48 (其最初包括由铜包皮围绕的铌锡芯)形成。在七个单独股线在一起拧成电缆之后，它们被加热以促使发生形成导线的最终(脆性)超导材料的反应。在材料已经发生反应之后，将导线焊接到铜通道(外尺寸3.18X2.54mm，内尺寸2.08X2.08mm)中并且覆盖有绝缘物52 (在该示例中是编织的玻璃纤维材料)。然后，将包括导线53的铜通道卷绕在线圈中，该线圈具有8.55cmX 19.02cm的矩形横截面，具有26层以及每层49转。然后，卷绕的线圈采用环氧化合物真空浸渍。将成品线圈安装在环形不锈钢反向线圈架56上。将加热器毯55间隔地放置在绕组层中，以在磁体淬火的情况下保护组件。
[0085]然后，可用铜片覆盖整个线圈，以提供热导率及机械稳定性，且然后包含在额外的环氧层中。可以通过加热不锈钢反向线圈架并且将线圈装配在该反向线圈架内来提供线圈的预压缩。反向线圈架内径被选择成使得当整个物块冷却到4K时，反向线圈架保持与线圈接触并且提供一些压缩。将不锈钢反向线圈架加热至约50摄氏度并且在100开氏度的温度下装配线圈可实现此。
[0086]通过将线圈安装在反向矩形线圈架56中以施加对抗在线圈通电时所产生的扭曲力的恢复力60来维持线圈的几何形状。如图5所示，通过使用一组暖至冷的支撑条带402、404,406来相对于磁轭及低温恒温器维持线圈位置。采用薄条带支撑冷物块减少由刚性支撑系统传递至冷物块的热泄漏。所述条带布置成随着磁体在台架上旋转而承受线圈上变化的重力。它们承受重力与在线圈相对于磁轭从完全对称的位置被扰动时由该线圈所实现的大的离心力的联合作用。另外，链路用于减小随着台架在其位置改变时加速和减速而赋予在线圈上的动态力。每个暖至冷的支撑件包括一个S2玻璃纤维链路和一个碳纤维链路。碳纤维链路支撑跨越在暖轭与中间温度(50至70K)之间的销，并且S2玻璃纤维链路408支撑跨越中间温度销以及连接至冷物块的销。每个链路是5cm长(销中心至销中心)、17_宽。链路厚度是9_。每个销由高强度不锈钢制成，直径是40_。
[0087]参照图3，作为半径函数的场强度曲线很大程度上是通过选择线圈几何形状和极面形状来确定的；可渗透轭材料的极面44、46可以被成形为微调磁场的形状，以确保粒子束在加速期间保持聚焦。
[0088]通过将线圈组件(线圈和线圈架)包围在抽空的环形铝或不锈钢低温恒温室70内来将超导线圈维持在接近绝对零度(例如约4开氏度)的温度，该低温恒温室提供围绕线圈结构的自由空间，除了在一组有限支撑点71、73之外。在替代版本(图4)中，低温恒温器的外壁可以由低碳钢制成，以向磁场提供额外的返回磁通路径。
[0089]在某些实施方式中，通过使用一个单级Gifford-McMahon低温冷却器和三个双级Gifford-McMahon低温冷却器来实现并维持接近绝对零度的温度。每个双级低温冷却器具有连接至将氦蒸汽再冷凝成液态氦的冷凝器的第二级冷端。采用来自压缩器的经压缩的氦供给低温冷却器头部。单级Gifford-McMahon低温冷却器布置成冷却将电流供给至超导绕组的高温(例如50-70开氏度)引线。
[0090]在某些实施方式中，通过使用布置在线圈组件上不同位置的两个Gifford-McMahon低温冷却器72、74来实现并维持接近绝对零度的温度。每个低温冷却器具有与线圈组件接触的冷端76。采用来自压缩器80的经压缩的氦供给低温冷却器头部78。两个其它Gifford-McMahon低温冷却器77、79布置成冷却将电流供给至超导绕组的高温(例如60-80开氏度)引线。
[0091]线圈组件和低温恒温室安装在药盒形状的磁轭82的两个半体81、83内并且由它们完全包围。在该示例中，线圈组件的内径是约74.6cm。铁轭为返回磁场通量84提供路径，并且磁屏蔽极面44、46之间的体积86，以防止外部磁影响扰动该体积内的磁场的形状。轭还用于减小加速器附近的杂散磁场。在一些实施方式中，同步回旋加速器可以具有主动返回系统来减少杂散磁场。主动返回系统的示例描述在2013年5月31日提交的美国专利申请第13/907601号中，其内容在此通过引用并入本文。在该主动返回系统中，本文中所描述的比较大的磁轭由更小的磁结构(称为磁极片)代替。超导线圈运行与本文所述的主线圈相反的电流，以提供磁返回且从而减小杂散磁场。
[0092]如图3和9所示，同步回旋加速器包括位于磁体结构82的几何中心92附近的潘宁离子真空计几何形状的粒子源90。粒子源可以如下文所述，或者粒子源可以是在通过引用并入本文的美国专利申请第11/948662号中所述的类型。
[0093]粒子源90透过传送气态氢的气体管路101和管194从氢供给99被提供。电缆94携载来自电流源95的电流，以刺激从与磁场200对准的阴极192、190电子放电。
[0094]在一些实施方式中，气体管101中的气体可以包括氢和一种或多种其它气体的混合物。例如，该混合物可以包含氢和一种或多种惰性气体，例如氦、氖、氩、氪、氙和/或氡(虽然混合物并不限于与惰性气体一起使用)。在一些实施方式中，混合物可以是氢和氦的混合物。例如，混合物可以包含约75%或更多的氢和约25%或更少的氦(包括可能的微量气体)。在另一示例中，混合物可以包含约90 %或更多的氢和约10 %或更少的氦(包括可能的微量气体)。在示例中，氢/氦混合物可以是以下任何一种:>95%/〈5%、>90%/〈10%、>85% /<15%, >80% /<20%, >75% /〈20%等。
[0095]在粒子源中使用惰性(或其他)气体与氢的组合的可能的优点可以包括:增加的束强度、增加的阴极寿命、以及增加的束输出的一致性。
[0096]在该示例中，放电电子电离通过小孔从管194排出的气体，以创建正离子(质子)的供给，用于由跨越由磁体结构所包围的空间的一半的一个半圆形(D形状的)射频板100和一个虚拟D形板102加速。在中断粒子源(该示例描述在美国专利申请第11/948662号中)的情况下，含有等离子体的管的全部(或大致一部分)在加速区域移除，从而允许离子在相对高的磁场中得到更迅速地加速。
[0097]如图10所示，D形板100是具有包围空间107的两个半圆形表面103、105的空心金属结构，其中质子在围绕由磁体结构所包围的空间的旋转的一半过程中得到加速。打开到空间107中的导管109延伸穿过轭至外部位置，真空泵111可从该外部位置连接来抽空空间107以及其中发生加速的真空室119内的其余空间。虚拟D形件102包括在D形板的曝露边附近间隔开的矩形金属环。将虚拟D形件接地至真空室和磁轭。通过在射频传输线的端部施加的射频信号驱动D形板100，以在空间107中赋予电场。随着加速的粒子束距几何中心的距离增加，射频电场适时地变化。可以以在标题为“Matching A ResonantFrequency Of A Resonant Cavity To A Frequency Of An Input Voltage”的美国专利申请第11/948359号中所述的方式控制射频电场，其内容通过引用并入本文。
[0098]对于产生自位于中央的粒子源以在其开始向外螺旋形上升时清除粒子源结构的束来说，在整个射频板上需要大的电压差。在整个射频板上施加20000伏特。在某些版本中，可以在整个射频板上施加从8000至20000伏特。为了减少驱动该大电压所需的电力，磁体结构布置成减少射频板与接地之间的电容。这是通过穿过外轭和低温恒温器壳体形成具有与射频结构存在足够间隙的孔以及在磁体极面之间产生足够空间来完成的。
[0099]驱动D形板的高压交流电位具有在加速循环期间向下扫掠来考虑质子的增加的相对质量以及减小的磁场的频率。虚拟D形件不需要空心半圆柱形结构，因为其连同真空室壁一起处于接地电位。还可以使用其它板布置，比如以不同电相位或多倍基频驱动的一对以上的加速电极。可以调谐RF结构，以在所需频率扫掠期间例如通过使用具有互相啮合的旋转及固定叶片的旋转电容器来保持Q很高。在叶片的每个啮合期间，电容增加，因此降低了 RF结构的谐振频率。叶片可以成形为创建所需的精确频率扫掠。用于旋转冷凝器的驱动电机可以被相位锁定到RF发生器，用于进行精确控制。一个粒子集束在旋转冷凝器的叶片的每个啮合期间得以加速。
[0100]其中发生加速的真空室119是中心较薄、边沿较厚的大体圆柱形容器。真空室包围RF板和粒子源，并且由真空泵111抽空。维持高真空确保加速离子不丧失与气体分子的碰撞，并且使得RF电压能够保持在较高的水平，而不产生电弧接地。
[0101]质子穿越在粒子源处开始的大体螺旋形轨道路径。在螺旋形路径的每个回路的一半中，质子随着它们穿过空间107中的RF电场而获得能量。随着离子获得能量，其螺旋形路径的每个连续回路的中心轨道的半径大于先前回路，直至回路半径达到极面的最大半径。在该位置，磁场及电场扰动将离子引导到其中磁场快速减小的区域中，且离子离开高磁场的区域并被引导穿过抽空的管38 (在本文中称为提取通道)，以退出回旋加速器的轭。可以使用磁再生器来改变磁场扰动以引导离子。退出回旋加速器的离子将会随着它们进入存在于围绕回旋加速器的室中的显著减小的磁场的区域而趋于分散。提取通道38中的束成形元件107、109重新引导离子，使得它们停留在有限空间范围的直束中。
[0102]极隙内的磁场需要具有特定性能来将束随着加速而维持在抽空的室内。下面所示的磁场指数n，
[0103]η = - (r/B) dB/dr,
[0104]应保持为正，以维持此“弱”聚焦。这里的r是束的半径，B是磁场。另外，在某些实施方式中，场指数需要维持在0.2以下，因为在该值，束的径向振荡和垂直振荡的周期性以V r = 2 V z谐振。电子感应加速器频率由vr= (1-η) 1/2和ν ζ= η 1/2限定。铁磁极面设计成将由线圈产生的磁场成形为使得场指数η维持为正，并且在与给定磁场中的250MeV束一致的最小直径中小于0.2。
[0105]随着束退出提取通道，其穿过束形成系统125 (图5)，该系统可被编程地控制以创建用于束的扫描、散射和/或范围调制的所期望的组合。用于此目的的束形成系统的示例描述在美国专利中。可以将束形成系统125与内台架601 (图14)相结合，以将束引导至患者。
[0106]在操作期间，由于沿着板的表面的导电电阻，板从所施加的射频场吸收能量。该能量表现为热量，并且通过使用将热量释放在热交换器113(图3)中的水冷却管路108而从板移除。
[0107]从回旋加速器退出的杂散磁场受到药盒磁轭(其还用作屏蔽)和单独磁屏蔽114限制。单独磁屏蔽包括包围药盒轭的一层117铁磁材料(例如，钢或铁)，由空间116分离。包括轭、空间以及屏蔽的夹层结构的这种配置以较低重量为给定的泄漏磁场实现足够的屏蔽。
[0108]如所提及，台架允许同步回旋加速器围绕水平旋转轴线532旋转。桁架结构516具有两个大体平行的跨件580、582。同步回旋加速器架在跨件之间约支腿之间的中途。通过使用安装在与桁架相对的支腿的端部上的配重122、124来平衡台架，用于绕轴承旋转。
[0109]通过安装至台架支腿中的一个或二者并且由驱动齿轮而连接至轴承壳体的电动机来驱动台架旋转。台架的旋转位置源自于由并入到台架驱动电机及驱动齿轮中的轴角编码器提供的信号。
[0110]在离子束退出回旋加速器的位置，束形成系统125作用于离子束上，以给予其适于患者治疗的性能。例如，束可以得到扩散，其穿透深度可以变化，以在给定的目标体积上提供均匀的辐射。束形成系统可以包括被动散射元件以及主动扫描元件。
[0111]可以通过适当的未示出的同步回旋加速器控制电子器件(例如其可包括采用适当程序来进行编程以实现控制的一个或多个计算机)来控制同步回旋加速器的所有主动系统(例如，电流驱动的超导线圈、RF驱动的板、用于真空加速室及用于超导线圈冷却室的真空泵、电流驱动的粒子源、氢气源以及RF板冷却器)。
[0112]通过适当的治