适用于超导旋转机架技术的高温超导弯曲磁体结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高温超导体领域，具体涉及一种适用于质子和重离子医疗超导旋转机 架技术的高温超导弯曲磁体结构。
【背景技术】
[0002] 离子束的医疗技术发展是从1946年美国的Wilson首次提出质子束的治疗特性开 始的；质子束有一个Bragg峰，通过高精度的计算机控制技术可以将Bragg峰调整到肿瘤区， 并释放大量能量。经过半个多世纪的发展，质子治疗由于其穿透力强、剂量分布好、旁散射 少等特征，成为令人瞩目的肿瘤治疗高新技术。重离子是比质子重的带电粒子，如氦粒子 碳离子（』，)、氖离子（！级严)等，在质子医疗技术不断发展的同时，重离子以其 更好的物理和放射生物学特性受到学者们的青睐;重离子的线性能量传递(LET)、相对生物 效应(RBE)和氧增比（OXR)等特性皆优于质子，其辐射剂量可以更多地沉积到人体深部的恶 性肿瘤内，对肿瘤细胞更具杀灭性。就束流种类而言，重离子特别是碳离子因其物 理学的Bragg效应和特殊的相对生物学效应成为首选。
[0003] 要实现质子和重离子医疗，需要相应的设备;从结构组成原理上看，重离子与质子 治疗系统基本相同，主要包括加速器、旋转机架、治疗头和治疗计划系统。旋转机架的作用 是支撑离子束流从不同的角度照射至病灶的机械结构;旋转机架要有足够的刚度和强度， 能承担束流输运的磁铁、治疗头设备和各种检测设备;机架转动着不同角度下其等中心误 差小于1mm，转角精度小于0.2度。随着美国Loma Linda大学医学中心设计了第一台质子旋 转机架，随后比利时、日本、瑞士、德国等国家相继开发了不同类型的旋转机架，德国GSI首 先建成了一台重离子旋转机架，目前也是唯一的一台重离子旋转机架。现今旋转机架大都 采用平面向心式结构，仅在一个平面内使用偏转磁铁，它主要是先由一台二极磁铁将离子 束流偏离轴线，再由另外一台或者多台二极磁铁反向偏转，使得束流垂直于旋转架旋转轴 线。由于偏转重离子和质子对磁体的磁刚度有很高的要求，偏转重离子的磁刚度要求为 6.3T · m，质子为2.5T · m。由于常规的电磁场难以达到那么大，只有通过扩大曲率半径来满 足要求，这使得现有的机架结构体积和重量很大;尤其是最后一块弯曲磁铁，其弯曲角度达 到90度，半径的增加使得吨位极度增加，以德国GSI的HIT为例，最后一块90度弯曲磁铁达到 了 90吨重，占整个旋转传输系统的65%。过重的机架结构会导致受力严重不均产生变形，进 而影响等中心误差和旋转精度，阻碍了离子束医疗的广泛应用。因此，旋转机架的小型化、 轻型化和低成本化必将成为今后发展的关键目标。而弯曲磁铁作为实现离子束偏转功能的 重要装置，是旋转机架的重要组成部件，是影响旋转机架尺寸和重量的重要因素，要想实现 机架的小型化、轻型化和低成本化，改变现有的磁铁结构，开发一种精简、高效和稳定的磁 体机构迫在眉睫。高温超导材料是指临界特性优越的超导材料，将高温超导材料应用到磁 体结构设计上来，用高温超导材料制作的高温超导磁体能够提供高强的、稳定的磁场。因 此，旋转机架高温超导弯曲磁体结构设计成为离子束治疗技术应用发展的关键，对于推进 高温超导技术在医学物理领域的发展有着重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提出一种适用于质子和重离子医疗超导旋转机架技术的高温超 导弯曲磁体结构，在保证大电流稳定运行、磁体的冷却效果和产生高强的稳态均匀磁场的 前提下，实现离子束的偏转功能。同时，其特殊的结构特点可以有效的降低弯曲磁体的尺 寸、重量和成本，并保证弯曲磁体在失超等故障下电流的安全泄放。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种适用于超导旋转机架技术的高温超导弯曲磁体结构，其特征在于:包括同中 心轴嵌套的内线圈和外线圈，所述内线圈外表面上设有倾斜布置的长凹槽一，所述外线圈 的外表面上设有倾斜布置的长凹槽二，所述长凹槽一和长凹槽二的倾斜方向关于同中心轴 对称，其内分别嵌装有特殊结构的YBCO高温超导导体形成内导体和外导体，所述内导体和 外导体对称缠绕嵌装在内线圈和外线圈外表面上，所述内线圈和外线圈通大电流稳定运行 时内导体和外导体产生的磁场相互叠加，最终在离子束输送区产生一个单方向的高强稳态 均匀磁场，使得离子束实现偏转。
[0007] 所述的外导体外层通过注入环氧树脂形成导体固定层，所述固定层的外面设有绝 缘层，所述绝缘层的外面设有不锈钢支撑层，不锈钢支撑层的外面设有铁辄束磁层，铁辄束 磁层外面设有铝外壳。
[0008] 所述特殊结构的YBCO高温超导导体是YBCO高温超导带材绕中心冷却管旋转排列 布满，并在YBCO高温超导带材外面包裹不锈钢壳体得到的结构，有助于提高工作电流，从而 有效的增强线圈内部的磁场。
[0009] 所述的内线圈是整体结构线圈，该线圈是铜基材，可以保证内导体发生失超故障 时可以有效地安全泄放电流。
[0010] 所述的外线圈是上下对称分开结构的线圈，上下对称分开结构的线圈整体包裹在 内导体外面后通过焊接连在一起，所述上下对称分开结构的线圈为铜基材线圈，可以保证 在外导体发生失超故障时可以有效地安全泄放电流，所述上下分开结构的线圈由模具直接 铸造。
[0011] 所述内线圈和外线圈外表面上的长凹槽一和长凹槽二的形状是根据内导体和外 导体尺寸设计的。
[0012] 所述的不锈钢支撑层是上下对称分开结构的不锈钢支撑层，所述上下对称分开结 构的不锈钢支撑层通过螺栓连接固定在绝缘层外层，支撑内线圈和外线圈，保证通电工作 时内线圈和外线圈的强度，所述上下对称分开结构的不锈钢支撑层的接触面上设有设有相 互配合的卡槽以及凸起实现不锈钢支撑层的安装定位。
[0013] 所述的铁辄束磁层是上下对称分开结构的铁辄束磁层，所述上下对称分开结构的 铁辄束磁层通过焊接固定在不锈钢支撑层的外层，降低线圈产生的磁场漏场，进一步增强 有效使用空间内的磁场强度;所述上下对称分开结构的铁辄束磁层的接触面上设有相互配 合的卡槽以及凸起实现铁辄束磁层的安装定位。
[0014] 所述的铁辄束磁层与不锈钢支撑层接触的周向上还均匀设有四个液氮冷却孔。
[0015] 所述的四个液氮冷却孔与特殊结构的YBCO高温超导导体的中心冷却管相结合构 成双重冷却系统，保证整体的冷却效果，通过液氮温区磁体冷却，实现内线圈和外线圈大电 流运行时，内导体和外导体产生高强稳态磁场。
[0016] 本发明的有益效果在于：
[0017] 本发明主要实现了适用于质子和重离子医疗超导旋转机架技术的高温超导弯曲 磁体结构设计，实现大电流稳定运行、液氮温区磁体冷却、失超保护、产生高强稳态磁场等 功能;其中磁体的双重冷却结构保证了磁体的冷却效果，实现大电流的稳定运行;铜基材内 线圈和外线圈以及不锈钢支撑层可以保证磁体在失超条件下电流的安全泄放和内部的结 构强度;铁辄束磁层可以减少线圈内部的磁场漏磁，增强有效区域磁场;特殊结构的YBCO高 温超导导体以及缠绕方式可以在线圈内部离子束输送区产生高强的稳态均匀磁场，实现离 子束的偏转。基于YBCO高温超导弯曲磁体结构，在实现离子束偏转功能的同时，可以有效的 降低弯曲磁体的尺寸、重量和成本，实现离子束超导旋转机架的小、轻、廉化发展，对于未来 离子束治疗技术的发展和广泛应用有着重要的推动作用。
【附图说明】
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