间发生的力可能会损坏线圈支撑。
[0048]本文所述的示例性系统使用各种技术来调整超导线圈在低温恒温器室内的位置，以校正超导线圈因其旋转(例如，由于重力效应)所致的运动。下面提供了这些技术的总结，之后是其中可实施这些技术的示例性粒子治疗系统的说明以及对这些各种技术的更加详细的说明。
[0049]在这方面，轭由铁磁材料比如钢制成。因此，可以通过使用一个或多个磁垫片来调整轭的有效磁心。可以使用由线圈与铁磁轭(或取代轭的其它铁磁结构)的相互作用所产生的力来使超导线圈相对于轭从一个位置移动到另一个位置。例如，可以增加线圈磁场的一个区域中的磁材料，从而导致力使超导线圈在一个方向上移动，或者可以减小该区域中的磁材料，从而导致力使超导线圈在另一不同方向上移动。
[0050]在示例性实施方式中，通过使磁垫片在超导线圈附近的磁轭中的孔(或狭槽)内移动来调整轭的有效磁心。可以使用任何适当类型的磁垫片来实施本文所述的各项技术；然而，本文所述的实施方式使用可移入或移出轭中狭槽的多个铁磁棒状的磁垫片。例如，可以使用螺钉来控制磁垫片关于狭槽/孔的运动。
[0051]在示例性实施方式中，每个磁垫片由铁磁材料制成。每个磁垫片接近相应的超导线圈影响由所得的磁场施加至超导线圈的力的量。移动磁垫片更靠近超导线圈(例如，进一步在轭中的狭槽内)增加在线圈上的磁场力。相反，移动磁垫片远离超导线圈(例如，在狭槽中或外向上)减小在线圈上的磁场力。在其它实施方式中，可能存在对移入和移出轭中狭槽的磁垫片的反作用力。
[0052]可以在相对于超导线圈的变化位置使用多个磁垫片，以便正确地定位超导线圈。例如，在某些实施方式中，该定位可以是数十毫米的数量级。在其它实施方式中，该定位可以多于或少于数十毫米范围。所述磁垫片可以是计算机控制的，以例如基于粒子加速器的旋转位置来改变其位置。
[0053]用于调整超导线圈的位置的前述示例性技术并不限于与粒子加速器一起使用或者与粒子治疗系统一起使用。相反，这样的技术或其变体可以与在任何类型的医疗或非医疗应用中包括超导线圈的任何适当电磁体一起使用。下文提供了其中可以使用前述技术的粒子治疗系统的示例。
[0054]示例性粒子治疗系统
[0055]参照图1，带电粒子辐射治疗系统500包括产生束的粒子加速器502，其具有的重量及尺寸足够得小，以允许其安装在旋转台架504上，它的输出从加速器壳体被径直地(也就是说基本上直接地)引向患者506。
[0056]在某些实施方式中，钢台架具有两个支腿508、510，它们安装成用于在位于患者相对侧上的两个相应轴承512、514上旋转。加速器由钢桁架516支撑，该钢桁架足够长以跨越患者躺于其中的治疗区域518(例如，长达高个子人的两倍，以允许此人在空间内完全旋转，患者的任何所期望的目标区域保持在束的线路中)，并且在两个端部稳定地连接至台架的旋转支腿。
[0057]在某些示例中，台架的旋转被限制到小于360度例如约180度的范围520，以允许地板522从容纳治疗系统的穴室524的壁延伸到患者治疗区域中。台架的有限旋转范围还减小了一些壁的所需厚度，这些壁为治疗区域外的人提供辐射屏蔽。台架旋转的180度的范围足以涵盖所有的治疗接近角度，但提供更大范围的行程可能是有用的。例如，旋转范围可以在180度与330度之间，并且仍为治疗地板空间提供间隙。
[0058]台架的水平旋转轴线532位于其中患者和治疗师与治疗系统交互作用的地板之上标称一米处。该地板定位在治疗系统所屏蔽的穴室的底部地板之上约3米处。加速器可以在被抬高的地板下方摆动，用于从旋转轴线下方传送治疗束。患者床在平行于台架旋转轴线的大致水平平面中移动并旋转。该床可以在具有此配置的水平平面中旋转约270度的范围534。台架及患者旋转范围的此组合和自由度允许治疗师实际选择用于束的任何接近角度。如果需要的话，可以在相反的方向上将患者放置在床上，然后可以使用所有可能的角度。
[0059]在某些实施方式中，加速器使用具有非常高的磁场超导电磁结构的同步回旋加速器配置。由于给定动能的带电粒子的弯曲半径与施加至其的磁场的增加成正比地减少，所以非常高的磁场超导磁结构允许将加速器制作得更小更轻。同步回旋加速器使用旋转角度均匀且强度随半径增加而下降的磁场。可以实现这种场形状，而无须考虑磁场的量值，因此理论上不存在可用于同步回旋加速器中的磁场强度(且因此在固定半径下的所得的粒子能量)的上限。
[0060]超导材料在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。
[0061]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。
[0062]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。
[0063]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。
[0064]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。
[0065]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6至20特斯拉或4至20特斯拉的范围内，且质子能量可以在150至300MeV的范围内。
[0066]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。
[0067]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。
[0068]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。
[0069]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。
[0070]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_。
[0071]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。
[0072]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。
[0073]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。
[0074]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。
[0075]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序列号13/907601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。
[0076]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序列号11/948662中所述的类型。
[0077]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。
[0078]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