磁场再生器的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 在此要求于2012年9月28日提交的美国临时申请No. 61/707,590的优先权，该 美国临时申请No. 61/707, 590的内容作为引用并入本文。
技术领域
[0003] 本公开总体上涉及一种用在粒子加速器中的磁场再生器。
【背景技术】
[0004] 粒子治疗系统使用加速器以产生用于治疗诸如肿瘤的病痛的粒子束。在操作中， 在磁场的存在下，粒子在空腔内的轨道上加速，并通过引出通道（extraction channel)从 空腔中离开。磁场再生器在空腔外部附近产生磁场凸起（magnetic field bump)，以扭曲一 些轨道的间距和角度，使得它们朝向引出通道移动，并最终进入引出通道。磁场再生器通常 是增强现有磁场的铁磁装置。
[0005] 迄今，粒子加速器使用比较低的磁场（例如约2特斯拉）操作。在这种情况下，由 磁场再生器产生的磁场凸起可从内部磁场"吮吸"大量磁通量。这相对于背景2特斯拉磁 场在空腔中产生磁场孔。该孔通常通过如下方式而填充，将日益更小的径向相邻磁场再生 器结合在空腔中，以增加日益更小的磁场凸起来代替由在前磁场再生器产生的对应孔。使 用日益更小的磁场再生器实施前述磁场校正在以比较低的磁场操作的系统中是困难的。
【发明内容】
[0006] 示例性粒子加速器包括如下：电压电源，给空腔提供射频（RF)电压以加速来自等 离子体柱的粒子，其中，空腔具有磁场以使从等离子体柱加速的粒子在空腔内沿轨道移动； 引出通道，接收从等离子体柱加速的粒子，并从空腔输出接收的粒子；以及再生器，在空腔 内提供磁场凸起，从而改变从等离子体柱加速的粒子的连续轨道，使得最终，粒子输出到引 出通道。磁场为至少4特斯拉或6特斯拉，磁场凸起为至多2特斯拉。示例性粒子加速器 可包括下列特征的一个或多个（单独或组合）。
[0007] 再生器可包括与等离子体柱相距一径向距离的铁磁装置。再生器可包括单个铁磁 装置或多个铁磁装置（例如，可以有多个本文所述类型的铁磁结构，其构造并布置成产生 磁场凸起和/或使磁场凸起成型）。铁磁结构可以包括钢。磁场可以为至少4特斯拉或8 特斯拉，磁场凸起可以为至多2特斯拉。
[0008] 再生器可具有不规则的横截面形状，其设计成产生具有特定形状和/或幅度的磁 场凸起。不规则的横截面形状可具有位于再生器的面向空腔的部分上的角特征，其中，角特 征包括含两个表面的非正交交叉的边缘。
[0009] 引出通道可包括将进入引出通道的粒子与留在空腔中的粒子分开的隔膜。再生器 可构造成粒子轨道的间距和角度使粒子轨道中的大部分粒子穿过隔膜进入引出通道中。穿 过隔膜的粒子轨道可包括相对于等离子体柱的一系列粒子半径。
[0010] 示例性质子治疗系统包括前述粒子加速器和台架，同步回旋加速器安装在台架 上。台架可相对于患者位置旋转。质子基本上从同步回旋加速器直接输出到患者位置。粒 子加速器可以是同步回旋加速器。
[0011] 示例性粒子加速器包括如下：粒子源，给包含磁场的空腔提供离子化等离子体的 脉冲；电压电源，给空腔提供射频（RF)电压，以从等离子体柱向外加速粒子，其中，从等离 子体柱加速的粒子在空腔内沿轨道行进；引出通道，接收来自空腔的粒子轨道，以从粒子加 速器输出；以及再生器，在空腔内提供磁场凸起，以使粒子轨道成型，而将粒子轨道引导至 引出通道。示例性粒子加速器可包括下列特征的一个或多个（单独或组合）。
[0012] 磁场可以为至少4特斯拉或8特斯拉。磁场凸起可以至多为2特斯拉。再生器可 以相对于等离子体柱在一个或多个维度上移动。再生器可具有不规则的横截面形状，其设 计成产生具有特定形状和/或幅度的磁场凸起。不规则的横截面形状可包括位于再生器的 面向空腔的部分上的角特征，角特征可包括含两个表面的非正交交叉的边缘。示例性粒子 加速器可包括多个本文所述类型的再生器，其构造并布置在轨道空腔中，以产生一个或多 个磁场凸起和/或使磁场凸起成型。
[0013] 引出通道可包括将进入引出通道的粒子与留在空腔中的粒子分开的隔膜。再生 器可构造成粒子轨道的间距和角度使粒子轨道中的大部分粒子穿过隔膜进入引出通道中。 穿过隔膜的粒子轨道可包括相对于等离子体柱的一系列粒子半径。
[0014] 示例性质子治疗系统可包括前述粒子加速器和台架，粒子加速器安装在台架上。 台架可相对于患者位置旋转。质子基本上从粒子加速器直接输出到患者位置。粒子加速器 可以是同步回旋加速器。
[0015] 在示例中，粒子加速器包括：电压电源，给空腔提供射频（RF)电压以加速来自等 离子体柱的粒子，其中，空腔具有磁场以使从等离子体柱加速的粒子在空腔内沿轨道移动； 引出通道，接收从等离子体柱加速的粒子，并从空腔输出接收的粒子；以及再生器，在空腔 内提供磁场凸起，从而改变从等离子体柱加速的粒子的连续轨道，使得最终，粒子输出到引 出通道。粒子加速器构造成改变在空腔内沿轨道移动的粒子的能量。粒子加速器可包括下 列特征的一个或多个（单独或组合）。
[0016] 再生器可以在空腔内在一个或多个维度上移动，使得再生器的移动与粒子能量相 关联。粒子加速器可包括传输电流的线圈以产生磁场，其中，穿过线圈的电量的变化对应于 粒子能量的变化。粒子加速器可包括降能器，以影响从粒子加速器输出的粒子束的能量。
[0017] 本公开中描述的特征的两个或更多个（包括那些在该
【发明内容】
中描述的特征）可 以组合以形成本文中未特定描述的实施方式。
[0018] 对本文所述系统或其一部分的控制可经由计算机程序产品实现，计算机程序产品 包括存储在一个或多个非暂时性机器可读存储介质上、在一个或多个处理设备上执行的指 令。本文所述系统或其一部分可包括一个或多个处理设备和存储可执行指令的存储器，以 实施对所述功能的控制。
[0019] 在下面的附图和描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。从说明书和附图及权 利要求中，其它特征、目的和优点是明显的。
【附图说明】
[0020] 图1是示例性粒子治疗系统的透视图。
[0021] 图2是同步回旋加速器的示例部件的分解透视图。
[0022] 图3、4和5是示例性同步回旋加速器的剖面图。
[0023] 图6是示例性同步回旋加速器的透视图。
[0024] 图7是示例性反向线圈架和绕组的一部分的剖面图。
[0025] 图8是示例性沟道内电缆复合导体的剖面图。
[0026] 图9是示例性离子源的剖面图。
[0027] 图10是一种示例性D形板和示例性虚拟D形板的透视图。
[0028] 图11是一种示例性穴室的透视图。
[0029] 图12是一种有穴室的示例性治疗室的透视图。
[0030] 图13示出了靠近粒子加速器的患者。
[0031] 图14示出定位在治疗室的示例性内部台架内的患者。
[0032] 图15是示例性加速空腔和示例性引出通道的顶视图。
[0033] 图16是示出磁场强度与距等离子体柱的径向距离之间的关系的图表，以及超导 磁体的低温恒温器的示例部分的横截面。
[0034] 图17是示例性加速空腔和引出通道的顶视图，其描绘了移动以进入引出通道的 轨道。
[0035] 图18是示例性加速空腔和再生器的顶视图，其描绘了空腔中的磁场线。
[0036] 图19是示出对于具有约2特斯拉背景磁场的粒子加速器，磁场强度与距等离子体 的径向距离的关系的图表。
[0037] 图20是具有多个轴向对准再生器的示例加速空腔的顶视图。
[0038] 图21是示例性再生器的剖视侧视图。
[0039] 图22是引出通道的一部分的前视图。
[0040] 图23是可使用可变能量粒子加速器的示例性粒子治疗系统的概念图。
[0041] 图24是示出对于磁场和粒子加速器的距离的变化，能量和电流的示例性图表。
[0042] 图25是示例性结构的侧视图，示例性结构针对粒子束的每个能量水平，在频率范 围内在D形板上扫描电压，并用于在粒子束能量变化时改变频率范围。
[0043] 图26是可用在可变能量粒子加速器中的示例磁体系统的分解透视图。
[0044] 在各附图中，类似的参考标号表示类似的元件。
【具体实施方式】
[0045] 概述
[0046] 本文所描述的是用于在示例性系统中使用的粒子加速器的例子，所述系统诸如质 子或离子治疗系统。该系统包括安装在台架上的粒子加速器-在这个例子中是同步回旋加 速器。如在下面更详细地解释的，所述台架使得加速器能够围绕患者的位置旋转。在一些 实施方案中，所述台架是钢的并且具有两个腿部，所述腿部安装用于在位于患者的相对侧 上的两个相应轴承上旋转。粒子加速器由钢桁架支撑，所述钢桁架对于跨越患者所在的治 疗区域是足够长的，并且在两端稳定地附接到台架的旋转腿部。作为台架围绕患者旋转的 结果，所述粒子加速器也旋转。
[0047] 在一个示例性实施方案中，所述粒子加速器（例如，同步回旋加速器）包括低温恒 温器，其容纳用于传导产生磁场（B)的电流的超导线圈。在这个例子中，低温恒温器使用 液氦（He)以将线圈维持在超导温度下，例如，4°开尔文（Kelvin，K)。磁辄邻近（例如，围 绕）低温恒温器，并限定粒子在其中加速的空腔。低温恒温器经由条带等附接到磁辄。尽 管该附接（及超导线圈在低温恒温器内的附接）限制超导线圈的移动，但是并没有完全防 止线圈移动。
[0048] 在这种示例性实施方案中，所述粒子加速器包括粒子源（例如，潘宁离子规 (Penning Ion Gauge)-PIG源）以提供等离子体柱到空腔中。氢气被电离以产生等离子体 柱。电压源提供射频（RF)电压到空腔中以加速来自等离子体柱的粒子。正如所指出的，在 这个例子中，粒子加速器是同步回旋加速器。因此，考虑到当从所述柱引出粒子时在粒子上 的相对论效应（例如，增加的粒子质量），该RF电压扫过一定的频率范围。由线圈产生的 磁场导致从等离子体柱加速的粒子在空腔内轨道加速。磁场再生器（"再生器"）定位成靠 近空腔外部（例如位于其内部边缘），以调节空腔内的现有磁场，从而改变从等离子体柱加 速的粒子的连续轨道的位置（例如间距和角度），使得最终，粒子输出到穿过磁辄的引出通 道。再生器可以增加在所述空腔中的点处的磁场（例如，它可以在空腔的区域处产生磁场 "凸起"），从而使粒子的各连续轨道在该点向外朝向引出通道的入口点进动，直到它到达引 出通道。引出通道接收从等离子体柱加速的粒子，并将所接收到的粒子从所述空腔输出。
[0049] 在一些实施方案中，所述再生器是被构造为产生具有特定尺寸和形状的磁场凸起 的单个铁磁装置。在本文中，单个铁磁装置可以是单个毗邻或物理连接结构或者其可以是 由使磁通量穿过的真空区分开的两个竖直对准但未物理连接的铁磁结构（例如每个磁辄 上的一个）。在本文中，竖直对准包括磁辄之间的对准，还包括铁磁结构的任何恰当对准的 整体或一部分。
[0050] 再生器可以由钢（包括铁）制成，在该情况下，由再生器产生的磁场凸起为至多约 2特斯拉。然而，其它材料可用于产生多于或小于2特斯拉的磁场凸起。例如，在一些实施 方式中，磁场凸起处于0. 5特斯拉至1特斯拉的范围中。已存在于空腔中的磁场（称为"背 景磁场"）为至少4特斯拉、5特斯拉或6特斯拉，有时更多（例如8特斯拉、8. 5特斯拉、9 特斯拉、9. 5特斯拉、10特斯拉、10. 5特斯拉或更多）。因此，与背景磁场相比，由提供2特 斯拉或更小磁场凸起的再生器产生的磁场凸起中的孔较小。结果，与粒子加速器使得更小 背景磁场（例如2特斯拉）的情况相比，孔对粒子轨道的总体影响较少。换言之，因为背景 磁场与磁场凸起相比较高，所以在磁场中得到的孔的效果比低场加速器中更小。结果，在一 些实施方式中，单个铁磁装置可用作磁场再生器，从而消除了对附加、日益更小的径向相邻 再生器（添加日益更小的磁场凸起来填充其它磁场孔）的需要。
[0051] 而且，可以调节再生器在空腔内的物理位置来补偿超导线圈的移动。例如，计算机 控制的致动器可用于基于例如粒子加速器的旋转位置来在一个或多个维度上调节再生器 在空腔内的位置。通过如此调节再生器的位置，可将再生器定位成对源自再生器的磁场的 恰当调节影响适当的粒子轨道，而不管粒子加速器的旋转位置如何。
[005