专利名称：质子或重离子束治癌装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种质子或重离子束治癌装置，尤其涉及一种将直线加速器与同步储存环级联的质子治癌装置，主要应用于航天、生物(医疗)和工业等领域。
背景技术：
由于质子、重离子束对生物体的照射中具有倒转的深度剂量分布、较小的侧向散射、较高的相对生物学效应和低的氧增比等特点，使得质子和重离子治癌成为当今国际上先进有效的癌症放射治疗方法；质子、重离子束能够模拟外太空的辐射环境，是用来进行航天单粒子效应和仪器抗辐射检测的有效方法；重离子束的粒子半径具有可选择性，是用于核孔膜制造的有效手段。在实施质子束、离子束照射中，提供质子束、离子束的加速器是最基本的装置。加速器根据不同的实验和应用需要，提供不同能量的质子束、离子束；根据实验靶的不同形状，提供精确的离子束流位置扫描控制；根据有效剂量需求，提供不同的束流的强度。同步储存环是满足此类需求最有效的加速器装置，具体方法为:通过调节高频加速腔的截止频率和相应的磁场强度，可以产生不同能量的引出离子束；采用扫描磁铁对引出束流进行高频率的扫描，可以产生均匀的离子束分布；通过控制注入累积流强或控制引出开关，可以调节储存离子束流强，满足实验有效剂量要求。因此，建立以同步加速器为主体的质子束、离子束加速装置，是开展离子照射实验的基础。
实用新型内容本实用新型的目的在于避免现有技术的不足提供一种质子或重离子束治癌装置。采用RFQ或者RFQ+DTL (Drift Tube Linac)作为同步加速器注入器、采用多圈注入作为同步加速器的注入方式的质子或重离子束治癌装置。本实用新型，可以对目标靶进行不同能量，不同束流强度的离子束照射。为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为:一种质子或重离子束治癌装置，包括有同步加速器，在同步加速器的前端设有离子源，所述的离子源为电子回旋共振离子源，电子回旋共振离子源通过源束线上的第OQOlglasser四极透镜和第0Q02glasser透镜、第I 二极铁连接射频四极场直线加速器、中能束线上的第I四极磁铁、第2四极磁铁、第3四极磁铁、第4四极磁铁，在第2四极磁铁与第3四极磁铁之间设有第I 二极磁铁，第4四极磁铁通过第I切割磁铁连接同步加速器的第I静电偏转板；在所述的同步加速器的第22四极磁铁与第31六极磁铁之间引出高能束线。在所述的射频四极场直线加速器与第I四极磁铁之间设有漂移管直线加速器。所述的高能束线包括多个引出终端。所述的高能束线包括在所述的同步加速器的第22四极磁铁与第31六极磁铁之间引出的通过第2切割磁铁，第2切割磁铁与高能束线第I四极磁铁、高能束线第2四极磁铁、高能束线第I 二极磁铁顺序连接；由高能束线第I 二极磁铁分别引出第一高能束线和第二高能束线，第一高能束线包括第一高能束线第I四极磁铁、第一高能束线第2四极磁铁、第一高能束线第3四极磁铁、第一高能束线第4四极磁铁的顺序连接；第二高能束线包括第二高能束线第I四极磁铁、第二高能束线第2四极磁铁、第二高能束线第3四极磁铁、第二高能束线第4四极磁铁的顺序连接。所述的同步加速器包括第I静电偏转板，第I静电偏转板位设置于第11四极磁铁、和第62四极磁铁之间，在第11四极磁铁通过第I 二极磁铁与第12四极磁铁相连之间设有同步加速器第I 二极磁铁；第12四极磁铁通过第3凸轨磁铁连接第2静电偏转板、连接第21四极磁铁、第22四极磁铁，在第21四极磁铁与第22四极磁铁之间设有同步加速器第2 二极磁铁；第22四极磁铁连接第31六极磁铁和第31四极磁铁、第32四极磁铁、第41四极磁铁、第42四极磁铁，在第31四极磁铁与第32四极磁铁之间设有同步加速器第3 二极磁铁，在第32四极磁铁与第41四极磁铁之间设有同步加速器高频加速腔，在第41四极磁铁与第42四极磁铁设有同步加速器第4 二极磁铁；第42四极磁铁连接横向射频场激励装置，并通过第I凸轨磁铁连接第51六极磁铁和第51四极磁铁、第52四极磁铁，在第51四极磁铁与第52四极磁铁之间设有同步加速器第5 二极磁铁，第52四极磁铁通过直流电流探测器连接第2凸轨磁铁、第61六极磁铁、第61四极磁铁、第62四极磁铁，在第61四极磁铁与第62四极磁铁之间设有同步加速器第6 二极磁铁，；第62四极磁铁连接第I静电偏转板。所述的质子或重离子束治癌装置，所述的连接为真空管道束流连接，真空度为10 9-10 nmbar。本实用新型的有益效果是:1.采用同步加速器比采用其他装置具有更大的优势。目前的主流加速器共分成三类，分别是直线加速器，回旋加速器和同步加速器。采用直线加速器可以做到束流强度的变换，但把束流加速到同样能量的直线加速器的造价是同步加速器的好几倍。回旋加速器造价较低，但无法实现能量的快速变换。而采用同步加速器可以根据终端的需要迅速的变换引出束流的能量和强度，相比回旋和直线加速器而言，要简单和方便，且更为经济。2.采用直线加速器做注入器的设计可以获得较高的注入流强。采用直线加速器作为注入器比采用回旋加速器作为注入器最大的优势在于直线加速器可以提供更高的流强(是近物所目前的SFC回旋加速器束流强度的20倍以上)和更小的束流发射度。越高的注入流强可以使同步加速器在注入同样的圈数下，获得越多的离子数；越小的注入束流发射度，可以在较小的同步加速器横向孔径的情况下注入较多的圈数，亦即获得较多的注入离子数。这样便可以节约同步加速器真空室的横向孔径，进而减小同步存储环的造价。
图1是本实用新型主视示意图。图中:ECR:电子回旋共振离子源；RFQ:射频四极场加速器；D: 二极铁；Q:四极铁；S:六极铁；RF:高频加速腔；DCCT:直流电流探测器；ES:静电偏转板；MS:切割磁铁；KNO:横向射频场；BP:凸轨磁铁；元件名前的数字分别表示:0.源束线(p_ECR和i_ECR分别表示质子电子回旋共振离子源和重离子电子回旋共振离子源)；1.中能束线；2.同步加速器；3.高能束线；p_0Ql:质子源束线第一块galasser透镜；p_0Q2:质子源束线第二块galasser透镜；i_OQl:重离子源束线第一块galasser透镜；i_0Q2:重离子源束线第二块galasser透镜；0D1:源束线二极磁铁。
具体实施方式
以下对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。实施例1:见图1，一种质子束治癌装置，包括有同步加速器2，在同步加速器2的前端设有离子源1，所述的离子源I为电子回旋共振离子源P_ECR，电子回旋共振离子源通过glasser透镜与射频四极场直线加速器连接中能束线第I四极磁铁、第2四极磁铁、第3四极磁铁、第4四极磁铁，在第2四极磁铁与第3四极磁铁之间设有第I 二极磁铁，第4四极磁铁通过第I切割磁铁连接同步加速器2的第I静电偏转板；在所述的同步加速器2的第22四极磁铁与第31六极磁铁之间引出高能束线3。所述的高能束线3包括有2个引出终端。在所述的同步加速器2的第22四极磁铁与第31六极磁铁之间通过第2切割磁铁连接高能束线第I四极磁铁、高能束线第2四极磁铁、高能束线第I 二极磁铁；由高能束线第I 二极磁铁分别引出第一高能束线和第二高能束线，第一高能束线包括有第一高能束线第I四极磁铁、第一高能束线第2四极磁铁、第一高能束线第3四极磁铁、第一高能束线第4四极磁铁的顺序连接；第二高能束线包括有第二高能束线第I四极磁铁、第二高能束线第2四极磁铁、第二高能束线第3四极磁铁、第二高能束线第4四极磁铁等元件的顺序连接。所述的同步加速器2包括有第I静电偏转板连接第11四极磁铁、第12四极磁铁，在第11四极磁铁与第12四极磁铁之间设有同步加速器第I 二极磁铁；第12四极磁铁通过第3凸轨磁铁连接第2静电偏转板、连接第21四极磁铁、第22四极磁铁，在第21四极磁铁与第22四极磁铁之间设有同步加速器第2 二极磁铁；第22四极磁铁连接第31六极磁铁和第31四极磁铁、第32四极磁铁、第41四极磁铁、第42四极磁铁，在第31四极磁铁与第32四极磁铁之间设有同步加速器第3 二极磁铁，在第32四极磁铁与第41四极磁铁之间设有同步加速器高频加速腔，在第41四极磁铁与第42四极磁铁设有同步加速器第4 二极磁铁；第42四极磁铁连接横向射频场，并通过第I凸轨磁铁连接第51六极磁铁和第51四极磁铁、第52四极磁铁，在第51四极磁铁与第52四极磁铁之间设有同步加速器第5 二极磁铁，第52四极磁铁通过直流电流探测器连接第2凸轨磁铁、第61六极磁铁、第61四极磁铁、第62四极磁铁，在第61四极磁铁与第62四极磁铁之间设有同步加速器第6 二极磁铁，；第62四极磁铁连接第I静电偏转板。所述的连接为真空管道束流连接，真空度为10_9-10_1(lmbar。实施例2:见图1，一种质子束治癌装置，在所述的射频四极场加速器与第I四极磁铁之间设有漂移管直线加速器。其余结构与实施例1相同。实施例3:—种质子束治癌装置，所述的高能束线3包括有2个以上引出终端，根据实验和终端需要，可以从第一或第二高能束线继续分离出更多高能束线。其余结构与实施例I或实施例2相同。实施例4:一种重离子束治癌装置，包括有同步加速器2，在同步加速器2的前端设有离子源1，所述的离子源I为电子回旋共振离子源i_ECR，电子回旋共振离子源通过glasser透镜与射频四极场加速器连接第I四极磁铁、第2四极磁铁、第3四极磁铁、第4四极磁铁，在第2四极磁铁与第3四极磁铁之间设有第I 二极磁铁，第4四极磁铁通过第I切割磁铁连接同步加速器2的第I静电偏转板；在所述的同步加速器2的第22四极磁铁与第31六极磁铁之间引出高能束线3。所述的高能束线3包括有2个引出终端。在所述的同步加速器2的第22四极磁铁与第31六极磁铁之间通过第2切割磁铁连接高能束线第I四极磁铁、高能束线第2四极磁铁、高能束线第I 二极磁铁；由高能束线第I 二极磁铁分别引出第一高能束线和第二高能束线，第一高能束线包括有第一高能束线第I四极磁铁、第一高能束线第2四极磁铁、第一高能束线第3四极磁铁、第一高能束线第4四极磁铁的顺序连接；第二高能束线包括有第二高能束线第I四极磁铁、第二高能束线第2四极磁铁、第二高能束线第3四极磁铁、第二高能束线第4四极磁铁的顺序连接。所述的同步加速器2包括有第I静电偏转板连接第11四极磁铁、第12四极磁铁，在第11四极磁铁与第12四极磁铁之间设有同步加速器第I 二极磁铁；第12四极磁铁通过第3凸轨磁铁连接第2静电偏转板、连接第21四极磁铁、第22四极磁铁，在第21四极磁铁与第22四极磁铁之间设有同步加速器第2 二极磁铁；第22四极磁铁连接第31六极磁铁和第31四极磁铁、第32四极磁铁、第41四极磁铁、第42四极磁铁，在第31四极磁铁与第32四极磁铁之间设有同步加速器第3 二极磁铁，在第32四极磁铁与第41四极磁铁之间设有同步加速器高频加速腔，在第41四极磁铁与第42四极磁铁设有同步加速器第4 二极磁铁；第42四极磁铁连接横向射频场，并通过第I凸轨磁铁连接第51六极磁铁和第51四极磁铁、第52四极磁铁，在第51四极磁铁与第52四极磁铁之间设有同步加速器第5 二极磁铁，第52四极磁铁通过直流电流探测器连接第2凸轨磁铁、第61六极磁铁、第61四极磁铁、第62四极磁铁，在第61四极磁铁与第62四极磁铁之间设有同步加速器第6 二极磁铁，；第62四极磁铁连接第I静电偏转板。所述的连接为真空管道束流连接，真空度为10_1(l-10_nmbar。其余结构与实施例1相同。实施例5:—种重离子束治癌装置，在所述的射频四极场加速器与第I四极磁铁之间设有漂移管直线加速器。其余结构与实施例4相同。实施例6: —种重离子束治癌装置，所述的高能束线3包括有2个以上引出终端。其余结构与实施例4或实施例5相同。实施例7:—种使用质子束治癌装置的方法，其主要步骤为:(I)由ECR离子源产生离子束,在吸极高压20KV-40KV将束流引出，经过glasser透镜的匹配后注入到射频四极直线加速器进行预加速，到达同步加速器的注入能量4MeV/u-7MeV/u后，再经过匹配和传输，将束流配送到同步加速器入口 ；(2)束流到达同步加速器入口后，利用同步加速器内的凸轨使环内束流轨道凸起，使凸轨高度与同步加速器第一静电偏转板离真空管道的距离相当。当束流注满同步加速器一圈后，凸轨高度逐步下降，下降时间约30微秒(约等于输入圈数乘以回旋周期)，实现束流的多圈注入，注入圈数为15-30圈；(3)束流注入到同步加速器后，通过高频腔对束流进行俘获和加速，根据终端的治疗和实验需要，将束流加速到预定能量，对于质子为70-250MeV，同时，将束流的水平工作点逐步移动到1/3共振线附近；(4)束流到达预定能量后，六极铁电流开始增大，使同步加速器的稳定相空间缩小到大于束流的发射度；(5)开启横向射频激励,束流在横向电场的作用下,发射度增大,从而到达不稳定区，继而束流发射度沿着不稳定区的分界线迅速增大，从而到达静电偏转板被引出；(6)引出束经过同步加速器的第2静电偏转板和第2切割磁铁，输送到高能束线，经过高能束线的配送，到达治疗或实验终端，进行相关治疗或实验。(7)终端有效剂量达到预设值时，可以通过停止横向激励的作用来停止束流的继续引出。以近物所HIRFL装置为例，目前扇形回旋加速器SFC引出C6+流强为15uA左右，水平发射度约为25pi mm mrad,同步加速器CSRm横向水平接受度为200pi mm mrad,采用多圈注入，理想情况下注入最高流强约100uA。若是采用直线加速器作为注入器:直线加速器的引出流强为200uA，水平发射度为6-12pi mm mrad，则注入流强在毫安量级。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种质子或重离子束治癌装置，包括有同步加速器，其特征在于在同步加速器的前端设有离子源，所述的离子源为电子回旋共振离子源，电子回旋共振离子源通过源束线上的第OQOlglasser四极透镜和第0Q02glasser透镜、第I 二极铁连接射频四极场直线加速器、中能束线上的第I四极磁铁、第2四极磁铁、第3四极磁铁、第4四极磁铁，在第2四极磁铁与第3四极磁铁之间设有第I 二极磁铁，第4四极磁铁通过第I切割磁铁连接同步加速器的第I静电偏转板；在所述的同步加速器的第22四极磁铁与第31六极磁铁之间引出高能束线。
2.如权利要求1所述的质子或重离子束治癌装置，其特征在于在所述的射频四极场直线加速器与第I四极磁铁之间设有漂移管直线加速器。
3.如权利要求1所述的质子或重离子束治癌装置，其特征在于所述的高能束线包括多个引出终端。
4.如权利要求3所述的质子或重离子束治癌装置，其特征在于所述的高能束线包括在所述的同步加速器的第22四极磁铁与第31六极磁铁之间引出的第2切割磁铁，第2切割磁铁与高能束线第I四极磁铁、高能束线第2四极磁铁、高能束线第I 二极磁铁顺序连接；由高能束线第I 二极磁铁分别引出第一高能束线和第二高能束线，第一高能束线包括第一高能束线第I四极磁铁、第一高能束线第2四极磁铁、第一高能束线第3四极磁铁、第一高能束线第4四极磁铁的顺序连接；第二高能束线包括第二高能束线第I四极磁铁、第二高能束线第2四极磁铁、第二高能束线第3四极磁铁、第二高能束线第4四极磁铁的顺序连接。
5.如权利要求1所述的质子或重离子束治癌装置，其特征在于所述的同步加速器包括第I静电偏转板，第I静电偏转板设置于第11四极磁铁和第62四极磁铁之间，第11四极磁铁通过第I 二极磁铁与第12四极磁铁相连；第12四极磁铁通过第3凸轨磁铁连接第2静电偏转板、连接第21四极磁铁、第22四极磁铁，在第21四极磁铁与第22四极磁铁之间设有同步加速器第2 二极磁铁；第22四极磁铁连接第31六极磁铁和第31四极磁铁、第32四极磁铁、第41四极磁铁、第42四极磁铁，在第31四极磁铁与第32四极磁铁之间设有同步加速器第3 二极磁铁，在第32四极磁铁与第41四极磁铁之间设有同步加速器高频加速腔，在第41四极磁铁与第42四极磁铁设有同步加速器第4 二极磁铁；第42四极磁铁连接横向射频场激励装置，并通过第I凸轨磁铁连接第51六极磁铁和第51四极磁铁、第52四极磁铁，在第51四极磁铁与第52四极磁铁之间设有同步加速器第5 二极磁铁，第52四极磁铁通过直流电流探测器连接第2凸轨磁铁、第61六极磁铁、第61四极磁铁、第62四极磁铁，在第61四极磁铁与第62四极磁铁之间设有同步加速器第6 二极磁铁，；第62四极磁铁连接第I静电偏转板。
专利摘要本实用新型涉及一种质子或重离子束治癌装置。一种质子或重离子束治癌装置，包括有同步加速器，其主要特点是在同步加速器的前端设有离子源，所述的离子源为电子回旋共振离子源，电子回旋共振离子源通过源束线上的第0Q01 glasser四极透镜和第0Q02 glasser透镜、第1二极铁连接射频四极场直线加速器、中能束线上的第1四极磁铁、第2四极磁铁、第3四极磁铁、第4四极磁铁，在第2四极磁铁与第3四极磁铁之间设有第1二极磁铁，第4四极磁铁通过第1切割磁铁连接同步加速器的第1静电偏转板；在所述的同步加速器的第22四极磁铁与第31六极磁铁之间引出高能束线。本实用新型的优点是直线加速器可以提供较高的流强，是近物所目前的SFC回旋加速器流强的20倍以上。越高的注入流强可以使同步加速器在注入同样的圈数下，获得越多的离子数。这样便可以节约同步加速器真空室的横向孔径，进而减小同步存储环的造价。
文档编号A61N5/10GK202982960SQ20122036902
公开日2013年6月12日 申请日期2012年7月28日 优先权日2012年7月28日
发明者石健, 夏佳文, 柴伟平, 杨建成, 张小虎, 原有进, 何源 申请人:中国科学院近代物理研究所