紧凑型束流切换偏转装置及其应用的制作方法

1.本发明涉及离子加速器设备技术领域，尤其涉及一种紧凑型束流切换偏转装置及其应用。


背景技术：

2.医用离子加速器是指利用电磁场对离子进行加速和约束，把离子加速到比较高的能量，从而使离子可以穿透人的表皮，到达肿瘤位置，对肿瘤进行治疗的装置。这里的离子，是指元素周期表中从氢到氖的离子，如质子、氦离子、碳离子等，通常最为常见的为质子和碳离子。
3.医用离子加速器具有研发技术复杂、资金投入大、生产及控制工艺复杂、质量要求高等一系列门槛。通常用束流进行治疗所占用的时间并不多，但是在对患者进行治疗之前要进行比较多的准备工作，比如用ct探测肿瘤的位置，对患者进行摆位等等。如果一台医用离子加速器只配备一个治疗室的话，会有很多时间浪费在准备工作上，束流不能得到很好的利用。所以一台加速器通常会配备几个治疗室，这样在一个治疗室进行患者的准备工作的时候另外的治疗室可以用束流来对患者进行治疗。要想建造多个治疗室就需要对束流进行分流，使束流可以偏向不同的方向。
4.目前市场上的医用离子加速器大多数都使用常规磁铁，由于场强的限制，磁铁做的比较大，所以整个设备的空间体积庞大，占地面积多，投资额度大。因此，研发紧凑型离子治疗装置，缩小占地面积，降低投资额度，成为当前主要考虑和研究的方向之一，这也是未来粒子放疗设备的发展趋势。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明提供了一种紧凑型束流切换偏转装置及其应用。
6.本发明一方面提供了一种紧凑型束流切换偏转装置，包括依次连接的超导分束器、多通道真空室和超导组合磁铁，其中：超导分束器用于将输入束流进行分束，多通道真空室开设有多个引出口，每个引出口法兰连接至一个分支束线管道，至少一个分支束线管道上设置有超导组合磁铁。
7.根据本发明的实施例，超导分束器的入口设置有中空圆台状真空管道，中空圆台状真空管道法兰连接至主束流真空管道；超导分束器的出口法兰连接多通道真空室。
8.根据本发明的实施例，超导分束器的内径大于主束流真空管道的内径。
9.根据本发明的实施例，多通道真空室包括三通道真空室，三通道真空室呈中空四棱柱真空盒结构。
10.根据本发明的实施例，超导组合磁铁是在二极磁铁的线圈上绕制四极磁铁形成的组合型超导磁铁。
11.根据本发明的实施例，分支束线管道包括第一分支束线管道、第二分支束线管道和第三分支束线管道，其中：第一分支束线管道设置有组合型超导磁铁，用于对束流进行第
一方向的偏转和聚焦；第二分支束线管道设置有四极磁铁，用于将束流直线通过；第三分支束线管道设置有组合型超导磁铁，用于对束流进行第二方向的偏转和聚焦。
12.根据本发明的实施例，四极磁铁为fodo或者triplet结构，且聚焦和散焦磁场交替排列。
13.根据本发明的实施例，装置在长度方向和宽度方向均不超过6m。
14.根据本发明的实施例，超导分束器的输入束流为汇聚束流或者发散束流；其中，通过调节四极磁铁的场强，在出口处调节为无色散束流。
15.本发明另一方面提供了一种上述紧凑型束流切换偏转装置在肿瘤治疗以及工业辐照中的应用。
16.与现有技术相比，本发明提供的紧凑型束流切换偏转装置及其应用，至少具有以下有益效果：
17.(1)采用超导磁铁对束流进行偏转，提高了偏转磁铁的最大场强，减小了束流的偏转半径，从而减小了占地面积；
18.(2)采用组合型超导磁铁，把四极场复合到二极场上，减少了四极磁铁的使用，从而进一步减小了占地面积。
附图说明
19.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
20.图1示意性示出了根据本发明实施例的紧凑型束流切换偏转装置的结构图；
21.图2示意性示出了根据本发明实施例的多通道真空室的入口正视图、整体正视图和出口正视图；
22.图3(a)、图3(b)和图3(c)分别示意性示出了根据本发明实施例的超导分束器在磁场变化时束流的三种轨迹路线图；
23.图4示意性示出了根据本发明实施例的三种分支束线管道的布置图；
24.图5示意性示出了根据本发明实施例的超导分束器在第一入口参数下的光学参数实验结果图；
25.图6示意性示出了根据本发明实施例的超导分束器的束流包络实验结果图；
26.图7示意性示出了根据本发明实施例的超导分束器在第二入口参数下的光学参数实验结果图。
27.【附图标记说明】
28.图1-图3：1-超导分束器；2-多通道真空室；31-第一法兰；32-第二法兰；33-第三法兰；
29.图4∶101-超导分束器；102-多通道真空室；111-第一组合型超导磁铁；112-第二组合型超导磁铁；121-第一四极磁铁；122-第二四极磁铁；131-第三组合型超导磁铁；132-第四组合型超导磁铁。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照
附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
32.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
34.在加速器中主要有两种类型的磁铁，二极磁铁和四极磁铁。四极磁铁可提供在横向(和离子运动方向垂直的方向)有一定梯度的磁场，用于对束流进行横向聚焦。束流的偏转主要靠二极磁铁提供的均匀磁场来实现，离子的能量越高，想要偏转离子需要的磁场就越大。对于相同能量的离子来说，偏转磁场的场强越大，偏转半径就越小，需要的二极磁铁就可以更小，可以减少占地面积。然而和超导磁铁对比来说，常规磁铁的磁场的最大值往往不能做的太高，这就决定了二极磁铁不能做的太小。一台常规磁铁一般只能对束流进行一个方向的偏转，这是因为常规磁铁的磁场太小，要想对束流进行两个方向的偏转需要的孔径会非常大。所以如果想要对束流进行多角度的偏转就会需要多台二极磁铁来实现。
35.对于典型的碳离子加速器来说，用来偏转碳离子的二极磁铁的半径一般在4m左右，想要把碳离子偏转90
°
就需要两台半径4m，偏转角度为45
°
的二极磁铁。在对碳离子进行偏转的同时，为了保证离子在运动的过程中保持汇聚，不会散开，还需要数个四极磁铁，这样就需要更大的空间。
36.总之，现有的束流分束装置，如果想把束流偏转到两个不同的方向，通常需要数量比较多的二极磁铁和四极磁铁。而且由于常规磁铁的场强不大，通常无法控制束流在一个磁铁里面偏向不同的方向，这样装置的长度也会变得很长。所以现有的束流偏转装置的主要缺点是使用的磁铁较多，占地面积较大。
37.有鉴于此，本发明提供了一种紧凑型束流切换偏转装置及其应用，以给出解决医用离子治疗技术中束流到不同治疗终端的配送方案。
38.图1示意性示出了根据本发明实施例的紧凑型束流切换偏转装置的结构图。
39.如图1所示，根据该实施例的紧凑型束流切换偏转装置，包括依次连接的超导分束器1、多通道真空室2和超导组合磁铁。其中，超导分束器1用于将输入束流进行分束，多通道真空室2开设有多个引出口，每个引出口法兰连接至一个分支束线管道，至少一个分支束线管道上设置有超导组合磁铁。
40.通过上述实施例，采用超导磁铁对束流进行偏转，由于超导磁铁所能达到的场强是常规磁铁的两倍以上，可以大大缩小磁铁的尺寸，从而减小占地面积，缩减成本。
41.超导分束器1将输入束流在自身可变磁场的作用下偏转不同的角度，将输入束流沿不同角度进行分束，因此超导分束器1的好场区要大于常规磁铁。
42.本发明实施例中，超导分束器1的入口设置有中空圆台状真空管道，该中空圆台状真空管道法兰连接至主束流真空管道。
43.进一步地，超导分束器1的内径大于主束流真空管道的内径。由此，相较于主束流真空管道，超导分束器1作为大孔径真空管道。主束流真空管道依次通过中空圆台状真空管道和小孔径的第一法兰31过渡到超导分束器1的入口。
44.本发明实施例中，超导分束器1的出口法兰连接多通道真空室2。具体地，超导分束器1的出口通过大孔径的第二法兰32连接至多通道真空室2，多通道真空室2的多个引出口则由小孔径的第三法兰33与后级相应方向的分支束线管道连接。
45.需要说明的是，多通道真空室2本身真空室的形状结构以及出口通道数量可根据超导分束器1所决定的束流可偏转方向的个数和具体角度灵活设计，只要能够保证束流不被多通道真空室2内壁遮挡即可，具体本发明不做限制。
46.图2示意性示出了根据本发明实施例的多通道真空室的入口正视图、整体正视图和出口正视图。
47.如图2所示，在本发明的一些实施例中，多通道真空室2包括三通道真空室，在可以包裹住束流的前提下尽可能紧凑的原则，三通道真空室采用中空四棱柱真空盒结构。
48.图3(a)、图3(b)和图3(c)分别示意性示出了根据本发明实施例的超导分束器在磁场变化时束流的三种轨迹路线图。
49.上述阐述的紧凑型束流切换偏转装置的主要工作原理在于：首先，当超导分束器1的线圈不通电时，则在分束器里面不会有二极磁场，离子将会沿着直线继续运动，不会发生偏转，如图3(a)所示，中心直线即表示束流的轨迹线。其次，当超导分束器1的线圈通电时，会在分束器里面产生一个二极磁场，使带电粒子进行偏转，当产生的磁场方向为垂直与纸面向里时，通过洛伦兹力方程可知离子会受到向上的力，从而向上偏转，如图3(b)所示，该中心轨迹即向上偏转。然后，当超导分束器1的线圈里面通过反方向的电流，则会产生一个垂直于纸面向外的磁场，这个磁场对离子会产生一个向下的力，从而离子会向下偏转，如图3(c)所示，该中心轨迹即向下偏转。
50.当粒子通过超导分束器1发生偏转时，由于粒子动量的不同会引入色散，使不同粒子的中心轨道不一样。为了消除色散，需要在上下两个偏转方向后续的分支束线管道接入超导组合磁铁。
51.为了节省空间，超导组合磁铁是在二极磁铁的线圈上绕制四极磁铁形成的组合型超导磁铁。并且，为了同时对水平方向和垂直方向的束流进行聚焦，四极磁铁可以为fodo或者triplet结构，且聚焦和散焦磁场交替排列。
52.需要说明的是，束流在进入超导分束器1时的参数是不确定的，在设计的时候应该考虑到多种情况。在设计超导分束器1的过程中，可以对以下情况进行考虑：束流在进入超导分束器1时刚好在束腰位置；束流在进入超导分束器1时是会聚束；束流在进入超导分束器1时是发散束；束流在进入超导分束器1时色散不为零。上述几种情况，都可以通过调节组合型超导磁铁上面的四极磁铁的大小来实现束流参数的匹配。
53.基于上述工作原理，图4示意性示出了根据本发明实施例的三种分支束线管道的
布置图。
54.如图4所示，在本发明的一些实施例中，分支束线管道包括第一分支束线管道、第二分支束线管道和第三分支束线管道，其中：第一分支束线管道设置有组合型超导磁铁，用于对束流进行第一方向的偏转和聚焦；第二分支束线管道设置有四极磁铁，用于将束流直线通过；第三分支束线管道设置有组合型超导磁铁，用于对束流进行第二方向的偏转和聚焦。
55.具体来说，第一分支束线管道上设置的组合型超导磁铁，目的是为对束流进行进一步偏转和对束流进行聚焦。第二分支束线管道上设置的四极磁铁，对应与前述超导分束器1不加磁场的情况。第三分支束线管道上设置的组合型超导磁铁，类似于第一分支束线管道，两者不同之处在于偏转方向的设置。其中，第二方向可以不同于第一方向，优选地，第二方向和第一方向可以沿输入束流直线方向对称部分。
56.对于图4所示的布置图，整个紧凑型束流切换偏转装置的在长度方向和宽度方向均不超过6m。如果用常规磁铁来实现对束流同样的偏转效果，一般来说在长度方向需要10m左右，在宽度方向则需要13m左右。由此可见，相较于常规束流偏转方案来说，本发明实施例的占地面积减少了2/3以上，节省了很多空间，也减少了四极磁铁的使用，从而降低了造价。
57.在图4所示的布置图下示例的束流光学和束流包络分别在图5和图6中得到。图5示意性示出了根据本发明实施例的超导分束器在第一入口参数下的光学参数实验结果图。图6示意性示出了根据本发明实施例的超导分束器的束流包络实验结果图。
58.由图5可以看出，在超导分束器1末端将束流匹配成了无色散的束流。同时，由图6可以看出，束流的包络很小，基本在15mm以下，因此组合型超导磁铁的孔径不需很大，可以进一步降低加工难度。
59.图7示意性示出了根据本发明实施例的超导分束器在第二入口参数下的光学参数实验结果图。
60.进一步地，为了能使超导分束器1的应用场合更加广泛，改变了超导分束器1入口的光学参数，如图7所示，超导分束器1的输入束流为汇聚束流，且色散值不为零。其中，通过调节四极磁铁的场强，在出口处调节为无色散束流。在这种情况下，可以通过改变组合型超导磁铁上的四极磁铁磁场分量的大小，使光学重新匹配到实际所需的参数。
61.需要说明的是，在超导分束器1的输入束流为发散束流时，同样可以通过调节四极场来满足要求，在此不再赘述。
62.通过本发明的实施例，采用超导磁铁对束流进行偏转，提高了偏转磁铁的最大场强，减小了束流的偏转半径，从而减小了占地面积。并且，采用组合型超导磁铁，把四极场复合到二极场上，减少了四极磁铁的使用，从而进一步减小了占地面积。
63.基于上述公开内容，本发明另一实施例提供了一种上述紧凑型束流切换偏转装置在肿瘤治疗以及工业辐照中的应用。例如，上述紧凑型束流切换偏转装置可以应用于医疗粒子加速器，同位素生产加速器，核孔膜生产加速器，材料辐照加速器，缪子产生加速器，中子源等，同时为多个不同的应用终端提供束流。
64.综上所述，本发明实施例提供了一种紧凑型束流切换偏转装置及其应用，该装置依次包括大孔径的超导分束器、多通道真空室以及后续的组合型超导磁铁。利用该装置，可以根据治疗需求将束流迅速切换偏转到不同的治疗终端。同时，该装置结构紧凑，可将传统
高能束线多终端束流偏转结构缩小一半以上，有效降低装置成本。
65.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。
66.类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
67.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。除非另有说明，否则表述“大约”、“约”、“基本上”和“左右”表示在10％以内，优选地，在5％以内。
68.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。