专利名称：一种用于质子-重离子束治癌的加速器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种将回旋加速器与同步加速器组合的质子-重离子 束治癌装置技术领域，尤其是涉及一种用于质子-重离子束治癌的加速器。
技术背景
由于质子和重离子束照射中倒转的深度剂量分布(Bragg峰)、侧向 散射小、较高的相对生物学效应(RBE)和低的氧增比(0ER)等特点，使 质子-重离子束治癌成为当今国际上先进有效的癌症放射治疗方法。目前， 初步临床治疗试验研究结果显示质子-重离子束治癌具有非常显著的疗 效，且没有明显的毒副作用。
在实施质子-重离子束照射治疗中，提供符合临床要求束流的加速器 是最基本的装置。根据临床治疗中不同肿瘤的深度，需要加速器提供不同 能量的离子束；根据不同肿瘤的形状，需要加速器能够精确控制离子束流 的扫描；根据肿瘤的生物有效剂量要求，需要加速器能够调节离子束流的 强度。例如临床研究发现，在利用碳离子"C4+进行人体癌细胞照射治疗时， 所需要的能量在100到400MeV/u之间，流强为微安量级。
在此应用领域，同步加速器是满足此类需求最有效的加速器装置。同 步加速器可以提供其设计能量范围内(通常在几个MeV/u到几个GeVAi 之间)任意能量的离子，流强可以达到毫安量级。同步加速器的另一个突 出特点还在于可产生可变能量的质子-重离子束流。因此，建立以同步加 速器为主体的重离子束治癌装置，是开展质子-重离子照射治疗癌症的基础。同时，实施质子-重离子肿瘤照射的治疗设备，还需要产生质子、重 离子的离子源，和用于将质子、重离子能量提高到作为主加速器的同步加 速器注入能量要求的预加速装置。
现有技术中公开的用于癌症治疗的加速器装置中，都采用了直线加速 器与同步加速器组合的技术路线，详见中国已公幵的专利号为
20080019535. 2的实用新型专利。这种治癌装置所采用的同步加速器为一 个六重同步环，用激光离子源产生离子束，并采用直线加速器做同步加速 器注入器。
这种公知的重离子治癌装置的一个显著的缺陷是，作为预加速装置的 直线加速器只能够提供占空比较大的脉冲离子束流。在直线加速器的一个 运行周期内，引出离子的时间只占整个周期中的一小部分，从而造成注入 时间增长。同时，直线加速器体积较大，造价高昂，对磁铁和磁铁电源要 求复杂，这增大了建造和投资的成本。
这种公知的重离子治癌装置的另一个缺陷是，虽然六重同步加速器环 的采用， 一定程度上减小了重离子治癌装置的体积，但同时造成了同步加 速器直线段的减小，无法安装用于实现重复注入和束流累积的冷却装置， 因此必须实现一次注入即可达到临床需要的束流强度，这种缺陷增大了此 装置对离子源和直线加速器的性能要求，造成投资成本上升。
另外，公知的用于质子、重离子癌症治疗的加速器装置中，将直线加 速器提供的离子注入到同步加速器中都采用了多圈注入方法，其缺点是单 次注入效率低，进而造成治疗时间增长。
发明内容
为了开展质子、重离子束治癌的临床研究及治疗，同时解决已有技术
的缺陷，本实用新型了提供了一种采用电子回旋共振(ECR)离子源产生质子、重离子，并采用回旋加速器为预注入器，以八重同步加速器为主加 速器的一种用于质子-重离子束治癌的加速器。建立一套可以提供质子、
重离子(质量数小于等于40)、宽能量范围(10MeV/u-40簡eV/u)、高流强 (每个脉冲提供的离子数目到107—"量级)的质子、重离子束研究应用装置。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现所述的一种用于质子-重 离子束治癌的加速器，包括有离子源E和同步加速器C，其特点在于在同 步加速器C的离子束注入端设有扇聚焦回旋加速器A或/和分离扇聚焦回旋 加速器B。所述的同步加速器C包括有通过离子束输送线F相连接的注入切 割磁铁装置(5)、引出切割磁铁装置(6)、高频加速装置(9)、八个同步 加速器弯曲段(1-1至1-8)和八个同步加速器直线段(2-1至2-8)。
所述的同步加速器弯曲段(1-1)包括有两个二极磁铁(3-1、 3-2); 同步加速器弯曲段(1-2)包括有两个二极磁铁(3-15、 3-16);同步加速 器弯曲段(1-3)包括有两个二极磁铁(3-13、 3-14)和静电偏转板(9-2); 同步加速器弯曲段(1-4)包括有两个二极磁铁(3-11、 3-12);同步加速 器弯曲段(1-5)包括有两个二极磁铁(3-9、 3-10);同步加速器弯曲段(1-6) 包括有两个二极磁铁(3-7、 3-8);同步加速器弯曲段(1-7)包括有两个 二极磁铁(3-5、 3-6);同步加速器弯曲段(1-8)包括有两个二极磁铁(3-3、 3-4)。
所述的同步加速器直线段(2-l)包括有三个四极磁铁(7-1、 7-2、 7-30) 和两个六极磁铁(8-3、 8-4);同步加速器直线段(2-2)包括有六个四极 磁铁(7-24、 7-25、 7-26、 7-27、 7-28、 7-29)和静电偏转板(9-2);同 步加速器直线段(2-3)包括有三个四极磁铁(7-21、 7-22、 7-23)和两个 六极磁铁(8-7、 8-8);同步加速器直线段(2-4)包括有三个四极磁铁 (7-18、 7-19、 7-20);同步加速器直线段(2-5)包括有三个四极磁铁(7-15、 7-16、 7-17)和两个六极磁铁(8-5、 8-6);同步加速器直线段(2-6)包括有六个四极磁铁(7-9、 7-10、 7-11、 7-12、 7-13、 7-14)和冷却装置(11); 同步加速器直线段(2-7)包括有两个四极磁铁(7-6、 7-7)和两个六极磁 铁(8-1、 8-2);同步加速器直线段(2-8)包括有两个四极磁铁(7-3、 7-4) 和射频激励装置(10)。
所述的用于将经回旋加速器加速的离子引入同步加速器C的注入切割 磁铁装置(5)设置在同步加速器直线段(2-1)中；所述的用于将经同步 加速器C加速的离子引出的引出切割磁铁装置(6)设置在同步加速器直线 段(2-3)中；所述的高频加速装置(9)设置在同步加速器直线段中，其 为单个或多个。
所述的同步加速器C还包括有剥离注入装置，剥离注入装置包括有设 在同步加速器直线段(2-8)上的踢轨磁铁(4-1)、设在同步加速器弯曲 段(1-1)上的踢轨磁铁(4-2)、设在同步加速器弯曲段(1-2)上的踢轨 磁铁(4-3)、设在同步加速器直线段(2-2)上的踢轨磁铁(4-4)和设在 二极磁铁(3-16)上的剥离膜(4-5)。
所述的一种用于质子-重离子束治癌的加速器，其利用质子-重离子束 进行癌症放射治疗的加速器装置，通过将回旋加速器与同步加速器组合， 实现临床治疗中对束流参数的要求。其存在的有益效果是
1、 其采用回旋加速器做注入器，可以实现离子束的连续注入，质子、 重离子在回旋加速器中，被交变电场加速，并均匀磁场约束做回旋运动。 随着质子、重离子能量提高，运动速度增大，回旋运动的半径逐渐增大， 当被加速到趋于边缘时，借助静电偏转板将质子、重离子引出，实现离子 的不间断引出，因此采用回旋加速器做同步加速器的注入器，可以实现离 子束连续注入同步加速器中；
2、 可以实现从质子到氩离子束流的多离子加速。回旋加速器中，离子的回旋频率厶 =丄么！，其中Z是离子电荷数，X是离子质量数，B是
均匀磁场强度，m,。"是单核子质量。由此可见，具有相同核质比的离子在回 旋加速器中具有相同的回旋频率，因此，不同种类、相同核质比的离子， 在回旋加速器中具有相同的参数设置，从而实现多离子加速。
3、 本实用新型中同步加速器的预加速器采用的是回旋加速器。回旋加 速器具有提供连续束流的优点，并且建造成本低，占地小，易于维护和修 理。本实用新型用回旋加速器做质子-重离子治癌装置中同步加速器的注入 器，克服了其他重离子治癌装置中，采用直线加速器做预加速器，只能提 供脉冲束流的缺点。
4、 本实用新型中采用电子回旋共振离子源作为重离子的产生装置，该 离子源具有的低廉的投资和运行成本和能够产生多种类、多电荷态的重离 子等优点。
图1为本实用新型结构原理示意图2本实用新型图1中的同步加速器C的结构示意图(注入部分)； 图3本实用新型图1中的同步加速器C的结构示意图(引出部分)；
图4本实用新型图1中的同步加速器C中六极磁铁结构示意图。 图5本实用新型图1中的同步加速器C中重离子束流运动的水平和垂 直半径示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述
见图1、 2、 3，所述的一种用于质子-重离子束治癌的加速器，包括有 离子源E和同步加速器C，其特点在于在同步加速器C的离子束注入端设
有扇聚焦回旋加速器A或/和分离扇聚焦回旋加速器B。所述的同步加速器 C包括有通过离子束输送线F相连接的注入切割磁铁装置5、引出切割磁铁 装置6、高频加速装置9、八个同步加速器弯曲段1-1至1-8和八个同步加 速器直线段2-1至2-8。
所述的同步加速器弯曲段1-1包括有两个二极磁铁3-1、 3-2;同步加 速器弯曲段1-2包括有两个二极磁铁3-15、 3-16;同步加速器弯曲段l-3 包括有两个二极磁铁3-13、 3-14和静电偏转板9-2;同步加速器弯曲段1-4 包括有两个二极磁铁3-11、 3-12;同步加速器弯曲段l-5包括有两个二极 磁铁3-9、 3-10;同步加速器弯曲段1-6包括有两个二极磁铁3-7、 3-8; 同步加速器弯曲段l-7包括有两个二极磁铁3-5、 3-6;同步加速器弯曲段 1-8包括有两个二极磁铁3-3、 3-4。
所述的同步加速器直线段2-l包括有三个四极磁铁7-l、 7-2、 7-30和 两个六极磁铁8-3、 8-4;同步加速器直线段2-2包括有六个四极磁铁7-24、 7-25、 7-26、 7-27、 7-28、 7-29和静电偏转板9-2;同步加速器直线段2-3 包括有三个四极磁铁7-21、 7-22、 7-23和两个六极磁铁8-7、 8-8;同步加 速器直线段2-4包括有三个四极磁铁7-18、 7-19、 7-20;同步加速器直线 段2-5包括有三个四极磁铁7-15、 7-16、 7-17和两个六极磁铁8-5、 8-6; 同步加速器直线段2-6包括有六个四极磁铁7-9、 7-10、 7-11、 7-12、 7-13、 7-14和冷却装置11;同步加速器直线段2-7包括有两个四极磁铁7-6、 7-7 和两个六极磁铁8-1、8-2;同步加速器直线段2-8包括有两个四极磁铁7-3、7-4和射频激励装置10。
所述的用于将经回旋加速器加速的离子引入同步加速器c的注入切割
磁铁装置5设置在同步加速器直线段2-1中；所述的用于将经同步加速器C 加速的离子引出的引出切割磁铁装置6设置在同步加速器直线段2-3中； 所述的高频加速装置9为两个，分别设置在同步加速器直线段2-2和2-7 中。
所述的同步加速器C还包括有剥离注入装置，剥离注入装置包括有设 在同步加速器直线段2-8上的踢轨磁铁4-1、设在同步加速器弯曲段1-1 上的踢轨磁铁4-2、设在同步加速器弯曲段1-2上的踢轨磁铁4-3、设在 同步加速器直线段2-2上的踢轨磁铁4-4和设在二极磁铁3-16上的剥离 膜4-5。
所述的一种用于质子-重离子束治癌的加速器，其离子源E采用已有 的技术成熟的质子-重离子源体，如电子回旋共振(ECR)离子源等，同步 加速器C用于调整质子和离子束流强、能量等涉及治癌要求的束流品质参 数，使用时把经同步加速器C加速后的离子束引入用于照射病灶的癌症治 疗终端D。
本实用新型的同步加速器C是一个由八个同步加速器弯曲段1-1至 l-8和八个同步加速器直线段2-1至2-8组成具有四重循环的跑道型结 构。每个弯曲段布置有改变质子-离子束方向的二极磁铁。直线节中设置 有用于调整束流聚焦结构的多组四极磁铁，用于色品校正及慢引出的若干 块六极磁铁，至少一个质子-离子加速装置，根据实际需要决定的束流累 积装置，必要的束流诊断元件，将回旋加速器提供的质子、重离子束流注 入到同步加速器中的注入元件和将其偏转出同步加速器的束流引出元件。
本实用新型的二极磁铁是具有H型结构的线圈及磁极，其结构已在我 单位申请的专利号为200820028897. 9的专利中公开，用于将质子-离子
10束在水平偏转一定的角度。四极磁铁其结构己在我单位申请的专利号为
200820028898. 3和200820028900. 7的专利中公开，用于调整质子、离子 束流在同步加速器中运动的包络，实现束流的横向聚焦或者纵向散焦，保 证束流在同步加速器中循环运动的横向稳定性。六极磁铁的结构见图4 所示，用于质子-离子束的色品校正，其另一个重要用途是在束流引出阶 段调整稳定区域的大小。离子束输送线F主要有改变束流方向的二极磁 铁，调整束流聚焦的四极磁铁，局部轨道校正的矫正磁铁。束流诊断设备 等。
附图5示意性显示了同步加速器C中，离子束作回旋运动的包络。曲 线X表示水平方向离子束的半径，曲线Y表示垂直方向离子束的半径。每 条曲线在图中纵坐标以毫米为单位，同步加速器中以米为单位的轨迹长度 在图中横坐标表示。与公知的重离子治癌同步加速器相比较，具有横向束 流尺寸大，变化小的特点，因此采用本实用新型可以降低同步加速器对注 入束流匹配条件的要求。
本实用新型技术方案的实现具体过程可以描述为
1、 由离子源提供临床研究所需要的离子，离子源提供质量数小于等 于40的质子、重离子，
2、 束流输运线将离子源提供的质子、重离子输运到回旋加速器入口 并注入，回旋加速器将质子、离子束能量提高到满足同步加速器的注入条 件；
3、 将质子、重离子从回旋加速器引出之后，输运到同步加速器入口 并实现注入累积，达到临床治疗所需要的离子数目；
4、 依据临床需要的离子能量，在同步加速器中，将离子加速至所需 要的能量。
5、 在同步加速器引出平台，采用慢引出方法将质子、重离子引出，并
ii输运至治癌终端，在治癌终端元件的作用下，将符合临床要求的离子束照 射至病灶，达到重离子治癌临床应用目的。
权利要求1.一种用于质子-重离子束治癌的加速器，包括有离子源E和同步加速器C，其特征在于在同步加速器C的离子束注入端设有扇聚焦回旋加速器A或/和分离扇聚焦回旋加速器B。
2. 如权利要求1所述的一种用于质子-重离子束治癌的加速器，其特征在于所述的同步加速器C包括有通过离子束输送线F相连接的注入切割磁铁装置(5)、引出切割磁铁装置(6)、高频加速装置(9)、八个同步 加速器弯曲段(1-l至l-8)和八个同步加速器直线段(2-1至2-8)。
3. 如权利要求1所述的一种用于质子-重离子束治癌的加速器，其特征在 于所述的同步加速器弯曲段(1-1)包括有两个二极磁铁(3-1、 3-2); 同步加速器弯曲段(1-2)包括有两个二极磁铁(3-15、 3-16);同步加 速器弯曲段(1-3)包括有两个二极磁铁(3-13、3-14)和静电偏转板(9-2); 同步加速器弯曲段(1-4)包括有两个二极磁铁(3-11、 3-12);同步加 速器弯曲段(1-5)包括有两个二极磁铁(3-9、 3-10);同步加速器弯曲 段(1-6)包括有两个二极磁铁(3-7、 3-8);同步加速器弯曲段(l-7) 包括有两个二极磁铁(3-5、 3-6);同步加速器弯曲段(1-8)包括有两 个二极磁铁(3-3、 3-4)。
4. 如权利要求1所述的一种用于质子-重离子束治癌的加速器，其特征在 于所述的同步加速器直线段(2-1)包括有三个四极磁铁(7-1、 7-2、 7-30)和两个六极磁铁(8-3、 8-4);同步加速器直线段(2-2)包括有 六个四极磁铁(7-24、 7-25、 7-26、 7-27、 7-28、 7-29)和静电偏转板(9-2);同步加速器直线段(2-3)包括有三个四极磁铁(7-21、 7-22、 7-23)和两个六极磁铁(8-7、 8-8);同步加速器直线段(2-4)包括有三个四极磁铁(7-18、 7-19、 7-20);同步加速器直线段(2-5)包括有 三个四极磁铁(7-15、 7-16、 7-17)和两个六极磁铁(8-5、 8-6);同步 加速器直线段(2-6)包括有六个四极磁铁(7-9、 7-10、 7-11、 7-12、 7-13、 7-14)和冷却装置(11);同步加速器直线段(2-7)包括有两个 四极磁铁(7-6、 7-7)和两个六极磁铁(8-1、 8-2);同步加速器直线段 (2-8)包括有两个四极磁铁(7-3、 7-4)和射频激励装置(10)。
5. 如权利要求1所述的一种用于质子-重离子束治癌的加速器，其特征在 于所述的用于将经回旋加速器加速的离子引入同步加速器C的注入切 割磁铁装置(5)设置在同步加速器直线段(2-1)中；所述的用于将经 同步加速器C加速的离子引出的引出切割磁铁装置(6)设置在同步加速 器直线段(2-3)中；所述的高频加速装置(9)设置在同步加速器直线 段中，其为单个或多个。
6. 如权利要求l、 2或5所述的一种用于质子-重离子束治癌的加速器，其 特征在于所述的同步加速器C还包括有剥离注入装置，剥离注入装置 包括有设在同步加速器直线段(2-8)上的踢轨磁铁(4-1)、设在同步加 速器弯曲段(1-1)上的踢轨磁铁(4-2)、设在同步加速器弯曲段(1-2) 上的踢轨磁铁(4-3)、设在同步加速器直线段(2-2)上的踢轨磁铁(4-4) 和设在二极磁铁(3-16)上的剥离膜(4-5)。
专利摘要本实用新型涉及一种将回旋加速器与同步加速器组合的一种用于质子-重离子束治癌的加速器，包括有离子源E和同步加速器C，其特点在于所述的同步加速器C包括有通过离子束输送线F相连接的注入切割磁铁装置(5)、引出切割磁铁装置(6)、高频加速装置(9)、八个同步加速器弯曲段(1-1至1-8)和八个同步加速器直线段(2-1至2-8)；在同步加速器C的离子束注入端设有扇聚焦回旋加速器A或/和分离扇聚焦回旋加速器B。其采用将回旋加速器与同步加速器组合的方法，建立一套可以提供质子、重离子(质量数小于等于40)、宽能量范围(10MeV/u-400MeV/u)、高流强(每个脉冲提供的离子数目到10<sup>7-10</sup>量级)的质子、重离子束治癌需要的加速器装置，实现临床治疗中对束流参数的要求。
文档编号H05H13/04GK201349358SQ200920000738
公开日2009年11月18日 申请日期2009年1月12日 优先权日2009年1月12日
发明者原有进, 夏佳文, 宋明涛, 杨建成 申请人:中国科学院近代物理研究所