CN101631419A - 重离子束注入同步加速器的方法及其装置 - Google Patents

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本发明主要涉及将回旋加速器提供的质量数小于等于40的非全剥离重离子束流注入到同步加速器中的方法及其装置。一种重离子束注入同步加速器的方法，包括有如下步骤：1.将未被全剥离的量数小于或等于40重离子束加速到能量为5.0－10.0MeV/u，重离子束流强为2.0－6.0微安；2.将步骤1中质量数小于或等于40的重离子束偏转到剥离膜，并将同步加速器的中心轨道在注入点的位置凸起到剥离膜处；3.降低步骤2中所述的中心轨道的凸起，剥离后的重离子束注入并填充加速器空间，在同步加速器中作回旋运动。并提供一种重离子束注入同步加速器的装置。设备简单，操作方便，注入效率高的优点，并可以通过调整剥离膜厚度实现重离子束流电荷态的多种选择。

Description

重离子束注入同步加速器的方法及其装置
技术领域：
本发明主要涉及将回旋加速器提供的质量数小于等于40的非全剥离重离子束流注入到同步加速器中的方法及其装置。
背景技术：
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(OER)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，只有少数发达国家及我国开展相应研究，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。
中国专利公开的专利号为200580019535所述，目前，国际上应用的重离子治癌装置主要采用较轻的重离子束流，如碳离子，能量小于400MeV/u，且主体加速器均采用同步加速器。运行方法是首先将离子源提供的碳离子用直线加速器进行预加速，达到同步加速器的注入能量阈值，之后采用多圈注入方法，将碳离子注入到同步加速器中，最终加速到临床所需要的能量。
这种注入模式的缺点在于，多圈注入效率很低，且多圈注入必须的静电偏转板制作精度要求极高，工艺复杂，造价高昂。同时，多圈注入方法无法改变离子电荷态。
发明内容：
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种重离子束注入同步加速器的方法及其装置，这种注入方法有设备简单，操作方便，注入效率高的优点，并可以通过调整剥离膜厚度实现重离子束流电荷态的多种选择，非常适合于重离子治癌同步加速器所需要的质量数小于等于40的重离子束流的注入，在束流冷却装置的辅助下，可以实现束流流强最大40倍的增益。
本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现：
一种重离子束注入同步加速器的方法，包括有如下步骤：
1)将未被全剥离的质量数小于等于40的重离子束加速到能量为5.0-10.0MeV/u，重离子束流强为2.0-6.0微安；
2)将步骤1中质量数小于或等于40的重离子束偏转到剥离膜，并将同步加速器的中心轨道在注入点的位置凸起到剥离膜处；
3)降低步骤2中所述的中心轨道的凸起，剥离后的重离子束注入并填充加速器空间，在同步加速器中作回旋运动。
所述的重离子束注入同步加速器的方法，还包括有如下步骤：
4)将步骤3)中剥离后的重离子束冷却，缩小重离子束径向尺寸，重复所述1，2，3步骤。
所述的一种重离子束注入同步加速器的装置，其主要特点是包括有在注入装置(2-1)的两端分别设有曲线段(1-1、1-2)，在曲线段(1-2)的下游设有直线段(2-2)，在曲线段(1-1)的上游设有直线段(2-8)。
所述的重离子束注入同步加速器的装置，所述的曲线段(1-1)包括有二极磁铁(3-1、3-2)，所述的曲线段(1-2)包括有二极磁铁(3-15、3-16)；在两二极磁铁(3-1、3-2)之间设有踢轨磁铁(4-2)，在两二极磁铁(3-15、3-16)之间设有踢轨磁铁(4-3)；直线段(2-2)包括有四极磁铁(7-27、7-28、7-29)和踢轨磁铁(4-4)，直线段(2-8)包括有四级磁铁(7-3、7-4、7-5)和踢轨磁铁(4-1)；在二极磁铁(3-16)内设有剥离膜(4-5)；在直线段(2-1)中设有切割磁铁(5)和四极磁铁(7-1、7-2、7-30)。
切割磁铁用于将回旋加速器提供的非全剥离的、质量数小于等于40的重离子束偏转到剥离膜处。切割磁铁是好场区位置极为特殊的一类二极磁铁。运行时不但要有较好的磁场均匀度，而且，要将线圈外侧的杂散磁场降到极低的水平。
踢轨磁铁用于改变同步加速器中心轨道在注入点处的凸起量，防止已经注入的重离子束在重复通过注入点时，碰到切割磁铁而损失，踢轨磁铁的磁场下降为指数形式，磁场下降注入点中心轨道的凸起量逐渐减小，从而使回旋加速器提供的重离子束在损失电子的情况下注入到同步加速器中，并充满整个同步加速器的横向空间。踢轨磁铁是一种以脉冲方式工作的特殊二极磁铁，主要特点是其磁场的快速脉冲性，要求的最高磁场一般都不高；为了得到快速脉冲的磁场，必须尽可能降低磁铁的电感；为了减小涡流损耗，铁芯一般都用铁氧体材料。另外，由于磁场是以很快的脉冲方式工作，采用特殊的陶瓷真空室以消除脉冲磁场在真空室壁上产生的涡流。
剥离膜为采用直流电弧放电方法制备的碳膜。非全剥离的重离子束穿越剥离膜时，原子核外电子会部分或全部损失，损失电子的数目与膜的厚度相关。
本发明的有益效果是这种注入方法有设备简单，操作方便，注入效率高的优点，并可以通过调整剥离膜厚度实现重离子束流电荷态的多种选择，非常适合于重离子治癌同步加速器所需要的质量数小于等于40的重离子束流的注入。在束流冷却装置的辅助下，显著提高了质量数小于等于40的重离子注入到同步加速器中的注入效率，可以实现束流流强最大40倍的增益，远高于多圈注入装置下的注入效率。同时，相对于多圈注入装置中的静电偏转板，剥离膜的工艺要求更为简单，寿命更长，运行稳定，更适合临床治疗应用。
附图说明：
图1为最佳实施例的束流注入装置平面示意图；
图2为注入轨道示意图；
图3为踢轨磁铁示意图。
具体实施方式：
根据本发明，回旋加速器提供的质量数小于等于40的非全剥离重离子束流注入到同步加速器方法及装置的详细特点、细节可以通过本发明的最佳实施例并结合附图进一步阐述。
以下是具体实施过程中的一次注入全过程，见附图1，附图1为同步加速器中的注入段。图2是剥离注入的束流运动曲线图，注入束流穿越剥离膜后，被剥离的离子注入到同步加速器中被储存，未被剥离的离子偏转出同步加速器而损失。
具体步骤如下：
1.ECR离子源提供12C4+离子，经过扇聚焦回旋加速器SFC(能量常数K＝69)加速至能量为7.0MeV/u，并输送至切割磁铁5入口，流强为4.8微安；
2.采用切割磁铁将12C4+离子偏转到剥离膜位置；见附图2。
3.开启踢轨磁铁，将同步加速器中心轨道在注入点的位置凸起到剥离膜处，开始注入；
4.12C4+离子通过剥离膜之后，外层电子被全剥离，成为12C6+离子，能量为7.0MeV/u；
5.踢轨磁铁的磁场开始以指数形式下降，下降时间为0.5毫秒，在下降过程中，剥离产生的12C6+离子逐步将同步加速器的横向空间填充；
6.踢轨磁铁磁场降零，完成一次注入过程，开始冷却束流，7.0MeV/u的12C6+离子束流尺寸缩小；
7.0.5秒之后，重复上述步骤3)、4)、5)、6)，实施第二次注入过程，实现束流累积；
8.同步触发高频加速腔及相应磁场电源系统，将7.0MeV/u的12C6+离子加速至200MeV/u；
9.触发慢引出元件，储存环内200MeV/u的12C6+离子在3秒时间内被均匀的引出同步加速器，输送到治癌终端；
实施例2：见图1，附图1为同步加速器中的注入段。一种重离子束注入同步加速器的装置，包括有在注入装置2-1的两端分别设有曲线段1-1、1-2，在曲线段1-2的下游设有直线段2-2，在曲线段1-1的上游设有直线段2-8。
所述的曲线段1-1包括有二极磁铁3-1、3-2，所述的曲线段1-2包括有二极磁铁3-15、3-16；在两二极磁铁3-1、3-2之间设有踢轨磁铁4-2，在两二极磁铁3-15、3-16之间设有踢轨磁铁4-3；直线段2-2包括有四极磁铁7-27、7-28、7-29和踢轨磁铁4-4，直线段2-8包括有四级磁铁7-3、7-4、7-5和踢轨磁铁4-1；在二极磁铁3-16内设有剥离膜4-5；在直线段2-1中设有切割磁铁5和四极磁铁7-1、7-2、7-30。
实施例3：剥离膜为采用直流电弧放电方法制备的碳膜。非全剥离的重离子束穿越剥离膜时，原子核外电子会部分或全部损失，损失电子的数目与膜的厚度相关。剥离膜的设计最终具有以下特点：
1.具有较大的有效面积，最终研制的剥离膜最大有效面积为40×40mm2。
2.为了剥离膜自身不影响已贮存离子的轨道，剥离膜采用了U型靶框，框架的宽度小于2mm。
3.为了提高膜的均匀性，以便使剥离后的离子的能量具有较小的离散性。剥离膜采用了双层结构。
4.根据不同注入离子的能量和对电荷态的要求，选用合适剥离膜的厚度范围为15-100μg/cm2。
实施例4：图3是踢轨磁铁示意图，为了减小涡流损耗，铁芯一般都用铁氧体材料。在磁铁的钢结构外壳上加了一层5mm厚的紫铜屏蔽壳。另外，由于磁场是以很快的脉冲方式工作，采用特殊的陶瓷真空室以消除脉冲磁场在真空室壁上产生的涡流。

Claims (5)

1.一种重离子束注入同步加速器的方法，包括有如下步骤：
1)将未被全剥离的量数小于或等于40重离子束加速到能量为5.0-10.0MeV/u，重离子束流强为2.0-6.0微安；
2)将步骤1中质量数小于或等于40的重离子束偏转到剥离膜，并将同步加速器的中心轨道在注入点的位置凸起到剥离膜处；
3)降低步骤2中所述的中心轨道的凸起，剥离后的重离子束注入并填充加速器空间，在同步加速器中作回旋运动。
2.如权利要求1所述的重离子束注入同步加速器的方法，还包括有如下步骤：
4)将步骤3)中剥离后的重离子束冷却，缩小重离子束径向尺寸，重复所述1，2，3步骤。
3.如权利要求1所述的一种重离子束注入同步加速器的装置，其特征是包括有在注入装置(2-1)的两端分别设有曲线段(1-1、1-2)，在曲线段(1-2)的下游设有直线段(2-2)，在曲线段(1-1)的上游设有直线段(2-8)。
4.如权利要求3所述的重离子束注入同步加速器的装置，其特征是所述的曲线段(1-1)包括有二极磁铁(3-1、3-2)，所述的曲线段(1-2)包括有二极磁铁(3-15、3-16)；在两二极磁铁(3-1、3-2)之间设有踢轨磁铁(4-2)，在两二极磁铁(3-15、3-16)之间设有踢轨磁铁(4-3)；直线段(2-2)包括有四极磁铁(7-27、7-28、7-29)和踢轨磁铁(4-4)，直线段(2-8)包括有四级磁铁(7-3、7-4、7-5)和踢轨磁铁(4-1)；在二极磁铁(3-16)内设有剥离膜(4-5)；在直线段(2-1)中设有切割磁铁(5)和四极磁铁(7-1、7-2、7-30)。
5.如权利要求4所述的重离子束注入同步加速器的装置，其特征在于，所述的剥离膜(4-5)为采用直流电弧放电方法制备的碳膜。
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