CN102308676A - 冷却系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种离子治疗系统，包括安装在可旋转台架(2)上的粒子加速器(1)。所述粒子加速器包括当所述粒子加速器在使用中围绕所述台架的轴线旋转时围绕其轴线旋转的超导线圈(17)，以将输出束从不同方向朝向目标引导。所述粒子加速器能够旋转通过(180)度以使所述束沿对应的弧线移动。所述粒子加速器包括配置为当所述线圈旋转时冷却所述线圈的冷却系统。所述超导线圈(17)被安装在线圈支架(25)中。所述线圈被定位为从所述支架(25)的另一侧上的所述线圈(17)径向外部的制冷剂室(32)围绕。所述制冷剂室与制冷剂再凝结单元(29)流体连通，由此蒸发的制冷剂可以在使用中从制冷剂室(32)流动到所述制冷剂再凝结单元(29)，以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结。热传导装置(40)被配置为在使用中利于热量从所述超导线圈(17)传递到所述制冷剂室(32)以使包含在所述制冷剂室(32)中的制冷剂蒸发，从而将热量从所述线圈移除。

Description

冷却系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于包括一个或多个超导线圈的粒子加速器的冷却系统和方法，并且更具体而言涉及一种用于包括一个或多个超导线圈的可旋转粒子加速器的冷却系统和方法。

背景技术

粒子加速器被用在许多应用中，包括例如粒子物理学应用，以及离子治疗，比如重离子治疗或质子治疗。在特定应用中，期望能够引导输出束，以从若干不同方向将输出束入射到目标上。这种技术被经常用在离子治疗应用中，以试图照射诸如肿瘤的目标结构，同时减小对周围健康组织的照射剂量。

在一些传统系统中，输出束的引导可以通过使用静态粒子加速器以供应粒子束并提供转向系统以将粒子束从若干方向引导到目标上来实现。这种系统典型地是相对较大和昂贵的，通常需要转向和聚集磁铁的复杂系统以将束从粒子加速器引导至目标，该系统可能与加速器相距一些距离。

日益流行的可替代技术是使用这样一种粒子加速器，其重量和大小允许该粒子加速器自身被安装到比如台架的支架上，以允许加速器的例如旋转的移动，并从而允许带电粒子的输出束的例如旋转的移动。在这种布置中，支架可以是可旋转的以允许粒子加速器和线圈围绕线圈的轴线旋转。可以被构造为足够轻且紧凑以能够安装到用于旋转的支架上的一种粒子加速器的类型是包括一个或多个超导线圈的粒子加速器。与使用不包括超导线圈从而能够实现尺寸和重量减小的尺寸相当的粒子加速器相比，这种线圈可以产生更强的磁场。例如，相对小截面的超导导线可以携带非常高的电流，在无损耗情况下大约数百或数千安培。可以无困难地获得使用电阻线圈典型实现的一百倍的电流密度。

安装粒子加速器的支架是有利的，在于其可以提供较小且较廉价的安装环境中的束引导能力。这例如在离子治疗应用的环境中是特别重要的，能够使治疗安装变得更加普遍，潜在地允许治疗中心位于并非区域或国家水平的地区。

当使用包括超导线圈的粒子加速器时，必须对超导绕组进行冷却。将会认识到的是，当对安装在用于旋转的支架上的粒子加速器的超导线圈进行冷却时会遇到特别的问题。冷却系统应该允许粒子加速器被安装到支架上，并且即使在粒子加速器及其线圈旋转时也能够操作以对线圈进行冷却。

已提出有各种用于冷却超导系统的线圈的方法。用于超导线圈的以下传统的冷却方法需要将线圈浸没到液态低温致冷剂或“制冷剂”中。最常用的制冷剂是液氦。制冷剂从超导体吸收热量，并被蒸发，由此冷却超导体。然而，将超导体浸没到制冷剂中的需要具有特定缺陷，尤其是在存在安装可旋转粒子加速器系统的支架的环境中。与将超导线圈浸没到与制冷剂槽相关联的最显著的问题之一是这会导致相对大的体积，不适于安装到支架上，或者不适于旋转。由于需要相对大量的制冷剂，制冷剂容纳槽通常必须为能够承受可能当制冷剂对超导磁体进行失超(quench)时蒸发而产生的潜在高压的压力容器。失超是当超导磁体脱离其超导状态并进入有阻状态时可能发生的现象。这可能导致线圈以热的形式沉积能量，引起围绕线圈的制冷剂蒸发。此外，制冷剂，比如液氦，有可能将在未来变得越来越稀少，使得更加不期望使用大量制冷剂的浸没式系统。

其他已知的冷却方法使用热导体，比如铜热联接件(thermal link)，以将热量从超导线圈传递到制冷器的工作流体，而不使用制冷剂作为传热介质。然而，这些系统同样具有特定缺陷。例如，在导体的长度上可能发生显著的温度梯度，从而降低超导线圈的性能。由于制冷器产生振动可能会干扰粒子加速器的操作而产生进一步的问题。相反地，由粒子加速器产生的强磁场可能会干扰制冷器的操作。为了避免制冷器与粒子加速器之间发生干扰，必须将制冷器定位在距粒子加速器的超导线圈一定距离处。然而，实践中，具有与在显著距离上传导热量相关联的实践困难。因此，申请人认识到这种系统也不适于保持超导线圈的温度低且稳定，而低且稳定的超导线圈的温度对于保持粒子加速器的有效操作是期望的。

发明内容

因此，申请人认识到需要一种用于安装在支架上以改变例如输出束的旋转方向的粒子加速器的超导系统的改进的冷却方法和系统。

根据发明的第一方面提供：

一种系统，包括：

支架；和

粒子加速器，安装在所述支架上，在使用中用于产生带电粒子的输出束，所述粒子加速器包括在使用中用于产生磁场的至少一个环形超导线圈；

所述系统进一步包括在使用中用于冷却所述超导线圈的装置；

所述冷却装置包括：

制冷剂室，位于所述至少一个超导线圈附近，在使用中用于容纳制冷剂；

热传导装置，被配置为利于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室，以在使用中使容纳在所述制冷剂室中的制冷剂蒸发，从而将热量从所述至少一个超导线圈移除，所述热传导装置在制冷温度下是高热传导的；

以及制冷剂再凝结单元，与所述制冷剂室流体连通，由此蒸发的制冷剂在使用中能够从所述制冷剂室流动到所述制冷剂再凝结单元，以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结；

其中所述系统被配置为使得所述粒子加速器在使用中能够移动以改变所述输出束的方向同时至少一个超导线圈围绕其轴线旋转，并且其中在使用中当所述线圈由于所述粒子加速器的所述移动而围绕其轴线旋转时，所述冷却装置能够操作以冷却所述超导线圈。

因此，根据发明，制冷剂室被提供在粒子加速器的超导线圈附近。位于室中的液态制冷剂在使用中可以吸收并被从超导线圈传递到制冷剂的热量蒸发，从而冷却线圈。该热传导装置被特别提供以利于热量从超导线圈传递到制冷剂室，以在使用中使制冷剂室中的制冷剂蒸发。本发明由此使用导热路径以在使用中将热量从超导线圈传递到位于制冷剂室中的靠近线圈的制冷剂。制冷剂室与制冷剂再凝结单元流体连通，例如与再凝结单元流体连通相连，由此在使用中，位于室中并被来自超导线圈的热量蒸发的制冷剂可以流动到制冷剂再凝结单元以在返回到室之前被再凝结。再凝结的制冷剂随后可被再次蒸发以开始新的循环。

以此方式，本发明提供用于系统的超导线圈或线圈的冷却系统，其中热量以两个步骤过程被从线圈或多个线圈取出。首先，在使用中热量通过热传导在相对短的距离上传导到局部制冷剂室，以蒸发存在于室中的制冷剂。在第二阶段中，蒸发的制冷剂用作热传递介质以将热量从超导线圈附近移除，从制冷剂室传送到再凝结单元。

已经发现两种不同热传递机理的组合，即仅在冷却过程之后的阶段使用蒸发态的制冷剂作为热传递介质，以将热量例如在较长范围上传递到再凝结单元，同时热传导经由特别的高热传导装置被用于最初即在较短的范围上将热量从线圈传递到制冷剂在安装粒子加速器的支架的超导线圈的环境中是特别有利的，允许本发明解决与依赖将线圈浸没在制冷剂槽中以移除来自线圈的热量和依赖使用热导体以在显著的距离上将热量直接传递到比如制冷器的热泵的工作流体而不使用制冷剂的现有技术的布置相关联的问题。

与浸没型布置相反，本发明允许使用显著地更小的量的制冷剂，并且与现有技术的制冷剂槽相比获得制冷剂室尺寸的相应减小。这可导致适于安装在支架上的轻量且更紧凑的系统。

与浸没型布置相比使用更小量的制冷剂的能力是存在利于热量从线圈传递到制冷剂室内部以使制冷剂蒸发的热传导装置以及用于使蒸发的制冷剂再凝结的再凝结单元的结果。高热传导装置的存在允许线圈的温度被保持接近液态制冷剂的温度，而不需要靠近线圈地在制冷剂槽中提供大量的制冷剂来用作冷储备。根据发明，将线圈浸没在制冷剂中被替代为线圈与配置为将热量传递到制冷剂室的高热传导装置热接触。由于本发明的布置不再需要线圈直接接触制冷剂，可能在线圈的失超期间发生的潜在压力可被减小，由于失超时产生的热量到达制冷剂所花费的时间增加，导致热量经过更长的时间来传递。这可允许制冷剂室结构的更大的灵活性，制冷剂室的结构无需如传统制冷剂槽一样被设计为承受这种高压。此外，通过相对于传统制冷剂槽减小制冷剂室的大小，并提供高热传导装置以将热量传递到室，从而提供整个系统的结构中的更大的灵活性，例如其大小和构造，这是由于制冷剂无需与线圈直接接触。

由于制冷剂室在超导线圈附近，热量在使用中必须通过热传导被传递通过的距离相对较小，减小需要的热传导材料的量，并避免与热损失和温度梯度相关联的问题，热损失和温度梯度可能在热量在较长的范围上传递，例如使用热联接件直接传递到制冷器时发生。这可以使得超导线圈更容易保持在合适的温度下以确保粒子加速器的可靠操作。根据发明，热量仅需通过热传导被传递到达局部制冷剂室的距离，以使得其能够在使用中蒸发制冷剂，蒸发的制冷剂随后被用于将热量传递远离线圈附近，例如如果期望传递到制冷器。使用蒸发的制冷剂作为经过较长范围到达再凝结单元的热传递介质可以允许热量被方便地传递经过相对大的距离，因为通过使用蒸发的制冷剂需要用于将热量传递经过给定距离的设施的质量的大小远小于使用例如由铜构成的固体热联接件所需用于传递对应量的热量的设施的质量的大小。这允许再凝结单元被定位在比现有技术的布置距制冷剂室更远的距离处，而不将冷却系统的效率损害至不利的程度。

通过消除线圈可以相对再凝结单元定位的约束，本发明可以允许超导线圈提供更强的磁场以使用，因为再凝结单元可以被定位在距线圈足够大的距离处，以避免线圈或粒子加速器的其它部分与其操作的不可接受的干扰。期望能够使用提供更强磁场的超导磁体，因为这使得磁体的整个大小减小并从而使粒子加速器的大小减小，导致用于支架安装的更紧凑的设备。在发明的实施例中，再凝结单元可以位于相对低磁场区域。此外，使用制冷剂用于将热量传递到再凝结单元已经发现允许在线圈与可以包括电机和其他移动部件的再凝结单元之间获得更好的振动隔离，减小冷却系统可能与粒子加速器的操作发生干扰的可能性。

应该理解的是，本文中所有对导热系数的提及，除非另有说明，指代在制冷温度下的导热系数。制冷温度可以理解为小于100K的温度，于是高热传导装置是在制冷温度下热传导在小于100K范围内。如上所述，根据比如给定系统的操作温度、使用的制冷剂等因素，高热传导装置是在制冷温度范围内的至少以下温度上高热传导的，并无需在小于100K的整个范围上是高热传导。在典型实施例中，系统运作的制冷温度可以小于40K或小于10K。

因此，应该理解的是，本发明可以解决当设计用于安装到支架的粒子加速器的超导线圈的冷却系统时遇到的一些矛盾的问题，安装到支架的粒子加速器被配置为在使用中能够与线圈围绕其轴线一起移动，用于加速器的输出束的移动。本发明消除对提供用于浸没线圈的传统制冷剂槽的需要，但仍提供位于线圈附近包含制冷剂的室，提供以可确保粒子加速器可靠操作的方式冷却线圈的能力。本发明可以允许实现期望的冷却到低、可靠的温度，特别是在与高磁场强度关联的特定超导线圈材料的环境中。

将会理解的是，在使用中，粒子加速器能够移动以允许输出束移动，优选在使用中以弧线移动。粒子加速器能够旋转的(围绕旋转轴线)，同时粒子加速器的超导线圈围绕线圈轴线相应旋转。在实施例中，粒子加速器和线圈具有共同的轴线。根据发明，冷却装置被配置使得当粒子加速器旋转时能够在超导线圈围绕线圈轴线旋转时冷却线圈。由此，冷却装置可以在线圈围绕其轴线旋转通过一定范围的角度位置时连续冷却线圈。

根据发明，冷却装置被配置为在使用中当线圈围绕其轴线旋转时冷却线圈。由此，冷却装置被配置为在使用中当线圈围绕其轴线旋转时与线圈一起旋转。在优选实施例中，制冷剂室、热传导装置和再凝结单元全部与线圈一起旋转。因此冷却装置被安装在支架上。在这些实施例中，制冷剂室、热传导装置和再凝结单元作为单元与粒子加速器和超导线圈一起旋转。在优选实施例中，粒子加速器包括超导线圈和冷却装置限定安装到支架上的单个单元。在实施例中，粒子加速器包括冷却装置。

粒子加速器和支架可以被以任何方式配置，以导致粒子加速器移动用于输出束的移动，使得在使用中线圈围绕其轴线旋转。将会理解的是，线圈轴线是至少一个环形超导线圈周向延伸所围绕的轴线。

在一些实施例中，粒子加速器被可旋转地安装在支架上，以改变输出束的方向，例如使输出束以弧线旋转。粒子加速器在使用中能够以使线圈围绕线圈轴线旋转的方式旋转。在这些实施例中，粒子加速器可以直接围绕对应于线圈轴线的旋转轴线旋转。在一些实施例中，粒子加速器可以围绕支架的轴线旋转，支架被安装在支架的轴线上。优选粒子加速器被配置为围绕水平轴线旋转。

在粒子加速器被可旋转地安装在支架上的实施例中，粒子加速器可以使用轴承可旋转地安装在支架上。支架可以为臂的形式，并且粒子加速器可以被可旋转地安装在臂的端部。粒子加速器的旋转轴线可以对应于臂的轴线。

可替代地或另外地，支架是可旋转支架，并且支架被配置为围绕支架旋转轴线旋转以使粒子加速器和输出束旋转通过一定范围的旋转位置，同时线圈围绕其轴线旋转。在这些优选实施例中，粒子加速器被安装到支架上使得其将在使用中与支架一起围绕支架旋转轴线旋转，以改变由粒子加速器输出的带电粒子束的方向。这些排布是优选的，因为由于当粒子加速器旋转时粒子加速器的物理移位它们可以导致输出束移动通过较大的角度范围。束当其旋转时可以被集中在相同的目标或等深点(isocenter)上。在这些实施例中，由于包括线圈的粒子加速器被安装在支架上，支架围绕其旋转轴线的旋转将导致超导线圈围绕其轴线的旋转。即使粒子加速器不能相对于支架移动(尽管粒子加速器可以另外例如如下所述可旋转地安装在支架上)，这也将允许粒子加速器的旋转并从而线圈的旋转，以使得输出束能够以弧线移动。

根据发明的进一步的方面提供：

一种系统，包括：

支架，在使用中能够围绕支架轴线旋转；和

粒子加速器，安装在所述支架上，用于在使用中产生带电粒子的输出束，所述粒子加速器包括用于在使用中产生磁场的至少一个环形超导线圈，

其中所述粒子加速器被安装到所述支架上使得所述粒子加速器在使用中将与所述支架一起围绕所述支架旋转轴线旋转，以改变由所述粒子加速器输出的带电粒子束的方向；

所述系统进一步包括用于在使用中冷却所述超导线圈的装置，所述冷却装置包括：

制冷剂室，位于所述超导线圈附近，用于在使用中容纳制冷剂；

热传导装置，被配置为利于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室，以在使用中使容纳在所述制冷剂室中的制冷剂蒸发，并从而将热量从所述至少一个线圈移除，所述热传导装置在制冷温度下是高热传导的；

以及制冷剂再凝结单元，与所述制冷剂室流体连通，由此蒸发的制冷剂能够在使用中从所述制冷剂室流动到所述制冷剂再凝结单元，以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结；

其中在使用中当所述粒子加速器与所述支架一起旋转时所述冷却装置能够操作以在所述线圈围绕其轴线旋转时冷却所述超导线圈。

根据该进一步的方面的本发明可以包括关于发明的其他方面和实施例所描述的任何或所以特征，因此各方面和实施例不是互相不一致的。

在粒子加速器被安装到可旋转支架用于与支架一起围绕支架旋转轴线旋转的发明的实施例中，无论粒子加速器是否被可旋转地安装到支架上，支架的旋转轴线可以对应于线圈的轴线。然而，在优选实施例中，支架的旋转轴线和线圈的轴线是不同的。

在优选实施例中，支架被配置为围绕平行于线圈(和粒子加速器)的轴线的旋转轴线旋转。

优选支架可围绕水平旋转轴线旋转。

优选粒子加速器被安装在支架上，使得超导线圈的轴线是水平的。在这些实施例中，当支架围绕支架轴线旋转时线圈因此围绕水平线圈轴线旋转。

根据(粒子加速器)支架可旋转的发明的实施例的任何方面，粒子加速器支架可以是任何合适的类型。例如支架可以包括可围绕旋转轴线枢转的臂。粒子加速器随后可被安装到距旋转轴线较远的臂的端部。臂可以为允许粒子加速器围绕一个或多个轴线移动的关节臂。

然而，在发明的优选实施例中，支架为可围绕台架旋转轴线旋转的台架，并且粒子加速器因此是台架安装的粒子加速器。在粒子加速器被安装在台架的臂上的优选实施例中，臂优选能够围绕平行于臂的轴线的台架旋转轴线旋转。优选粒子加速器被安装在臂上使得超导线圈(和粒子加速器)的轴线与臂的轴线平行或重合。

在粒子加速器被台架安装的实施例中，台架可以为任何合适的形式。在优选实施例中，台架包括在从台架的旋转轴线延伸的一对腿之间延伸的臂，并且粒子加速器被安装到臂上。臂将随后平行于台架旋转轴线延伸。臂可以由一个或多个轴线延伸元件限定。在这些实施例中，台架是类似桥式的。这种布置可以是有利的在于它们更加空间优选，需要较少的空间来容纳台架结构。粒子加速器可以另外围绕臂的轴线旋转。

根据发明的任何方面或实施例，虽然粒子加速器能够移动导致线圈围绕其轴线旋转，粒子加速器可以另外能够沿一个或多个方向移动，并可以能够围绕多个轴线旋转。

根据粒子加速器安装到可旋转支架的发明的任何方面或实施例，粒子加速器可以或可以不配置为当其与支架一起围绕支架旋转轴线旋转时围绕另一旋转轴线旋转。

由此，虽然在一些实施例中粒子加速器可以被不可旋转地安装在可旋转支架上，并可以被不可移动地地安装在可旋转支架上，同时由于粒子加速器与支架一起围绕支架轴线旋转而导致线围绕其轴线发生旋转，在其他实施例中，设想粒子加速器可以被可移动地安装到这种可旋转支架上，以增加粒子加速器的移动范围，从而增加输出束的方向。由此，在以下实施例中，粒子加速器被配置为当其与支架一起围绕支架的旋转轴线旋转时围绕另一轴线旋转。该另一轴线可以是在任何期望的定向上以导致输出束适当的方向。粒子加速器可以另外以上述任何方式被可旋转地安装到支架上。例如，粒子加速器可以被配置为另外围绕支架的轴线旋转，优选其水平轴线。

根据发明的实施例的任何方面或实施例，不论粒子加速器是否被安装到可旋转支架上，并且不论粒子加速器是否被可旋转地安装，粒子加速器可以被配置使得在使用中其能够移动并带有线圈轴线合成倾斜(resultant tilting)。这些布置可以进一步为输出束增加可提供的方向范围。粒子加速器可以被配置为移动以导致线圈的轴移动脱离水平面。粒子加速器可以被配置为移动且带有线圈轴线的合成倾斜通过高达20度，优选在从线圈轴线位于水平面的位置沿一个或两个方向5至15度的范围内。这可以例如使用万向节来实现。

根据发明的任何方面和实施例，不管粒子加速器与支架被配置为导致粒子加速器移动同时线圈旋转的方式，粒子加速器可以是可旋转通过任何角度范围同时线圈围绕其轴线对应旋转，同时冷却装置能够操作即能够冷却线圈。角度范围将取决于目标应用。优选冷却装置能够当线圈围绕其轴线旋转通过至少90度更优选至少160度，并且在一些实施例中旋转通过至少170度时操作以冷却线圈。在优选实施例中，冷却装置能够当线圈围绕其轴线旋转通过高达180度并优选通过90至180度的角度范围时操作以冷却线圈。在粒子加速器安装在可旋转支架的实施例中，支架能够旋转通过对应角度范围以允许粒子加速器和线圈旋转通过以上角度范围。

在优选实施例中，当粒子加速器移动即旋转时束能够移动通过弧线。当粒子加速器旋转时束可以移动通过圆的任何部分。例如，粒子加速器的移动可以导致束移动通过描绘圆的上部或圆的左侧或右侧的弧线。在一些实施例中，粒子加速器可以在射出的束沿第一水平方向移动朝向目标的旋转位置和束沿第二相反水平方向移动朝向目标的位置之间移动通过180度。在其他实施例中，粒子加速器可以在射出的束沿第一竖直方向移动朝向目标和旋转位置和束沿第二相反竖直方向移动朝向目标的位置之间移动通过180度。

根据发明的实施例的任何方面，优选系统被配置使得再凝结的制冷剂在重力的作用下返回到制冷剂室。在这些实施例中，再凝结的制冷剂在重力的作用下在线圈的旋转范围上返回到制冷剂室，同时冷却单元能够操作以冷却线圈。在这些优选实施例中，带有能够操作以冷却线圈的冷却装置的粒子加速器和线圈的旋转范围可以仅受到再凝结的制冷剂能够在重力作用下从再凝结单元返回到制冷剂室的需要的约束。在实施例中，系统被配置使得冷却装置能够操作以当线圈围绕其轴线旋转通过其中制冷剂可以在重力作用下从再凝结单元返回到制冷剂室的旋转位置范围并优选通过这种位置的整个范围时冷却超导线圈。

在实施例中，粒子加速器包括用于在使用中输出带电粒子束的束出口。束出口可以是喷嘴。束出口可以被配置使得束沿粒子加速器的切线射出。将会理解的是，在使用中带有线圈围绕其轴线旋转的粒子加速器的旋转将导致束的旋转从而改变输出束的行进方向。束可以是直线束。

优选系统进一步包括用于对粒子加速器供应带电粒子用于加速的来源。

在实施例中，粒子加速器被配置为产生朝向目标引导的输出带电粒子束。优选粒子加速器被配置使得当粒子加速器旋转时，输出束从多个方向入射到给定的目标上。，并且优选移动通过以目标为中心的弧线。这可以能够从多个方向照射给定目标。目标可以为束提供等深点。如上所述，在优选实施例中，当粒子加速器旋转束可以移动通过高达180度。在这些优选实施例中，当束移动通过弧线时束经过目标。在粒子加速器被安装在可旋转的支架上的优选实施例中，目标是在支架的旋转轴线的平面上或平面中点。

粒子加速器可以与任何类型的带电粒子结合使用。在优选实施例中，带电粒子是质子或所谓重离子，比如碳。

根据发明的这些实施例，带电粒子治疗系统可以是离子例如重离子或质子治疗系统。在优选实施例中，系统是用于在使用中进行带电粒子治疗的系统。

已知当高能带电粒子运动通过物体时，高能带电粒子以非均匀的方式沉积其能量。这是因为当粒子损失能量时它们与物体的交互作用力(“交互作用截面”)增加。该效应导致“布拉格峰(Bragg peak)”，由此粒子能量的绝大部分在目标内的特定深度沉积。这与高能质子比如X射线不同，通过高能质子在目标的表面附近发生更大的能力沉积，而在目标内部剂量呈指数减少。在已知为“质子”或“重离子”治疗的放射治疗的新形式中，该“布拉格峰”被越来越多地开发重离子治疗使用离子，比如碳。这是因为布拉格峰效应允许照射剂量能够更有效地瞄准位于深处的目标。例如肿瘤，同时减小对周围健康组织的照射剂量。因此特别期望使用粒子加速器通过将带电粒子引导到人体中的目标上以进行治疗。

本发明的系统允许粒子加速器的输出束旋转以从一定范围的角度被入射到目标上。这在粒子治疗环境中是特别有利的，允许对非目标例如健康周围组织的剂量被进一步减小。由于粒子加速器被安装到支架上以允许粒子加速器旋转，这可以实现而不需要患者关于重力的定向改变。这是期望的，因为内部器官易于在重力的影响下移动，并且患者应该在整个治疗始终关于重力保持在恒定位置。因为本发明使用安装可旋转的粒子加速器的支架，并且被配置使得即使加速器和线圈旋转时加速器的超导线圈的冷却也可以被有效实现，这使得系统能够被相对成本有效地安装在比使用静态粒子加速器并使用束调向系统将束传递到患者并将束从不同方向引导到目标上所需要的更小的空间中。这使得系统使用于区医院类型规模，改进治疗的可获得性。

将理解的是，在这些实施例中，系统可以被用于对人或非人动物体进行治疗，并且提及“患者”应被理解为指代非人或人体。

在这些实施例中，粒子加速器被配置为当粒子加速器旋转时将输出束从多个方向引导到待被照射的目标上。目标在使用中将对应于待被治疗的患者上或中的点。如上所述，在实施例中，目标可以是之间的旋转轴线上或旋转轴线的平面中的点。

优选，系统进一步包括患者支架，并且粒子加速器被配置为当其旋转时将输出束引导朝向患者支架的区域中的目标。

根据发明的进一步的方面，提供

一种用于在使用中进行带电粒子治疗的系统，该系统包括：

患者支架，

粒子加速器支架；和

粒子加速器，安装在所述粒子加速器支架上，并被配置为在使用中朝向所述患者支架的区域中的目标输出带电粒子束，所述粒子加速器包括用于在使用中产生磁场的至少一个环形超导线圈；

所述系统进一步包括用于在使用中冷却所述超导线圈的装置；

所述冷却装置包括：

制冷剂室，位于所述至少一个超导线圈附近，用于在使用中容纳制冷剂；

热传导装置，被配置为利于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室，以在使用中使容纳在所述制冷剂室中的制冷剂蒸发，并从而将热量从所述至少一个线圈移除，所述热传导装置在制冷温度下是高热传导的；

以及制冷剂再凝结单元，与所述制冷剂室流体连通，由此蒸发的制冷剂能够在使用中从所述制冷剂室流动到所述制冷剂再凝结单元，以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结；

其中所述系统被配置为使得所述粒子加速器能够移动以在使用中改变所述输出束的方向，并且其中在使用中当所述线圈由于所述粒子加速器的行所述移动而围绕其轴线旋转时，所述冷却装置能够操作以冷却所述超导线圈。

根据发明的又一个方面，提供一种用于进行带电粒子治疗的系统，该系统包括：

患者支架，

粒子加速器支架，在使用中能够围绕粒子加速器支架旋转轴线旋转，和

粒子加速器，包括用于在使用中产生磁场的至少一个环形超导线圈，所述粒子加速器被配置为在使用中朝向所述患者支架的区域中的目标输出带电粒子束，并被安装到所述粒子加速器支架上使得所述粒子加速器将与所述支架一起旋转，以在使用中改变输出带电粒子束的方向；

所述系统进一步包括用于在使用中冷却所述超导线圈的装置；

其中所述冷却装置包括：

制冷剂室，位于所述至少一个超导线圈附近，用于在使用中容纳制冷剂；

热传导装置，被配置为利于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室，以在使用中使容纳在所述制冷剂室中的制冷剂蒸发，并从而将热量从所述至少一个线圈移除，所述热传导装置在制冷温度下是高热传导的；

以及制冷剂再凝结单元，与所述制冷剂室流体连通，由此蒸发的制冷剂能够在使用中从所述制冷剂室流动到所述制冷剂再凝结单元，以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结；

并且其中在使用中当所述粒子加速器与所述粒子加速器支架一起旋转时所述冷却装置能够操作以在所述线圈围绕其轴线旋转时冷却所述超导线圈。

根据这些进一步的方面的本发明可以包括关于发明的其他方面和实施例描述的任何或所有特征，因此这些方面和实施例并非不一致。

根据发明的这些进一步的方面和实施例，目标将在使用中被选择以对应于待被照射的患者上或中的目标。在一些实施例中，目标是患者支架上或中的点。这可以导致束在使用中经过位于患者支架上的患者。在系统包括患者支架的实施例中，患者支架的纵向轴线平行于并优选与粒子加速器被安装于其上的支架的旋转轴线重合。患者支架可以是水平支架。

将会理解的是，或者直接和/或通过其被安装到之上的支架的移动的粒子加速器的旋转使得线圈围绕其轴线旋转将导致输出束移动通过弧线。如上所述，粒子加速器可以被配置为旋转通过任何合适的角度以使束移动通过适于给定治疗的角，同时冷却装置操作以冷却线圈。已经发现，支架通过180度的旋转通常足以从所有方向照射仰卧在患者支架上的患者中的目标。在一些实施例中，束可以从输出束能够在使用中竖直向下移动以入射到(患者中的)目标上的位置旋转到其竖直向上移动以被入射到目标上的位置。在其他实施例中，束可以能够从其在使用中沿第一方向水平移动以被入射到(患者中的)目标上的位置旋转到其在使用中沿第二相反方向移动以被入射到患者中的目标上的位置。当然，粒子加速器可以移动通过任何其他的角度范围，并可以移动通过任何中间的位置范围，或通过任何更大的位置范围。

在一些实施例中，患者支架被配置为能够围绕至少一个患者支架旋转轴线旋转。患者支架可以被配置为围绕一个或多个轴线旋转。以此方式，患者支架可以被配置为当粒子加速器旋转时旋转。对于给定的粒子加速器支架旋转范围而言，这可以增加输出束可以入射到目标上的角度范围。这可以减小粒子加速器需要旋转通过的角度，提供更加空间有效的布局。将会理解的是，患者支架的环境的一部分，例如地板等可以与患者支架一起为热爱患者支架轴线旋转。

在一些实施例中，患者支架被配置为围绕竖直轴线旋转。可替代地或另外，患者支架可以被配置为围绕水平轴线旋转。患者支架可以因此被配置为当粒子加速器旋转带着线圈围绕其轴线旋转时围绕例如可以是竖直和/或水平轴线的一个或多个轴线反向旋转。在一些粒子加速器被安装在能够围绕支架旋转轴线旋转的支架上的实施例中，系统可以进一步包括能够当支架旋转时围绕支架旋转轴线沿反方向旋转的配重。在一些实施例中，患者支架能够与配重一起围绕支架旋转轴线旋转。在这些实施例中，患者支架和粒子加速器围绕中间轴线反向旋转。

将会理解的是，根据本发明，超导线圈是超导磁体线圈，并且超导线圈被配置为当电流通过其绕组时提供磁场。

本发明可以被应用于高温或低温超导系统。在超导系统中系统的超导线圈必须在临界温度下或临界温度以下操作，以能够实现和/或保持超导性。发明特别能够应用于所谓“低温”超导系统。低温超导系统可以被有利地用于支架安装粒子加速器的环境中，因为它们提供每单位质量更强的磁场，允许形成超导线圈所需要的导线的量减小，并且粒子加速器整体的质量的大小减小。用于低温超导体的临界温度是大约、典型地、例如小于20K的临界温度。例如，通常被用在低温超导系统中的超导材料铌钛(NbTi)和铌锡(Nb₃Sn)分别具有10.1K和18.5K的超导转换温度。为了提供充足的超导性能，包括这些材料的超导体必须被冷却到这些邻接过渡温度以下，例如以允许超导磁体的超导线圈能够在存在高磁场时携带大电流密度。

根据其任何方面和实施例中的发明，至少一个超导线圈可以是任何大小。期望线圈被制造的尽可能小以减小必须被为了旋转而由支架支撑的重量。

线圈可以由任何在低温度例如制冷温度下超导的合适的材料形成。优选至少一个线圈包括铌钛和/或铌锡。如现有技术已知的，超导材料例如铌钛和/或铌锡可以被嵌入到复合金属基中。

虽然发明关于一个超导线圈被详细描述，将会理解的是，系统可以包括任何数量的线圈，并且，如果未明确说明，对“线圈”的提及应被理解为指代“至少一个线圈”，并且当存在多个线圈时这可以是每个或某个线圈。第二或任何进一步的线圈可以是与第一个具有相同的结构，并可以包括任何或所有关于第一线圈描述的特征。优选粒子加速器包括彼此沿着线圈共同的轴线间隔的一对超导线圈。

根据发明，热量在使用中通过传导在位于制冷剂室中的制冷剂与超导线圈之间经由高热传导装置传递。在制冷温度下具有合适高水平的导热系数的任何材料可以被用于提供高热传导装置，并且合适的材料的例子在现有技术中已知。高热传导装置可以包括一个或多个不同材料，一个或多个不同材料可以具有相同或不同的导热系数，假设任何复合物展现高水平的导热系数。优选高热传导装置包括或由金属构成。例如，高热传导装置可以包括铝。然而，在特别优选的实施例中，高热传导装置包括或由铜构成。

高热传导装置典型地具有比传统超磁系统中常规用于提供结构部件的材料更高的导热系数。这种材料典型具有在制冷温度下小于10W/m/K的低导热系数，并包括比如不锈钢、铝合金或玻璃增强聚酯的材料。高热传导装置因此相对于不锈钢具有高导热系数。

优选高热传导装置在制冷温度下具有大于100W/m/K的范围内的导热系数，并且更优选大于200W/m/K。如上所述，本文中对制冷温度的提及指代小于100K的温度，并且高热传导装置应该至少在该范围的一部分上的温度下是高热传导的。例如，如果超导线圈是低温超导体，其可以仅热传导装置必须是在对应于系统的操作温度范围的以上温度范围下部上是高热传导的。实际上，可能遇到的最低温度将是大约4K。在优选实施例中，高热传导装置在从4K到10K的范围的至少一部分上的温度下并优选在整个范围上具有高导热系数。该范围被发现当使用的制冷剂是氦时尤其适用。展现高热传导特性的合适的范围可以对于给定应用和布置如期望选择，以导致系统适当的操作，并可以取决于比如所使用的制冷剂的类型的因素。例如，特性可以在高达50K或更大的温度下展现，取决于系统的操作温度。

本文所描述的导热系数的任何其他范围，例如参照其他系统的部件，应该被相似地参照在制冷温度下展现的这种特性来取决。将会理解的是，“高热传导装置”可以以下简洁地被指代为“热传导装置”。

优选高热传导装置具有在室温下大于100W/m/K的范围内的导热系数。

热传导装置可以为任何形式并以任何方式被配置为利于在使用中通过热传导在线圈与位于制冷剂室中的制冷剂之间传递热量。例如，热传导装置可以包括一个或多个热传导连接体，和/或热传导层(多层)。

热传导装置可以在至少一个线圈与制冷剂室的内部之间的整个距离上延伸。以此方式，热传导装置可以提供线圈表面与制冷剂室的内部之间的直接导热路径，以能够在使用中直接接触位于室中的制冷剂。优选热传导装置被配置为在其一端直接接触线圈的表面，并在其另一端在使用中直接接触位于制冷剂室中的制冷剂。热传导装置可以沿着线圈与制冷剂室之间的任何合适的路径或多条路径延伸，并可以延伸通过或围绕任何中间层。

热传导装置可以被配置为仅在线圈的表面区域的选择的点或多个点处，或者在可以是连续或不连续区域形式的多个点处在线圈与制冷剂室之间传递热量。在一些实施例中，热传导装置可以被配置为从线圈的不同部分收集热量并将热量传递到制冷剂室。以此方式，热传导装置可以在使用中将热量从不直接或间接与制冷剂室相邻或至少其制冷剂包含部分相邻的线圈的部分传递到室中的制冷剂。

优选热传导装置在至少接触线圈的区域中被分段。这可以避免在热传导装置中产生显著的涡电流。

将会理解的是，事实上，本发明将提供在邻近线圈被配置为将线圈浸没的制冷剂槽替换为接触线圈以将热量从线圈移除并传递到制冷剂室的导热装置，在制冷剂室相对于线圈的位置和大小中提供更大的灵活性。线圈与热传导装置之间接触的面积越大，热量可以从线圈吸取的效率越大。

在优选实施例中，导热装置与线圈的表面区域的大部分热接触。在实施例中，热传导装置围绕线圈的至少部分圆周延伸。以此方式，热量可以从线圈的大部分直接吸取以增加冷却速率。优选热传导装置被配置为与线圈在线圈的圆周的至少35％，更优选至少50％，并且最优选至少75％上接触，并且在一些实施例中，热传导装置围绕其基本整个圆周接触。在这些实施例中，导热装置可以接触线圈的径向外表面。在一些优选实施例中，热传导装置与线圈的轴向端部接触。这可以使得热传导装置能够围绕外线圈支架的轴向端部延伸，热传导装置被提供在该处以接触制冷剂室。

热传导装置相对于制冷剂室的内部延伸的长度应该被旋转以允许热传导装置即使当线圈旋转时也利于热量以一些方式传递到室的内部。由于本发明允许制冷剂室的大小和存在的制冷剂的体积相对于依赖将线圈或多个线圈浸没在制冷剂中的现有技术的布置显著减小，因此热量可以更容易地被传递到存在于制冷剂室的有限区域内的任何制冷剂。热传导装置被相对于制冷剂室配置的方式可以依据比如制冷剂室的大小、制冷剂室与线圈之间的距离、以及在使用中位于室中的制冷剂的量的因素而适当地选择，以实现期望水平的热传递。热传导装置可以传统制冷剂室的壁，或，在一些实施例中，设想热传导装置可以至少部分地限定制冷剂室的壁。

在优选实施例中，热传递装置可以被配置为将热量从制冷剂室的一部分分散到另一部分。上述部分是围绕室的圆周的不同区域。热传导装置因此可以被配置使得其可以将热量从在使用中不包含制冷剂的制冷剂室的部分传递到包含制冷剂的室的部分。热传导装置优选被配置使得其可以当线圈和制冷剂室旋转时将热量从在使用中不包含制冷剂的制冷剂室的部分传递到包含制冷剂的室的部分。由此，例如，如果制冷剂初始将制冷剂室填充至其一半高度，并且制冷剂室围绕线圈轴线(或优选线圈)的整个圆周延伸，如果室和线圈沿任一方向旋转通过90度，制冷剂室中的每一点将在一些点处与制冷剂接触，并且在一些点不与制冷剂接触。热传导装置优选被配置为在系统的优选180度的完整旋转范围上提供用于将热量从不与制冷剂接触的室的区域分散到与制冷剂接触的部分的路径。

在一些实施例中，热传导装置围绕制冷剂室的圆周延伸，优选围绕其整个圆周。

在一些实施例中，热传导装置可以在一个或多个点处接触制冷剂室的内表面，该一个或多个点可以以如上所述的热传导装置可以相对于线圈配置的相似方式在制冷剂室的连续或不连续区域上延伸。

在一些示例性实施例中，热传导装置包括从制冷剂室的外部穿过制冷剂室的一个或多个热传导塞。在实施例中，热传导装置在塞之间围绕制冷剂室的内部的圆周优选围绕其基本整个圆周延伸。优选热传导装置包括围绕制冷剂室的内部优选围绕制冷剂室的圆周的至少80％或90％或基本100％延伸的热传导环。

在使用中，制冷剂的再凝结产生驱动制冷剂蒸汽以已知的低温排气过程流动到再凝结单元的具备真空。制冷剂室因此可以当制冷剂从靠近线圈的区域行进到再凝结单元并再次返回时在制冷剂蒸发与再凝结的循环中的不同阶段包括液态制冷剂和蒸发的制冷剂的混合物。

制冷剂室可以以确保当制冷剂在使用中位于室内时热量即使当线圈旋转时也可以从线圈通过高热传导装置传递到制冷剂的任何方式提供。制冷剂室是周向延伸的室。制冷剂室围绕线圈的轴线周向延伸，即其与线圈轴线同轴。

制冷剂室邻近超导线圈。换而言之，制冷剂室位于超导线圈附近，并可以接近线圈。例如，室可以直接接近线圈，或通过一个或多个中间层与线圈分离。制冷剂室被配置使得在使用中位于室中的制冷剂不直接接触超导线圈。换而言之，线圈不是完全或部分浸没在液态制冷剂中。

制冷剂室可以关于线圈位于任何位置，只要在使用中其可以冷却线圈。由于热传导装置提供用于线圈与制冷剂室的内部之间热传递的热路径，因此制冷剂室无需与线圈一同延伸。在一些实施例中，其可以与线圈轴向间隔。由此，在实施例中，制冷剂室轴向和/或径向邻近线圈。然而，在优选实施例中，制冷剂室至少部分地包围线圈。

由于高热传导装置将热量传递到制冷剂室的内部，制冷剂室的壁可以在制冷温度下具有低导热系数，例如小于10W/m/K。然而，设想热传导装置可能在一些实施例中形成制冷剂室的壁。

将会理解的是，由于本发明的实施例仅需要包含相对小量的制冷剂，制冷剂室可以尺寸相对较小，允许比将线圈完全或部分浸没在制冷剂槽中的传统系统获得更紧凑的布局。制冷剂可以被限制在由制冷剂室的位置限定的围绕线圈轴线的有限区域中。这提供使超导线圈和系统的其他部件显著小于传统系统所允许的能力。此外，由于所使用的制冷剂的量相对较小，系统可以更为经济地运行，并且减少的制冷剂消耗可以在减小已耗尽并可能在为了更加稀缺的例如液态氦的制冷剂供应的需要方面是有利的。

虽然本发明允许存在的制冷剂的量与传统布置相比显著减小，可能期望使用比需要更多的制冷剂体积，以为系统提供当冷却器失效时持续工作的能力。本发明可以被应用于具有大范围容积的制冷剂室的系统，例如从1升至500升，或者，在一些实施例中，从2升至100升。

在发明的实施例中，制冷剂室具有周向长度。这使得在使用中当线圈围绕其轴线旋转时室中的制冷剂能够将热量从线圈吸取。制冷剂室应该围绕线圈的轴线周向延伸充足的距离，以使得热量能够在使用中当线圈旋转通过系统操作的角度时被吸取。在实施例中，制冷剂室围绕线圈轴线的至少75％，并优选线圈轴线的至少90％延伸。在优选实施例中，制冷剂室基本完全围绕线圈轴线延伸。制冷剂室可以是环形的。在优选实施例中，制冷剂室包围线圈，并且由此制冷剂室优选围绕线圈的圆周延伸以上范围中的距离。例如，制冷剂室可以围绕至少50％、更优选至少75％、或优选基本整个线圈的圆周延伸。

在发明的实施例中，制冷剂室在使用中仅被部分填充有制冷剂，允许当线圈围绕其轴线旋转时制冷剂在室内流动。制冷剂室应该具有当线圈转动时足以使制冷剂能够以此方式流动的周向长度。

将会理解的是，在存在一个以上线圈的实施例中，一个或多个制冷剂室可以被与系统的每个超导线圈关联提供，或者一个制冷剂室可以与一个以上线圈相关联。

根据发明，一旦热量被从线圈传递到室中的制冷剂，热量通过制冷剂在整个余下的通向再凝结单元的距离上传递。这与一些现有技术系统不同，在一些现有技术系统中固体热导体将热量直接传递到再凝结单元的工作流体，并且不是被传递到被蒸发以作为热传递介质的液态制冷剂。

制冷剂室以允许在使用中液态或蒸发的制冷剂在制冷剂室与再凝结单元之间移动的方式被连接到再凝结单元。因此制冷剂室包括口，通过该口制冷剂可以流动到再凝结单元或从再凝结单元流动。口使得再凝结单元与制冷剂室流体连通。优选制冷剂室仅包括单个口。这些实施例可以助于使当线圈旋转时可用的制冷剂室的面积最大化。

优选制冷剂室的口经由至少一个连接管即中空管被连接到再凝结单元。蒸发的制冷剂可以流动通过该中空管。管可以由在制冷温度下具有低导热系数的材料形成，并且可以具有小于10W/m/K的导热系数。然而，导热系数可以关于需要的冷却的水平和速率来选择。优选制冷剂室包括通向管的出口。优选连接管是刚性管。

将会理解的是，在提供一个以上线圈和相关联的制冷剂室的情况下，每个制冷剂室可以包括用于与再凝结单元连通的口。再凝结单元可以是相同的或不同的。在一些实施例中，与每个线圈的制冷剂室相关联的口经由共同的连接管被连接到再凝结单元。然而，在其他布置中，可以有一个或多个与每个制冷剂室相关联的管，并且每个管可以与一个或多个可以相同或不同的再凝结单元相关联。在包括一个以上管的系统中，管或每个管可以包括关于本文“所述”管描述的任何或全部特征。

优选管在制冷剂室出口与再凝结单元之间的整个距离，即其制冷剂接触部分上延伸。将会理解的是，在存在多个线圈的情况下，再凝结单元可以与一个或多个线圈相关联，并且可以有与每个线圈关联的一个或多个再凝结单元。

连接管可以具有任何合适的长度。连接管的长度应该被旋转以允许再凝结单元被定位在距离超导线圈充分的距离处，以减小由于与线圈关联的磁场干扰再凝结单元的操作的危险，或相反地，由于再凝结单元干扰粒子加速器的操作的危险。典型地，超导线圈越大，线圈相关联的杂散磁场越大，并且可能需要将再凝结单元定位为距离超导线圈更远。根据发明，再凝结单元根据需要可以被定位在距线圈大约1m或更大的距离处，允许再凝结单元的制冷器位于受到线圈干涉的区域之外。在使用热导体以将热量在从线圈到再凝结单元的整个距离上传递的传统布置中，需要将热量在对应距离上传递的固体热导体的大小和质量将是过高的。优选再凝结单元位于距与制冷剂室连通的口至少60cm或更优选至少80cm的距离处。再凝结单元可以被定位在距口这些范围内的任何距离处，并且如果期望可以被定位在距口相对较大的距离处。在一些实施例中，再凝结单元可以被定位在距口不大于140cm或不大于120cm的距离处。再凝结单元与口相距的距离可以落入以上范围的任何组合中。连接管因此具有在任何以上范围内的长度。

优选连接管从制冷剂室延伸到相对低磁场区域。由此，再凝结单元端部位于比制冷剂室端部更低的磁场区域。

连接管应该与周围温度热绝缘。这可以使用真空空间、中间保护和/或多层绝缘的任何适当的布置来实现。

在优选实施例中，粒子加速器能够沿至少一个方向并优选沿两个方向从连接管的轴线竖直朝向的位置优选旋转到连接管的轴线水平的位置。在实施例中，粒子加速器能够旋转以导致线圈围绕其轴线沿任一方向从再凝结单元位于线圈轴线竖直上方的位置旋转通过至少45度的角度，并且优选在45和90度之间。冷却装置将能够当其旋转通过这些位置范围时操作以冷却线圈。

优选系统被被配置为允许再凝结的制冷剂在重力的影响下返回到制冷剂室。在优选实施例中，系统被配置使得粒子加速器可以旋转通过允许再凝结的制冷剂在重量影响下返回到制冷剂室例如通过向下滴落到制冷剂室中的角度范围。

已经发现管的斜度有助于促进再凝结的制冷剂返回到制冷剂室，利于当线圈围绕其轴线旋转通过高达180度时系统的操作。在这些实施例中，即使当连接管的轴线水平时制冷剂可以更容易地朝向制冷剂室流动。优选连接管是朝向再凝结单元逐渐变细的。连接管可以提供从制冷剂室延伸的颈部。

再凝结单元可以具有任何合适的结构。优选再凝结单元包括在使用中制冷剂可以在其上再凝结的至少一个冷却表面。优选再凝结单元包括与所述冷却表面或每个冷却表面关联的制冷器。制冷器是在低温超导领域公知的布置，并且是使用气体作为工作流体以将热量从一个或多个冷阶段(cold stage)传递到室温的往复式热机。

本发明延伸到根据包括制冷剂的方面或实施例的发明的任何方面或实施例。优选制冷剂是液态氦。

在制冷剂室包含制冷剂以内当线圈围绕线圈轴线旋转时冷却线圈的实施例中，制冷剂室仅被部分填充有液态制冷剂。在优选实施例中，制冷剂室初始被填充制冷剂至小于室的高度的50％的水平。这是在使用设备前并且制冷剂未蒸发前的水平。将会理解的是，线圈的旋转以及制冷剂室的旋转将导致制冷剂围绕制冷剂室流动以再次找到其自己的水平。在优选实施例中，从并非邻近制冷剂的线圈或制冷剂室的区域热量通过热传导装置的合适的构造仍然可以被传递到制冷剂室的整个或大部分以参与冷却。

将会理解的是本发明的系统包括制冷剂回路，制冷剂回路是系统的部件，通过该制冷剂回路制冷剂可以在其蒸发和优选再凝结的循环期间流动。该回路包括制冷剂室、再凝结单元和任何连接管或多个管。

在发明的一些实施例中，制冷剂回路被密封，使得在系统的操作始终，例如经过降温、升温或失超都将存在固定量的制冷剂。在一些实施例中，密封的回路可以结合膨胀容器以容纳在较高温度例如室温下增加的制冷工作物质的体积。在其他可替代实施例中，密封的回路可以具有恒定的容积，并被设计为承受在较高温度例如室温下制冷物质的附加的压力。

在一些实施例中，系统包括有时当制冷剂的蒸发速率超过再凝结速率时用于保持气态制冷剂用于之后再凝结的制冷剂存储器。这可能例如当系统启动磁体初始增加到场时发生。

由于高热传导装置被提供以利于将热量在使用中位于制冷剂室中的制冷剂与超导线圈之间传递，并且因为使用包括相对小量的在使用中被再凝结的制冷剂的小制冷剂室，本发明提供比包括传统制冷剂槽可以提供的更加紧凑的布置，并且通过消除对将线圈浸没制冷剂槽的需要，在系统设计中提供更大的自由度。例如，制冷剂室可以位于距线圈短距离处，以利于制造，或提高线圈支架和对于给定线圈构造应力管理，并且材料可以为线圈和无需适于浸没在液态氦中的其他周围部分而选择。

在优选实施例中粒子加速器进一步包括外部线圈支架装置用于支撑线圈。外部线圈支架位于线圈的径向外部。在制冷剂室至少部分地轴线包围线圈的优选实施例中，外部线圈支架装置优选位于线圈与制冷剂室之间。由于存在热传导单元，能够在制冷剂室与超导线圈之间设置低热导性或无热导性层，而不损害在使用中制冷剂冷却线圈的能力，因为热量仍然可以经由热传导装置被传递到制冷剂。在这些发明的实施例中，已经发现超导线圈可以在与线圈传统地卷绕在内绕线架并且通过直接位于并邻近线圈外部例如氦槽的制冷剂冷却相比更加极端的条件中操作。

在包括线圈支架的实施例中，不需要线圈本身被自支撑。在一些应用中可能能够消除对任何线圈的内支架的需要。使用外支架可以使线圈内可用的空间最大化，并减小通向线圈的内部的区域中线圈的衰减效应，允许线圈的尺寸减小。例如，使用与依赖使用内支架相比更小直径的线圈可以获得相似的磁场，允许设备制造得更加紧凑。

线圈支架的使用是特别有利的，在于其允许进一步实现超导线圈尺寸和重量的减小，提供更适于安装到支架上的更轻量和紧凑的粒子加速器。外部线圈支架助于阻挡试图使线圈膨胀的线圈上的磁力。

外部线圈支架至少部分轴线环绕线圈或多个线圈，并优选基本完全环绕线圈或多个线圈。在一些实施例中，外部支架装置为圈的形式。线圈支架可以与线圈和粒子加速器(以及制冷剂室)分享共同的轴线。在一些实施例中，外部线圈支架装置的内部包括用于设置线圈或每个线圈的装置。该装置可以是凹槽的形式。在包括一对线圈的实施例中，线圈可以位于支架的轴线端部，并且线圈支架可以在线圈之间沿着线圈的共同的轴线轴向延伸。

在包括外部线圈支架装置的实施例中，支架装置可以是或包括任何合适的材料或多种材料以为线圈提供与例如线圈的大小和构造以及是否存在附加支架有关的所需水平的支撑。典型地，外部线圈支架装置包括或由与高热传导装置不同的材料形成。在实施例中，外部线圈支架在制冷温度下具有低导热系数，例如在小于10W/m/K的范围内。在实施例中，外部线圈支架装置在制冷温度下具有低于高热传导装置的导热系数。在一些实施例中，支架是不锈钢支架。支架优选被选择为非磁性，即非磁性等级的不锈钢。

在制冷剂室环绕所述线圈支架装置的优选实施例中，所述制冷剂室仅沿轴向方向延伸越过所述支架装置的外表面的一部分，即支架装置在使用中有不邻近所述制冷剂室的区域。

在一些实施例中，制冷剂室至少部分由外部线圈支架限定。在优选实施例中，支架限定至少制冷剂室的(径向)内壁。在实施例中，支架装置的外表面在其中包括限定制冷剂室的一部份的周向延伸的室。空腔可以为限定在支架的外表面中的通道的形式。将会理解的是，在这些实施例中，通道将被封闭以提供制冷剂室。在优选实施例中，盖板被连结到外部线圈支架装置的外部以封闭通道并提供制冷剂室。在这些实施例中，口应该被提供在给定角坐标处的板中，用于连接到与系统的再凝结单元关联的连接管。在优选实施例中，外部线圈支架装置和板由相同材料形成。

在包括延伸于制冷剂室与线圈之间的外部线圈支架装置的实施例中，高导热装置可以围绕线圈的轴向端部延伸以与制冷剂室的内部热接触。在线圈支架限定带有盖板的制冷剂室的实施例中，高热传导装置优选穿过盖板以与制冷剂室的内部热接触。在实施例中，高热传导装置包括围绕盖板的圆周布置并穿过盖板的多个塞。优选盖板的内表面包括高热传导装置，用于将热量围绕制冷剂室的内部分散。优选由高热传导材料构成的环被连结到盖板的内表面。在高热传导装置包括穿过盖板的塞的实施例中，塞优选与热传导材料热接触。

根据发明的任何方面和实施例，粒子加速器可以是能够在使用中使带电粒子加速以提供对于期望应用适当强度的输出束的任何合适的结构。对于带电粒子治疗应用，粒子加速器应该被配置为产生具有足以达到治疗应用中的患者中的指定目标的能量水平的带电粒子束。

这种粒子加速器的通常结构是公知的，并且包括超导线圈、适于安装到支架上并可以旋转的任何类型可以被使用。在优选实施例中，粒子加速器是回旋加速器。回旋加速器可以例如是同步回旋加速器或等时性回旋加速器。

在一些实施例中，粒子加速器包括待被加速的带电粒子被引入其中的真空室。在实施例中，系统包括用于在使用中将带电粒子供应到真空室例如到其中心区域的来源。真空室位于超导磁体线圈的磁极之间。真空室可以是盘状。在实施例中，粒子加速器包括限定真空室中间隙的一对间隔的电极或“d形电极(dees)”用于使带电粒子加速。电极可以被配置为垂直于限定在磁体的磁极之间的磁场。粒子加速器包括用于施加交变电场以使带电粒子加速，例如通过横跨电极提供RF场的装置。粒子被电场和磁场约束当其被加速时以螺旋路径循环。这可以通过使电场方向交替来实现。粒子加速器被配置使得被加速的粒子从粒子加速器输出并以束的形式输出。这可以使用任何合适的束流引出布置例如准直仪来实现。

在优选实施例中，粒子加速器包括外轭(outer yoke)和超导线圈组件，在外部支架装置被提供用于支撑线圈的实施例中，包括被设置在轭内的外部线圈支架。轭优选环绕超导线圈。加速器的其他部分例如电极、真空室等将相应地也位于这些实施例中的轭内。轭可以提供加速器的外壳。优选轭是由铁或钢构成的铁磁轭。轭可以包括围绕线圈组件装配在一起的第一和第二部分。在实施例中，轭是丸剂箱形的轭。轭可以用于容纳、集中并使磁场成形。轭可以通过用于返回磁通量的路径并可以磁屏蔽磁极面之间的容积以防止外部磁场影响该区域中的磁场，并且可以减小区域中的任何杂散磁场的影响。

在粒子加速器包括外轭的实施例中，再凝结单元优选位于轭的外侧。这可以助于将再凝结单元设置在低磁场区域中，并减小再凝结单元与粒子加速器的操作之间发生干扰的可能性。在这些实施例中，再凝结单元的连接管从制冷剂室延伸通过轭到达再凝结单元。

系统可以包括本领域中已知的与线圈/粒子加速器关联的屏蔽(shields)、真空容器和/或绝缘层的任何合适的布置。

粒子加速器可以进一步包括外磁屏蔽。磁屏蔽可以例如是由铁磁材料构成的层。空间可以限定在屏蔽的径向内部。在包括轭的实施例中，磁屏蔽被设置在轭的外侧并通过空间与轭分离。

本发明延伸到用于根据发明的任何方面或实施例的系统中的粒子加速器，并且延伸到具有冷却装置以允许当线圈旋转时冷却线圈的粒子加速器。相信这种粒子加速器本身是有利的，并且根据发明的进一步的方面提供：

一种粒子加速器系统，包括：

粒子加速器，具有用于在使用中产生磁场的至少一个环形超导线圈；

和冷却装置，用于在使用中冷却所述线圈；

其中所述冷却装置包括：

制冷剂室，位于所述至少一个超导线圈附近，用于在使用中容纳制冷剂；

热传导装置，被配置为利于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室，以在使用中使容纳在所述制冷剂室中的制冷剂蒸发，并从而将热量从所述至少一个超导线圈移除，所述热传导装置在制冷温度下是高热传导的；

以及制冷剂再凝结单元，与所述制冷剂室流体连通，由此蒸发的制冷剂能够在使用中从所述制冷剂室流动到所述制冷剂再凝结单元，以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结；

其中在使用中当所述粒子加速器移动导致线圈围绕其轴线旋转时所述冷却装置能够操作以冷却所述至少一个超导线圈。

根据该发明的进一步的方面的粒子加速器可包括关于发明的前面的方面的系统的粒子加速器描述的任何或全部特征。粒子加速器是可旋转粒子加速器系统。例如，冷却系统等可以包括任何上述特征。

本发明延伸到提供用于冷却根据发明的任何方面和实施例的超导线圈的系统的方法，以及使用根据发明的任何方面和实施例的系统冷却超导线圈的方法。冷却线圈的方法可以包括步骤：在制冷剂室中提供制冷剂，并且操作超导线圈，由此热量从超导线圈通过高热传导装置被传导到制冷剂室以使其中的制冷剂蒸发，从而将热量从至少一个线圈移除，蒸发的制冷剂流动到制冷剂再凝结单元以在返回室之前被再凝结。

本发明延伸到根据发明的任何方面和实施例的系统的使用。

本发明进一步提供一种使用根据发明的任何方面和实施例的系统的方法，包括操作粒子加速器以提供带电粒子的输出束，并且移动粒子加速器以使输出束优选沿弧线移动，同时线圈围绕其轴线旋转，且同时操作冷却机构以在冷却机构围绕其轴线旋转时冷却线圈。粒子加速器可以以如上所述的任何方式移动，例如通过使粒子加速器安装于其上的支架旋转和/或通过使粒子加速器相对于支架旋转。在实施例中，系统是用于进行带电粒子治疗的系统，并且方法包括操作加速器以提供带电粒子的输出束，引导输出束朝向待被照射的目标，并移动粒子加速器使得束从不同方向入射到目标上。

在这些进一步的方面中，本发明可包括关于发明的其他方面描述的任何或所有特征。

将会理解的是，本文所使用的术语“竖直”和“水平”不意在要求相关元件是精确地“竖直”和“水平”的，而是至少大致“竖直”和“水平”的。这些术语按照普通理解的方式限定，并且为了其通常的目标操作而相对于系统定向。

附图说明

下面将仅通过示例的方式参照附图说明本发明的一些优选实施例，其中：

图1为示出根据本发明的带电粒子治疗系统的一个实施例的示意图；

图2为图1的系统的视图的端部，示出粒子加速器的移动范围；

图3为根据本发明的带电粒子治疗系统的另一实施例的视图的端部，且相似于图1的视图，但其中粒子加速器能够从患者竖直上方的位置旋转到竖直下方；

图4A为根据发明的另一实施例的带电粒子治疗系统的实施例的示意图，其中粒子加速器和患者支架被布置为围绕中间轴线反向旋转；

图4B为表示图4A的实施例中当粒子加速器和患者支架反向旋转时患者、粒子加速器和输出束的相对位置的示意图；

图5为沿着图1的线5-5截取的粒子加速器的竖直剖视图；

图6为沿着纵向轴线的且对应于图13中的线6-6的粒子加速器的竖直剖视图，更加详细地示出包括线圈、线圈支架和冷却装置的超导线圈组件，并且粒子加速器的一些其他部件为了清楚而被移除；

图7为沿着图13的线7-7的横向穿过粒子加速器直到线圈轴线的竖直剖视图，更详细地示出包括线圈、线圈支架和冷却装置的超导线圈组件，并且粒子加速器的一些其他部件为了清楚而被移除；

图8为截取图7中圈出的区域的细节图；

图9-13示出本发明的粒子加速器的线圈支架、线圈和冷却装置的组装步骤；

图9为线圈支架的透视图；

图10为其上安装有线圈的线圈支架的透视图；

图11为盖板被安装到线圈支架上以封闭制冷剂室的图10的组件的透视图；

图12为热传导装置就位的图11的组件的透视图；

图13为其上组装有再凝结单元和连接管的图12的组件的透视图；以及

图14示出当粒子加速器在图2和图3中所示的位置之间旋转时再凝结单元相对于线圈和支架的位置。

具体实施方式

根据图1的实施例，粒子加速器1被安装在台架2形式的可旋转支架上。粒子加速器1包括如图1至4中所示意地表示的超导线圈17、17’，超导线圈17、17’用于当电流在使用中通过超导线圈17、17’时产生磁场。台架2能够围绕水平旋转轴线X-X从图1中所示位置沿箭头所示方向的顺时针和逆时针方向旋转90度。台架2包括从旋转轴线延伸的一对腿3、4和在一对腿3、4之间延伸的臂5，粒子加速器被安装到臂5上，使得粒子加速器与臂一起围绕台架旋转轴线旋转。粒子加速器及其线圈17、17’的轴线a-a平行于台架旋转轴线X-X。环形超导线圈17、17’围绕线圈轴线周向延伸。当台架2旋转时，由于粒子加速器1与台架一起旋转，粒子加速器1及其超导线圈围绕其轴线旋转。如所示意性地例示出的，可提供围绕轴线X-X反向旋转的配重(counterweight)。粒子加速器可以或者不可以能够围绕台架臂的轴线或另一轴线或轴旋转。

粒子加速器包括喷嘴6，该喷嘴6被配置为在使用中沿着与粒子加速器相切的方向输出直的带电粒子束9。该束被引导朝向患者支架7的区域中的所选择的目标T，以导致对仰卧在支架7上的患者8体内的比如肿瘤的目标进行照射。当粒子加速器1处于图1所示的位置时，束被沿着竖直向下的方向朝向目标T输出。目标T是束被引导朝向的部位，其被选择以导致在使用中当患者躺在支架上时对患者体内的特定位置和深度进行照射，例如对肿瘤或其他结构进行照射。

根据图1的实施例的粒子加速器1的旋转位置范围在图2中被示意地示出。粒子加速器能够从图1所示的位置A旋转，沿两个方向中的任一方向经过90度角分别到达位置B或C，在位置A台架臂位于台架旋转轴线X-X的竖直上方，在位置B或C台架臂位于与水平台架轴线X-X相交的水平面中。因此粒子加速器1能够从位置A旋转到位置B或C，在位置A束9从目标T竖直上方的位置入射到患者支架7上的目标T，在位置B或C束从患者支架7的任一侧沿水平方向入射到目标T上。当台架臂旋转时，，粒子加速器由于安装在该臂上而围绕其轴线旋转，导致输出束9入射到目标T上的方向沿弧线移动。将会理解的是，当台架臂5旋转时，线圈17(以及线圈17’)围绕其轴线相应地旋转。粒子加速器和线圈具有共同的轴线。

将会理解的是，图1和2的实施例中示出的系统可以被用于从跨越180度的方向范围对患者支架中的目标T进行照射。当患者躺在支架上时，这将允许从对应的方向范围对患者体内的结构进行照射，允许从患者的两侧进行照射。这是有利的，原因在于患者体内的器官在重力作用下将趋向于移位，因此，在使用中患者的位置关于重力被固定是重要的。

根据另一实施例，与能够在图1和2所示的位置之间旋转从而当台架移动粒子加速器时束描绘出一限定圆的上部的弧线不同，粒子加速器替代地能够从图3所示的位置D移动通过180度，经过位置E到达位置F，在位置D束从患者竖直上方入射到目标T上，在位置E束水平移动，在位置F束从患者竖直下方入射到目标上。在这些实施中，束在使用中描绘出限定一圆的左部的弧线。这些布置可比图2的布置更加节省空间，并允许从患者的背面和腹面对患者体内的目标进行照射。替代地，粒子加速器可以以相似的方式移动通过一圆的右半部。

当粒子加速器在图2中的位置A、B和C或图3的位置D、E和F之间移动时，冷却装置有效地冷却线圈。为此，如以下更详细地表示地，将会看到再凝结单元和从粒子加速器延伸的管的定向是不同的，以在这些布置的每一个中使制冷剂能够在重量作用下返回到制冷剂室。

在图1、2或3所示的实施例中，患者支架7可被配置为当粒子加速器旋转时围绕竖直轴线b-b沿两个方向中的任一方向旋转通过高达90度以增加立体角，束可以从该立体角入射到目标上。

图4A示出进一步的实施例，在该实施例中患者支架被配置为当台架旋转时反向旋转。在这些实施例中，患者支架可以相对台架的旋转提供配重。例如，当台架和粒子加速器1围绕轴线x-x逆时针旋转时，安装有患者支架7的地板10顺时针旋转。于是，患者支架和粒子加速器围绕中间轴线X-X旋转。当粒子加速器从图4A所示的位置顺时针旋转时，患者支架和粒子加速器可相似地顺时针旋转通过高达90度。

图4B示意地示出当粒子加速器和患者支架反向旋转时它们的相对位置。

将会理解的是，与如图1-4B所示地被安装到旋转台架上不同，粒子加速器可以可替代地被配置为相对于支架旋转，以引起输出束和线圈的旋转。为此目的，粒子加速器可被安装到万向节上。尽管并不需要粒子加速器能够相对于支架移动，还可设想粒子加速器能够被可旋转地安装到图1-4B的实施例中的可旋转台架上以为输出束提供更大的方向范围，因为粒子加速器以及线圈围绕其轴线的旋转由于支架围绕支架旋转轴线旋转将如上所述地发生。在任何实施例中，粒子加速器可以被安装到用于旋转例子加速器的臂，例如枢转地安装到旋转轴线的机器臂上，而非安装到所示台架上。

在任何布置中，粒子加速器还可被配置为移动以导致线圈轴线例如在5至15度的范围内倾斜。这可使得线圈轴线能够移出水平面。

下面将参照图5更详细地描述粒子加速器的特征。为了易于例示，图5未详细示出用于冷却超导线圈的系统，例如热传导装置、制冷剂室和管的所有方面，并且意在示出在使用中导致带电粒子加速的粒子加速器的主要部分。以下将更详细地描述冷却系统。

参照图5，粒子加速器1是被配置为使在治疗中有用的带电粒子加速的回旋加速器。例如，这些粒子可为诸如碳或质子的重离子形式。粒子加速器1包括铁轭(iron yoke)15形式的外壳。铁轭15具有丸药箱(pill box)形状，并由两个半部形成。铁轭15不是必不可少的。轭15内设置有包括第一和第二环形超导线圈17、17’的超导磁体，第一和第二环形超导线圈17、17’安装在非磁性不锈钢圈形式的线圈支架23的内壁中的凹槽上。线圈17、17’是相同的并被安装在共同的线圈轴线C-C上，并且沿着该轴线彼此间隔。线圈轴线C-C对应于粒子加速器轴线。超导线圈17、17’被配置为在使用中当电流通过超导线圈17、17’时产生磁场。

旋转加速器的操作是周知的。简要地，粒子加速器包括真空室24，待被加速的粒子从粒子源(未示出)被引入到该真空室24的中心。真空室24位于超导磁性线圈17、17’的磁极之间。真空室为盘形。粒子加速器1包括限定真空室中用于加速带电粒子的间隙的一对电极27或“d形电极”。在使用中，交变电场被施加到d形电极，该交变电场与由超导磁性线圈17、17’产生的磁场一起使得粒子沿着螺旋路径被加速。电场使磁场区域中的d形电极之间的粒子加速，并以回旋加速器频率反转以使得粒子沿着螺旋路径移动。粒子形成束并经由被配置为与粒子加速器相切的喷嘴6输出。

如下所详细描述地，连接管27延伸通过铁轭15以将与线圈关联的制冷剂室与再凝结单元29连接。

根据本发明，粒子加速器包括用于冷却超导线圈17、17’的冷却系统，并且即使当线圈17、17’由于台架围绕台架轴线旋转而围绕其轴线旋转时冷却系统也是有效的。下面将参照图6-8描述冷却系统。

图6为沿线圈的轴线方向截取的竖直剖视图。这对应于图13的透视图中标记为6-6的方向，示出线圈组件。图7为沿线圈17的横截方向截取的竖直剖视图。这对应于图13的线7-7。图8为图7的圈出的区域中截取的细节图。

将会理解的是，系统在第二超导线圈17’的区域中的结构与线圈17的区域中的结构相同，并且因此，本发明将关于第一线圈17及其关联的冷却系统进行详细描述。系统的与第二超导线圈17’相关的对应部件由相同但标注有上标(“’”)的附图标记表示。为了简洁，仅系统关于第二超导线圈17’的主要特征被标号。

线圈17为由铌钛或铌锡制成的低温超导线圈，这些材料仅在临界温度以下表现为超导体(尽管设想系统能够结合其他更高温的超导线圈使用，这些更高温的超导线圈也仅在特定的临界温度以下表现为超导体)。在铌钛或铌锡的情况下，超导转换温度分别为10.1K和18.5K。为了提供良好的性能，并能够在存在高磁场时携带大的电流密度，由这些材料制成的超导线圈必须被冷却到完全处于超导转换温度以下。超导线圈未卷绕在任何中心心轴上，并且仅由位于线圈的径向外部的外部线圈支架25来支撑。腔30被限定在环形线圈17的中心，图5所示的粒子加速器的其它部件在使用中位于该腔30内。

第一超导线圈17被安装在支架装置25的径向内表面中的周向延伸的凹槽33中。第一超导线圈17包括与外部线圈支架25的内表面接触的径向最外表面。支架25由在制冷温度下具有低导热系数的高强度非磁性材料形成，比如非磁性等级的不锈钢。不锈钢在制冷温度下具有大约0.2W/m/k的导热系数。支架25为圆柱形圈的形状。图7更清楚地表示支架25如何周向环绕线圈17的整个周界，完全围绕线圈轴线延伸。线圈支架25和线圈具有共同的轴线。

制冷剂室32部分地由支架25限定。制冷剂室32被设置在支架25的径向外部。凹陷通道34被提供在支架25的外表面中。凹陷通道34通过支架25与超导线圈的外表面径向间隔。

围绕支架25周向延伸的盖板36在通道24的任一侧上被焊接到支架25的外表面，以封闭通道并限定制冷剂接纳室32。盖板在图6中示出，但为了清楚在图7中被省略。

图7更清楚地表示通道34在对应于超导线圈17的位置的区域中围绕线圈支架25的整个圆周周向延伸，以提供制冷剂室32。在使用中，如图6和7中的室17的阴影部分所示，室被填充有一定量的制冷剂，比如液氦。室围绕线圈和支架的圆周并由此围绕线圈轴线一直延伸。以此方式，围绕支架25和超导线圈17周向延伸的封闭的室32被提供，该封闭的室32并不直接与超导线圈接触，而是通过低导热系数的支架25的一部分与超导线圈相间隔。在一个角位置，室32限定与在通向再凝结单元29的连接管27的开口处的凹槽28流体连通的口26。与线圈17’关联的制冷剂室32’相似地包括位于对应角位置处的口26’，该口26’与连接管27流体连通。

由于支架25具有低导热系数，或可以完全不展现任何导热系数性质，为了在超导线圈与制冷剂室32的内部之间提供导热路径，高热传导装置40被提供。高热传导装置在制冷温度下具有的导热系数约为在制冷温度下至少200W/m/k。这显著大于传统用在超导系统的结构部件的构造中的材料的导热系数，比如，例如分别在制冷温度下具有大约0.2W/m/k、2W/m/k、0.01W/m/k的导热系数的不锈钢、铝合金或玻璃增强聚酯。在优选实施例中，热传导装置包括铜。

高热传导装置40包括提供一将线圈的暴露表面联接到制冷剂室的连续热传导路径的导热构件42。导热构件42的一端被结合到超导线圈17的径向内表面(参见图6)。导热构件42围绕线圈17的轴向端部并围绕支架25延伸到制冷剂室32。在示出的实施例中，导热构件42被分段以避免导热构件在磁体失超的情况下还能够维持大涡电流和相关联的力的危险。

导热构件42在制冷剂室端部终结为多个周向间隔的塞44。如图6中更清楚地所示，每个塞44穿过盖板36，并通过结合到塞上的由高热传导材料38构成的环而被热连接到其他的塞。环38包括围绕设备的圆周彼此结合的多个热传导材料段。作为图7中所圈出的区域的细节图，塞44、导传导环38和制冷剂室32的布置被更详细地表示在图8中。

高热传导环38还被结合到封闭制冷剂室32的盖板36的内表面。以此方式，高热传导环38限定室32的内表面的一部分。高热传导构件42、塞44和高热传导环38全部由高热传导材料比如铜形成。塞44可以被电子束焊接到高热传导环38。高导热装置的部件具有比支架25更高的导热系数。

可从图7更清楚地看到，热传导装置40围绕制冷剂室32的整个外圆周周向延伸，被配置在其径向外部，并且塞44在周向间隔点处穿过限定室的外壁的盖板。被提供在制冷剂室内部的热传导环38围绕制冷剂室的内部的整个内圆周延伸。以此方式，热量可以从线圈的任何部分被传递到制冷剂室的内部的任何部分，并且热传导装置40可以将热量从制冷剂室的邻近线圈的一部分的部分分散到邻近线圈另一部分的部分。在实践中，尽管如图7所示制冷剂仅位于制冷剂室的下部，但热量可以从线圈的在不邻近填充有制冷剂的制冷剂室部分的上方区域中的部分传递到室的下部，以通过热传导装置被制冷剂吸收从而使制冷剂蒸发。

为了利于进一步理解线圈17、支架25和高热传导装置40的布置，将参照图9-13对部件彼此之间的组装进行描述。

图9为线圈被安装到支架25上之前支架25的透视图，表示用于接纳线圈17、17’的支架25内部中的内凹槽33、33’。还可以看到与盖板36、36’一起限定制冷剂室32、32’的支撑件25外表面中的凹陷通道34、34’。凹槽34在一个角位置处被提供有口26、26’，口26、26’与凹槽28流体连通，在使用中连接管27通向再凝结单元29的的开口被安装到凹槽28上，以使得制冷剂能够在每个制冷剂室34、34’与再凝结单元之间移动，如以下更详细地描述。

图10示出当线圈17、17’已分别被安装到凹槽33、33’中时的图9所示的支架。

图11示出在将周向延伸盖板36、36’结合到凹槽34、34’的顶部上从而限定制冷剂室32、32’之后的图10的组件。可以看到热传导塞44在多个周向点处穿过盖板36、36’。热传导塞44被直接结合到热传导环38(未示出)，到达制冷剂室的内部。将会看到，与每个制冷剂室32、32’的口26、26’协作的凹槽28保持暴露，用于接纳连接管27的开口。

图12示出当高热传导构件42、42’已在其各自的端部被结合到塞44并结合到线圈17、17’的暴露表面以提供线圈与制冷剂室的内部之间的直接高热传导路径时的图11的组件。高热传导构件42、42’围绕线圈的轴向端部延伸。

如图13所示，通向再凝结单元29的连接管27被结合到与制冷剂室32、32’的口26、26’连通的凹槽28上。以此方式，管27的开口与制冷剂室32、32’的内部流体连通，以使得制冷剂能够在再凝结单元与制冷剂室之间流动。

可以从图6、7和13最清楚地看到，再凝结单元29包括连接到包括工作流体的制冷器46的多个冷却表面43，以使从制冷剂室通过管27到达再凝结单元29的蒸发的制冷剂在由于重力影响而通过连接管27掉落回制冷剂室32、32’中之前能够再凝结。再凝结表面例如通过被机械和热连接到制冷器的最冷级而被保持在当地制冷剂沸点以下的温度。连接管27朝向再凝结单元逐渐变细，以促使制冷剂在重力影响下朝向制冷剂室返回移动。如图5所示，连接管27延伸通过粒子加速器的铁轭，以使得再凝结单元29能够位于低场区域(low field region)中，从而减小粒子加速器与其操作发生干扰的危险。连接管27具有大约1m的长度L。这对应于再凝结表面43从口到制冷剂室相距的距离。这还减小了再凝结单元与粒子加速器的操作发生干扰的危险。连接管27通过真空空间、中间护罩和多层绝热材料的传统布置与环境温度热绝缘。

冷却系统的结构已相对于再凝结单元是竖直的，即对应于其图1中的位置，或图2的位置A的布置被示出。然而，系统被配置即使当其从此位置沿任一方向旋转通过90度，例如旋转到图2所示的位置B或C时，或者从图3中的位置E旋转到位置D或F时，仍然可以操作以冷却线圈。因此本发明使粒子加速器能够旋转超过180度，线圈围绕其轴线对应旋转而不与冷却系统的操作发生干扰。将会看到，在图3的布置中，再凝结管被配置为当粒子加速器被定位使得束被水平输出时而非如图2所示当束竖直向下移动时是竖直的，以使得制冷剂能够在线圈旋转时在重力作用下返回到制冷剂室。

在使用中，制冷剂位于制冷剂室32、32’中，以将室部分填充至不多于室的高度的50％的水平。这在图7中示出。如图14所示，当系统从图6所示的初始位置A或E旋转通过90度到达位置B/F或位置C/D(参见图2或3中的对应位置)时，制冷剂将在室内流动以得到其自己的水平。由于制冷剂室围绕线圈的圆周延伸足够的距离以使制冷剂能够以此方式流动，并且因为制冷剂不完全填充室，所以这是可能的。制冷剂在室中的位置通过图14中的阴影示意地示出。由于线圈围绕其轴线在位置B/F和C/D之间经由位置A/E旋转通过180度时，制冷剂一旦被再凝结就可以在重量作用下连续返回到制冷剂室。再凝结单元连接管27的锥度利于制冷剂返回到制冷剂室，即使当管的轴线如在位置B/F和C/D为水平的时。

将会理解的是，高热传导装置用于例如经由传导环38将热量在制冷剂室的与制冷剂接触的部分与制冷剂室的即使当系统旋转通过180度以提供有效冷却时也未与制冷剂接触的部分之间在整个制冷剂室32中进行分散。

下面将描述用于冷却线圈17、17’的系统的操作。如图6和7示意所示，液态制冷剂比如液氦位于制冷剂室32、32’中，图6和7将制冷剂表示为阴影区域。液态制冷剂初始被填充至制冷剂室高度的大约50％。在使用中，当粒子加速器1被用于朝向目标T的方向提供输出束9时，超导线圈17被操作。粒子加速器1初始位于位置A，制冷剂因此如图14所示位于相对于再凝结单元的室中。当粒子加速器操作时，线圈17、17’中产生热量。当寒冷时热量还可能从不同来源泄露到线圈中。热量通过导热从线圈的整个圆周周围经由高热传导装置40被传递到制冷剂室17的内部。热量从线圈的圆周的周围通过高热传导构件42被传导，并围绕线圈支架25被传递到穿过制冷剂室的塞44。塞44将热量传递到围绕制冷剂室的内部延伸的内热传导环38。因此传递到制冷剂室的一部分的热量可以通过传导环38被分散到制冷剂室的其他部分。以此方式，甚至在线圈的不与包含液态制冷剂的制冷剂室32的部分径向邻近的上部区域中产生的热量也可以通过热传导装置被分散到制冷剂室的包含有液态制冷剂的其他部分。由于高热传导装置40，尽管存在介于线圈与制冷剂室之间的热传导性非常低的结构支架25，热量依然可以被传递到制冷剂室中的制冷剂。

到达室中的液态制冷剂的热量导致制冷剂蒸发。蒸发的制冷剂沿着5和6中的箭头方向通过扩散朝向通向再凝结单元29的管27的开口28处的口26向上移动。制冷剂流动至与再凝结表面接触并被冷却，从而再凝结。再凝结的制冷剂在管27中向下掉落并在重力影响下返回到制冷剂室32中。线圈17’以相同方式被冷却。

过程与台架旋转以将粒子加速器及其线圈旋转到图2所示的位置B或C以从不同方向对目标T传递粒子束是相同的。如图14所示，制冷剂流动到不同位置，但是冷却系统的操作未改变。如果粒子加速器如图3所示在位置D、E和F之间移动，操作是相似的。

以此方式，即使当线圈在使用中旋转时，热量也通过蒸发和再凝结被从超导线圈移除。将会理解的是，热量通过两种机理被传递出线圈。热量通过传导过程经由热传导装置从线圈经过其间相对短的距离传递到制冷剂室中的制冷剂。用于将热量从制冷剂室传递到再凝结单元的机理是利用制冷剂自身作为热传递介质的扩散机理。再凝结单元通过使用合适的管道可以位于距线圈任何期望的距离处。以此方式，再凝结单元可以被定位为在可能会由于超导线圈或使用中的粒子加速器的其它部件所产生的磁场或而受到干扰的区域之外。使用制冷剂作为热传递介质以将热量从制冷剂室经过线圈与再凝结单元之间的热传递路径的相对较长部分传递到再凝结单元可以避免发生如果使用固体导体将可能遭受的显著的温度梯度上升的问题。此外，使用蒸发的氦作为热传递介质可以导致明显较小体积的系统，并使热量的传递经过比使用热导体在实践中可能实现的更长的距离。以示例的方式，在路径长度上具有0.5K的温差时，为了将2W的热量传导经过1m的距离，通过粗略的阐释性计算，需要导热系数600W/m/K具有约100mm直径且大约60Kg质量的实心铜热联接件。需要的导体的质量与涉及的距离的平方成比例。将会理解的是，在发明的实施例中制冷剂室位于超导线圈附近，并且热传导仅需要在短范围内发生。已经发现，使用液态制冷剂作为热传递介质还可以提供再凝结单元与超导线圈之间的更好的振动隔离。

由于超导线圈不需要像传统布置那样被浸没在槽或制冷剂中，因此如示出的实施例所示支架可以位于线圈的外部。例如，如果期望，线圈可以通过其外表面上的刚性圈被增强。这可以允许线圈在比传统卷绕在心轴或其他内支架上并通过位于其外表面周围的氦槽来冷却的线圈更极端的环境中操作。

由于线圈未通过内部线圈架来支撑或被氦槽包围，因此可以使线圈更加紧凑，增加线圈的效率，并减小产生所希望的磁场所需的超导体的量。这能够实现粒子加速器的尺寸和重量的减小，增加可将粒子加速器安装到用于旋转的支架上的易操作性，并提供可以更低的成本被安装在更小的空间中的系统。这使得系统适合用于在更小和更广泛的场所中提供治疗，比如区域医院。

此外，与传统浸没型布置相比，相对小量的制冷剂需要被设置在制冷剂室中，并且制冷剂室自身可以减小尺寸以提供更加节省空间的布局。这是因为通过使用热传导元件热量可迅速地从线圈的所有区域传递到制冷剂室，并且没有显著的损失，并且热量可以在制冷剂室内分散以确保传递到所提供的制冷剂的量被最大化。

制冷剂回路，即制冷剂室、管和再凝结单元可以被密封，使得在包括降温、升温和任何可能发生的失超的整个操作循环中，回路包含固定量的制冷物质。密封回路可以包括膨胀容器，以容纳在室温下体积增加的制冷剂。在其他实施例中，密封回路可以具有恒定的容积，并可以被设计为承受当变暖到室温时增加的压力。

由于位于系统中的制冷剂的量相对较小，在任何失超发生的情况下，即线圈从超导状态改变为有阻状态，将其磁能转变为热量，并引起大部分或全部制冷剂蒸发，沉积的蒸汽的量可以减小至其可以被安全地沉积到环境或收集用于再利用的程度。由于比如液氦的制冷剂可能会变成相对稀缺的资源，使用较小量的氦来操作系统并允许氦被循环利用的能力是有利的。

系统可以包括用于当制冷剂的蒸发水平超过再凝结水平，例如在超导磁体的初始增强(ramp up)期间容纳待被再凝结的蒸发的制冷剂的存储器。

已经发现，本发明可以解决当设计用于可旋转粒子加速器的冷却系统时可能发生的某些相矛盾的需要。本发明可以允许将超导线圈即使当其旋转时冷却到低且稳定的温度。这允许每单位质量产生相对较高磁场的低温超导材料被用在线圈中，使得能够减小粒子加速器的整体尺寸，从而利于安装到例如台架的支架上。线圈的操作温度越低，需要用于线圈中的导线的量越小，并且线圈的性能越好。系统无需依赖将线圈浸没在制冷剂中而实现这些，将线圈浸没在制冷剂中不期望地增加系统的体积，并且可能消除通过使用超导线圈而实现的任何节省的空间/重量。这还在不仅仅依赖传导冷却的情况下实现，避免上升到制冷器或其他再凝结设备可与粒子加速器和线圈相距的距离的实际限制。以此方式，再凝结单元可以距线圈相对较远地定位在低场区域中，在低场区域中线圈/粒子加速器与再凝结单元之间的干扰可以减小。

通过避免制冷剂与线圈之间直接接触的需要，本发明允许线圈被外部支撑。这使得能够实现线圈尺寸的进一步减小，因为线圈不需要自支撑。本发明提供线圈支架设计方面的更大的灵活度。在发明的实施例中，如果线圈被外部支撑，则线圈可以支持相对高的场，而不显著降低性能。在使用中，外部支撑在阻碍使线圈膨胀的磁力方面是有利的。例如，超导导线可以包括铜以增加导线抗失超的稳定性。然而，铜是比较脆弱的，并且高磁场可能导致在绕组中产生不可接受的高水平的应力，可能引起足以降低超导性能的应变。由此，在许多情况下，期望增强线圈，尤其是试图在安装粒子加速器的支架的环境中产生所期望的较高的场的线圈。通过允许所实现的线圈和冷却系统的尺寸减小，本发明可以提供一系统，其可以包括一些线圈增强措施并仍然适用于台架/支架安装。

Claims (27)

1.一种系统，包括：

支架；和

粒子加速器，安装在所述支架上，在使用中用于产生带电粒子的输出束，所述粒子加速器包括在使用中用于产生磁场的至少一个环形超导线圈；

所述系统进一步包括在使用中用于冷却所述超导线圈的装置；

所述冷却装置包括：

制冷剂室，位于所述至少一个超导线圈附近，在使用中用于容纳制冷剂；

热传导装置，被配置为利于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室，以在使用中使容纳在所述制冷剂室中的制冷剂蒸发，从而将热量从所述至少一个超导线圈移除，所述热传导装置在制冷温度下是高热传导性的；

以及制冷剂再凝结单元，与所述制冷剂室流体连通，由此蒸发的制冷剂在使用中能够从所述制冷剂室流动到所述制冷剂再凝结单元，以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结；

其中所述系统被配置为使得所述粒子加速器在使用中能够移动以改变所述输出束的方向，并且其中在使用中当所述线圈由于所述粒子加速器的所述移动而围绕其轴线旋转时，所述冷却装置能够操作以冷却所述超导线圈。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述支架被配置为能够围绕支架旋转轴线旋转，并且所述粒子加速器被安装到所述支架上使得在使用中所述粒子加速器将与所述支架一起围绕所述支架旋转轴线旋转。

3.如任意前述权利要求所述的系统，其中所述支架是台架，优选能够围绕水平旋转轴线旋转。

4.如任意前述权利要求所述的系统，其中所述系统是用于进行带电粒子治疗，优选质子或重离子治疗的系统，并且其中所述系统进一步包括患者支架，并且所述系统被配置为使得在使用中当所述粒子加速器被移动时所述输出束能够从不同方向入射到所述患者支架的区域中的目标上。

5.一种粒子加速器系统，包括：

粒子加速器，具有在使用中用于产生磁场的至少一个环形超导线圈；

和冷却装置，在使用中用于冷却所述线圈；

其中所述冷却装置包括：

制冷剂室，位于所述至少一个超导线圈附近，在使用中用于容纳制冷剂；

热传导装置，被配置为利于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室，以在使用中使容纳在所述制冷剂室中的制冷剂蒸发，从而将热量从所述至少一个超导线圈移除，所述热传导装置在制冷温度下是高热传导性的；

以及制冷剂再凝结单元，与制冷剂室流体连通，由此蒸发的制冷剂在使用中能够从所述制冷剂室流动到所述制冷剂再凝结单元，以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结；

其中在使用中当所述粒子加速器的移动导致线圈围绕其轴线旋转时，所述冷却装置能够操作以冷却所述至少一个超导线圈。

6.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述高热传导装置包括铜。

7.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述高热传导装置被配置为提供所述超导线圈的表面与所述制冷剂室的内部之间的直接导热路径。

8.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述高热传导装置被配置为，当在使用中所述线圈围绕其轴线旋转时，所述高热传导装置能够将热量从所述制冷剂室的在使用中不包含制冷剂的部分传导到所述制冷剂室的在使用中包含制冷剂的部分。

9.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述制冷剂室具有围绕所述至少一个超导线圈的轴线的周向长度，并且被定位为轴向和/或径向地邻近所述至少一个超导线圈，并且优选至少部分地沿周向环绕所述至少一个超导线圈。

10.如任意前述权利要求所述的系统，其中所述制冷剂室围绕所述至少一个超导线圈的轴线沿周向延伸至少50％，优选至少70％，更优选地基本完全围绕所述至少一个超导线圈的轴线延伸。

11.如任意前述权利要求所述的系统，其中所述系统被配置使得再凝结的制冷剂能够在重力影响下返回到所述制冷剂室。

12.如任意前述权利要求所述的系统，其中所述系统进一步包括用于支撑所述线圈的外部支撑装置，所述支撑装置至少部分地沿周向环绕所述线圈，优选地，其中所述支撑装置位于所述超导线圈与所述制冷剂室之间。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述高热传导装置具有比所述外部线圈支撑装置更高的导热系数。

14.如权利要求12或权利要求13所述的系统，其中所述制冷剂室部分地由所述外部线圈支撑装置限定。

15.如前述权利要求中任一项所述的系统，进一步包括所述制冷剂室中的制冷剂，并且其中所述室包含液态制冷剂，该液态制冷剂将所述制冷剂室填充到小于所述室的高度的50％的水平。

16.如任意前述权利要求所述的系统，其中所述粒子加速器包括外轭，所述超导线圈被设置在该外轭中。

17.如任意前述权利要求所述的系统，其中所述再凝结单元与所述制冷剂室经由连接管流体连通，所述连接管优选朝向所述再凝结单元逐渐变细。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述粒子加速器包括外轭，并且所述连接管延伸穿过所述轭。

19.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述粒子加速器在使用中能够旋转以允许所述输出束沿弧线移动。

20.如任意前述权利要求所述的系统，其中当所述线圈由于所述粒子加速器的移动而旋转通过至少90度，优选达到180度的角度时，所述冷却装置能够操作以冷却所述线圈。

21.如任意前述权利要求所述的系统，其中包括所述制冷剂室、再凝结单元和热传导装置的所述冷却装置被配置为当所述线圈围绕其轴线旋转时与所述线圈一起旋转。

22.一种系统，包括：

支架，在使用中能够围绕支架旋转轴线旋转；和

粒子加速器，安装在所述支架上，在使用中用于产生带电粒子的输出束，所述粒子加速器包括在使用中用于产生磁场的至少一个环形超导线圈，

其中所述粒子加速器被安装到所述支架上使得所述粒子加速器在使用中将与所述支架一起围绕所述支架旋转轴线旋转，以改变由所述粒子加速器输出的带电粒子束的方向；

所述系统进一步包括在使用中用于冷却所述超导线圈的装置，所述冷却装置包括：

制冷剂室，位于所述超导线圈附近，在使用中用于容纳制冷剂；

热传导装置，被配置为利于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室，以在使用中使容纳在所述制冷剂室中的制冷剂蒸发，从而将热量从所述至少一个线圈移除，所述热传导装置在制冷温度下是高热传导性的；

以及制冷剂再凝结单元，与所述制冷剂室流体连通，由此蒸发的制冷剂在使用中能够从所述制冷剂室流动到所述制冷剂再凝结单元，以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结；

其中在使用中当所述线圈由于所述粒子加速器与所述支架一起旋转而围绕其轴线旋转时，所述冷却装置能够操作以冷却所述超导线圈。

23.一种在使用中用于进行带电粒子治疗的系统，该系统包括：

患者支架，

粒子加速器支架；和

粒子加速器，安装在所述粒子加速器支架上，并被配置为在使用中朝向所述患者支架的区域中的目标输出带电粒子束，所述粒子加速器包括用于在使用中产生磁场的至少一个环形超导线圈；

其中所述系统进一步包括在使用中用于冷却所述超导线圈的装置；

所述冷却装置包括：

制冷剂室，位于所述至少一个超导线圈附近，在使用中用于容纳制冷剂；

热传导装置，被配置为利于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室，以在使用中使容纳在所述制冷剂室中的制冷剂蒸发，从而将热量从所述至少一个线圈移除，所述热传导装置在制冷温度下是高热传导性的；

以及制冷剂再凝结单元，与所述制冷剂室流体连通，由此蒸发的制冷剂在使用中能够从所述制冷剂室流动到所述制冷剂再凝结单元，以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结；

其中所述系统被配置为使得所述粒子加速器在使用中能够移动以改变所述输出束的方向，并且其中在使用中当所述线圈由于所述粒子加速器的所述移动而围绕其轴线旋转时，所述冷却装置能够操作以冷却所述超导线圈。

24.一种用于进行带电粒子治疗的系统，该系统包括：

患者支架；

粒子加速器支架，在使用中能够围绕粒子加速器支架旋转轴线旋转，和

粒子加速器，包括在使用中用于产生磁场的至少一个环形超导线圈，

所述粒子加速器被配置为在使用中朝向所述患者支架的区域中的目标输出带电粒子束，并被安装到所述粒子加速器支架上使得在使用中所述粒子加速器将与所述支架一起旋转，以改变输出带电粒子束的方向；

所述系统进一步包括在使用中用于冷却所述超导线圈的装置；

其中所述冷却装置包括：

制冷剂室，位于所述至少一个超导线圈附近，在使用中用于容纳制冷剂；

热传导装置，被配置为利于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室，以在使用中使容纳在所述制冷剂室中的制冷剂蒸发，从而将热量从所述至少一个线圈移除，所述热传导装置在制冷温度下是高热传导性的；以及

制冷剂再凝结单元，与所述制冷剂室流体连通，由此蒸发的制冷剂在使用中能够从所述制冷剂室流动到所述制冷剂再凝结单元，以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结；

并且其中在使用中当所述线圈由于所述粒子加速器与所述粒子加速器支架的一起旋转而围绕其轴线旋转时，所述冷却装置能够操作以冷却所述超导线圈。

25.一种操作如任意前述权利要求所述的系统或粒子加速器的方法，该方法包括在所述制冷剂室中提供制冷剂，并操作所述超导线圈，由此来自所述超导线圈的热量通过所述高热传导装置被传导到所述制冷剂室，以使所述制冷剂室中的制冷剂蒸发，从而将热量从所述线圈移除，蒸发的制冷剂流动到所述再凝结单元以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结。

26.一种使用如权利要求1至24中的任一项所述的系统的方法，优选用于进行离子治疗，该方法包括步骤：操作所述粒子加速器以提供入射到待被照射的目标上的输出束，并且移动所述粒子加速器以使所述束沿弧线移动，从而从不同方向对所述目标进行照射。

27.一种基本如本文所描述的或参照任意一幅附图的系统或方法。

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