CN105357856A - 一种医用质子同步加速器的注入装置及注入方法 - Google Patents

一种医用质子同步加速器的注入装置及注入方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种医用质子同步加速器的注入装置及注入方法，其中所述装置包括：依次连接的第一直线节、第一偏转二极磁铁、第二直线节、第二偏转二极磁铁以及第三直线节。本发明利用尽可能少的元件数目实现医用质子同步加速器的注入功能，实现质子同步加速器的水平发射度和垂直发射度的相空间的最大填充，从而有效增加了质子同步加速器的质子储存数目，使其能够支持单周期内多层能量引出技术。本发明采用的元件数目少，操控简单，能够最大程度的降低装置和建筑的建造成本，降低治疗成本。

Description

一种医用质子同步加速器的注入装置及注入方法
技术领域
本发明涉及一种用于肿瘤治疗的医用质子同步加速器的注入装置及注入方法。
背景技术
质子在深度方向上优异的布拉格峰特性使得其成为肿瘤治疗中最为先进的手段之一，目前世界上质子治疗装置和治疗中心的建设越来越多。治疗中采用的最先进的扫描技术可以实现三维适形调强的精确治疗，最大限度地实现靶区内照射剂量尽可能大而周围敏感组织照射剂量尽可能小的放疗要求。传统的同步加速器，尤其是质子同步加速器每个引出循环对应一个引出能量。注入、升能(称之为上升沿)和标准化循环(称之为下降沿)需要占用很长时间，引出平台所对应的有效治疗时间较短。因此，为了提供了一种能够在同一周期内进行不同能量治疗的技术，大大降低同步加速器治疗时间，质子同步加速器需要储存较多粒子数。传统用于升能的同步加速器一般采用单圈在轴注入，并利用快速二极磁铁将注入束流踢入中心轨道，其优点在于注入效率高，但是缺点在于由于空间电荷效应和注入器的流强限制，使得加速器累积的电荷数量较少，因此导致现有的质子同步加速器无法支持单周期内多层能量引出技术以降低同步加速器治疗时间。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种医用质子同步加速器的注入装置及注入方法，以使该加速器能够储存较多的粒子，从而能够支持单周期内多层能量引出技术。
本发明之一所述的一种医用质子同步加速器的注入装置，其包括：
依次连接的第一直线节、第一偏转二极磁铁、第二直线节、第二偏转二极磁铁以及第三直线节，其中，
所述第一直线节包括：靠近所述第一偏转二极磁铁设置的第一水平散焦四极磁铁以及与该第一水平散焦四极磁铁连接并远离所述第一偏转二极磁铁设置的第一注入凸轨磁铁；
所述第二直线节包括：靠近所述第一偏转二极磁铁设置的第一水平聚焦四极磁铁、靠近所述第二偏转二极磁铁设置的第二水平散焦四极磁铁、连接在所述第一水平聚焦四极磁铁与第二水平散焦四极磁铁之间的注入静电切割板以及与该注入静电切割板连接的注入静磁切割铁；
所述第三直线节包括：靠近所述第二偏转二极磁铁设置的第二水平聚焦四极磁铁以及与该第二水平聚焦四极磁铁连接并远离所述第二偏转二极磁铁设置的第二注入凸轨磁铁；
所述第一注入凸轨磁铁和第二注入凸轨磁铁为彼此相位差为180度的偏转磁铁。
本发明之二所述的一种医用质子同步加速器的注入方法，其包括以下步骤：
步骤S1，提供如上所述的医用质子同步加速器的注入装置；
步骤S2，在向所述第一注入凸轨磁铁和第二注入凸轨磁铁供电的外部电源的作用下形成质子同步加速器的循环束流中心轨道，将质子束在所述注入装置中加速至2-10MeV，然后通过所述注入静磁切割铁和注入静电切割板将质子束注入质子同步加速器的真空室，并将所述质子束的注入点的水平方向位置设置为与所述循环束流中心轨道的水平方向位置相同，将所述质子束的注入点的垂直方向位置设置为相对于质子同步加速器的中心轨道的垂直方向位置偏置；
步骤S3，将所述外部电源的强度从其最大值开始下降，使所述循环束流中心轨道的水平方向位置的高度降低，并保持所述质子束的注入点的垂直方向位置不变，以使注入的所述质子束到达质子同步加速器的水平发射度和垂直发射度的相空间的不同位置；以及
步骤S4，持续执行所述步骤S3，以使质子束在质子同步加速器内做回旋运动的同时，在质子同步加速器的水平发射度和垂直发射度的相空间中振荡，直至质子同步加速器的水平发射度和垂直发射度的相空间被质子束填满，以达到最大发射度。
如上述的医用质子同步加速器的注入方法中，所述步骤S2包括将质子束在所述注入装置中加速至7MeV。
如上述的医用质子同步加速器的注入方法中，所述步骤S2包括将所述质子束的注入点的垂直方向位置设置为相对于质子同步加速器的中心轨道的垂直方向位置偏置2-10mm。
如上述的医用质子同步加速器的注入方法中，所述步骤S4包括持续执行所述步骤S310-30μs。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过利用注入静磁切割铁和注入静电切割板将质子束注入质子同步加速器的真空室，利用第一、第二凸轨磁铁形成循环束流中心轨道，减少质子束的注入点相对于循环束流中心轨道的偏置，并通过采用水平聚焦和散焦四极磁铁形成足够的相移，从而利用尽可能少的元件数目实现医用质子同步加速器的注入功能，实现质子同步加速器的水平发射度和垂直发射度的相空间的最大填充，从而有效增加了质子同步加速器的质子储存数目，使其能够支持单周期内多层能量引出技术。本发明采用的元件数目少，操控简单，能够最大程度的降低装置和建筑的建造成本，降低治疗成本。
附图说明
图1是本发明的一种医用质子同步加速器的注入装置的结构示意图；
图2是采用本发明的医用质子同步加速器在注入开始时的循环束流中心轨道图；
图3(a)、(b)分别是采用本发明的医用质子同步加速器的水平和垂直发射度分别填满后的水平和垂直相空间图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
首先，对本发明的理念基础进行简单说明。
通过研究发现限制同步加速器储存粒子数的主要因素是注入能量附近的空间电荷效应造成穿越共振线导致的粒子丢失。空间电荷效应的强弱主要取决于储存粒子数、注入能量和储存束的发射度：
Δ ν = - r p N 2 πϵ r m s β 2 γ 3 B f - - - ( 1 )
式(1)中，Δν是空间电荷效应引起的频移，rp是经典半径，N是储存粒子数，β和γ是注入束流的相对论因子，Bf是聚束因子，εrms是束流发射度。
公知的在同步加速器中最大有效的发射度就是其接受度，忽略色散的影响，接受度为：
A = D 2 β - - - ( 2 )
式(2)中，D是真空尺寸，β是包络函数。
因此，本发明旨在将质子同步加速器的水平和垂直发射度都填满成该质子同步加速器的接受度，从而最大程度上减轻空间电荷效应的影响。
基于上述内容，如图1所示，本发明之一，即一种医用质子同步加速器的注入装置，包括：通过真空室(图中未示)依次连接的第一直线节、第一偏转二极磁铁1、第二直线节、第二偏转二极磁铁2以及第三直线节，其中，
第一直线节包括：靠近第一偏转二极磁铁1设置的第一水平散焦四极磁铁11以及与该第一水平散焦四极磁铁11连接并远离第一偏转二极磁铁1设置的第一注入凸轨磁铁12；
第二直线节包括：靠近第一偏转二极磁铁1设置的第一水平聚焦四极磁铁21、靠近第二偏转二极磁铁设置2的第二水平散焦四极磁铁22、连接在第一水平聚焦四极磁铁21与第二水平散焦四极磁铁22之间的注入静电切割板23以及与该注入静电切割板23连接的注入静磁切割铁24；
第三直线节包括：靠近第二偏转二极磁铁2设置的第二水平聚焦四极磁铁31以及与该第二水平聚焦四极磁铁31连接并远离第二偏转二极磁铁2设置的第二注入凸轨磁铁32。
在本实施例中，第一注入凸轨磁铁12和第二注入凸轨磁铁32为彼此相位差为180度的偏转磁铁，通过这两块小型偏转磁铁可以最大的减少注入装置中的磁铁数量，节省空间。另外，通过在第一注入凸轨磁铁12和第二注入凸轨磁铁32之间设置第一、第二偏转二极磁铁1、2、第一、第二水平散焦四极磁铁11、22以及第一、第二水平聚焦四极磁铁21、31，从而形成足够的相移。
基于上述结构的注入装置，本发明之二，即一种医用质子同步加速器的注入方法包括以下步骤：
步骤S1，提供如上所述的医用质子同步加速器的注入装置；
步骤S2，在向第一注入凸轨磁铁12和第二注入凸轨磁铁32供电的外部电源(图中未示)的作用下形成质子同步加速器的循环束流中心轨道(该循环束流中心轨道相对于同步加速器中心轨道形成水平凸轨)，将质子束在注入装置中加速至2-10MeV(优选为7MeV)，然后通过注入静磁切割铁24和注入静电切割板23将质子束注入质子同步加速器的真空室，并将质子束的注入点的水平方向位置设置为与循环束流中心轨道的水平方向位置相同，将质子束的注入点的垂直方向位置设置为相对于质子同步加速器的中心轨道的垂直方向位置偏置2-10mm；
步骤S3，将外部电源的强度从其最大值开始下降，使循环束流中心轨道的水平方向位置的高度降低，并保持所述质子束的注入点的垂直方向位置不变，以使注入的所述质子束相对于所述循环束流中心轨道的位置改变，从而使注入的所述质子束到达质子同步加速器的水平发射度和垂直发射度的相空间的不同位置；以及
步骤S4，持续执行所述步骤S310-30μs，以使质子束在质子同步加速器内做回旋运动的同时，在质子同步加速器的水平发射度和垂直发射度的相空间中振荡，直至质子同步加速器的水平发射度和垂直发射度的相空间被质子束填满，以达到最大发射度。
如图2所示，在水平凸轨之外的区域闭轨畸变是0。所述注入凸轨磁铁的波形为半正弦，脉冲宽度40μs。如图3(a)所示，质子同步加速器的水平发射度的相空间中质子束按照注入先后顺序形成一团团的微束，如图3(b)所示，质子同步加速器的垂直发射度的相空间中质子束已经弥散满整个相空间。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (5)

1.一种医用质子同步加速器的注入装置，其特征在于，所述装置包括：
依次连接的第一直线节、第一偏转二极磁铁、第二直线节、第二偏转二极磁铁以及第三直线节，其中，
所述第一直线节包括：靠近所述第一偏转二极磁铁设置的第一水平散焦四极磁铁以及与该第一水平散焦四极磁铁连接并远离所述第一偏转二极磁铁设置的第一注入凸轨磁铁；
所述第二直线节包括：靠近所述第一偏转二极磁铁设置的第一水平聚焦四极磁铁、靠近所述第二偏转二极磁铁设置的第二水平散焦四极磁铁、连接在所述第一水平聚焦四极磁铁与第二水平散焦四极磁铁之间的注入静电切割板以及与该注入静电切割板连接的注入静磁切割铁；
所述第三直线节包括：靠近所述第二偏转二极磁铁设置的第二水平聚焦四极磁铁以及与该第二水平聚焦四极磁铁连接并远离所述第二偏转二极磁铁设置的第二注入凸轨磁铁；
所述第一注入凸轨磁铁和第二注入凸轨磁铁为彼此相位差为180度的偏转磁铁。
2.一种医用质子同步加速器的注入方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，提供如权利要求1所述的医用质子同步加速器的注入装置；
步骤S2，在向所述第一注入凸轨磁铁和第二注入凸轨磁铁供电的外部电源的作用下形成质子同步加速器的循环束流中心轨道，将质子束在所述注入装置中加速至2-10MeV，然后通过所述注入静磁切割铁和注入静电切割板将质子束注入质子同步加速器的真空室，并将所述质子束的注入点的水平方向位置设置为与所述循环束流中心轨道的水平方向位置相同，将所述质子束的注入点的垂直方向位置设置为相对于质子同步加速器的中心轨道的垂直方向位置偏置；
步骤S3，将所述外部电源的强度从其最大值开始下降，使所述循环束流中心轨道的水平方向位置的高度降低，并保持所述质子束的注入点的垂直方向位置不变，以使注入的所述质子束到达质子同步加速器的水平发射度和垂直发射度的相空间的不同位置；以及
步骤S4，持续执行所述步骤S3，以使质子束在质子同步加速器内做回旋运动的同时，在质子同步加速器的水平发射度和垂直发射度的相空间中振荡，直至质子同步加速器的水平发射度和垂直发射度的相空间被质子束填满，以达到最大发射度。
3.根据权利要求2所述的医用质子同步加速器的注入方法，其特征在于，所述步骤S2包括将质子束在所述注入装置中加速至7MeV。
4.根据权利要求2或3所述的医用质子同步加速器的注入方法，其特征在于，所述步骤S2包括将所述质子束的注入点的垂直方向位置设置为相对于质子同步加速器的中心轨道的垂直方向位置偏置2-10mm。
5.根据权利要求2所述的医用质子同步加速器的注入方法，其特征在于，所述步骤S4包括持续执行所述步骤S310-30μs。
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Assignee: SHANGHAI AIPUQIANG PARTICLE EQUIPMENT Co.,Ltd.

Assignor: SHANGHAI INSTITUTE OF APPLIED PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES

Contract record no.: X2019310000019

Denomination of invention: Injection device and injection method for medical proton synchrotron

Granted publication date: 20170915

License type: Exclusive License

Record date: 20191113

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