CN107437450A - 超导二极磁体结构、输运装置和医疗设备 - Google Patents

Abstract

一种超导二极磁体结构，包括线圈盒、杜瓦与支撑装置，其中，所述线圈盒为一体式结构，内部设置有相对的超导线圈，使两个超导线圈通电后能产生均匀二极磁场；所述支撑装置固定于杜瓦上并通过点接触方式支撑所述线圈盒。本公开其特殊的支撑绝热结构可以保证磁体线圈的冷却，并在离子束输送区产生稳定的、高强的、均匀的磁场，能够实现粒子医疗设备中粒子束的偏转功能，并有效增大内部磁场降低磁体尺寸和重量的效果；同时，可以实现超导磁体运行时的低温冷却和失超保护等要求。

Description

超导二极磁体结构、输运装置和医疗设备

技术领域

本公开属于超导磁体领域，具体涉及一种超导二极磁体结构，还涉及一种粒子输运装置，以及一种医疗设备。

背景技术

粒子束的医疗技术发展是从1946年美国的Wilson首次提出粒子束的治疗特性开始的；粒子束有一个布拉格(Bragg)峰，通过高精度的计算机控制技术可以将Bragg峰调整到肿瘤区，并释放大量能量。经过半个多世纪的发展，粒子治疗由于其穿透力强、剂量分布好、旁散射少等特征，成为令人瞩目的肿瘤治疗高新技术。在粒子医疗技术不断发展的同时，重离子医疗技术也在不断发展，就束流种类而言，重离子特别是碳离子，因其物理学的Bragg效应和特殊的相对生物学效应成为首选。

要实现粒子和重离子医疗，需要相应的医疗设备；从结构组成原理上看，重离子与粒子治疗系统基本相同，主要包括加速器、粒子输运装置、治疗头和治疗计划系统。并且随着加速器科学的飞速发展，常规磁体加速器已经难以满足各学科对于高能粒子束的渴望。由于输运重离子和粒子对磁刚度有很高的要求，偏转重离子的磁刚度要求为6.3T·^·m，粒子为2.15T·^·m，使得粒子束在输运过程中的磁体的设计难度也会增大，这主要是由于常规的电磁场难以达到那么大，只有通过增大磁体尺寸来满足要求，这使得现有的输运系统总体体积和重量很大。由于常规的电磁场难以达到那么大，只有通过扩大曲率半径来满足要求，这使得现有的机架结构体积和重量很大；尤其是最后一块弯曲磁铁，其弯曲角度达到90度，半径的增加使得吨位极度增加，以德国GSI的HIT为例，最后一块90度弯曲磁铁达到了90吨重，占整个旋转传输系统的65％。过重的机架结构会导致受力严重不均产生变形，进而影响等中心误差和旋转精度，阻碍了离子束医疗的广泛应用。而弯曲磁铁作为实现离子束偏转功能的重要装置，是旋转机架的重要组成部件，是影响旋转机架尺寸和重量的重要因素，因此克服现有机架的大型化、重型化和高成本化，改变现有的磁铁结构，开发新的磁体机构迫在眉睫。

发明内容

有鉴于此，本公开的目的在于提供一种超导二极磁体结构、输运装置和医疗设备，以克服以上所述的至少一项技术问题。

本公开的技术方案如下：

根据本公开的一方面，提供一种超导二极磁体结构，包括线圈盒、杜瓦与支撑装置，其中，所述线圈盒为一体式结构，内部设置有相对的超导线圈，使两个超导线圈通电后能产生均匀二极磁场；所述支撑装置固定于杜瓦上并通过点接触方式支撑所述线圈盒。

进一步的，所述点接触方式为：所述支撑装置通过销钉支撑所述线圈盒，所述支撑装置包括主支撑件，其中，所述销钉设置于主支撑件上并且销钉的截面收敛端正对所述线圈盒。

进一步的，所述支撑装置还通过螺栓进一步固定和支撑所述线圈盒：所述主支撑件上和线圈盒上通过螺栓铆接。

进一步的，所述支撑装置和线圈盒之间的接触部分外周套设隔热件，以降低支撑装置和线圈盒隔离，以及与外部隔热。

进一步的，还包括杜瓦和冷屏，所述冷屏设于线圈盒的外周且两者之间设置成真空，所述杜瓦设于冷屏外部，杜瓦内抽真空，由制冷机提供恒定温度的液态冷源。

进一步的，所述冷屏由支撑装置来支撑，且支撑装置的与冷屏形成支撑部分套设有隔热件。

进一步的，还包括一隔热板，所述隔热板设有一通孔，所述支撑装置穿过所述通孔并由所述隔热板支撑，所述杜瓦通过支撑该隔热板端部间接支撑嵌设在隔热板上的支撑装置。

进一步的，所述隔热板与主支撑件之间设置有增长回路以降低漏热；且所述通孔壁上设有凸起结构。

根据本公开的另一方面，提供一种输运装置，用于传输粒子和/或重离子，包括：

上述任意一种超导二极磁体结构，设置于粒子和/或重离子预设的传输路径上，以实现粒子束的偏转。

根据本公开的又一方面，提供一种医疗设备，包括：粒子加速器、治疗装置和上述的输运装置，其中，所述粒子输运装置设置于加速器后端以及治疗装置的前端，用于将加速器加速的粒子和/或重离子输运至治疗装置。

通过上述技术方案，可以得出本公开的有益效果在于：

(1)通过特殊的支撑装置能够保证在实现减少热传递的前提下满足结构强度要求；

(2)支撑装置通过螺栓和销钉来实现线圈盒和冷屏之间的联接和定位；

(3)支撑装置外围都用隔热件(如G10环)包裹来减少线圈盒和冷屏之间的热传导；冷屏和杜瓦之间也是采用来实现结构上的联接和减少热传递；杜瓦外壳采用不锈钢材料，杜瓦内部抽真空，最终实现线圈的4K低温工作环境和超导磁体的束流偏转功能；

(4)基于超导材料(如NbTi)的超导磁体结构，在实现粒子束偏转功能的同时，可以有效地增大二极磁铁内部有效区的磁场，实现粒子束输运系统的小、轻、廉化发展，对于未来粒子束治疗技术的发展和广泛应用有着重要的推动作用；

(5)本公开的医疗设备主要实现了适用于加速器技术的超导二极磁体结构设计，实现了高电流稳定运行、液氦温区的磁体冷却、失超保护、产生高强稳态磁场等功能。

附图说明

图1为本公开实施例的超导二极磁体结构示意图；

图2为图1中的超导二极磁体部分剖面结构示意图；

图3为图1中的超导二极磁体截面示意图；

图4为图1中的支撑装置和线圈盒示意图；

图5为图1中的线圈盒截面示意图；

图6为图1中的超导线圈示意图；

图7为图1中的超导线圈截面示意图；

图8为图1中的支撑装置立体示意图；

图9为图1中的支撑装置俯视图；

图10为图1的支撑装置剖视图；

图11为图1中的铁轭示意图；

图12为图1中的杜瓦示意图；

图13为图1中的冷屏示意图；

图14为本发明实施例的输运装置的布局示意图。

其中，附图中标号：1、超导磁体制冷系统；2、铁轭；3、超导磁体线圈系统；4、束流真空管道；5、线圈盒；6、冷屏；7、杜瓦；8、冷却管道；9、支撑装置；10、主支撑；11、隔热件；12、隔热板；13、隔热件；14、销钉；15、隔热件；16、隔热件；17、螺栓；18、隔热件；19、上线圈；20、下线圈；21、线圈体绝缘；22、冷却通道；23、60度二极铁1；24、60度二极铁2；25、90度二极铁；26、真空束流管道；27、线圈层间绝缘。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本公开进一步详细说明。

本公开中，“点接触”是指线圈盒与支撑装置接触方式为面上的一个或多个点之间接触，上述“点”可以是呈圆形、椭圆形、或者其它平面图形，主要在于通过尽可能小的接触面积以减少线圈盒与支撑装置之间的热传导。所述“接触”可以采用多种方式，包括但不限于其他支撑结构，例如支撑装置上设置隔热材料(G10环氧材料)的支撑立柱，再与线圈盒固定等。

本公开的基本构思在于提出一种适用于加速器技术的超导二极磁体结构，包含特定结构的支撑装置，在保证磁体结构强度的前提下，大幅提高线圈载流密度。

参见图1(图1为本公开实施例的超导二极磁体结构示意图)和图4(图4为图1中的支撑装置和线圈盒示意图)所示，提供一种超导二极磁体结构，包括线圈盒5与支撑装置9，其中，线圈盒5为一体式结构，内部设置有相对的超导线圈(垂直相对时包括上线圈19和下线圈20)，两个超导线圈通电后之间能产生磁场；并且支撑装置9通过点接触方式支撑线圈盒5。

超导二极磁体结构是粒子和/或重离子输运装置的中的重要部件。输运装置作用是保证粒子束在真空管道中的无障碍传输，它主要包含主输运系统和旋转机架，机架主要含超导二极磁体结构。

图1所示，超导二极磁体结构整体呈弧形结构，弧形转角的角度与粒子待偏转角度相对应。内部设有弧形的束流真空管道4，真空管道也呈弧形结构，其出入口开设于超导二极磁体结构两个侧面，粒子从其一侧面进入，从另外一侧面穿出，在此过程中完成角度偏转。超导二极磁体结构可包括一超导磁体制冷系统1和一超导磁体线圈系统3，超导磁体制冷系统1用于维持恒定的超导线圈工作温度；超导磁体线圈系统3则用于产生稳定的电磁场。

参见图2(图2为图1中的超导二极磁体部分剖面结构示意图)和图3(图3为图1中的超导二极磁体截面示意图)所示，超导磁体线圈系统3可包括冷屏6，杜瓦7和冷却管道8，参照图12和13所示，其中，杜瓦7外壳采用不锈钢材料，杜瓦内部抽真空，最终在内部超导线圈通电和线圈的4K低温工作环境下实现超导磁体的束流偏转功能。冷屏6采用铜作材料，设置与杜瓦和线圈盒之间，处在真空环境中，通过支撑装置固定。杜瓦7主要用于提供真空环境，起到真空绝热作用；冷屏6主要起到降低辐射热的作用。

图4为图1中的支撑装置和线圈盒示意图。支撑装置9用于支撑所述线圈盒5(包括线圈盒内部的部件)，为了减少支撑装置9对线圈盒5内部温度的影响，在保证支撑强度的前提下，两者之间的接触面积应尽可能的下。采用点接触的方式，可以减少相应的接触面积，从而提高隔热系数。另外还可以在接触处外部套设隔热件，进一步提高隔热效果。

在一些实施例中，可通过螺栓和销钉的点接触方式支撑线圈盒5，实现线圈盒和冷屏之间的联接和定位。所述支撑装置通过销钉14支撑线圈盒5(线圈盒上设置有容纳销钉的开孔)，支撑装置9包括主支撑件10，其中，所述销钉设置主支撑件10上并且销钉的截面收敛端与针对所述线圈盒；支撑装置9还通过螺栓17进一步固定和支撑所述线圈盒，主支撑件上和线圈盒上通过螺栓铆接

在一些实施例中，在支撑结构顶部的螺栓17、销钉14的外围用隔热件(13，16)(例如G10环)包裹，以降低线圈盒和主支撑件之间的导热系数。

在一些实施例中，线圈盒5、冷屏6和杜瓦7都是彼此相互独立，只通过支撑装置来实现联接。

作为优选，冷屏6由支撑装置9来支撑，且支撑装置9的与冷屏形成的支撑部分套设有隔热件。

图5为图1中的线圈盒截面示意图。线圈盒5为一体式结构，其内部形成一相对封闭空间，利于粒子输送，提高对束流孔径内好场区的截面均匀度和积分磁场均匀度。

线圈盒5内部设置有相对的线圈，如垂直相对的话，则分为上线圈19和下线圈20，上线圈19和下线圈20是串联于外接电路，内部通过相同方向的电流，在线圈内部会产生单向的均匀二极磁场。上线圈19和下线圈20在通电后用于产生一定的磁场强度偏转粒子束。外圈外部具有线圈体绝缘21和冷却通道22。

参见图6和图7(图6为图1中的超导线圈示意图；图7为图1中的超导线圈截面示意图)，上线圈19和下线圈20由超导材料制成，超导材料可以是高温超导材料(例如YBCO)或者低温超导材料(例如NbTi)，超导材料是由于常规磁体的尺寸和重量庞大，使得磁体的性能受到一定程度的影响提高二极铁的场强能够有效降低磁铁的弯曲半径，降低机架的整体长度，使得整体更加紧凑，对减轻机架的负荷、保证束流的稳定传输。上线圈19各线圈之间还具有线圈层间绝缘27。

参照图8-10所示(图8为图1中的支撑装置立体示意图；图9为图1中的支撑装置俯视图；图10为图1的支撑装置剖视图；)对于本公开实施例的支撑装置9，其主要包括一主支撑件10，主支撑件10上部通过螺栓17和销钉14连接和支撑线圈盒5；主支撑件10还用于支撑设于线圈盒5外部的冷屏6，冷屏与主支撑件10接触之处不同于线圈盒5，因此保证线圈盒5与冷屏6之间无直接接触。

图9所示，支撑装置9还包括一隔热板12(例如G10板)，所述隔热板12设有一通孔，主支撑件10穿过所述通孔并由所述隔热板12支撑，杜瓦7通过支撑该隔热板12端部间接支撑嵌设在隔热板上的主支撑件10。

作为优选，与杜瓦7接触处的隔热板12上套有隔热件11(例如G10块)，以进一步提高隔热效果。

作为优选，为了增加隔热板12和主支撑件10的联接结构的强度，并降低接触面积，参见图8所示，在隔热板中心开孔边缘做了凸起处理。

还作为优选，主支撑件10和隔热板12之间设置了增长回路，增加热传导路径。

在一些实施例中，超导二极磁体结构还包括铁轭2，参见图1和图11所示，主要呈H型结构，上下分成对称的两部分，Half结构组装而成，超导线圈系统设置于铁轭2的内部，杜瓦7外表面与铁轭2内部相互配合并固定，铁轭2主要用于增大场强改善磁场均匀度。

图14为本发明实施例的输运装置的布局示意图。本公开还提供一种输运装置，用于传输粒子和/或重离子，包括：多个二极磁体结构，其中至少一个采用以上所述的超导二极磁体结构，其分贝设置于粒子和/或重离子预设的传输路径上，以实现粒子束的偏转。根据其中一种实施例，图14中的一个60度二极铁23首先将离子束流偏离轴线，再由另外两台超导二极磁体结构(60度二极铁24和90度二极铁25)或者更多台(图中虚线所指示)在真空束流管道26内反向偏转，使得束流垂直于旋转架旋转轴线。

本公开还提供一种医疗设备，包括：粒子加速器、以上实施例所述的粒子输运装置和治疗装置，其中，所述粒子输运装置设置于加速器后端以及治疗装置的前端，用于将加速器加速的粒子和/或重离子输运至治疗装置。超导磁体和常规磁体不同，不像常规磁体那样需要庞大的供水和净化系统，而且超导磁体重量轻，体积小，稳定性高，均匀度好，耗能少。超导磁体技术其高场强、高稳定性特性，可以针对质子治疗旋转机架装置，通过该设置，末端的90度二极铁可以很好的减轻机架重量。因此，该设计将成为离子束治疗技术应用发展的关键，对于推进超导技术在医学物理领域的发展有着重要的意义。

通过本公开的上述实施例，上述特殊的冷却和支撑装置保证磁体的低温冷却效果和产生高强的稳态均匀磁场，最终实现粒子束的偏转。同时，其特殊的结构特点可以有效的降低磁体的尺寸、重量和成本，并保证磁体在失超等故障下电流的安全泄放。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超导二极磁体结构，包括线圈盒、杜瓦与支撑装置，其中，所述线圈盒为一体式结构，内部设置有相对的超导线圈，使两个超导线圈通电后能产生均匀二极磁场；所述支撑装置固定于杜瓦上并通过点接触方式支撑所述线圈盒。

2.根据权利要求1所述的超导二极磁体结构，其特征在于，所述点接触方式为：所述支撑装置通过销钉支撑所述线圈盒，所述支撑装置包括主支撑件，其中，所述销钉设置于主支撑件上并且销钉的截面收敛端正对所述线圈盒。

3.根据权利要求2所述的超导二极磁体结构，其特征在于，所述支撑装置还通过螺栓进一步固定和支撑所述线圈盒：所述主支撑件上和线圈盒上通过螺栓铆接。

4.根据权利要求1所述的超导二极磁体结构，其特征在于，所述支撑装置和线圈盒之间的接触部分外周套设隔热件，以降低支撑装置和线圈盒隔离，以及与外部隔热。

5.根据权利要求1所述的超导二极磁体结构，其特征在于，还包括杜瓦和冷屏，所述冷屏设于线圈盒的外周且两者之间设置成真空，所述杜瓦设于冷屏外部，杜瓦内抽真空，由制冷机提供恒定温度的液态冷源。

6.根据权利要求5所述的超导二极磁体结构，其特征在于，所述冷屏由支撑装置来支撑，且支撑装置的与冷屏形成支撑部分套设有隔热件。

7.根据权利要求2所述的超导二极磁体结构，还包括一隔热板，所述隔热板设有一通孔，所述支撑装置穿过所述通孔并由所述隔热板支撑，所述杜瓦通过支撑该隔热板端部间接支撑嵌设在隔热板上的支撑装置。

8.根据权利要求7所述的超导二极磁体结构，其特征在于，所述隔热板与主支撑件之间设置有增长回路以降低漏热；且所述通孔壁上设有凸起结构。

9.一种输运装置，用于传输粒子和/或重离子，其特征在于包括：

至少一个权利要求1-8任一所述的超导二极磁体结构，设置于粒子和/或重离子预设的传输路径上，以实现粒子束的偏转。

10.一种医疗设备，其特征在于包括：粒子加速器、治疗装置和权利要求9所述的输运装置，其中，

所述粒子输运装置设置于加速器后端以及治疗装置的前端，用于将加速器加速的粒子和/或重离子输运至治疗装置。