CN107670181B - 一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管 - Google Patents

一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管，包括支撑筒及同轴套接在所述支撑筒上的带矩形线槽的多层骨架；所述多层骨架的两端分别设有端板，该端板内侧设有位置导向凸台，其特征在于：所述矩形线槽内设有产生多极磁场的多匝超导线，该多匝超导线构成内层组合和外层组合的线圈；所述内层组合和所述外层组合均至少有两层，且其中的所述线圈按倾斜方向相反的方式成对出现；每匝所述线圈沿轴向Z呈周期性排布，其形状由空间曲线方程控制。本发明磁体采用无铁轭结构，有效缩减磁体的尺寸和重量，降低磁体造价及运行维护成本，实现医疗治疗装置的节能小型化。

Description

一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管
技术领域
本发明涉及加速器超导磁体技术领域，尤其涉及一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管。
背景技术
作为21世纪最理想的放疗射线，离子束在治疗肿瘤领域已经变得越来越普遍。治疗装置中的旋转机架（Gantry），能够实现对放射性束流的360度旋转，结合对病人的水平旋转，能够实现4π全立体角供束，是最为理想的治疗终端。相对于常规的水平和垂直治疗终端，Gantry能够提供更好和更可靠的治疗方案，最大程度地减少对健康敏感器官的辐射剂量。
现有的Gantry治疗装置不论采用常规或超导磁体结构，其系统体积庞大，造价昂贵，运行和维护成本高，成为制约离子束治癌推广的重大难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种体积小、造价低的用于Gantry磁体的倾斜螺线管。
为解决上述问题，本发明所述的一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管，包括支撑筒及同轴套接在所述支撑筒上的带矩形线槽的多层骨架；所述多层骨架的两端分别设有端板，该端板内侧设有位置导向凸台，其特征在于：所述矩形线槽内设有产生多极磁场的多匝超导线，该多匝超导线构成内层组合和外层组合的线圈；所述内层组合和所述外层组合均至少有两层，且其中的所述线圈按倾斜方向相反的方式成对出现；每匝所述线圈沿轴向Z呈周期性排布，其形状由下述空间曲线方程控制：
，
，
；
其中：Z轴为束流方向，X-Y平面为线圈横截面，R为骨架的半径，θ为方位角，w为线圈沿轴向方向的匝间距，α为线圈与水平面的夹角，参数n为磁场阶数。
所述支撑筒与所述骨架均为圆柱筒或椭圆筒。
所述骨架外表面设有不锈钢丝或铝合金筒。
所述骨架由周期性骨架叠片拼接而成。
所述矩形线槽与所述超导线的线规按设计比例匹配。
如上所述的一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管的制备方法，包括以下步骤：
⑴将骨架同轴套接在支撑筒上，并通过骨架芯轴将所述骨架安装在数控机床上；同时，通过工装固定所述骨架；
⑵在所述数控机床控制界面输入空间曲线方程，所述数控机床控制车床刀具按照指定的曲线路径移动，在所述骨架的主体表面上完成矩形线槽的加工；
⑶对所述骨架的主体进行清洗；
⑷将所述步骤⑶所得的骨架的主体进行阳极氧化，然后固定在绕线机平台上，根据所述矩形线槽位置及方向，给超导线方位角θ方向施加一个预应力，并将所述多匝超导线绕制在所述矩形线槽内形成线圈；
⑸重复所述步骤⑵~⑷，完成多层骨架的线槽加工、阳极氧化及线圈绕制；
⑹将多层骨架通过端板固定，并且将所述线圈端部通过超导接头串联起来；
⑺进行真空环氧浇注，填充所述矩形线槽及所述骨架之间的空隙即得。
如上所述的一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管的制备方法，包括以下步骤：
①将骨架同轴套接在支撑筒上，并通过骨架芯轴将所述骨架安装在旋转平台上；同时，通过工装固定所述骨架；
②在所述骨架的主体表面上涂抹一层B-stage固化胶；
③在机械臂控制系统输入空间曲线方程或路径点坐标，将超导线在所述骨架的主体表面上绕制线圈；同时，超导线经过超声加热或光固化方法粘合在所述骨架表面；
④通过激光扫描仪实时读取实际的线圈路径坐标，与理论曲线位置比对，确定绕制过程中产生的绕线偏差；
⑤通过分析绕线偏差对主磁场的影响，在进行下一层线圈绕制时，针对性地调整绕线路径，抵消上一层线圈绕线偏差给主磁场带来的影响；
⑥重复所述步骤②~⑤，完成所有线圈的绕制；
⑦进行真空环氧浇注，填充所述矩形线槽及所述骨架之间的空隙即得。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明磁体采用无铁轭结构，有效缩减磁体的尺寸和重量，降低磁体造价及运行维护成本，实现医疗治疗装置的节能小型化。
2、本发明骨架筒体表面设有矩形线槽，线槽将超导线隔开，阻断了励磁线圈上洛伦兹力的累积，使得线圈产生的应力及应变较小，不容易引起磁体失超。
3、本发明骨架不仅给超导线提供了精确的绕线路径，同时为整个磁体提供一定的支撑作用，保证线圈整体的强度，避免线圈弯曲变形。
4、本发明中骨架上的线圈为多对交替倾斜绕制，通过控制电流方向，其横截面电流密度满足cosine-theta分布，线圈孔径内产生一个纯二极磁场，螺线管磁场分量相互抵消。线圈端部位置无需优化，沿轴向各高阶谐波分量积分为零。线圈层数越多，磁场质量越高。
5、本发明磁体结构通过控制参数n获得更高阶多极磁场，比如四极磁场、六级磁场或组合功能型磁场。
6、本发明与传统的跑道型或马鞍型线圈相比，简化了设计和加工方法，多层线圈固定在一层骨架上，线圈端部弯折小，单匝线圈与水平面呈现一定的夹角，沿轴向周期性排布。且其端部与骨架一体，消除了复杂的加固工装和成型设备。
7、本发明线圈形状通过一组空间曲线方程控制，其结构适合于现有的各种实用化超导线材，同时满足不同孔径大小的磁体设计需求。
8、本发明与传统的线圈结构相比，磁场品质优越，机械性能突出，绕制工艺简单，骨架机加工及装配便捷，能够有效缩减磁体的尺寸和重量，降低磁体造价及运行维护成本，为未来节能小型化Gantry治疗装置的推广及应用提供宝贵的参考价值。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的爆炸视图。
图3为本发明中空间曲线方程各参数示意图。
图4为本发明中一层椭圆孔径骨架示意图。
图5为本发明中磁体产生磁场的原理示意图。
图6为本发明中周期性骨架叠片拼接图。
图7为本发明中磁体线槽绕线示意图。
图8为本发明中磁体表面贴线示意图。
图9为本发明中倾斜螺线管磁体骨架固定在数控机床上示意图。
图10为本发明中倾斜螺线管磁体骨架线槽加工示意图。
图11为本发明中倾斜螺线管磁体贴线设备绕线示意图。
图中：1—支撑筒；2—端板；3—骨架；31—内层组合；32—外层组合；4—导向凸台；5—超导线；6—矩形线槽；7—B-stage固化胶；8—数控机床；9—骨架芯轴；10—工装；11—车床刀具；12—线圈；13—旋转平台；14—机械臂；15—激光扫描仪；16—笛卡尔坐标系；17—第一层线圈；18—第二层线圈18；19—第一层线圈电流方向；20—第二层线圈电流方向；21—第一层线圈产生的磁场；22—第二层线圈产生的磁场；23—第一层线圈螺线管磁场分量；24—第二层线圈螺线管磁场分量；25—第一层线圈横向场分量；26—第二层线圈横向场分量；27—纯二极合磁场；28—骨架叠片。
具体实施方式
如图1~3、图7~8所示，一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管，包括支撑筒1及同轴套接在支撑筒1上的带矩形线槽6的多层骨架3。
多层骨架3的两端分别设有端板2，该端板2内侧设有位置导向凸台4；矩形线槽6内设有产生多极磁场的多匝超导线5，该多匝超导线5构成内层组合31和外层组合32的线圈12；内层组合31和外层组合32均至少有两层，且其中的线圈12按倾斜方向相反的方式成对出现；每匝线圈12沿轴向Z呈周期性排布，其形状由下述空间曲线方程控制：
，
，
；
其中：Z轴为束流方向，X-Y平面为线圈横截面，R为骨架3的半径，θ为方位角，w为线圈沿轴向方向的匝间距，α为线圈与水平面的夹角，参数n为磁场阶数。
其中：支撑筒1与骨架3均为圆柱筒。
对于碳离子放射性束线，支撑筒1与骨架3均为椭圆筒。如图4所示，骨架3横截面为椭圆形，矩形线槽6与水平面的夹角正弦值对应椭圆孔径半短轴b与半长轴a的比值，即：，线圈12参数方程表达式变为：
其中，椭圆方程极坐标系下径向坐标，椭圆孔径骨架3上绕制的线圈12形状恰好为圆形，因此，椭圆孔径的倾斜螺线管磁体具有圆形孔径磁体同样的磁场品质。
骨架3外表面设有提供压应力的不锈钢丝或铝合金筒。
矩形线槽6与超导线5的线规按设计比例匹配。
超导线5材料为低温超导材料（NbTi）或高温超导材料（Nb3Sn，MgB2，Bi系或Y系等）。考虑磁体工况环境(固定在旋转机架上，随之转动)，超导线材选用选用MgB2，温度裕度高，磁体稳定性强，非常适用于低场范围内（＜3 T）的医用Gantry磁体。
针对尺寸较大的倾斜螺线管，骨架3由周期性骨架叠片28拼接而成（如图6所示）。
针对外型小的骨架，如图9~10所示，该用于Gantry磁体的倾斜螺线管的制备方法，包括以下步骤：
⑴将骨架3同轴套接在支撑筒1上，并通过骨架芯轴9将骨架3安装在数控机床8上；同时，通过工装10固定骨架3；
⑵在数控机床8控制界面输入空间曲线方程，数控机床8控制车床刀具11按照指定的曲线路径移动，在骨架3的主体表面上完成矩形线槽6的加工；
⑶对骨架3的主体进行清洗；
⑷将步骤⑶所得的骨架3的主体进行阳极氧化，然后固定在绕线机平台上，根据矩形线槽6位置及方向，给超导线5方位角θ方向施加一个预应力，并将多匝超导线5绕制在矩形线槽6内形成线圈12；
⑸重复步骤⑵~⑷，完成多层骨架3的线槽加工、阳极氧化及线圈12绕制；
⑹将多层骨架3通过端板2固定，并且将线圈12端部通过超导接头串联起来；
⑺进行真空环氧浇注，填充矩形线槽6及骨架3之间的空隙即得。
针对骨架较大或线槽形状过于复杂，如图11所示，该用于Gantry磁体的倾斜螺线管的制备方法，包括以下步骤：
①将骨架3同轴套接在支撑筒1上，并通过骨架芯轴9将骨架3安装在旋转平台13上；同时，通过工装10固定骨架3；
②在骨架3的主体表面上涂抹一层B-stage固化胶7；
③在机械臂14控制系统输入空间曲线方程或路径点坐标，将超导线5在骨架3的主体表面上绕制线圈12；同时，超导线5经过超声加热或光固化方法粘合在骨架3表面；
④通过激光扫描仪15实时读取实际的线圈12路径坐标，与理论曲线位置比对，确定绕制过程中产生的绕线偏差；
⑤通过分析绕线偏差对主磁场的影响，在进行下一层线圈12绕制时，针对性地调整绕线路径，抵消上一层线圈绕线偏差给主磁场带来的影响；
⑥重复步骤②~⑤，完成所有线圈12的绕制；
⑦进行真空环氧浇注，填充矩形线槽6及骨架3之间的空隙即得。
为更直观显示线圈产生磁场的机理，选取了两层倾斜螺线管线圈。如图5所示，在笛卡尔坐标系16下，第一层线圈17与第二层线圈18的夹角α角度方向相反，电流从第一层线圈17流入，从第二层线圈18流出。箭头19为第一层线圈电流方向，箭头20代表第二层线圈电流方向，此时两层线圈分别产生第一层线圈产生的磁场21、第二层线圈产生的磁场22，方向垂直于对应线圈的倾斜平面，每个磁场在Z轴和Y轴方向上产生两个分量。此时，沿轴向Z方向存在第一层线圈螺线管磁场分量23、第二层线圈螺线管磁场分量24，方向相反；沿Y轴方向存在第一层线圈横向场分量25、第二层线圈横向场分量26，方向相同。整个线圈横截面电流密度满足cosine-theta分布，在孔径内只剩下一个纯二极合磁场27。同理，四极磁场产生机理同上述一致，线圈横截面电流密度满足cosine-theta分布，孔径内产生一个纯四极磁场。

Claims (7)

1.一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管，包括支撑筒（1）及同轴套接在所述支撑筒（1）上的带矩形线槽（6）的多层骨架（3）；所述多层骨架（3）的两端分别设有端板（2），该端板（2）内侧设有位置导向凸台（4），其特征在于：所述矩形线槽（6）内设有产生多极磁场的多匝超导线（5），该多匝超导线（5）构成内层组合（31）和外层组合（32）的线圈（12）；所述内层组合（31）和所述外层组合（32）均至少有两层，且其中的所述线圈（12）按倾斜方向相反的方式成对出现；每匝所述线圈（12）沿轴向Z呈周期性排布，其形状由下述空间曲线方程控制：
，
，
；
其中：Z轴为束流方向，X-Y平面为线圈横截面，R为骨架（3）的半径，θ为方位角，w为线圈沿轴向方向的匝间距，α为线圈与水平面的夹角，参数n为磁场阶数。
2.如权利要求1所述的一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管，其特征在于：所述支撑筒（1）与所述骨架（3）均为圆柱筒或椭圆筒。
3.如权利要求1所述的一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管，其特征在于：所述骨架（3）外表面设有不锈钢丝或铝合金筒。
4.如权利要求1所述的一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管，其特征在于：所述骨架（3）由周期性骨架叠片（28）拼接而成。
5.如权利要求1所述的一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管，其特征在于：所述矩形线槽（6）与所述超导线（5）的线规按设计比例匹配。
6.如权利要求1所述的一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管的制备方法，包括以下步骤：
⑴将骨架（3）同轴套接在支撑筒（1）上，并通过骨架芯轴（9）将所述骨架（3）安装在数控机床（8）上；同时，通过工装（10）固定所述骨架（3）；
⑵在所述数控机床（8）控制界面输入空间曲线方程，所述数控机床（8）控制车床刀具（11）按照指定的曲线路径移动，在所述骨架（3）的主体表面上完成矩形线槽（6）的加工；
⑶对所述骨架（3）的主体进行清洗；
⑷将所述步骤⑶所得的骨架（3）的主体进行阳极氧化，然后固定在绕线机平台上，根据所述矩形线槽（6）位置及方向，给超导线（5）方位角θ方向施加一个预应力，并将所述多匝超导线（5）绕制在所述矩形线槽（6）内形成线圈（12）；
⑸重复所述步骤⑵~⑷，完成多层骨架（3）的线槽加工、阳极氧化及线圈（12）绕制；
⑹将多层骨架（3）通过端板（2）固定，并且将所述线圈（12）端部通过超导接头串联起来；
⑺进行真空环氧浇注，填充所述矩形线槽（6）及所述骨架（3）之间的空隙即得。
7.如权利要求1所述的一种用于Gantry磁体的倾斜螺线管的制备方法，包括以下步骤：
①将骨架（3）同轴套接在支撑筒（1）上，并通过骨架芯轴（9）将所述骨架（3）安装在旋转平台（13）上；同时，通过工装（10）固定所述骨架（3）；
②在所述骨架（3）的主体表面上涂抹一层B-stage固化胶（7）；
③在机械臂（14）控制系统输入空间曲线方程或路径点坐标，将超导线（5）在所述骨架（3）的主体表面上绕制线圈（12）；同时，超导线（5）经过超声加热或光固化方法粘合在所述骨架（3）表面；
④通过激光扫描仪（15）实时读取实际的线圈（12）路径坐标，与理论曲线位置比对，确定绕制过程中产生的绕线偏差；
⑤通过分析绕线偏差对主磁场的影响，在进行下一层线圈（12）绕制时，针对性地调整绕线路径，抵消上一层线圈绕线偏差给主磁场带来的影响；
⑥重复所述步骤②~⑤，完成所有线圈（12）的绕制；
⑦进行真空环氧浇注，填充所述矩形线槽（6）及所述骨架（3）之间的空隙即得。
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