CN111479379A - 主动返回系统 - Google Patents

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J.库利
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Abstract

一种示例性粒子加速器包括磁体以产生磁场，其中所述磁体包括第一超导线圈以在第一方向上传递电流，从而产生第一磁场，并且其中第一磁场为至少4特斯拉(T)。所述示例性粒子加速器还包括主动返回系统，所述主动返回系统包括第二超导线圈。第二超导线圈的每一圈围绕对应的第一超导线圈并且与对应的第一超导线圈同心。第二超导线圈是用于在相反于第一方向的第二方向上传递电流，从而产生具有至少2.5T的磁场的第二磁场。第二磁场具有的极性与第一磁场的极性相反。

Description

主动返回系统
本申请是一项分案申请，相应母案的申请日为2014年05月30日，申请号为201410238541.8，发明名称为主动返回系统，申请人为迈胜医疗科技集团有限公司。
技术领域
本公开总体涉及一种用于超导磁体的主动返回系统。
背景技术
粒子治疗系统使用加速器产生用于治疗诸如肿瘤的病痛的粒子束。在操作中，粒子在存在磁场的腔室中的轨道中被加速，并且通过引出通道从腔室中移除。粒子是用于治疗而施加到患者的束的一部分。该磁场由产生磁通量的磁体产生。过于杂散的磁通量可不利地影响加速器和粒子治疗系统的其他部件的运行。因此，返回可被使用以引导杂散的磁通量。铁磁体返回可为沉重的，并且将相当大的重量加至加速器。在一些情况下这可为有问题的。
发明内容
一种示例性粒子加速器包括磁体以产生磁场，其中所述磁体包括第一超导线圈以在第一方向上传递电流，从而产生第一磁场，并且其中第一磁场为至少4特斯拉(T)。所述示例性的粒子加速器还包括主动返回系统，所述主动返回系统包括第二超导线圈。第二超导线圈的每一圈围绕对应的第一超导线圈并且与对应的第一超导线圈同心。第二超导线圈是用于在相反于第一方向的第二方向上传递电流，从而产生具有至少2.5T的磁场的第二磁场。第二磁场具有的极性与第一磁场的极性相反。所述示例性的粒子加速器可包括下列特征的一个或多个，以单独或者组合的形式。
电源可向第一超导线圈和第二超导线圈提供电流。第一超导线圈和第二超导线圈可被安装在结构上。所述结构可包括不锈钢和碳纤维中的至少一种。
第一超导线圈可被安装在所述结构的内部，第二超导线圈可被安装在所述结构的外部，使得第二超导线圈与第一超导线圈被所述结构的至少一部分分开。绑环可为环绕第二超导线圈。
磁极件可限定腔室，并且所述结构可为环绕磁极件的至少一部分。低温保持器遮罩可为环绕所述结构的至少一部分和所述磁极件的至少一部分。所述低温保持器遮罩可包括非铁磁材料。
所述例子加速器重量可低于15吨、低于10吨、低于9吨、低于8吨、低于7吨等等。
质子治疗系统可包括前述的粒子加速器(及其变型)，以及托台,所述粒子加速器安装于该托台上。所述托台相对于患者位置可旋转。质子基本上直接从粒子加速器输出到患者位置。所述粒子加速器可为同步回旋加速器。所述质子治疗系统还可包括向包含第一磁场的腔室提供电离等离子体的粒子源，以及提供电压以加速由朝向出口的电离等离子体的脉冲构成的束的电压源。
示例性粒子加速器可包括电压源，以向腔室提供射频(RF)电压以加速粒子而产生粒子束，其中所述腔室具有用于使得从等离子柱加速的粒子在腔室中沿轨道移动的第一磁场，并且其中所述RF电压是可控的，以随着所述粒子束距等离子柱的距离增加，而随着时间变化。示例性粒子加速器还可包括磁体以在腔室中产生第一磁场，其中所述磁体包括第一超导线圈以在第一方向上传递电流，从而产生第一磁场。示例性粒子加速器还可包括主动返回系统，所述主动返回系统包括第二超导线圈，其中第二超导线圈的每一圈围绕对应的第一超导线圈并且与对应的第一超导线圈同心。第二超导线圈是用于在相反于第一方向的第二方向上传递电流，从而产生具有至少2.5特斯拉(T)的磁场的第二磁场。第二磁场具有的极性与第一磁场的极性相反。所述示例性的粒子加速器可包括下列特征的一个或多个，以单独或者组合的形式。
第一磁场可为最少4T。第二磁场可处于2.5T到12T之间。第一磁场可为4T和20T之间，并且第二磁场可为2.5T和12T之间。
单个电源可用于向第一超导线圈和向第二超导线圈提供电流。第一超导线圈和第二超导线圈可被安装在结构上。所述结构可包括不锈钢和碳纤维中的至少一种。第一超导线圈可被安装在所述结构的内部，第二超导线圈可被安装在所述结构的外部，使得第二超导线圈与第一超导线圈被所述结构的至少一部分分开。绑环可为环绕第二超导线圈。
磁极件可限定腔室，并且所述结构可为环绕磁极件的至少一部分。低温保持器遮罩可为环绕所述结构的至少一部分和所述磁极件的至少一部分。所述低温保持器遮罩可包括非铁磁材料。
所述例子加速器重量可低于15吨、低于10吨、低于9吨、低于8吨、低于7吨等等。
质子治疗系统可包括前述的粒子加速器(及其变型)，以及托台，所述粒子加速器安装于该托台上。所述托台相对于患者位置可旋转。质子基本上直接从粒子加速器输出到患者位置。所述粒子加速器可为同步回旋加速器。所述质子治疗系统还可包括向包含第一磁场的腔室提供电离等离子体的粒子源，以及提供电压以加速由朝向出口的电离等离子体的脉冲构成的束的电压源。
在本公开中描述的两个或更多的特征，包括在本发明内容段中描述的那些，可以被组合以形成未在此具体描述的实现方式。
这里描述的多种系统的控制，或其部分，可经由包括存储在一个或多个非临时性机器可读的存储介质上、并且在一个或多个处理装置上可执行的指令的计算程序产品而实现。这里描述的系统，或其部分，可实现为可包括一个或多个处理装置和存储器以存储用于实现规定功能的控制的可执行指令的设备、方法、或电子系统。
一种或多种实现方式的细节在下面的附图和描述中阐述。其他的特征、目的和优点将从描述、附图和从权利要求中显而易见。
附图说明
图1是超导磁体的侧面剖切图。
图2是示例性的主返回线圈和主动返回线圈的俯视图。
图3是示例性粒子治疗系统的正视图。
图4是具有主动返回线圈的超导磁体的示例性部件的透视、剖切图。
图5是具有主动返回线圈的超导磁体的示例性部件的前、剖切图。
图6是示例性支撑结构和示例性超导线圈绕组的剖面图。
图7是示例性电缆于通道中合成导体的剖面图。
图8是示例性离子源的剖面图。
图9是示例性D形板和虚拟D形的透视图。
图10是包含示例性托台和粒子加速器的示例性地下室的透视图。
相似的附图标记在不同的图中指代相似的元件。
具体实施方式
本文描述的是用于在诸如质子或离子治疗系统的系统中使用的粒子加速器的示例。示例性的粒子治疗系统包括安装在托台上的粒子加速器——在该示例中为同步回旋加速器。所述托台使得加速器能够环绕患者位置旋转，如下文中更详细地说明。在一些实现方式中，所述托台为不锈钢的并且具有安装用于在位于患者的相反侧上的两个相应轴承上旋转的两个腿。所述粒子加速器由钢架支撑，所述钢架足够长以跨过患者平躺的治疗区域并且所述钢架附接至所述托台的旋转臂的两个端部处。绕患者的托台的旋转导致了粒子加速器也旋转。
在示例性实现方式中，所述粒子加速器(同步回旋加速器)包括保持用于传导产生磁场(B)的电流的超导线圈的低温保持器。在该示例中，所述低温保持器使用液氦(He)以将所述线圈维持在超导温度，例如4开氏度(K)。磁极件定位在低温保持器内，并且限定了腔室，粒子在该腔室中加速。
在该示例性实现方式中，所述粒子加速器包括粒子源(例如，潘宁离子规——PIG源)以向腔室提供等离子柱。氢气被离子化以产生等离子柱。电压源向腔室提供射频(RF)电压以加速来自于等离子柱的粒子。如注出的，在该示例中，所述粒子加速器为同步回旋加速器。因此，RF电压扫描过一定范围的频率以解决当从柱加速粒子时作用在粒子上的相对论效应(例如，增加了粒子质量)。由穿过超导线圈流动的电流产生的磁场导致从等离子柱加速的粒子在腔室内沿轨道加速。
磁场再生器(“再生器”)定位为靠近腔室的外侧(例如，在其内边缘处)，以在腔室内调整已有的磁场，从而改变从等离子柱加速的粒子的连续轨道的位置(例如，倾度和角度)，从而最终，粒子输出至穿过低温保持器的引出通道。再生器可提高在磁场中某一点处的磁场(例如，其可在腔室的某区域处产生磁场“隆起”)，从而导致粒子的每个连续的轨道在那个点处朝向引出通道的进入点向外进动，直到其到达引出通道。引出通道接收从等离子柱加速的粒子并且将从腔室接收的粒子输出为粒子束。
超导线圈可产生相对较高的磁场。传统地，大的铁磁磁轭用作用于由超导线圈产生的杂散的磁场的返回。例如，在一些实现方式中，超导磁体可产生相对较高的磁场，例如4特斯拉(T)或更高，导致相当大的杂散磁场。在一些系统中，比如在图1中示出的系统中，相对大的铁磁体返回轭100用作用于由超导线圈102产生的磁场的返回。磁场屏蔽件104围绕磁极件。返回轭和屏蔽件一起消除了杂散的磁场，从而减少了杂散磁场将不利地影响加速器的运行的可能性。该配置的缺点可包括尺寸和重量。例如，在一些这样的系统中，加速器可具有25吨量级或更多的重量，并具有对应大的尺寸。
因此，在一些实现方式中，由于相对较高的磁场，所使用的相对大的轭和屏蔽件可被主动返回系统替代。示例性的主动返回系统包括在相反于穿过主超导线圈的电流的方向上传导电流的一个或多个主动返回线圈。在一些示例性实现方式中，有用于每个超导线圈的主动返回线圈，例如，两个主动返回线圈——每一个用于每个超导线圈(称为“主”线圈)。每个主动返回线圈还可为围绕对应的主超导线圈的外部的超导线圈。例如，主线圈200和主动返回线圈201可为同心布置的，如图2所示。
电流在相反于流过主线圈的电流的方向上流过主动返回线圈。流过主动返回线圈的电流从而产生与由主线圈产生的磁场在极性上相反的磁场。结果，由主动返回线圈产生的磁场能够消除由对应的主线圈引起的相对较强的杂散磁场。在一些实现方式中，每个主动返回可用于产生2.5T和12T或更高之间的磁场。例如，主动返回线圈可用于产生处于或超过下列幅值的一个或多个的磁场：2.5T、2.6T、2.7T、2.8T、2.9T、3.0T、3.1T、3.2T、3.3T、3.4T、3.5T、3.6T、3.7T、3.8T、3.9T、4.0T、4.1T、4.2T、4.3T、4.4T、4.5T、4.6T、4.7T、4.8T、4.9T、5.0T、5.1T、5.2T、5.3T、5.4T、5.5T、5.6T、5.7T、5.8T、5.9T、6.0T、6.1T、6.2T、6.3T、6.4T、6.5T、6.6T、6.7T、6.8T、6.9T、7.0T、7.1T、7.2T、7.3T、7.4T、7.5，7.6T、7.7T、7.8T、7.9T、8.0T、8.1T、8.2T、8.3T、8.4T、8.5，8.6T、8.7T、8.8T、8.9T、9.0T、9.1T、9.2T、9.3T、9.4T、9.5，9.6T、9.7T、9.8T、9.9T、10.0T、10.1T、10.2T、10.3T、10.4T、10.5，10.6T、10.7T、10.8T、10.9T、11.0T、11.1T、11.2T、11.3T、11.4T、11.5，11.6T、11.7T、11.8T、11.9T、12.0T、12.1T、12.2T、12.3T、12.4T、12.5或更高。此外，主动返回线圈可用于产生在2.5T到12T(或更高)的范围内而未具体在以上列出的磁场。
由主线圈产生的磁场可在4T到20T或更高的范围内。例如，主线圈可用于产生处于或超过下列幅值的一个或多个的磁场：4.0T、4.1T、4.2T、4.3T、4.4T、4.5T、4.6T、4.7T、4.8T、4.9T、5.0T、5.1T、5.2T、5.3T、5.4T、5.5T、5.6T、5.7T、5.8T、5.9T、6.0T、6.1T、6.2T、6.3T、6.4T、6.5T、6.6T、6.7T、6.8T、6.9T、7.0T、7.1T、7.2T、7.3T、7.4T、7.5T、7.6T、7.7T、7.8T、7.9T、8.0T、8.1T、8.2T、8.3T、8.4T、8.5T、8.6T、8.7T、8.8T、8.9T、9.0T、9.1T、9.2T、9.3T、9.4T、9.5T、9.6T、9.7T、9.8T、9.9T、10.0T、10.1T、10.2T、10.3T、10.4T、10.5T、10.6T、10.7T、10.8T、10.9T、11.0T、11.1T、11.2T、11.3T、11.4T、11.5T、11.6T、11.7T、11.8T、11.9T、12.0T、12.1T、12.2T、12.3T、12.4T、12.5T、12.6T、12.7T、12.8T、12.9T、13.0T、13.1T、13.2T、13.3T、13.4T、13.5T、13.6T、13.7T、13.8T、13.9T、14.0T、14.1T、14.2T、14.3T、14.4T、14.5T、14.6T、14.7T、14.8T、14.9T、15.0T、15.1T、15.2T、15.3T、15.4T、15.5T、15.6T、15.7T、15.8T、15.9T、16.0T、16.1T、16.2T、16.3T、16.4T、16.5T、16.6T、16.7T、16.8T、16.9T、17.0T、17.1T,17.2T,17.3T,17.4T,17.5T,17.6T,17.7T,17.8T,17.9T,18.0T,18.1T,18.2T,18.3T,18.4T,18.5T,18.6T,18.7T,18.8T,18.9T、19.0T、19.1T、19.2T、19.3T、19.4T、19.5T、19.6T、19.7T、19.8T、19.9T、20.0T、20.1T、20.2T、20.3T、20.4T、20.5T、20.6T、20.7T、20.8T、20.9T、或更高。此外，主线圈可用于产生在4T到20T(或更高)的范围内而未在以上具体列出的磁场。在一些实现方式中，穿过主动返回线圈和主线圈的电流具有相同(或大约相同(例如在10％的误差内))的幅值。在一些实现方式中，穿过主动返回线圈和主线圈的电流具有不同的幅值。
在一些实现方式中，每个主线圈都是超导的并且由锡化三铌(Nb3Sn)制成，并且每个主动返回线圈都是超导的并且由钛化铌制成。然而，在其他的实现方式中，每个主线圈和每个主动返回线圈可由相同的、不同的和/或不同于上面提到的其他材料制成。
在一些实现方式中，相同(例如单个)的电源可用于为在磁体中的主线圈和主动返回线圈产生电流。这使得通过所有线圈的电流能够适当地蔓延(ramp)，并且在示例性粒子治疗系统中可为有用的。
本文描述的主动返回系统可用于单个粒子加速器中，并且本文描述的主动返回系统的任意两个或多个特征可在单个粒子加速器中组合。粒子加速器可在任意类型的医疗或非医疗应用中使用。其中可使用具有本文描述的主动返回系统的超导磁体的粒子治疗系统的示例在下文中提供。
参考图3，带电的粒子放射治疗系统300包括束产生(beam-producing)粒子加速器302，所述粒子加速器具有足够小的尺寸和重量使得允许其被安装在旋转托台304上，其中它的输出从加速器壳体直线地(也就是说，基本上直接地)朝向患者306引导。在一些实现方式中，粒子加速器的重量可为低于或约等于下列重量之一：20吨、19吨、18吨、17吨、16吨、15吨、14吨、14吨、13吨、12吨、11吨、10吨、9吨、8吨、7吨、6吨、5吨、或4吨。然而，粒子加速器可具有任意合适的重量。
在一些实现方式中，钢制托台具有安装用于在位于患者的相反侧上的两个相应轴承312、314上旋转的两个腿308、310。加速器由钢架316支撑，所述钢架316足够长以跨过患者平躺(例如，两倍的高个的人的长度，以允许人在该空间内被完全地旋转，其中患者的任意预期的目标区域保持在束的线中)的治疗区域318并且所述钢架在两个端部稳固地附接至所述托台的旋转腿。
在一些示例中，托架的旋转限制在小于360度的范围320中，例如，约180度，以允许地面322从容纳所述治疗系统的地下室324的壁延伸进患者治疗区域。托台的受限的旋转范围还减少了一些提供了对在治疗区域之外的人的放射屏蔽的壁(其不直接和束对齐，例如壁330)的所需厚度。虽然托台旋转的180度的范围足够覆盖所有的治疗接近角度，但是提供更大范围的运动范围可为有用的。例如，旋转范围可在180度到330之间，并且仍然提供用于治疗地面空间的间隙。可以使用不同于这些的旋转角度。
托台的水平旋转轴线332可名义上定位在地面之上一米、患者和治疗师与治疗系统交互处。该地面可被定位在治疗系统屏蔽的地下室的底部地面之上约三米。加速器可在上升的地面下摆动，以用于从旋转轴下方传送治疗束。患者躺椅在平行于托台的旋转轴的基本上水平的平面上移动和旋转。在该配置下，躺椅可在水平平面上通过约270度的范围334进行旋转。托台和患者旋转范围和自由度的组合允许治疗师选择用于该束的几乎任意接近角度。如果需要，患者可以相反的定向被放置在躺椅上，从而所有的可能角度都可被使用。
在一些实现方式中，加速器使用具有很高磁场超导电磁结构的同步回旋加速器构造。因为给定动能的带电粒子的弯曲半径与施加于其上的磁场的增加直接成比例地减少，因此很高的磁场超导磁结构允许加速器制得更小和更轻。同步回旋加速器使用旋转角度一致并且随着半径增大而强度下降的磁场。因为这样的场形状可不管磁场的幅值而获得，因此理论上在同步回旋加速器中可使用的磁场强度没有上限(并且因此导致的处于固定半径的粒子能量没有上限)。
示于图3的示例性实现方式，以同步回旋加速器的磁极间隙中的峰值磁场8.8T操作超导同步回旋加速器302。同步回旋加速器产生具有250MeV的能量的质子束。在一些实现方式中，磁场强度可在4T到20T的范围内，并且质子能量可在150到300MeV的范围内。在一些实现方式中，主动返回线圈的磁场强度可在2.5T到12T的范围内。
在该示例中描述的放射治疗系统用于质子放射治疗，但是相同的原理和细节可被应用在用于重离子治疗系统中的类似系统中。
示例性的同步回旋加速器包括包含粒子源、射频(RF)驱动系统和束引出系统的磁体系统。在一些实现方式中，可使用多种类型的粒子加速器，其中这些元件的一个或多个在加速器外部。
参考图4和5，由磁体系统建立的磁场通过使用一对裂开的环形超导线圈400、401和一对成形的铁磁体(例如，低碳钢)极面403、404而具有合适于维持包含的质子束的聚焦的形状。
两个超导磁体线圈定心在同一轴线405上并且沿该轴线隔开。参考图6和7，线圈可由基于Nb3Sn的超导0.8mm直径的股线701(最初包括由铜屏蔽围绕的铌-锡芯)形成，该股线展开为双绞电缆于通道中的导体几何形状的。在7根单独的股线拧在一起成缆，其被加热以引起形成电线的最终(易碎的)的超导材料的反应。在材料已经被反应后，电线被焊接进铜通道(外尺寸3.18×2.54mm，且内尺寸为2.08×2.08mm)并且由绝缘体702(在该示例中，为编织玻璃纤维)覆盖。包含电线703的铜通道然后在具有8.55cm×19.02cm的矩形横截面的线圈中缠绕，具有26层且每层有49匝。缠绕的线圈然后用环氧化合物真空浸渍。制成的线圈400、401安装在环形不锈钢反转支撑结构601上。加热毯602定位在绕组层中的间隔处，以在磁体淬火(quench)的情况下保护组件。
主线圈的几何形状由支撑结构601保持，当线圈赋能时，其施加反向于产生的扭曲(例如，膨胀)力作用的恢复力605。线圈位置可使用一组将支撑结构连接至限定了低温保持器的周长的低温保持器遮罩(下面描述)的张力连结件(未示出)而而被相对于磁极件和低温保持器维持。
主超导线圈通过将线圈组件(线圈和支撑结构)封在提供环绕线圈结构的至少一些自由空间的真空环形铝或不锈钢制低温保持器腔室内部而维持在接近绝对零度(例如，约4开氏度)的温度。在一些实现方式中，接近绝对零度的温度通过使用包含液氦的冷却通道(未示出)而获得并维持，所述冷却通道形成在支撑结构的内部，并且包含在通道中的液氦和对应的超导线圈之间的热连接。上述类型和可被使用的液氦冷却系统的示例在美国专利申请号13/148000(Begg等)文件中描述。
在图4和5中，超导线圈400、401安装在支撑结构601的内部上。在一些实现方式中，支撑结构601可由结构钢制成，诸如不锈钢，或碳纤维。主动返回线圈409、410安装在支撑结构601的外部上，如图4和5所示。可由例如碳纤维或其他合适材料制成的绑环411环绕主动返回线圈409、410安装，以在磁体运行过程中将线圈保持在位，并且从而维持线圈的形状(例如，响应于运行引起的膨胀力)。每个主动返回线圈409、410关于其对应的主线圈400、401同心。
主动返回线圈可由超导材料制成，诸如铌-钛或其他合适的材料。主动返回线圈可与主线圈以相同的方式构成。在一些实现方式中，主动返回线圈可与主超导线圈以相同的方式维持在超导温度，例如通过传导热量给液氦冷却通道(在图4和5中未示出)。在一些实现方式中，主动返回线圈可通过使用其他技术被冷却。
支撑结构601，包括主线圈和主动返回线圈，围绕一起限定了腔室412的铁磁体(例如铁)磁极件403、404。离子源大约在腔室412的中心，以给粒子提供加速度。在其它的示例中，离子源可在加速器的外部。粒子在腔室412内被加速，并且作为束输出给磁体组件内的引出通道(未示出)。从引出通道，束基本上直接输出到患者。
支撑结构、磁极件、主线圈和主动返回线圈(和本文中未描述的其他结构)容纳在低温保持器遮罩中，所述低温保持器还维持磁体组件的温度。低温保持器遮罩415可由不锈钢、碳或其他合适的、相对轻的材料制成。因此，如上所述，在一些实现方式中，包含所述示例性磁体组件的粒子加速器可具有低于或约等于下列重量之一的重量：20吨、19吨、18吨、17吨、16吨、15吨、14吨、14吨、13吨、12吨、11吨、10吨、9吨、8吨、7吨、6吨、5吨、或4吨。粒子加速器和磁体组件的实际重量可依赖于多种因素，并且不限于这里提供的示例性重量。
可被包括在腔室412内的粒子源的示例如下。参考图8，在一些实现方式中，粒子源800具有潘宁离子规的几何形状。粒子源可为如下所述的，或粒子源可为在结合于此作为参考的美国专利申请11/948662号文件中描述的类型。美国专利申请11/948662号文件描述了一种粒子源，其中包含等离子的管道在其中间平面的至少一部分中断。粒子源的其余特征与关于图8描述的那些类似。
粒子源800通过气体路线和传送气态氢气的管道而提供氢气供给。电缆携带来自电源的电流以刺激电子从与磁场810对齐的阴极804、805放电。
在该示例中，放电的电子电离通过小孔从管811离开的气体，以产生正离子(质子)的供给，用于被跨过被磁体结构封闭的空间的一半的一个半圆形(D形)射频板900和一个虚拟D形板902加速。在中断的粒子源(在美国专利申请号11/948662号文件描述的示例中)的情况下，包含等离子的管道的全部(或大量部分)在加速区域处被移除，从而允许离子在相对高磁场中被更快地加速。
如图9所示，D形板900是具有封闭空间907的两个半圆形表面903、905的中空金属结构，在空间907中质子在其环绕被磁体结构封闭的空间旋转的一半过程中被加速。开口进入空间907的管909通过磁极件延伸至外部位置，从该外部位真空泵可被附接以将空间907和在加速发生的真空腔室中的空间的剩余部分抽成真空。虚拟D形902包括被隔开接近D形板的暴露边缘的矩形金属环。虚拟D形地接到真空腔室和磁极件。D形板900由施加到射频传输路线的端部处的射频信号驱动，以在空间907中赋予电场。由于被加速的粒子束在从几何中心的距离增加，因此射频电场是随时间变化的。有用于该目的的射频波形发生器示例在于2005年7月21日申请标题为“用于同步回旋加速器的可编程射频波形发生器”的美国专利申请11/187633号文件和于2004年7月21日申请的相同标题的美国临时申请60/590089号文件中描述，两者都通过引用结合于此。射频电场可以在标题为“将共振腔室内的共振频率与输入电压的频率匹配”的美国专利申请11/948359号描述的方式被控制，该专利内容结合于此作为参考。
为了当从中心定位的粒子源产生的束开始螺旋向外时其净空离子源结构，大的压差穿过射频板施加。20000伏特可穿过射频板施加。在一些版本中，8000到20000伏特可穿过射频板施加。为了减少驱动这个大的电压所需的功率，可布置磁体结构以减少射频板和地之间的电容。这可通过从射频结构穿过外部磁极件和低温保持器壳体形成具有足够余隙的孔和在磁极面之间具有足够的空间来完成。
改变驱动D形板的电势的高电压具有在加速循环期间向下扫描的频率以考虑质子的上升的相对论质量和下降的磁场。由于该虚拟D形沿真空腔室壁具有地电势，因此其不需要中空的半柱形结构。可使用其他的板布置，比如由不同电相位或多个基础频率驱动的一对加速电极。RF结构可被调谐以通过使用例如具有相互啮合的旋转和固定叶片的旋转电容器在射频扫描期间保持其Q(电量)为高水平。在叶片的每次啮合期间，电容上升，从而降低了RF结构的共振频率。叶片可被成形以产生所需的精确的频率扫描。用于旋转电容器的驱动电机可与RF发生器锁定相位用于精确控制。粒子的一支在旋转电容器的叶片的每次啮合期间被加速。
其中加速过程发生的真空室(例如，腔室412)是在边缘处较厚和中心处较细的大体柱形容器。真空腔室封闭RF板和粒子源，并且由真空泵抽成真空。维持高真空减少了加速离子将离开以与气体分子发生碰撞的机会，并且使得RF电压能够保持在高水平而不会电弧接地。
质子从粒子源开始经过大体螺旋的轨道路径。在螺旋路径的每个循环的一半中，质子在穿过空间907中的RF电场时获得能量。随着离子获得能量，其螺旋路径的每个连续循环的中心轨道的半径大于前一循环直到循环半径到达磁极面的最大半径。在那个位置，磁场和电场的微扰引导离子进入磁场快速降低的区域，并且离子离开高磁场区域并且被引导穿过这里称为引出通道的真空管(其为加速器的一部分)，以离开回旋加速器的磁极件。磁场再生器可用于改变磁场微扰以引导离子。离开回旋加速器的离子当其进入存在于环绕回旋加速器的空间中的显著降低的磁场区域时将趋于分散。在引出通道中的束成形元件重新引导离子使得其留在受限的空间范围的直线束中。
随着束离开引出通道，其可穿过束形成系统，所述束形成系统可被可编程控制以产生用于该束的散射角度和范围调制的预期的组合。有用于该目的的束形成系统的示例在于2004年9月24日申请标题为“用于放射治疗束形成的可编程粒子散射器”的美国专利申请10/949734号文件和于2005年7月21日申请的美国临时申请60/590088号文件中描述，两者都通过引用结合于此。束形成系统可与内部托架组合使用以将束引导至患者。
在运行期间，作为沿板表面的导电电阻的结果，板吸收来自于施加的射频场的能量。该能量呈现为热，并且可通过使用在热交换器中释放热的水冷路线而从板移除。
从回旋加速器离开的杂散磁场由主动返回线圈409、410限制。因此，分开的磁屏蔽件一般是不需要的。然而，在一些实现方式中，分开的磁屏蔽件可被使用。分开的磁屏蔽件可包括封闭低温保持器并被空间分开的一层铁磁材料(例如钢或铁)。
如提到的，托台允许同步回旋加速器绕水平旋转轴线322旋转。托台被安装至托台腿的一个或两个上的电机驱动以旋转，并通过驱动齿轮被连接至轴承壳体。托台的旋转位置来源于由合并进托台驱动电机和驱动齿轮的轴角度编码器提供。
参考图10，在离子束离开同步回旋加速器302的位置，束形成系统1001作用在离子束上以给其合适于用户治疗的性能。例如，束可被伸展，并且其穿透的深度可变化以提供跨过给定目标体积的一致的放射。束形成可能可包括被动散射元件以及主动扫描元件。
同步回旋加速器的全部主动系统(例如电流驱动超导线圈、RF驱动板、用于真空加速室和用于超导线圈冷却室的真空泵、电流驱动的粒子源、氢气源和RF板冷却器)可通过合适的同步回旋加速器控制电子装置(未示出)控制，所述电子装置包括例如编程有合适的程序(例如可执行指令)以实现控制的一台或多台计算机。
托台、患者支撑件、主动束成形元件和同步回旋加速器的控制以执行治疗过程还可通过合适的治疗控制电子装置(未示出)获得。
关于前述系统的进一步的细节可在于2006年11月16日申请的标题为“带电粒子放射治疗”的美国专利7728311号文件和于2008年11月20日申请的标题为“内部托台”的美国专利申请12/275103号文件中找到。美国专利7728311号文件和美国专利申请12/275103号文件的内容通过引用结合于本公开。
前述实现方式的任意再两个可在合适的粒子加速器(例如同步回旋加速器)中以合适的组合被使用。同样的，前述实现方式的任意再两个的单独的特征可以合适的组合被使用。
这里描述的不同实现方式的元件可被组合以形成未在上述具体阐述的其他实现方式。元件可在这里描述的过程、系统、器械等中省去，而不会不利地影响它们的运行。多种分开的元件可被组合进一个或多个单独的元件以执行这里描述的功能。
这里描述的示例性实现方式不限制于用于粒子治疗系统或这里描述的示例性粒子治疗系统。相反的，示例性实现方式可在将加速的粒子引导至输出的任意合适的系统中使用。
关于这里描述的粒子加速器的涉及的附加信息能够在于2006年1月20日申请的标题为“高场超导同步回旋加速器”的美国临时申请60/760788号文件、于2006年8月9日申请的标题为“用于粒子加速的磁体结构”的美国专利申请11/463402号文件和于2006年10月10日申请的标题为“低温真空破坏气动热耦合器”的美国临时申请60/850565号文件中找到，所有以上文件内容通过引用结合于此，如同其全文被陈述。
下面申请于2012年9月28日的申请通过引用结合到主题，如同其全文在此被全部陈述：标题为“控制粒子束的强度”的美国临时申请(申请号61/707466)、标题为“调整粒子束的能量”的美国临时申请(申请号61/707515)、标题为“调整线圈位置”的美国临时申请(申请号61/707548)、标题为“使用磁场颤振聚焦粒子束”的美国临时申请(申请号61/707572)、标题为“磁场再生器”的美国临时申请(申请号61/707590)、标题为“聚焦粒子束”的美国临时申请(申请号61/707704)、标题为“控制粒子治疗”的美国临时申请(申请号61/707624)和标题为“用于粒子加速器的控制系统”的美国临时申请(申请号707645)。
下列申请也通过引用结合到主题，如同其全文在此阐述：授权于2010年6月1日的美国专利编号7728311、申请于2007年11月30日的美国专利11/948359号文件、申请于2008年11月20日的美国专利申请12/275103号文件、申请于2007年11月30日的美国专利申请11/948662号文件、申请于2007年11月30日的美国临时申请60/991454号文件、授权于2011年8月23日的美国专利8003964号文件、授权于2007年4月24日的美国专利7208748号文件、授权于2008年7月22日的美国专利7402963号文件和申请于2007年11月9日的美国专利申请11/937573号文件。
本申请的任意特征可与下列的一个或多个合适的特征组合：标题为“控制粒子束的强度”的美国临时申请(申请号61/707466)、标题为“调整粒子束的能量”的美国临时申请(申请号61/707515)、标题为“调整线圈位置”的美国临时申请(申请号61/707548)、标题为“使用磁场颤振聚焦粒子束”的美国临时申请(申请号61/707572)、标题为“磁场再生器”的美国临时申请(申请号61/707590)、标题为“聚焦粒子束”的美国临时申请(申请号61/707704)、标题为“控制粒子治疗”的美国临时申请(申请号61/707624)，以及标题为“用于粒子加速器的控制系统”的美国临时申请(申请号61/707645)、授权于2010年6月1日的美国专利7728311号文件、申请于2007年11月30日的美国专利申请11/948359号文件、申请与2008年11月20日的美国专利申请12/275103号文件、申请于2007年11月30日的美国专利申请948662号文件、申请于2007年11月30日的美国临时申请60/991454号文件、授权于2011年8月23日的美国专利8003964号文件、授权于2007年4月24日的美国专利7208748号文件、授权于2008年7月22日的美国专利7402963号文件、申请于2010年2月9日的美国专利申请13/148000号文件和申请于2007年11月9日的美国专利申请11/937573号文件。
其他未在此具体描述的实现方式也在下列权利要求的范围内。

Claims (27)

1.一种粒子加速器，包括：
磁体，用于产生磁场，所述磁体包括第一超导线圈以在第一方向上传递电流，从而产生第一磁场，所述第一磁场为至少4特斯拉(T)；
主动返回系统，所述主动返回系统包括第二超导线圈，所述第二超导线圈的每一圈围绕对应的第一超导线圈并且与对应的第一超导线圈同心，所述第二超导线圈用于在相反于所述第一方向的第二方向上传递电流，从而产生具有至少2.5T的磁场的第二磁场；所述第二磁场具有的极性与所述第一磁场的极性相反，以及
支撑结构，其上安装有至少一个第一超导线圈和对应的第二超导线圈，
其中，由所述主动返回系统产生的磁场能够消除不存在分开的磁屏蔽件的通过所述第一超导线圈的电流引起的杂散磁场。
2.根据权利要求1所述的粒子加速器，进一步包括：
电源，向所述第一超导线圈和所述第二超导线圈提供电流。
3.根据权利要求1所述的粒子加速器，其中所述第一超导线圈和所述第二超导线圈都被安装在所述支撑结构上。
4.根据权利要求3所述的粒子加速器，其中所述第一超导线圈被安装在所述支撑结构的内部，并且所述第二超导线圈被安装在所述支撑结构的外部，使得所述第二超导线圈与所述第一超导线圈被所述支撑结构的至少一部分分开。
5.根据权利要求3所述的粒子加速器，进一步包括：
绑环，其环绕所述第二超导线圈的至少一个。
6.根据权利要求3所述的粒子加速器，其中所述支撑结构包括不锈钢和碳纤维中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的粒子加速器，进一步包括：
限定所述腔室的磁极件，所述支撑结构环绕所述磁极件的至少一部分。
8.根据权利要求7所述的粒子加速器，进一步包括：
低温保持器遮罩，其环绕所述支撑结构的至少一部分和所述磁极件的至少一部分，所述低温保持器遮罩包括非铁磁材料。
9.根据权利要求1所述的粒子加速器，其重量小于15吨。
10.根据权利要求1所述的粒子加速器，其重量小于10吨。
11.一种质子治疗系统，包括：
权利要求1所述的粒子加速器；和
托台，其上安装有所述粒子加速器，所述托台相对于患者位置可旋转；
其中所述质子治疗系统构造为从所述粒子加速器基本上直接输出质子到患者位置。
12.根据权利要求11所述的质子治疗系统，其中所述粒子加速器包括同步回旋加速器。
13.根据权利要求11所述的质子治疗系统，进一步包括：
粒子源，向包含所述第一磁场的腔室提供电离等离子体；和
电压源，提供电压以加速由朝向出口的电离等离子体的脉冲构成的束。
14.一种粒子加速器，包括：
电压源，向腔室提供射频(RF)电压以加速粒子而产生粒子束，所述腔室具有用于使得从等离子柱加速的粒子在所述腔室中沿轨道移动的第一磁场，所述RF电压是可控的，以随着所述粒子束距所述等离子柱的距离增加而随着时间变化；
磁体，在所述腔室中产生第一磁场，所述磁体包括第一超导线圈以在第一方向上传递电流，从而产生所述第一磁场；以及
主动返回系统，所述主动返回系统包括第二超导线圈，所述第二超导线圈的每一圈围绕对应的第一超导线圈并且与对应的第一超导线圈同心，所述第二超导线圈用于在相反于所述第一方向的第二方向上传递过电流，从而产生具有至少2.5特斯拉(T)的磁场的第二磁场；所述第二磁场具有的极性与所述第一磁场的极性相反，以及
支撑结构，其上安装有至少一个第一超导线圈和相应的第二超导线圈；
其中，由所述主动返回系统产生的磁场能够消除不存在分开的磁屏蔽件的通过所述第一超导线圈的电流引起的杂散磁场。
15.根据权利要求14所述的粒子加速器，其中所述第一磁场最少为4T。
16.根据权利要求15所述的粒子加速器，其中所述第二磁场处于2.5T到12T之间。
17.根据权利要求14所述的粒子加速器，其中所述第一磁场在4T和20T之间，并且所述第二磁场在2.5T和12T之间。
18.根据权利要求14所述的粒子加速器，进一步包括：
电源，向所述第一超导线圈和所述第二超导线圈提供电流。
19.根据权利要求14所述的粒子加速器，其中所述第一超导线圈和所述第二超导线圈都被安装在所述支撑结构上。
20.根据权利要求19所述的粒子加速器，其中所述第一超导线圈被安装在所述支撑结构的内部，并且所述第二超导线圈被安装在所述支撑结构的外部，使得所述第二超导线圈与所述第一超导线圈被所述支撑结构的至少一部分分开。
21.根据权利要求19所述的粒子加速器，进一步包括：
绑环，其环绕所述第二超导线圈的至少一个。
22.根据权利要求19所述的粒子加速器，其中所述支撑结构包括不锈钢和碳纤维中的至少一种。
23.根据权利要求14所述的粒子加速器，进一步包括：
限定所述腔室的磁极件，所述支撑结构环绕所述磁极件的至少一部分。
24.根据权利要求23所述的粒子加速器，进一步包括：
低温保持器遮罩，其环绕所述支撑结构的至少一部分和所述磁极件的至少一部分，所述低温保持器遮罩包括非铁磁材料。
25.根据权利要求14所述的粒子加速器，其重量小于15吨。
26.根据权利要求14所述的粒子加速器，其重量小于10吨。
27.一种质子治疗系统，包括：
权利要求14所述的粒子加速器；和
托台，其上安装有所述粒子加速器，所述托台相对于患者位置可旋转；
其中所述质子治疗系统构造为从所述粒子加速器基本上直接输出质子到患者位置。
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