CN113194596B - 一种高温超导多极磁体结构及其粒子医疗设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导多极磁体结构及其粒子医疗设备，高温超导多极磁体结构包括外壳、冷屏、铁芯、高温超导机构、支撑组件以及接头定位机构。冷屏同轴设置在外壳中，并与外壳之间具有真空间隙。铁芯的内部具有多个凸出部。高温超导机构包括高温超导线圈和基体，基体安装在凸出部上。高温超导线圈缠绕在基体上，所有的高温超导线圈依次串联连接。每根高温超导线圈的两端分别具有氧化钇钡铜带材线头。接头定位机构包括铟片和压块，相邻的两根高温超导线圈的氧化钇钡铜带材线头形成超导接头。两个压块安装在铁芯的端面上，且相互抵压，使两片铟片包裹超导接头。本发明有效地增大磁体内部有效区的磁场强度，降低磁体的整理尺寸、重量和成本。

Description

一种高温超导多极磁体结构及其粒子医疗设备

本申请是申请号为CN201910499686.6，申请日为2019/06/11，且发明名称为一种适用于粒子医疗输运技术的高温超导四极磁体结构的分案申请。

技术领域

本发明涉及高温超导技术领域的一种高温超导多极磁体结构，尤其涉及一种适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构，还涉及该高温超导多极磁体结构的粒子医疗设备。

背景技术

粒子束的医疗技术发展是从1946年美国的Wilson首次提出质子束的治疗特性开始的；质子由于它的布拉格峰(Bragg峰)效应，在射程终止处的剂量值比入口处的剂量值大三四倍，在射程终点后的剂量等于零，质子束的此特点用于肿瘤治疗，可以使肿瘤处的剂量为最大值，得到最大的治疗效果，且肿瘤后的正常体细胞不会受到损伤，肿瘤前部的正常组织细胞仅受到肿瘤剂量值三分之一左右的较小损害，大幅地减少了癌症患者在放射治疗过程中的副作用，相比于传统的射线治疗，质子治疗的优势非常明显。经过半个多世纪的发展，质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。重离子是比质子重的带电粒子，如氦粒子、碳离子、氖离子等，在质子医疗技术不断发展的同时，重离子以其更好的物理和放射生物学特性受到学者们的青睐；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。

要实现质子和重离子医疗，需要相应的专业医疗设备；从结构组成原理上看，重离子与质子治疗系统基本相同，主要包括主加速器、粒子输运系统、治疗头和治疗计划系统。粒子输运系统的作用是保证粒子束在真空管道中的无障碍传输，在传输过程中需要有二极铁对粒子束进行偏转，四极铁对粒子束进行聚焦，一条完整的输运线装置其二极铁和四极铁的数量都是在几十套甚至更多，由于输运重离子和质子对磁场强度有很高的要求，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铁磁场强度在增大到一定程度后会发生严重磁饱和，只能通过进一步增大线圈励磁安匝数来实现磁场强度的提高，但在这种磁饱和效应后线圈增大所带来的直接影响是磁体本身的尺寸和重量大幅增加，这会使得整条输运系统的总体占地面积和重量很大，成本也会大幅增加。因此，粒子输运系统的小型化、轻型化和低成本化必将成为今后发展的关键目标。而四极磁铁作为实现粒子束聚焦功能的重要装置，是输运系统的重要组成部件，也是影响整个输运线成本和重量的重要因素。要想实现最终输运系统的小型化、轻型化和低成本化，改变现有的常规磁铁结构，开发一种精简、高效和稳定的磁体结构迫在眉睫。高温超导材料是指在临界温度在液氮温区(77K)的超导材料。将高温超导材料应用到磁体结构设计上来，用高温超导材料制作的高温超导磁体能够提供高强的、稳定的磁场。相当于常规磁铁来说，高温超导材料大幅提高了线圈的载流密度，降低了线圈尺寸，从而减小了整个磁体的尺寸。相对于液氦温度下(4.2K)运行的低温超导材料(Nb₃Sn、NbTi等)来说，高温超导材料的临界温度大大提高，不仅可以大大节约制冷成本，而且可以提供更高更稳定的强磁场。因此，粒子医疗输运技术的高温超导四极磁体结构设计成为粒子束治疗技术应用发展的关键，对于推进高温超导技术在医学物理领域的发展有着重要的意义。

发明内容

针对现有的技术问题，本发明提供一种高温超导多极磁体结构及其粒子医疗设备，解决了现有的粒子输运系统总体占地面积和重量很大的问题。

本发明采用以下技术方案实现：一种适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构，其包括：

外壳；

冷屏，其呈筒状，且同轴设置在外壳中，并与外壳之间具有一段真空间隙；

铁芯，其同轴设置在冷屏中，且为中空结构；铁芯的内部具有环绕冷屏的中轴线等间距设置的多个凸出部；

多个高温超导机构，其分别与多个凸出部对应；每个高温超导机构包括高温超导线圈和基体；基体安装在对应的凸出部上，高温超导线圈缠绕在基体上；所有的高温超导线圈依次串联连接，且头尾预留出两个通电接线头；其中，每根高温超导线圈的两端分别具有氧化钇钡铜带材线头；

多个支撑组件，其环绕冷屏的中轴线等间距设置；每个支撑组件包括隔热支撑柱和花键；隔热支撑柱的一端穿过冷屏固定在铁芯上，另一端固定在外壳上；花键套在隔热支撑柱上，并与冷屏固定；以及

多个接头定位机构；每个接头定位机构设置在相邻的两根高温超导线圈之间，并包括两片铟片和两个压块；相邻的两根高温超导线圈的氧化钇钡铜带材线头连接在两片铟片之间，形成一个超导接头；两片铟片位于两个压块之间；两个压块安装在铁芯的端面上，且相互抵压，使两片铟片包裹所述超导接头。

作为上述方案的进一步改进，每个支撑组件还包括内衬板和法兰；内衬板呈工字型，并固定在外壳上；隔热支撑柱的另一端插入在内衬板中，并通过至少一个螺母固定；法兰安装在内衬板上，以封闭隔热支撑柱与内衬板的连接处。

作为上述方案的进一步改进，所述高温超导机构和所述支撑组件的数量均为四个，且位于外壳的同一径向上。

作为上述方案的进一步改进，基体呈矩形，且外壁上开设凹槽；高温超导线圈缠绕在对应的凹槽中。

进一步地，高温超导线圈为氧化钇钡铜带材线圈，基体为无氧铜基体；凹槽为带状槽，且宽度与高温超导线圈的宽度相同；隔热支撑柱由G10材料制得，压块由铜制得。

再进一步地，每个高温超导机构还包括多块固定盖板；固定盖板安装在基体的外壁上。

作为上述方案的进一步改进，所述高温超导多极磁体结构还包括：

铝箔，其呈筒状，并贴在冷屏的外壁上。

作为上述方案的进一步改进，高温超导线圈伸出铁芯的部分通过至少一个铜块固定；所述高温超导多极磁体结构还包括：

多块无氧铜侧板，其等间距设置并环绕安装在铁芯的外壁上；

两块无氧铜端板，其分别安装在铁芯的两端上；

其中，所述铜块和压块均安装在无氧铜端板上；无氧铜侧板、无氧铜端板、铁芯以及基体形成一个热量传递路径。

作为上述方案的进一步改进，所述高温超导多极磁体结构还包括：

冷头，其安装在其中一块无氧铜侧板上；

制冷机，其依次通过冷头和所述热量传递路径转移高温超导线圈的热量，使高温超导线圈的工作温度维持在一个预设温区内。

本发明还提供了一种粒子医疗设备，其包括主加速器、粒子运输系统以及治疗头；所述主加速器用于对粒子加速，所述粒子运输系统用于将加速后的粒子运输至所述治疗头；所述粒子运输系统包括上述任意所述的适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构。

本发明的高温超导多极磁体结构及其粒子医疗设备，该高温超导多极磁体结构的高温超导机构中基体安装在凸出部上，而高温超导线圈缠绕在基体上，这样所有高温超导线圈就环绕铁芯的中心线等间距设置，而且多个高温超导线圈依次串联，在通电后就会在铁芯的中心形成均匀的梯度磁场，能够在需要的温区进行稳定运行，从而实现多极磁体对粒子束的聚焦功能，可以有效地增大磁体内部有效区的磁场强度，降低磁体的整理尺寸、重量和成本，实现粒子输运系统的小型化、轻量化和低成本化发展。在本发明中，高温超导线圈在需要的温区内具有超导的特性，因而能够实现大电流运行，这样既能缩小磁体线圈的尺寸和重量，又能大幅提高磁场强度，进而减少粒子输运系统的总体占地面积和重量，降低粒子输运系统的材料成本。而且，冷屏和外壳之间形成了真空间隙，从而降低辐射漏热和空气传导漏热，并且通过支撑组件连接，实现了支撑传导漏热的降低。该高温超导多极磁体结构的接头定位机构的两片铟片将高温超导线圈的氧化钇钡铜带材线头包裹住，并通过两个压块进行固定，这样铟片可以形成对超导接头的保护，而压块对接头进行冷却传导，同时便于高温超导线圈之间进行连接，减少连接点的阻抗，提高所有线圈整体的导电性，实现更大电流的传输，进一步缩小磁体线圈的尺寸和重量，从而进一步减少粒子输运系统的总体占地面积和重量。

附图说明

图1为本发明实施例1的适用于粒子医疗输运技术的高温超导四极磁体结构的结构示意图；

图2为图1中的高温超导四极磁体结构的线圈电流进出口示意图；

图3为图1中的高温超导四极磁体结构的线圈总体连接示意图；

图4为图3中的高温超导四极磁体结构的线圈接头示意图；

图5为图4中的区域B中的放大图；

图6为图1中的高温超导四极磁体结构的传导冷却结构示意图；

图7为图1中的高温超导多极磁体结构的正视图；

图8为图7中的区域A的放大图；

图9为本发明实施例2的高温超导多极磁体结构的铁芯的结构示意图；

图10为本发明实施例3的适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构的正视图；

图11为本发明实施例4的适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构的结构示意图；

图12为图11中的高温超导多极磁体结构的后视图；

图13为图11中的高温超导多极磁体结构的剖视图。

其中，附图中标号：1、YBCO高温超导带材；2、无氧铜线圈基体；3、高温超导线圈一；4、高温超导线圈二；5、高温超导线圈三；6、高温超导线圈四；7、电流引线一；8、电流引线二；9、制冷机；10、铁芯；11、冷屏；12、杜瓦；13、G10支撑；14、固定盖板；15、线圈一电流进口；16、线圈二电流进口；17、线圈一电流出口；18、线圈二电流出口；19、铟片；20、铜块；21、无氧铜侧板；22、无氧铜端板；23、二级冷头；24、铝箔；25、内衬板；26、法兰；27、花键；28、底座；29、弹簧；30、导管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参考说明书附图1，一种适用于粒子医疗输运技术的高温超导四极磁体结构，其特征在于：磁体线圈采用YBCO高温超导带材1，其中高温超导线圈是由YBCO带材1镶嵌在无氧铜线圈基体2内，高温超导线圈一3、高温超导线圈二4、高温超导线圈三5、高温超导线圈四6之间采用串联连接，接到进出电流引线一7和电流引线二8上，线圈通过制冷机9传导冷却，铁芯10和线圈外部还设有冷屏11、杜瓦12作为真空绝热结构，磁体内铁芯组件10和冷屏11通过G10支撑组件13固定，高温超导线圈一3、高温超导线圈二4、高温超导线圈三5、高温超导线圈四6通电后通过磁极在磁体气隙内形成均匀梯度磁场，最终在40K温区实现高温超导四极磁体对粒子束的聚焦功能。

如图2所示，高温超导线圈组件是由YBCO高温超导带材1缠绕在无氧铜线圈基体2凹槽内，并在凹槽顶部加设固定盖板14组成，无氧铜线圈基体2可以在YBCO高温超导带材1发生失超故障时有效安全地泄放电流。

如图1-4所示，高温超导线圈一3、高温超导线圈二4、高温超导线圈三5、高温超导线圈四6相互串联后与电流引线一7、电流引线二8连接，每个线圈均有两个YBCO带材线头，分别是线圈一电流进口15、线圈二电流进口16和线圈一电流出口17、线圈二电流出口18，在线圈电流进出口位置沿YBCO带材长度方向进行弯曲线圈二电流进口16、线圈二电流出口18和延伸线圈一电流进口15、线圈一电流出口17，从而相邻线圈的线圈一电流出口17、线圈二电流进口16在延伸处相交形成超导接头，最终实现各个高温超导线圈一3、高温超导线圈二4、高温超导线圈三5、高温超导线圈四6之间相互串联。

如图5所示，线圈二电流进口16和线圈一电流出口17相交处的接头连接，是在YBCO带材延伸后的相交重合部分焊接后，再将焊接部分用铟片19作垫片保护，而后用铜块20压紧，这样铟片可以形成对超导接头的保护，又能通过铜块20对接头进行传导冷却。

如图6所示，高温超导线圈一3、高温超导线圈二4、高温超导线圈三5、高温超导线圈四6是采用制冷机9传导冷却，铁芯侧面的无氧铜侧板21、端面的无氧铜端板22、线圈无氧铜线圈基体2和YBCO带材1形成一个低温冷却的传导路径，制冷机二级冷头23通过上述传导路径将高温超导线圈维持在40K温区工作。

如图7所示，高温超导线圈和铁芯10外部还设有冷屏11和杜瓦12真空绝热结构，冷屏表面包裹有铝箔24，形成反射屏，降低辐射漏热，杜瓦内部抽真空降低空气传导漏热。

如图8所示，G10支撑组件13，是用于固定和支撑铁芯组件10和冷屏11，并且支撑采用G10材料降低高温超导线圈一3、高温超导线圈二4、高温超导线圈三5、高温超导线圈四6和冷屏11的传导漏热，G10支撑13的一端与杜瓦12上的小井管内衬板25用螺母固定，小井管外侧用密封法兰26进行密封，其中G10支撑13是通过支撑圆柱面上设置的花键27对冷屏11进行支撑，在实现对冷屏11的固定功能前提下，还能够降低冷屏11与G10支撑13的接触面积，降低G10支撑组件13的传导漏热。

综上所述，本实施例的适用于粒子医疗输运技术的高温超导四极磁体结构，其实现了适用于粒子医疗输运技术的高温超导四极磁体结构设计，实现大电流、强磁场稳定运行、磁体线圈传导冷却、降低线圈的传导和辐射漏热等功能；其中40K温区高温超导YBCO线圈设计，使得磁体线圈可以实现大电流运行，既能缩小磁体线圈尺寸，又能大幅提高磁场强度；线圈基体采用无氧铜材料，既实现了高温超导磁体的传导冷却功能，又能保证在YBCO带材失超时电流的安全泄放；超导线圈相互连接的方式，在保证了线圈实现串联的前提下，也通过铟片对接头进行了保护；其中铁芯组件和线圈外部还设有冷屏、杜瓦真空绝热结构，冷屏外包裹双面镀铝薄膜为反射屏，杜瓦杜瓦采用不锈钢材料，杜瓦内部抽真空，从而降低辐射漏热和空气传导漏热；其中G10材料的支撑组件及其花键设计，在支撑和固定铁芯组件和冷屏的同时，实现了支撑传导漏热的降低；最终实现在40K温区超导线圈的稳定运行，并通过高强磁场实现高温超导磁体的聚焦功能。基于YBCO高温超导磁体的结构设计，在实现粒子束聚焦功能的同时，可以有效地增大磁体内部有效区的磁场强度，降低磁体的整理尺寸、重量和成本，实现粒子输运系统的小型化、轻量化和低成本化发展，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。

实施例2

请参阅图9，本实施例提供了一种适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构，该高温超导多极磁体结构具体了杜瓦12、冷屏11、铁芯10、铝箔24、无氧铜侧板21、无氧铜端板22、冷头23以及制冷机9的结构，而且定义了高温超导机构、支撑组件以及接头定位机构。其中，前述的这些结构均属于本实施例的适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构。

杜瓦12为杜瓦壳体，在本实施例中其呈圆筒形，而在其他实施例中，杜瓦12的可为其他筒状结构。杜瓦12可通过基座进行放置，当然也可通过其他结构进行固定。杜瓦12的端部还可设置其他结构，以与粒子束产生装置和粒子束投射装置连接，使得粒子束产生装置产生的粒子束通过杜瓦2输送至粒子束投射装置进行投射，实现粒子束治疗的目的。

冷屏11呈筒状，且同轴设置在杜瓦12中，并与杜瓦12之间具有一段真空间隙。冷屏11和杜瓦12之间的真空间隙能够起到隔绝热量的作用，从而降低辐射漏热和空气传导漏热。而在本实施例中，铝箔24呈筒状，并贴在冷屏11的外壁上。铝箔24能够形成反射屏，进而降低辐射漏热。在实际安装中，铝箔24可以在冷屏11安装之间直接固定到冷屏11上，或者直接成型在冷屏11的外壁上。

铁芯10同轴设置在冷屏11中，且为中空结构。铁芯10的内部具有环绕冷屏11的中轴线等间距设置的多个凸出部。铁芯10的侧壁上具有多个平面，这些平面可供其他结构进行安装。中空结构能够供粒子束通过，而且通过的方向为杜瓦12的中轴线方向。铁芯10的长度稍微短于杜瓦12的长度，以便于保证铁芯10的两端分别收容在杜瓦12的两端中。

高温超导机构的数量为多个，并且多个高温超导机构分别与多个凸出部对应。其中，每个高温超导机构包括YBCO高温超导带材1和无氧铜线圈基体2，还可包括多块固定盖板14。无氧铜线圈基体2安装在对应的凸出部上，YBCO高温超导带材1缠绕在无氧铜线圈基体2上。每根YBCO高温超导带材1的两端分别具有氧化钇钡铜带材线头。所有的YBCO高温超导带材1依次串联连接，且头尾预留出两个通电接线头，以便于接入电流。在本实施例中，YBCO高温超导带材1为氧化钇钡铜带材线圈，无氧铜线圈基体2为无氧铜基体。无氧铜线圈基体2呈矩形，且外壁上开设凹槽，YBCO高温超导带材1缠绕在对应的凹槽中。固定盖板14安装在无氧铜线圈基体2的外壁上，可以起到支撑防护的作用。凹槽为带状槽，且宽度与YBCO高温超导带材1的宽度相同。高温超导线圈在需要的温区内具有超导的特性，因而能够实现大电流运行，这样既能缩小磁体线圈的尺寸和重量，又能大幅提高磁场强度，进而减少粒子输运系统的总体占地面积和重量，降低粒子输运系统的材料成本。另外，本实施例中的无氧铜线圈基体2体采用无氧铜材料，既实现了高温超导磁体的传导冷却功能，又能保证氧化钇钡铜带材在失超时电流的安全泄放。

本实施例中高温超导机构的数量为四个，而这些YBCO高温超导带材1分别为线圈一3、线圈二4、线圈三5以及线圈四6。线圈一3、线圈二4、线圈三5以及线圈四6相互串联后形成的两个通电接线头分别与电流引线一7和电流引线二8连接，以供电流进入。线圈一3的两个氧化钇钡铜带材线头分别为线圈一电流进口15和线圈一电流出口17，线圈二4的两个氧化钇钡铜带材线头分别为线圈二电流进口16和线圈二电流出口18。在线圈电流进出口位置沿氧化钇钡铜带材长度方向上，线圈二电流进口16和线圈二电流出口18均弯曲，而线圈一电流进口15和线圈一电流出口17均延伸，从而使得线圈二电流进口16和线圈一电流出口17在延伸处相交并形成超导接头，这样以此类推，实现线圈一3、线圈二4、线圈三5以及线圈四6的依次串联。线圈一3、线圈二4、线圈三5以及线圈四6在通电后，会在铁芯10内部通过磁极在磁体气隙内形成均匀梯度磁场，能够在需要的温区进行稳定运行，本实施例中可以根据需要在40K温区实现高温超导四极磁体对粒子束的聚焦功能，从而有效地增大磁体内部有效区的磁场强度，降低磁体的整理尺寸、重量和成本，实现粒子输运系统的小型化、轻量化和低成本化发展。

支撑组件的数量为多个，多个支撑组件环绕冷屏11的中轴线等间距设置。在本实施例中，支撑组件的数量为八个，对应八个井管和密封法兰，铁芯前后端面各设置四个，而且支撑组件和高温超导机构位于杜瓦12的同一径向上。其中，每个支撑组件包括G10支撑13和花键27，在一些实施例中还可包括内衬板25和法兰26。G10支撑13的一端穿过冷屏11固定在铁芯10上，另一端固定在杜瓦12上。G10支撑13可由G10材料制得，能够降低线圈一3、线圈二4、线圈三5以及线圈四6与冷屏11的传导漏热。花键27套在G10支撑13上，并与冷屏11固定。花键27在实现对冷屏11的固定功能前提下，还能够降低冷屏11与G10支撑13的接触面积，降低G10支撑13的传导漏热。G10支撑13的另一端穿过内衬板25，并通过至少一个螺母固定。法兰26安装在内衬板25上，以封闭G10支撑13与内衬板25的连接处。

接头定位机构的数量为多个，在本实施例中，接头定位机构的数量为四个。每个接头定位机构设置在相邻的两根YBCO高温超导带材1之间，并包括两片铟片19和两个铜块20。相邻的两根YBCO高温超导带材1的氧化钇钡铜带材线头连接在两片铟片19之间，形成一个超导接头。两片铟片19位于两个铜块20之间。两个铜块20安装在铁芯10的端面上，且相互抵压，使两片铟片19包裹超导接头。在本实施例中，铜块20由铜制得，而氧化钇钡铜带材线头之间通过焊接的方式进行连接，而两片铟片19将高温超导线圈的氧化钇钡铜带材线头包裹住，并通过两个铜块20进行固定，这样铟片19可以形成对超导接头的保护，而铜块20对接头进行冷却传导，同时便于YBCO高温超导带材1之间进行连接，减少连接点的阻抗，提高所有线圈整体的导电性，实现更大电流的传输，进一步缩小磁体线圈的尺寸和重量，从而进一步减少粒子输运系统的总体占地面积和重量。

在本实施例中，YBCO高温超导带材1伸出铁芯10的部分通过至少一个铜块固定。无氧铜侧板21的数量为多块，多块无氧铜侧板21等间距设置并环绕安装在铁芯10的外壁上，即安装在铁芯10外侧的平面上。无氧铜端板22的数量为两块，两块无氧铜端板22分别安装在铁芯10的两端上。其中，铜块和铜块20均安装在无氧铜端板22上。无氧铜侧板21、无氧铜端板22、铁芯10以及无氧铜线圈基体2形成一个热量传递路径。

冷头23安装在其中一块无氧铜侧板21上，其可为二级冷头。制冷机9依次通过冷头23和热量传递路径转移YBCO高温超导带材1的热量，使YBCO高温超导带材1的工作温度维持在一个预设温区内，以实现对YBCO高温超导带材1传导冷却作用。YBCO高温超导带材1通过制冷机9的作用实现冷却降温，从而使温区保持在40K，当然在其他实施例中，温区的温度值或温度范围也可以为其他数据。

综上所述，本实施例的适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构具有以下优点：

该高温超导多极磁体结构的高温超导机构中无氧铜线圈基体2安装在凸出部上，而YBCO高温超导带材1缠绕在无氧铜线圈基体2上，这样所有YBCO高温超导带材1就环绕铁芯10的中心线等间距设置，而且多个YBCO高温超导带材1依次串联，在通电后就会在铁芯10的中心形成均匀的梯度磁场，能够在需要的温区进行稳定运行，从而实现多极磁体对粒子束的聚焦功能，可以有效地增大磁体内部有效区的磁场强度，降低磁体的整理尺寸、重量和成本，实现粒子输运系统的小型化、轻量化和低成本化发展。在本实施例中，YBCO高温超导带材1在需要的温区内具有超导的特性，因而能够实现大电流运行，这样既能缩小磁体线圈的尺寸和重量，又能大幅提高磁场强度，进而减少粒子输运系统的总体占地面积和重量，降低粒子输运系统的材料成本。而且，冷屏11和杜瓦12之间形成了真空间隙，从而降低辐射漏热和空气传导漏热，并且通过支撑组件连接，实现了支撑传导漏热的降低。该高温超导多极磁体结构的接头定位机构的两片铟片19将YBCO高温超导带材1的氧化钇钡铜带材线头包裹住，并通过两个铜块20进行固定，这样铟片19可以形成对超导接头的保护，而铜块20对接头进行冷却传导，同时便于YBCO高温超导带材1之间进行连接，减少连接点的阻抗，提高所有线圈整体的导电性，实现更大电流的传输，进一步缩小磁体线圈的尺寸和重量，从而进一步减少粒子输运系统的总体占地面积和重量。

实施例3

请参阅图10，本实施例提供了一种适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构，其在实施例2的高温超导多极磁体结构的基础上增加了多个弹簧29。多个弹簧29分别与多个G10支撑13对应，弹簧29的一端连接在铁芯10上，另一端则连接在对应的G10支撑13上。弹簧29一方面能够为铁芯10提供弹性支撑的作用力，另一方面能够进一步降低YBCO高温超导带材1的传导漏热。

实施例4

请参阅图11、图12以及图13，本实施例提供了一种适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构，其在实施例2的基础上增加了底座28和导管30。杜瓦12固定在底座28上，导管30设置在铁芯10中，并与铁芯10同轴设置。粒子束可以通过导管30进行传输，并在高温超导机构的作用下进行聚焦，以便于进行医疗。导管30的两端可以连接至离子束产生装置和治疗装置，将离子束产生装置产生的粒子束输送至治疗装置，以对患者进行治疗。

实施例5

本实施例提供了一种粒子医疗设备，其包括主加速器、粒子运输系统以及治疗头。主加速器用于对粒子加速，粒子运输系统用于将加速后的粒子运输至治疗头。其中，主加速器和治疗头均可以采用现有的相应装置。粒子运输系统包括实施例1至实施例3中任何一种适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构。高温超导多极磁体结构将主加速器产生的粒子束输送至治疗头中，以对患者进行治疗。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构，其包括：

外壳(12)；

冷屏(11)，其呈筒状，且同轴设置在外壳(12)中，并与外壳(12)之间具有一段真空间隙；

铁芯(10)，其同轴设置在冷屏(11)中，且为中空结构；铁芯(10)的内部具有环绕冷屏(11)的中轴线等间距设置的多个凸出部；

多个高温超导机构，其分别与多个凸出部对应；每个高温超导机构包括高温超导线圈(1)和基体(2)；基体(2)安装在对应的凸出部上，高温超导线圈(1)缠绕在基体(2)上；所有的高温超导线圈(1)依次串联连接，且头尾预留出两个通电接线头；以及

多个支撑组件，其环绕冷屏(11)的中轴线等间距设置；每个支撑组件包括隔热支撑柱(13)和花键(27)；隔热支撑柱(13)的一端穿过冷屏(11)固定在铁芯(10)上，另一端固定在外壳(12)上；花键(27)套在隔热支撑柱(13)上，并与冷屏(11)固定；

其特征在于，每根高温超导线圈(1)的两端分别具有氧化钇钡铜带材线头；所述高温超导多极磁体结构还包括：

多个接头定位机构；每个接头定位机构设置在相邻的两根高温超导线圈(1)之间，并包括两片铟片(19)和两个压块(20)；相邻的两根高温超导线圈(1)的氧化钇钡铜带材线头连接在两片铟片(19)之间，形成一个超导接头；两片铟片(19)位于两个压块(20)之间；两个压块(20)安装在铁芯(10)的端面上，且相互抵压，使两片铟片(19)包裹所述超导接头。

2.如权利要求1所述的适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构，其特征在于，每个支撑组件还包括内衬板(25)和法兰(26)；内衬板(25)呈工字型，并固定在外壳(12)上；隔热支撑柱(13)的另一端插入在内衬板(25)中，并通过至少一个螺母固定；法兰(26)安装在内衬板(25)上，以封闭隔热支撑柱(13)与内衬板(25)的连接处。

3.如权利要求1所述的适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构，其特征在于，所述高温超导机构和所述支撑组件的数量均为四个，且位于外壳(12)的同一径向上。

4.如权利要求1所述的适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构，其特征在于，基体(2)呈矩形，且外壁上开设凹槽；高温超导线圈(1)缠绕在对应的凹槽中。

5.如权利要求4所述的适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构，其特征在于，高温超导线圈(1)为氧化钇钡铜带材线圈，基体(2)为无氧铜基体；凹槽为带状槽，且宽度与高温超导线圈(1)的宽度相同；隔热支撑柱(13)由G10材料制得，压块(20)由铜制得。

6.如权利要求5所述的适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构，其特征在于，每个高温超导机构还包括多块固定盖板(14)；固定盖板(14)安装在基体(2)的外壁上。

7.如权利要求1所述的适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构，其特征在于，所述高温超导多极磁体结构还包括：

铝箔(24)，其呈筒状，并贴在冷屏(11)的外壁上。

8.如权利要求1所述的适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构，其特征在于，高温超导线圈(1)伸出铁芯(10)的部分通过至少一个铜块固定；所述高温超导多极磁体结构还包括：

多块无氧铜侧板(21)，其等间距设置并环绕安装在铁芯(10)的外壁上；

两块无氧铜端板(22)，其分别安装在铁芯(10)的两端上；

其中，所述铜块和压块(20)均安装在无氧铜端板(22)上；无氧铜侧板(21)、无氧铜端板(22)、铁芯(10)以及基体(2)形成一个热量传递路径。

9.如权利要求8所述的适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构，其特征在于，所述高温超导多极磁体结构还包括：

冷头(23)，其安装在其中一块无氧铜侧板(21)上；

制冷机(9)，其依次通过冷头(23)和所述热量传递路径转移高温超导线圈(1)的热量，使高温超导线圈(1)的工作温度维持在一个预设温区内。

10.一种粒子医疗设备，其包括主加速器、粒子运输系统以及治疗头；所述主加速器用于对粒子加速，所述粒子运输系统用于将加速后的粒子运输至所述治疗头；其特征在于，所述粒子运输系统包括如权利要求1-9中任意一项所述的适用于粒子医疗输运技术的高温超导多极磁体结构。