CN114340134A - 一种医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统，能量可调束流引出系统设置在分离扇形回旋加速器中的按圆周等角度排列的N个偏转磁铁中两个相邻偏转磁铁之间，N≧4，为偶数；包括：一个静电偏转机构、一个磁偏转机构和一个直线移动机构；所述的静电偏转机构和磁偏转机构在直线移动机构的直线导轨作直线移动，所述静电偏转机构的引出端与回旋加速器中处于不同回旋半径的弧形射束对接，将该弧形射束引出到回旋加速器之外。具体引出过程是，先用静电偏转机构将引出射束偏转一个小的角度，再用磁偏转机构将引出射束偏转一个大的角度，并保证最终引出射速与直线移动机构的方向平行，从而实现了最终引出射束的轴心线保持空间位置不变。

Description

一种医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统

技术领域

本发明涉及医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统。

背景技术

医用回旋加速器输出的粒子能量一般是不可调的。

医用回旋加速器一般加速单一种类的粒子，若按传统方法在粒子束最大回旋半径处引出不同能量的粒子束，就要做到随输出能量的改变而改变加速器偏转磁铁轴向磁场沿径向的分布，这会使系统变得十分复杂，也会使造价大幅提升，作为普及性医疗产品是不可取的。

放射治疗中，针对不同深度的肿瘤，需要射束中的粒子具有不同的能量。对粒子能量小幅度的调整可通过采用吸收体消耗能量原理的安置在配送系统中的调能器做到，但如使用采用该原理的在束流输运系统中安置的降能器大幅度调节能量就会大幅度降低射束的束流强度，并产生较多有害射线。

实现回旋加速器类加速器输出粒子束能量可调而不改变束流强度是放疗界一个重要课题。

发明内容

本发明为了实现回旋加速器类加速器输出粒子束能量可调而不改变束流强度课题，提供一种医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统，能量可调束流引出系统设置在分离扇形回旋加速器中的按圆周等角度排列的N个偏转磁铁中两个相邻偏转磁铁之间，N≧4，为偶数；包括：

一个静电偏转机构、一个磁偏转机构和一个直线移动机构；

所述的静电偏转机构和磁偏转机构在直线移动机构的直线导轨作直线移动，所述静电偏转机构的引出端与回旋加速器中处于不同回旋半径的弧形射束对接，将该弧形射束引出到回旋加速器之外。

进一步的，上述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统中：所述静电偏转机构包括一个切割板和一个偏转板，所述切割板和偏转板均为弧形，其弧形中心重合，相对于弧形中心，切割板处于外侧，偏转板处于内侧，切割板处于地电势，其引入射束的一端做成薄的锥形；偏转板处于高电势，其电性与被偏转射束携带电荷的电性相反。

进一步的，上述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统中：所述磁偏转机构包括一组上下磁极、一组上下励磁线圈和一个C形磁轭，上下磁极上下相对，上下励磁线圈分别套在上下磁极的外面，上下磁极上下面分别与C形磁轭的两个支臂的内侧连接。

进一步的，上述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统中：所述直线移动机构包括两根直线导轨和两组每组两个滑块，两组每组两个滑块分别与两根直线导轨活动连接；所述两组每组两个滑块与磁偏转机构中的C形磁轭下支臂的底面连接。

进一步的，上述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统中：所述静电偏转机构与磁偏转机构中C形磁轭刚性连接，所述偏转板与C形磁轭的连接保持绝缘；所述静电偏转机构的弧形中心与磁偏转机构的射束偏转轴心平行；所述切割板和偏转板两侧立面的中点落在磁偏转机构的中心平面上。

进一步的，上述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统中：所述能量可调束流引出系统的引出射束包括引入射束、静电偏转机构偏转射束、两个偏转机构之间的连接射束、磁偏转机构偏转射束和引出射束；所有能量可调束流引出系统的引出射束在所述磁偏转机构的中心平面上，引入射束为直线与所述静电偏转机构偏转射束相切相连，连接射束为直线分别与静电偏转机构偏转射束和磁偏转机构偏转射束相切相连，引出射束为直线与磁偏转机构偏转射束相切相连，并与直线移动机构中的两根直线导轨(3-1)的方向平行。

进一步的，上述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统中：所述分离扇形回旋加速器的磁铁偏转包括一组第二上下磁极、一组第二上下励磁线圈和一个第二C形磁轭，第二上下磁极上下相对，第二上下励磁线圈分别套在第二上下磁极的外面，第二上下磁极的上下面分别与第二C形磁轭的两个支臂的内侧连接。

进一步的，上述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统中：所述的静电偏转机构的弧形中心和磁偏转机构的射束偏转轴心与回旋加速器的射束回旋轴心平行，并处于回旋加速器待引出弧形射束的外侧；所述的磁偏转机构的中心平面与回旋加速器的中心平面重合；所述静电偏转机构处于回旋加速器中引出射束处扇形磁铁中第二上下磁极侧向外侧边缘，第二上下励磁线圈之间；所述直线移动机构两根直线导轨的方向与引出射束处扇形磁铁中扇形磁极的与静电偏转机构相邻一侧的侧壁平行。

进一步的，上述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统中：所述磁偏转机构连同静电偏转机构在直线移动机构上作直线移动，所述能量可调束流引出系统的引入射束与回旋加速器中处于不同回旋半径的待引出弧形射束相切相连。

本发明采用的能量可调束流引出系统借助分离扇形回旋加速器的特征，可在射束的不同回旋半径处引出射束，在不影响束流强度的情况下，实现束流粒子能量调整。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细地说明。

附图说明

图1、能量可调束流引出系统结构图；

图2、静电偏转机构结构图；

图3、磁偏转机构结构图；

图4、静电偏转机构与磁偏转机构位置关系图；

图5、能量可调束流引出系统引出射线线路图；

图6、磁偏转机构C形磁轭上加工的束流通道；

图7、能量可调束流引出系统与分离扇形回旋加速器位置关系图之一；

图8、分离扇形回旋加速器偏转磁铁结构图；

图9、能量可调束流引出系统与分离扇形回旋加速器位置关系图之二；

图10、能量可调束流引出系统与分离扇形回旋加速器位置关系图之三；

图11、能量可调束流引出系统与分离扇形回旋加速器位置关系图之四；

图12、能量可调束流引出系统与分离扇形回旋加速器位置关系图之五；

图13、能量可调分离扇形回旋加速器射束注入加速引出示意图；

图14、能量可调束流引出系统设计原理图。

图中符号：

1、一个静电偏转机构

1-1、一个切割板

1-2、一个偏转板

2、一个磁偏转机构

2-1、一组上下磁极

2-2、一组上下励磁线圈

2-3、一个C形磁轭

2-4、磁轭上加工的束流通道

3、一个直线移动机构

3-1、两根直线导轨

3-2、两组每组两个滑块

4、分离扇形回旋加速器的偏转磁铁

4-1、一组上下磁极

4-2、一组上下励磁线圈

4-3、一个C形磁轭

5、分离扇形回旋加速器的高频加速电极

6、分离扇形回旋加速器的束流注入系统

100、切割板和偏转板的弧形中心

201、磁偏转机构的射束偏转轴心

202、磁偏转机构的中心平面

1001、引出系统的引入射束

1002、静电偏转机构的偏转射束

1003、引出系统中两个偏转机构之间的连接射束

1004、磁偏转机构偏转射束

1005、引出系统的引出射束

2001、回旋加速器的射束回旋轴心

2002、回旋加速器待引出弧形射束

2003、回旋加速器的中心平面

2004、回旋加速器注入系统的注入射束

2005、待引出弧形射束相邻内圈射束

具体实施方式

实施例1，本实施例一种医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统，该能量可调束流引出系统包括一个静电偏转机构1、一个磁偏转机构2和一个直线移动机构3，它们置于分离扇形回旋加速器中的按圆周等角度排列的N个偏转磁铁4中两个相邻偏转磁铁4之间，这里N为偶数大于或者等于4。在直线驱动机构的驱动下，直线移动机构3可带动静电偏转机构1和磁偏转机构2作直线移动，并使静电偏转机构1的引出端与回旋加速器中处于不同回旋半径的弧形射束对接，将该弧形射束引出到回旋加速器之外。由于处于不同回旋半径的射束所含粒子具有不同的能量，因而实现了射束粒子的能量可调。具体引出过程是，先用静电偏转机构1将引出射束偏转一个小的角度，再用磁偏转机构2将引出射束偏转一个大的角度，并保证最终引出射速与直线移动机构3的方向平行，从而实现了最终引出射束的轴心线保持空间位置不变。

本实施例中，如图1所示，一种医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统包括一个静电偏转机构1、一个磁偏转机构2和一个直线移动机构3。

静电偏转机构1如图2所示，包括一个切割板1-1和一个偏转板1-2，切割板1-1和偏转板1-2均为弧形，它们的弧形中心100重合，相对于弧形中心100，切割板1-1处于外侧，偏转板1-2处于内侧，切割板1-1处于地电势，其引入射束的一端做成薄的锥形；偏转板1-2处于高电势，其电性与被偏转射束携带电荷的电性相反。如被偏转的是携带正电荷质子束，则偏转板1-2处于负电压；如偏转的是携带负电荷的H^-粒子束，则偏转板1-2处于正电压，但考虑到对负氢离子有较方便的剥离电子引出法，故本专利更适用于引出正离子束。

如图3所示，所述磁偏转机构(2)包括一组上下磁极(2-1)、一组上下励磁线圈(2-2)和一个C形磁轭(2-3)，上下磁极(2-1)上下相对，上下励磁线圈(2-2)分别套在上下磁极(2-1)的外面，上下磁极(2-1)的上下面分别与C形磁轭(2-3)的两个支臂的内侧连接。上图是局部剖面图。

如图1和图3所示，所述直线移动机构(3)包括两根直线导轨(3-1)和两组每组两个滑块(3-2)，其中，两组每组两个滑块(3-2)分别与两根直线导轨(3-1)活动连接，两组每组两个滑块(3-2)与磁偏转机构(2)中的C形磁轭(2-3)下支臂的底面连接。

如图1所示，本实施例中，静电偏转机构1以某种方式与磁偏转机构2中C形磁轭2-3刚性连接，其中偏转板1-2与C形磁轭2-3的连接保持绝缘。这里“某种方式”是指静电偏转机构1与C形磁轭2-3的连接有多种方式，暂不限定具体连接方式。

如图2和图3所示，静电偏转机构1的弧形中心100与磁偏转机构2的射束偏转轴心201平行。因为它们都是垂直方向。

如图4所示，切割板1-1和偏转板1-2两侧立面的中点与磁偏转机构2的中心平面202重合。所谓中心平面是束流运行所在平面，位于上下磁极2-1间隙的正中。

如图5所示，使用能量可调束流引出系统引出的射束可划分为引入射束1001，静电偏转机构1的偏转射束1002、两个偏转机构之间的连接射束1003、磁偏转机构2偏转射束1004和引出射束1005，五段射束均与磁偏转机构的中心平面202重合，其中，引入射束1001为直线与静电偏转机构偏转射束1002相切相连，连接射束1003为直线分别与静电偏转机构偏转射束1002和磁偏转机构偏转射束1004相切相连，引出射束1005为直线与磁偏转机构偏转射束1004相切相连，并与直线移动机构3中的两根直线导轨3-1的方向平行。五段射束都是虚拟射束，用来界定静电偏转机构1、磁偏转机构2和直线移动机构3位置关系和偏转角度。

如图6所示，在C形磁轭2-3的背面加工有束流通道2-4，以保证引出射束1005不受阻碍地引出。如引出射束1005受C形磁轭2-3的磁力线干扰而改变方向，可采用其它方法纠正。

下面介绍能量可调束流引出系统与分离扇形回旋加速器的位置关系。

如图7所示，本实施例的一种医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统置于分离扇形回旋加速器中的按圆周等角度排列的N个偏转磁铁4中两个相邻的偏转磁铁之间，N≧4，为偶数。图中还标出了分离扇形回旋加速器的高频加速电极5和束流注入系统6。

如图8所示，磁铁偏转4磁偏转机构2结构基本相同，为了对其各部件进行正确地描述，磁铁偏转4的各组成部分前面加上“第二”以示区别，包括一组第二上下磁极4-1、一组第二上下励磁线圈4-2和一个第二C形磁轭4-3，第二上下磁极4-1上下相对，第二上下励磁线圈4-2分别套在第二上下磁极4-1的外面，第二上下磁极4-1的上下面分别与C形磁轭4-3的两个支臂的内侧连接。如图8所示是局部剖面图。

下面继续介绍能量可调束流引出系统与分离扇形回旋加速器的位置关系。

如图9所示，本实施例中，静电偏转机构1的弧形中心100和磁偏转机构2的射束偏转轴心201与回旋加速器的射束回旋轴心2001平行，并处于回旋加速器待引出弧形射束2002的外侧。

如图9所示，为显示方便，将一个偏转磁铁4移开了一个距离。

如图10所示，磁偏转机构2的中心平面202与回旋加速器的中心平面2003重合。回旋加速器的中心平面与磁偏转机构的中心平面的定义相同，为显示它们是重合的，用一个与它们平行的折面将它们连接起来。

如图11所示，静电偏转机构1处于回旋加速器中引出射束处扇形磁铁4中第二上下磁极4-1侧向外侧边缘，第二上下励磁线圈4-2之间。图11所示中，第二上励磁线圈4-2做了局部剖面处理。

如图12所示，本实施例中，直线移动机构3两根直线导轨3-1的方向与引出射束处扇形磁铁4中扇形的第二上下磁极4-1的与静电偏转机构1相邻一侧的侧壁平行。为显示方便，将第二C形磁轭4-3、第二上下磁极4-1和第二激励线圈4-2一开了一个距离。

分离扇形回旋加速器是等时性回旋加速器，按等时性条件，扇形磁极4-1的侧壁不是严格意义上的直线，但弯曲的角度很小，可视同为直线。即使扇形的第二上下磁极4-1的侧壁有小角度弯曲，并不影响本实施例的原理。

有了以上的准备，可以描述能量可调束流引出系统在分离扇形回旋加速器中的工作原理了。

如图13所示，在直线驱动机构的驱动下，直线移动机构3可带动磁偏转机构2连同静电偏转机构1作直线移动，并使能量可调束流引出系统中的虚拟引入射束1001与回旋加速器中经注入系统6注入的经高频加速电极5加速的处于不同回旋半径的待引出弧形射束2002相切相连，就可将该待引出弧形射束2002引出回旋加速器之外。

如图13所示，分离扇形回旋加速器注入系统的注入射束2004及运行轨迹，用来演示分离扇形回旋加速器各部件的功能。

鉴于处于不同回旋半径的待引出弧形的偏转射束2002所含粒子具有不同的能量，能量可调束流引出系统就实现了其能量可调的功能。当待偏转射束2002处于最大回旋半径时，偏转板1-2的电压最高，第二上下磁极4-1的磁场强度也最强；当待偏转射束2002的回旋半径缩小时，相应地调低偏转板1-2的电压和第二上下磁极4-1的磁场强度。

鉴于静电偏转机构1和磁偏转机构2可移动的距离以磁偏转机构2中的C形磁轭2-3不与回旋加速器中的磁轭4-3接触为限，从而确定了能量调节的幅度。实际放疗过程并不要求射线能量从0％～100％可调，从百分之几十至100％可调就可以了，这样可以尽量放大磁偏转机构2偏转射束的半径，以降低偏转磁极4-1的磁场强度。

鉴于限定了引出射束1005与直线移动机构3中的两根直线导轨3-1的方向平行，且磁偏转机构2、静电偏转机构1和直线移动机构3中的滑块3-2之间的相对位置是不变的，所以引出偏转射束1005的轴心线保持不变。这一点很重要，可以简化接下来的束流输运系统。

基于以上的介绍，进一步说明能量可调束流引出系统的设计思路。

如图14所示，回旋加速器待引出弧形射束2002的回旋半径可大可小，回旋半径越大，射束粒子能量越高，其磁刚度越大，偏转越不容易。若只用静电偏转机构1将高能粒子束偏转近90°，要求切割板1-1和一个偏转板1-2之间的电压差很大，这可能会导致击穿；若只用磁偏转机构2偏转射束，其偏转磁极4-1可能覆盖与待偏转射束2002相邻内侧的射束2005，导致其回旋轨道发生扰动。因此本实施例中，采用静电偏转机构1和磁偏转机构2的组合设计，先用静电偏转机构1将射束偏转一个小的角度，再用磁偏转机构2偏转更大的角度，这样可使磁极2-1远离相邻内圈射束2005。

如图14所示，切割板1-1介于待偏转射束2002和相邻内侧的射束2005之间，偏转板1-2位于待偏转射束2002外侧。

静电偏转机构1的弧形中心100和磁偏转机构2的射束偏转轴心201与回旋加速器的射束回旋轴心2001平行，并处于回旋加速器待引出弧形射束2002的外侧；磁偏转机构2的中心平面202与回旋加速器的中心平面2003重合；静电偏转机构1处于回旋加速器中引出射束处扇形磁铁4中扇形第二上下磁极4-1侧向外侧边缘，上下励磁线圈4-2之间；直线移动机构3两根直线导轨3-1的方向与引出射束处扇形磁铁4中扇形第二一上下磁极4-3的与静电偏转机构1相邻一侧的侧壁平行，在直线驱动机构的驱动下，直线移动机构3可带动磁偏转机构2连同静电偏转机构1作直线移动，并使能量可调束流引出系统的引入射束1001与回旋加速器中处于不同回旋半径的待引出弧形射束2002相切相连，可将该待引出弧形射束2002引出回旋加速器之外，鉴于处于不同回旋半径的待引出弧形射束2002所含粒子具有不同的能量，从而能量可调束流引出系统实现了能量可调的功能；鉴于静电偏转机构1和磁偏转机构2可移动的距离以磁偏转机构2中的C形磁轭2-3不与回旋加速器中的磁轭4-3接触为限，从而确定了能量调节的幅度；鉴于限定了引出射束1005与直线移动机构3中的两根直线导轨3-1的方向平行，从而保证了引出射束1005轴心线的空间位置不变。

Claims (9)

1.一种医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统，其特征在于：能量可调束流引出系统设置在分离扇形回旋加速器中的按圆周等角度排列的N个偏转磁铁(4)中两个相邻偏转磁铁(4)之间，N≧4，为偶数；包括：

一个静电偏转机构(1)、一个磁偏转机构(2)和一个直线移动机构(3)；

所述的静电偏转机构(1)和磁偏转机构(2)在直线移动机构(3)的直线导轨(3-1)作直线移动，所述静电偏转机构(1)的引出端与回旋加速器中处于不同回旋半径的弧形射束对接，将该弧形射束引出到回旋加速器之外。

2.根据权利要求1所述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统，其特征在于：

所述静电偏转机构(1)包括一个切割板(1-1)和一个偏转板(1-2)，所述切割板(1-1)和偏转板(1-2)均为弧形，其弧形中心(100)重合，相对于弧形中心(100)，切割板(1-1)处于外侧，偏转板(1-2)处于内侧，切割板(1-1)处于地电势，其引入射束的一端做成薄的锥形；偏转板(1-2)处于高电势，其电性与被偏转射束携带电荷的电性相反。

3.根据权利要求2所述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统，其特征在于：所述磁偏转机构(2)包括一组上下磁极(2-1)、一组上下励磁线圈(2-2)和一个C形磁轭(2-3)，上下磁极(2-1)上下相对，上下励磁线圈(2-2)分别套在上下磁极(2-1)的外面，上下磁极(2-1)的上下面分别与C形磁轭(2-3)的两个支臂的内侧连接。

4.根据权利要求3所述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统，其特征在于：所述直线移动机构(3)包括两根直线导轨(3-1)和两组每组两个滑块(3-2)，两组每组两个滑块(3-2)分别与两根直线导轨(3-1)活动连接；所述两组每组两个滑块(3-2)与磁偏转机构(2)中的C形磁轭(2-3)下支臂的底面连接。

5.根据权利要求4所述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统，其特征在于：所述静电偏转机构(1)与磁偏转机构(2)中C形磁轭(2-3)刚性连接，所述偏转板(1-2)与C形磁轭(2-3)的连接保持绝缘；所述静电偏转机构(1)的弧形中心(100)与磁偏转机构(2)的射束偏转轴心(201)平行；所述切割板(1-1)和偏转板(1-2)两侧立面的中点落在磁偏转机构(2)的中心平面(202)上。

6.根据权利要求5所述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统，其特征在于：所述能量可调束流引出系统的引出射束包括引入射束(1001)、静电偏转机构偏转射束(1002)、两个偏转机构之间的连接射束(1003)、磁偏转机构(2)偏转射束(1004)和引出射束(1005)；所有能量可调束流引出系统的引出射束在所述磁偏转机构(2)的中心平面(202)上，引入射束(1001)为直线与所述静电偏转机构偏转射束(1002)相切相连，连接射束(1003)为直线分别与静电偏转机构偏转射束(1002)和磁偏转机构偏转射束(1004)相切相连，引出射束(1005)为直线与磁偏转机构偏转射束(1004)相切相连，并与直线移动机构(3)中的两根直线导轨(3-1)的方向平行。

7.根据权利要求6所述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统，其特征在于：所述分离扇形回旋加速器的磁铁偏转(4)包括一组第二上下磁极(4-1)、一组第二上下励磁线圈(4-2)和一个第二C形磁轭(4-3)，第二上下磁极(4-1)上下相对，第二上下励磁线圈(4-2)分别套在第二上下磁极(4-1)的外面，第二上下磁极(4-1)的上下面分别与第二C形磁轭(4-3)的两个支臂的内侧连接。

8.根据权利要求7所述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统，其特征在于：所述的静电偏转机构(1)的弧形中心(100)和磁偏转机构(2)的射束偏转轴心(201)与回旋加速器的射束回旋轴心(2001)平行，并处于回旋加速器待引出弧形射束(2002)的外侧；所述的磁偏转机构(2)的中心平面(202)与回旋加速器的中心平面(2003)重合；所述静电偏转机构(1)处于回旋加速器中引出射束处扇形磁铁(4)中第二上下磁极(4-1)侧向外侧边缘，第二上下励磁线圈(4-2)之间；所述直线移动机构(3)两根直线导轨(3-1)的方向与引出射束处扇形磁铁(4)中扇形磁极(4-1)的与静电偏转机构(1)相邻一侧的侧壁平行。

9.根据权利要求7所述的医用分离扇形回旋加速器中的能量可调束流引出系统，其特征在于：所述磁偏转机构(2)连同静电偏转机构(1)在直线移动机构(3)上作直线移动，所述能量可调束流引出系统的引入射束(1001)与回旋加速器中处于不同回旋半径的待引出弧形射束(2002)相切相连。

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