CN115175428A - 基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置及其实现方法。本发明在扇形磁铁之后设置导向磁铁，为高于中心能量和低于中心能量的质子束的聚焦分开调节，分别提供合适的聚焦力，将扇形磁铁之后的四极透镜中质子束的包络降低一半，显著降低四极透镜的建造成本，同时克服扇形磁铁之后的四极透镜中高于中心能量的质子束的聚焦力不足且低于中心能量的质子束聚焦力过大导致辐照终端质子束分布畸形的应用障碍，实现质子束的均匀化传输和应用。

Description

基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及质子束传输与激光加速器应用技术，具体涉及一种基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置及其实现方法。

背景技术

激光等离子体作用可以将加速梯度提高到100GV/m的量级，现已获得近百MeV质子以及数GeV电子输出，有望成为应用在多个领域的新一代紧凑、低成本加速器。

激光驱动质子束具有μm量级尺寸、大能散(～100％)、大散角等特点，应用前景广阔，包括同位素生产、质子照相、生物辐照等。由于激光等离子体作用的不稳定性产生的质子束的能量、能散、电量等有一定波动，需要利用束线传输质子束到应用端，在传输过程中诊断、控制质子束的能量、能散、电量等，整形能谱，调控质子束的空间分布，保障应用端剂量分布均匀性。这要求激光驱动质子束的传输束线具有聚焦、选能等功能。

激光驱动质子束的散角通常超过～100mrad，需要先用聚焦元件收集。由四极磁铁组成的四极透镜是最常用的聚焦元件。经过四极透镜收集后，质子束的能散仍然较大，需要利用扇形磁铁分析能量、选择能量范围、整形能谱，再经过四极透镜聚焦、调控质子束的空间分布，输送到应用端。

选能要求不同能量质子束在空间上分开，导致质子束进入扇形磁铁之后的四极透镜时包络较大，四极透镜的制造成本增加。另外色差效应导致扇形磁铁之后的四极透镜中高于中心能量的质子束的聚焦力不足、低于中心能量的质子束聚焦力过大，引起应用端质子束分布畸形。需要利用技术设计，降低扇形磁铁之后的四极透镜中的束流包络，克服色差效应对质子束分布均匀性的不利影响。

发明内容

围绕激光驱动质子束传输与应用的要求，为了降低扇形磁铁之后的四极透镜中的束流包络，克服色差效应对质子束分布均匀性的不利影响，本发明提出了一种基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置及其实现方法。

在激光靶室内，激光脉冲与靶相互作用，产生微米量级的质子束，激光脉冲与靶的作用点称为靶点；激光靶室为真空环境，质子束产生后沿管道传输。

本发明的一个目的在于提出一种基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置。

本发明的基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置，沿着质子束的前进方向依次包括：第一四极透镜、扇形磁铁、导向磁铁和第二四极透镜；其中，在坐标系XYZ中，X轴代表水平方向，Y轴代表竖直方向，Z轴指向质子束的前进方向，为纵向；第一四极透镜和第二四极透镜均沿着Z方向；扇形磁铁的磁场方向沿Y方向；第一四极透镜的入口正对着靶点；第二四极透镜的出口正对着辐照终端；第一四极透镜的入口与靶点之间具有第一漂浮段，第一漂浮段的长度为L₁；第一四极透镜的出口与扇形磁铁的入口之间具有第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；扇形磁铁的出口与经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点之间具有第三漂浮段，第三漂浮段的长度为L₃；经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点与第二四极透镜的入口之间具有第四漂浮段，第四漂浮段的长度为L₄；第二四极透镜的出口与辐照终端之间具有第五漂浮段，第五漂浮段的长度为L₅；

激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的质子束，经过第一漂浮段进入第一四极透镜，第一四极透镜对质子束聚焦；质子束经过第二漂浮段后进入扇形磁铁，扇形磁铁对质子束偏转，不同能量的质子束的偏转半径不同，能量大的质子束的偏转半径大，能量小的质子束的偏转半径小；质子束经过第三漂浮段后，不同能量的质子束沿X方向分开；

相同能量但不同初始散角的质子束经过扇形磁铁偏转后汇聚于像点；在色差效应的影响下，经扇形磁铁偏转后不同能量的质子束的像点在ZX平面内X轴和Z轴的位置都不同；经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点位于X轴上，高于中心能量的质子束的像点位于X轴的正半轴，低于中心能量的质子束的像点位于X轴的负半轴，能量越高的质子束的像点的位置在Z轴的数值越大；沿不同能量的质子束在ZX平面内的像点设置导向磁铁；导向磁铁包括互相平行放置的相同的两个磁极面，导向磁铁的每个磁极面平行于ZX平面，导向磁铁的两个磁极面之间有距离，分别位于Y轴的正方向和负方向；导向磁铁的每个磁极面包括第一三角形和第二三角形，第一和第二三角形具有共同顶点并相对放置，分别位于X轴的正半轴和负半轴，共同顶点在Y＝0处的ZX平面上的投影为经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点处的坐标系XYZ的原点；第一和第二三角形的第一个边是入口边，第二个边是出口边，第三个边与Z轴平行，位于X轴的正半轴的第一三角形的入口边和出口边的直线斜率分别是k₁和k₂，位于X轴的负半轴的第二三角形的入口边和出口边的直线斜率分别是k₃和k₄；第一三角形和第二三角形的顶角的角平分线沿着不同能量的质子束在ZX平面内的像点，不同能量的质子束在ZX平面内的像点在导向磁铁内；导向磁铁中的磁场为均匀磁场，第一三角形中磁场方向沿Y轴的正半轴，第二三角形中磁场方向沿Y轴的负半轴；

经过扇形磁铁偏转后，质子束到达导向磁铁，能散越大的质子束在X方向的位置的绝对值越大，距离束线中心线越远，在导向磁铁中经过的磁场区域越大，受到的聚焦力越大；通过调整第一三角形的入口边和出口边的直线斜率k₁和k₂以及导向磁铁的磁场强度，使高于中心能量的质子束在辐照终端在X方向的分布中心位于X轴的原点；并且，通过调整第二三角形的入口边和出口边的直线斜率k₃和k₄以及导向磁铁的磁场强度，使低于中心能量的质子束在辐照终端在X方向的分布中心位于X轴的原点；导向磁铁对Y方向的传输没有影响；

质子束经过第四漂浮段到达第二四极透镜，第二四极透镜对质子束聚焦，质子束经第五漂浮段后到达辐照终端；高于中心能量和低于中心能量的质子束的聚焦分开调节，克服没有导向磁铁时在扇形磁铁之后的第二四极透镜中高于中心能量的质子束的聚焦力不足且低于中心能量的质子束的聚焦力过大导致辐照终端的质子束分布畸形的障碍，实现质子束的均匀化，同时显著降低第二四极透镜中质子束包络，降低建造成本。

进一步，还包括狭缝，狭缝设置在导向磁铁的入口或出口；通过调整狭缝在X方向上的位置，选择能量范围；通过调整狭缝在Y方向上的宽度，选择各个能量质子束的通过比例，从而整形能谱。

从靶点出来的质子束均在管道中传输，管道中保持真空，从磁极面的间隙中穿过；并且质子束的路径上不设置任何障碍。

第一四极透镜采用N元四极透镜，包括N个沿着Z方向的四极磁铁；第二四极透镜采用R元四极透镜，包括R个沿着Z方向的四极磁铁，N为≥3的自然数，R为≥2的自然数。

第一漂浮段的长度L₁越大，质子束进入第一四极透镜时的尺寸越大，质子束在第一四极透镜中的包络越大，0.1m≤L₁≤0.3m；第二漂浮段的长度L₂包含第一四极透镜聚焦后中心能量的质子束到达聚焦点需要的漂浮长度以及进入扇形磁铁前的漂浮长度，取值范围为3m≤L₂≤4m；第三漂浮段的长度L₃是中心能量的质子束离开扇形磁铁达到像点时要求的漂浮距离，取值范围为1.3m≤L₃≤1.8m；第四漂浮段的长度L₄为导向磁铁提供空间，取值范围为0.7m≤L₄≤0.9m；第五漂浮段的长度L₅为质子束满足应用需求提供空间，取值范围为0.5m≤L₅≤1.5m。

第一三角形的入口边的直线斜率k₁的取值范围为0.11～0.17，第一三角形的出口边的直线斜率k₂的取值范围为0.07～0.12；第二三角形的入口边的直线斜率k₃的取值范围为0.1～0.14，第二三角形的出口边的直线斜率k₄的取值范围为0.2～0.3。

本发明的另一个目的在于提出一种基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置的实现方法。

本发明的基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置的实现方法，包括以下步骤：

1)装置设置：

沿着质子束的前进方向依次包括：第一四极透镜、扇形磁铁、导向磁铁和第二四极透镜；其中，在坐标系XYZ中，X轴代表水平方向，Y轴代表竖直方向，Z轴指向质子束的前进方向，为纵向；第一四极透镜和第二四极透镜均沿着Z方向；扇形磁铁的磁场方向沿Y方向；第一四极透镜的入口正对着靶点；第二四极透镜的出口正对着辐照终端；第一四极透镜的入口与靶点之间具有第一漂浮段，第一漂浮段的长度为L₁；第一四极透镜的出口与扇形磁铁的入口之间具有第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；扇形磁铁的出口与经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点之间具有第三漂浮段，第三漂浮段的长度为L₃；经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点与第二四极透镜的入口之间具有第四漂浮段，第四漂浮段的长度为L₄；第二四极透镜的出口与辐照终端之间具有第五漂浮段，第五漂浮段的长度为L₅；

2)设计导向磁铁：

沿不同能量的质子束在ZX平面内的像点设置导向磁铁；导向磁铁包括互相平行放置的相同的两个磁极面，导向磁铁的每个磁极面平行于ZX平面，导向磁铁的两个磁极面之间有距离，分别位于Y轴的正方向和负方向；导向磁铁的每个磁极面包括第一三角形和第二三角形，第一和第二三角形具有共同顶点并相对放置，分别位于X轴的正半轴和负半轴，共同顶点在Y＝0处的ZX平面上的投影为经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点处的坐标系XYZ的原点；第一和第二三角形的第一个边是入口边，第二个边是出口边，第三个边与Z轴平行，位于X轴的正半轴的第一三角形的入口边和出口边的直线斜率分别是k₁和k₂，位于X轴的负半轴的第二三角形的入口边和出口边的直线斜率分别是k₃和k₄；第一三角形和第二三角形的顶角的角平分线沿着不同能量的质子束在ZX平面内的像点，不同能量的质子束在ZX平面内的像点在导向磁铁内；导向磁铁中的磁场为均匀磁场，第一三角形中磁场方向沿Y轴的正半轴，第二三角形中磁场方向沿Y轴的负半轴；

3)激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的质子束，经过第一漂浮段进入第一四极透镜，第一四极透镜对质子束聚焦；质子束经过第二漂浮段后进入扇形磁铁，扇形磁铁对质子束偏转，不同能量的质子束的偏转半径不同，能量大的质子束的偏转半径大，能量小的质子束的偏转半径小；质子束经过第三漂浮段后，不同能量的质子束沿X方向分开；

4)相同能量但不同初始散角的质子束经过扇形磁铁偏转后汇聚于像点；在色差效应的影响下，经扇形磁铁偏转后不同能量的质子束的像点在ZX平面内X轴和Z轴的位置都不同；经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点位于X轴上，高于中心能量的质子束的像点位于X轴的正半轴，低于中心能量的质子束的像点位于X轴的负半轴，能量越高的质子束的像点的位置在Z轴的数值越大；

5)经过扇形磁铁偏转后，质子束到达导向磁铁，能散越大的质子束在X方向的位置的绝对值越大，距离束线中心线越远，在导向磁铁中经过的磁场区域越大，受到的聚焦力越大；通过调整导向磁铁的磁场强度，使高于中心能量的质子束在辐照终端在X方向的分布中心位于X轴的原点；并且，通过导向磁铁的磁场强度，使低于中心能量的质子束在辐照终端在X方向的分布中心位于X轴的原点；导向磁铁对Y方向的传输没有影响；

6)质子束经过第四漂浮段到达第二四极透镜，第二四极透镜对质子束聚焦，质子束经第五漂浮段后到达辐照终端；高于中心能量和低于中心能量的质子束的聚焦分开调节，克服没有导向磁铁时在扇形磁铁之后的第二四极透镜中高于中心能量的质子束的聚焦力不足且低于中心能量的质子束的聚焦力过大导致辐照终端的质子束分布畸形的障碍，实现质子束的均匀化，同时显著降低第二四极透镜中质子束包络，降低建造成本。

其中，在步骤2)中，在确定的磁场强度下，第一三角形的入口边的直线斜率k₁增大且第一三角形的出口边的直线斜率k₂减小，高于中心能量的质子束经过的磁场区域变大，得到的聚焦力变强，到达辐照终端时向X轴的负方向偏移；并且，在确定的磁场强度下，第二三角形的入口边的直线斜率k₃减小且第二三角形的出口边的直线斜率k₄增大，低于中心能量的质子束经过的磁场区域变大，得到的聚焦力变强，到达辐照终端时向X轴的正方向偏移。

在步骤5)中，通过调节电流的强度，调整导向磁铁的磁场强度。高于中心能量的质子束的调整：第一三角形的入口边和出口边的直线斜率k₁和k₂确定时，磁场强度增加，高于中心能量的质子束得到的聚焦力变强，到达辐照终端时向X轴的负方向偏移。低于中心能量的质子束的调整：第二三角形的入口边和出口边的直线斜率k₃和k₄确定时，低于中心能量的质子束磁场强度增加，得到的聚焦力变强，到达辐照终端时向X轴的正方向偏移。

本发明的优点：

本发明在扇形磁铁之后设置导向磁铁，为高于中心能量和低于中心能量的质子束提供合适的聚焦力，将扇形磁铁之后的四极透镜中质子束包络降低一半，显著降低四极透镜的建造成本，同时克服扇形磁铁之后的四极透镜中高于中心能量的质子束的聚焦力不足且低于中心能量的质子束聚焦力过大导致辐照终端质子束分布畸形的应用障碍，实现质子束的均匀化传输和应用。

附图说明

图1为本发明的基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置的一个实施例的示意图；

图2为本发明的基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置中经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点处的坐标系XYZ中ZX平面内导向磁铁的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置，沿着质子束的前进方向依次包括：第一四极透镜、扇形磁铁B、导向磁铁D和第二四极透镜；其中，在坐标系XYZ中，X轴代表水平方向，Y轴代表竖直方向，Z轴指向质子束的前进方向，为纵向；第一四极透镜采用三元四极透镜包括沿着Z方向的第一、第二和第三四极磁铁Q1、Q2和Q3；第二四极透镜采用二元四极透镜包括沿着Z方向的第四和第五四极磁铁Q4和Q5；扇形磁铁B的磁场方向沿Y方向；第一四极透镜的入口正对着靶点T；第二四极透镜的出口正对着辐照终端；第一四极透镜的入口与靶点T之间具有第一漂浮段，第一漂浮段的长度L₁＝0.2m；第一四极透镜的出口与扇形磁铁B的入口之间具有第二漂浮段，第二漂浮段的长度L₂＝3.57m；扇形磁铁B的出口与经扇形磁铁B偏转后中心能量的质子束的像点之间具有第三漂浮段，第三漂浮段的长度L₃＝1.57m；经扇形磁铁B偏转后中心能量的质子束的像点M与第二四极透镜的入口之间具有第四漂浮段，第四漂浮段的长度L₄＝0.8m；第二四极透镜的出口与辐照终端P之间具有第五漂浮段，第五漂浮段的长度L₅＝1m；从靶点T出来的质子束均在管道G中传输，管道中保持真空，质子束包络E从三元四极透镜、扇形磁铁B、导向磁铁D和二元四级透镜的磁极面间隙中穿过，到达辐照终端P；并且质子束的路径上不设置任何障碍。

在本实施例中，传输20MeV质子束时导向磁铁D的磁场强度为0.15T，边界斜率k₁＝0.148，k₂＝0.092，k₃＝0.12，k₄＝0.242。图1中的质子束包络E包括X方向和Y方向的传输包络，能散10％且散角100mrad的质子束在X方向的传输包络用实线表示，在Y方向的传输包络用虚线表示。经过导向磁铁D辅助聚焦后，质子束在扇形磁铁B之后的二元四极透镜中的包络显著降低，在辐照终端的分布均匀性得到改善。

本实施例的基于导向磁铁D的质子束传输与均匀化装置的实现方法，包括以下步骤：

1)装置设置如图1所示；

2)设计导向磁铁D：

如图2所示，沿不同能量的质子束在ZX平面内的像点设置导向磁铁D；导向磁铁D包括互相平行放置的相同的两个磁极面，导向磁铁D的每个磁极面平行于ZX平面，导向磁铁D的两个磁极面之间有距离，分别位于Y轴的正方向和负方向；导向磁铁D的每个磁极面包括第一三角形和第二三角形，第一和第二三角形具有共同顶点并相对放置，分别位于X轴的正半轴和负半轴，共同顶点在Y＝0处的ZX平面上的投影为O，O与M重合，O为经扇形磁铁B偏转后中心能量的质子束的像点处的坐标系XYZ的原点；第一和第二三角形的第一个边是入口边，第二个边是出口边，第三个边与Z轴平行，位于X轴的正半轴的第一三角形的入口边和出口边的直线斜率分别是k₁和k₂，位于X轴的负半轴的第二三角形的入口边和出口边的直线斜率分别是

k₃和k₄；在确定的磁场强度下，第一三角形的入口边的直线斜率k₁增大且第一三角形的出口边的直线斜率k₂减小，高于中心能量的质子束经过的磁场区域变大，得到的聚焦力变强，到达辐照终端时向X轴的负方向偏移；并且，在确定的磁场强度下，第二三角形的入口边的直线斜率k₃减小且第二三角形的出口边的直线斜率k₄增大，低于中心能量的质子束经过的磁场区域变大，得到的聚焦力变强，到达辐照终端时向X轴的正方向偏移；第一三角形和第二三角形的顶角的角平分线沿着不同能量的质子束在ZX平面内的像点，不同能量的质子束在ZX平面内的像点在导向磁铁D内；导向磁铁D中的磁场为均匀磁场，第一三角形中磁场方向沿Y轴的正半轴，第二三角形中磁场方向沿Y轴的负半轴；

3)激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的质子束，经过第一漂浮段进入第一四极透镜，第一四极透镜对质子束聚焦；质子束经过第二漂浮段后进入扇形磁铁B，扇形磁铁B对质子束偏转，不同能量的质子束的偏转半径不同，能量大的质子束的偏转半径大，能量小的质子束的偏转半径小；质子束经过第三漂浮段后，不同能量的质子束沿坐标系XYZ的X方向分开；

4)相同能量但不同初始散角的质子束经过扇形磁铁B偏转后汇聚于像点；在色差效应的影响下，经扇形磁铁B偏转后不同能量的质子束的像点在ZX平面内X轴和Z轴的位置都不同；经扇形磁铁B偏转后中心能量的质子束的像点M位于X轴上，高于中心能量的质子束的像点位于X轴的正半轴，低于中心能量的质子束的像点位于X轴的负半轴，能量越高的质子束的像点的位置在Z轴的数值越大；

5)经过扇形磁铁B偏转后，质子束到达导向磁铁D，能散越大的质子束在X方向的位置的绝对值越大，距离束线中心线越远，在导向磁铁D中经过的磁场区域越大，受到的聚焦力越大；通过调节电流的强度，调整导向磁铁D的磁场强度，第一三角形的入口边和出口边的直线斜率k₁和k₂确定时，磁场强度增加，高于中心能量的质子束得到的聚焦力变强，到达辐照终端时向X轴的负方向偏移，使高于中心能量的质子束在辐照终端在X方向的分布中心位于X轴的原点；并且，通过调整导向磁铁D的磁场强度，第二三角形的入口边和出口边的直线斜率k₃和k₄确定时，低于中心能量的质子束磁场强度增加，得到的聚焦力变强，到达辐照终端时向X轴的正方向偏移，使低于中心能量的质子束在辐照终端在X方向的分布中心位于X轴的原点；导向磁铁D对Y方向的传输没有影响；

6)质子束经过第四漂浮段到达第二四极透镜，第二四极透镜对质子束聚焦，质子束经第五漂浮段后到达辐照终端；高于中心能量和低于中心能量的质子束的聚焦分开调节，克服没有导向磁铁D时在扇形磁铁B之后的第二四极透镜中高于中心能量的质子束的聚焦力不足且低于中心能量的质子束的聚焦力过大导致辐照终端的质子束分布畸形的障碍，实现质子束的均匀化，同时显著降低第二四极透镜中质子束包络，

降低建造成本。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置，在激光靶室内，激光脉冲与靶相互作用，产生微米量级的质子束，激光脉冲与靶的作用点称为靶点；激光靶室为真空环境，质子束产生后沿管道传输；管道中保持真空，质子束从所述基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置的磁极面间隙中穿过，到达辐照终端，在质子束的路径上不设置任何障碍，其特征在于，所述基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置，沿着质子束的前进方向依次包括：第一四极透镜、扇形磁铁、导向磁铁和第二四极透镜；其中，在坐标系XYZ中，X轴代表水平方向，Y轴代表竖直方向，Z轴指向质子束的前进方向，为纵向；第一四极透镜和第二四极透镜均沿着Z方向；扇形磁铁的磁场方向沿Y方向；第一四极透镜的入口正对着靶点；第二四极透镜的出口正对着辐照终端；第一四极透镜的入口与靶点之间具有第一漂浮段，第一漂浮段的长度为L₁；第一四极透镜的出口与扇形磁铁的入口之间具有第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；扇形磁铁的出口与经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点之间具有第三漂浮段，第三漂浮段的长度为L₃；经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点与第二四极透镜的入口之间具有第四漂浮段，第四漂浮段的长度为L₄；第二四极透镜的出口与辐照终端之间具有第五漂浮段，第五漂浮段的长度为L₅；

激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的质子束，经过第一漂浮段进入第一四极透镜，第一四极透镜对质子束聚焦；质子束经过第二漂浮段后进入扇形磁铁，扇形磁铁对质子束偏转，不同能量的质子束的偏转半径不同，能量大的质子束的偏转半径大，能量小的质子束的偏转半径小；质子束经过第三漂浮段后，不同能量的质子束沿X方向分开；

相同能量但不同初始散角的质子束经过扇形磁铁偏转后汇聚于像点；在色差效应的影响下，经扇形磁铁偏转后不同能量的质子束的像点在ZX平面内X轴和Z轴的位置都不同；经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点位于X轴上，高于中心能量的质子束的像点位于X轴的正半轴，低于中心能量的质子束的像点位于X轴的负半轴，能量越高的质子束的像点的位置在Z轴的数值越大；沿不同能量的质子束在ZX平面内的像点设置导向磁铁；导向磁铁包括互相平行放置的相同的两个磁极面，导向磁铁的每个磁极面平行于ZX平面，导向磁铁的两个磁极面之间有距离，分别位于Y轴的正方向和负方向；导向磁铁的每个磁极面包括第一三角形和第二三角形，第一和第二三角形具有共同顶点并相对放置，分别位于X轴的正半轴和负半轴，共同顶点在Y＝0处的ZX平面上的投影为经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点处的坐标系XYZ的原点；第一和第二三角形的第一个边是入口边，第二个边是出口边，第三个边与Z轴平行，位于X轴的正半轴的第一三角形的入口边和出口边的直线斜率分别是k₁和k₂，位于X轴的负半轴的第二三角形的入口边和出口边的直线斜率分别是k₃和k₄；第一三角形和第二三角形的顶角的角平分线沿着不同能量的质子束在ZX平面内的像点，不同能量的质子束在ZX平面内的像点在导向磁铁内；导向磁铁中的磁场为均匀磁场，第一三角形中磁场方向沿Y轴的正半轴，第二三角形中磁场方向沿Y轴的负半轴；

经过扇形磁铁偏转后，质子束到达导向磁铁，能散越大的质子束在X方向的位置的绝对值越大，距离束线中心线越远，在导向磁铁中经过的磁场区域越大，受到的聚焦力越大；通过调整第一三角形的入口边和出口边的直线斜率k₁和k₂以及导向磁铁的磁场强度，使高于中心能量的质子束在辐照终端在X方向的分布中心位于X轴的原点；并且，通过调整第二三角形的入口边和出口边的直线斜率k₃和k₄以及导向磁铁的磁场强度，使低于中心能量的质子束在辐照终端在X方向的分布中心位于X轴的原点；导向磁铁对Y方向的传输没有影响；

质子束经过第四漂浮段到达第二四极透镜，第二四极透镜对质子束聚焦，质子束经第五漂浮段后到达辐照终端；高于中心能量和低于中心能量的质子束的聚焦分开调节，克服没有导向磁铁时在扇形磁铁之后的第二四极透镜中高于中心能量的质子束的聚焦力不足且低于中心能量的质子束的聚焦力过大导致辐照终端的质子束分布畸形的障碍，实现质子束的均匀化，同时显著降低第二四极透镜中质子束包络，降低建造成本。

2.如权利要求1所述的基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置，其特征在于，还包括狭缝，所述狭缝设置在导向磁铁的入口或出口；通过调整狭缝在X方向上的位置，选择能量范围；通过调整狭缝在Y方向上的宽度，选择各个能量质子束的通过比例，从而整形能谱。

3.如权利要求1所述的基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置，其特征在于，所述第一四极透镜采用N元四极透镜，包括N个沿着Z方向的四极磁铁，N为≥3的自然数。

4.如权利要求1所述的基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置，其特征在于，所述第二四极透镜采用R元四极透镜，包括R个沿着Z方向的四极磁铁，R为≥2的自然数。

5.如权利要求1所述的基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置，其特征在于，所述第一漂浮段的长度L₁越大，质子束进入第一四极透镜时的尺寸越大，质子束在第一四极透镜中的包络越大，0.1m≤L₁≤0.3m；第二漂浮段的长度L₂包含第一四极透镜聚焦后中心能量的质子束到达聚焦点需要的漂浮长度以及进入扇形磁铁前的漂浮长度，3m≤L₂≤4m；第三漂浮段的长度L₃是中心能量的质子束离开扇形磁铁达到像点时要求的漂浮距离，1.3m≤L₃≤1.8m；第四漂浮段的长度L₄为导向磁铁提供空间，0.7m≤L₄≤0.9m；第五漂浮段的长度L₅为质子束满足应用需求提供空间，0.5m≤L₅≤1.5m。

6.如权利要求1所述的基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置，其特征在于，所述第一三角形的入口边的直线斜率k₁的取值范围为0.11～0.17，第一三角形的出口边的直线斜率k₂的取值范围为0.07～0.12；第二三角形的入口边的直线斜率k₃的取值范围为0.1～0.14，第二三角形的出口边的直线斜率k₄的取值范围为0.2～0.3。

7.一种如权利要求1所述的基于导向磁铁的质子束传输与均匀化装置的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

1)装置设置：

沿着质子束的前进方向依次包括：第一四极透镜、扇形磁铁、导向磁铁和第二四极透镜；其中，在坐标系XYZ中，X轴代表水平方向，Y轴代表竖直方向，Z轴指向质子束的前进方向，为纵向；第一四极透镜和第二四极透镜均沿着Z方向；扇形磁铁的磁场方向沿Y方向；第一四极透镜的入口正对着靶点；第二四极透镜的出口正对着辐照终端；第一四极透镜的入口与靶点之间具有第一漂浮段，第一漂浮段的长度为L₁；第一四极透镜的出口与扇形磁铁的入口之间具有第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；扇形磁铁的出口与经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点之间具有第三漂浮段，第三漂浮段的长度为L₃；经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点与第二四极透镜的入口之间具有第四漂浮段，第四漂浮段的长度为L₄；第二四极透镜的出口与辐照终端之间具有第五漂浮段，第五漂浮段的长度为L₅；

2)设计导向磁铁：

沿不同能量的质子束在ZX平面内的像点设置导向磁铁；导向磁铁包括互相平行放置的相同的两个磁极面，导向磁铁的每个磁极面平行于ZX平面，导向磁铁的两个磁极面之间有距离，分别位于Y轴的正方向和负方向；导向磁铁的每个磁极面包括第一三角形和第二三角形，第一和第二三角形具有共同顶点并相对放置，分别位于X轴的正半轴和负半轴，共同顶点在Y＝0处的ZX平面上的投影为经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点处的坐标系XYZ的原点；第一和第二三角形的第一个边是入口边，第二个边是出口边，第三个边与Z轴平行，位于X轴的正半轴的第一三角形的入口边和出口边的直线斜率分别是k₁和k₂，位于X轴的负半轴的第二三角形的入口边和出口边的直线斜率分别是k₃和k₄；第一三角形和第二三角形的顶角的角平分线沿着不同能量的质子束在ZX平面内的像点，不同能量的质子束在ZX平面内的像点在导向磁铁内；导向磁铁中的磁场为均匀磁场，第一三角形中磁场方向沿Y轴的正半轴，第二三角形中磁场方向沿Y轴的负半轴；

3)激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的质子束，经过第一漂浮段进入第一四极透镜，第一四极透镜对质子束聚焦；质子束经过第二漂浮段后进入扇形磁铁，扇形磁铁对质子束偏转，不同能量的质子束的偏转半径不同，能量大的质子束的偏转半径大，能量小的质子束的偏转半径小；质子束经过第三漂浮段后，不同能量的质子束沿X方向分开；

4)相同能量但不同初始散角的质子束经过扇形磁铁偏转后汇聚于像点；在色差效应的影响下，经扇形磁铁偏转后不同能量的质子束的像点在ZX平面内X轴和Z轴的位置都不同；经扇形磁铁偏转后中心能量的质子束的像点位于X轴上，高于中心能量的质子束的像点位于X轴的正半轴，低于中心能量的质子束的像点位于X轴的负半轴，能量越高的质子束的像点的位置在Z轴的数值越大；

5)经过扇形磁铁偏转后，质子束到达导向磁铁，能散越大的质子束在X方向的位置的绝对值越大，距离束线中心线越远，在导向磁铁中经过的磁场区域越大，受到的聚焦力越大；通过调整导向磁铁的磁场强度，使高于中心能量的质子束在辐照终端在X方向的分布中心位于X轴的原点；并且，通过导向磁铁的磁场强度，使低于中心能量的质子束在辐照终端在X方向的分布中心位于X轴的原点；导向磁铁对Y方向的传输没有影响；

6)质子束经过第四漂浮段到达第二四极透镜，第二四极透镜对质子束聚焦，质子束经第五漂浮段后到达辐照终端；高于中心能量和低于中心能量的质子束的聚焦分开调节，克服没有导向磁铁时在扇形磁铁之后的第二四极透镜中高于中心能量的质子束的聚焦力不足且低于中心能量的质子束的聚焦力过大导致辐照终端的质子束分布畸形的障碍，实现质子束的均匀化，同时显著降低第二四极透镜中质子束包络，降低建造成本。

8.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，在步骤2)中，在确定的磁场强度下，第一三角形的入口边的直线斜率k₁增大且第一三角形的出口边的直线斜率k₂减小，高于中心能量的质子束经过的磁场区域变大，得到的聚焦力变强，到达辐照终端时向X轴的负方向偏移；并且，在确定的磁场强度下，第二三角形的入口边的直线斜率k₃减小且第二三角形的出口边的直线斜率k₄增大，低于中心能量的质子束经过的磁场区域变大，得到的聚焦力变强，到达辐照终端时向X轴的正方向偏移。

9.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，在步骤5)中，对高于中心能量的质子束的调整：第一三角形的入口边和出口边的直线斜率k₁和k₂确定时，磁场强度增加，高于中心能量的质子束得到的聚焦力变强，到达辐照终端时向X轴的负方向偏移。

10.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，在步骤5)中，对低于中心能量的质子束的调整：第二三角形的入口边和出口边的直线斜率k₃和k₄确定时，低于中心能量的质子束磁场强度增加，得到的聚焦力变强，到达辐照终端时向X轴的正方向偏移。

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