CN115397085B - 一种可实现多终端配送的360°常温旋转束线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可实现多终端配送的360°常温旋转束线，包括引出配送段、常温旋转段、治疗室直通段和旋转支架；引出配送段被构造为适于对来自前级加速器的束流进行包络和色散调制；常温旋转段被构造为适于把来自引出配送段的束流从水平方向导入垂直方向，且常温旋转段安装在旋转支架上；治疗室直通段与常温旋转段之间存在一空气段，来自常温旋转段的束流穿越空气段后射入治疗室直通段，最后通过治疗室直通段将调制后的束流导入不同角度的终端。本发明极大减少了加速器至不同终端之间束流配送线的数量，有利于大幅降低加速器系统的束线数量，从而降低建造成本；同时，由于仅有一条束线，整个系统布局更为紧凑，更有利于减小整个系统的规模。

Description

一种可实现多终端配送的360°常温旋转束线

技术领域

本发明涉及一种可实现多终端配送的360°常温旋转束线，属于医疗及辐照技术领域。

背景技术

自第一台静电加速器问世以来，随着科学技术的不断进步，回旋、同步、直线、激光等各类不同类型的加速器装置陆续被设计并建造成功，离子束能量也从最初的KeV量级不断提高到了目前的TeV量级。但无论哪种类型的离子加速器，除了加速器内靶实验外，毫无例外都需要采用束流配送线将加速器引出的离子束配送到实验终端，因此几乎所有加速器实验终端均需要建造至少一条束流配送线。

近年来，由于碳离子较电子和质子具有更优的相对生物效应，即碳离子能够产生难以修复的DNA双链断裂(Double strand break，DSB)，因此碳离子治癌装置已成为癌症治疗的最佳选择。基于治疗需要，不同部位肿瘤的治疗需要治配置不同入射角度的固定治疗终端，目前最常见的固定治疗终端有水平终端、垂直终端和45°终端。为了配置上述固定治疗终端，依据常规的设计理念，每一个治疗终端对应一条束流配送线，则需要冗长且复杂的束线设计。例如一台传统的碳离子治癌专用加速器一般配置有4个治疗终端，即水平治疗终端、垂直治疗终端，水平+垂直治疗终端和45°治疗终端。为了将碳离子束从加速器配送至这4个治疗终端，通常束流配送线需要采用较大的偏转磁铁来实现束线的爬升和下穿，不仅使得装置规模庞大，设备加工和安装成本高，而且束线数量大幅增加，其总的长度可达数百米。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可实现多终端配送的360°常温旋转束线的光路设计。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种可实现多终端配送的360°常温旋转束线结构，包括引出配送段、常温旋转段、治疗室直通段和旋转支架；所述引出配送段被构造为适于对来自前级加速器的束流进行包络和色散调制后导入所述常温旋转段；所述常温旋转段采用90°偏转常温模式设计，所述常温旋转段被构造为适于把来自引出配送段的束流从水平方向导入垂直方向，且所述常温旋转段固定安装在所述旋转支架上，所述旋转支架可绕定轴0-360°旋转；所述治疗室直通段布置在所述常温旋转段的下游，且所述治疗室直通段与所述常温旋转段之间存在一空气段，来自所述常温旋转段的束流穿越所述空气段后射入所述治疗室直通段，最后通过所述治疗室直通段将调制后的束流导入不同角度的终端。

所述的360°常温旋转束线，优选地，所述引出配送段包括顺次连接的包络及色散调制四极透镜组、导向磁铁和包络调制四极透镜组；其中，所述包络及色散调制四极透镜组被构造为适于对来自前级加速器的束流同时进行包络和色散调制后导入所述导向磁铁，所述导向磁铁被构造为适于对束流按预定方向导入下游的所述包络调制四极透镜组，所述包络调制四极透镜组被构造为适于对来自所述导向磁铁的束流再次进行包络调制。

所述的360°常温旋转束线，优选地，所述包络及色散调制四极透镜组包括三台第一散焦四极透镜和三台第一聚焦四极透镜，且所述三台散焦四极透镜和三台聚焦四极透镜沿束流方向交替布置，所述三台散焦四极透镜和三台聚焦四极透镜与所述导向磁铁共同形成反向消色散结构，以消除前级加速器引出束流时代入的色散。

所述的360°常温旋转束线，优选地，所述包络调制四极透镜组包括两台第二聚焦四极透镜和两台第二散焦四极透镜，且所述两台聚焦四极透镜和两台散焦四极透镜沿束流方向交替布置，所述两台聚焦四极透镜和两台散焦四极透镜用于所述常温旋转段位于不同方位角时匹配其入口的束流的twiss参数，同时兼顾沿途束流的包络调制。

所述的360°常温旋转束线，优选地，所述常温旋转段包括顺次连接的第一包络调制四极透镜组、第一45°导向磁铁、消色散四极透镜、第二45°导向磁铁、第二包络调制四极透镜组和双向扫描磁铁，来自所述引出配送段的束流进入所述常温旋转段后首先由所述第一包络调制四极透镜组对束流进行包络调制，然后由所述第一45°导向磁铁、消色散四极透镜、第二45°导向磁铁组成的消色散机构进行消色散调制和偏转90°后导入所述第二包络调制四极透镜组，由所述第二包络调制四极透镜组和双向扫描磁铁依据靶点束斑尺寸和位置要求，进行束流的包络的调制和束流到达靶点横向位置的方向导引。

所述的360°常温旋转束线，优选地，所述第一包络调制四极透镜组和第二包络调制四极透镜组均包括一台第三聚焦四极透镜和一台第三散焦四极透镜，所述聚焦四极透镜和散焦四极透镜用于所述常温旋转段位于不同方位角时，将对应不同twiss参数的束流无损地导入所述治疗室直通段，并将束流包络调制至相同的尺寸。

所述的360°常温旋转束线，优选地，所述旋转支架包括共轴设置且通过连接杆依次连接的第一支撑环、第二支撑环和驱动环及与所述驱动环连接的驱动机构，所述第一支撑环与所述第二支撑环直径相同，所述驱动环的直径小于所述第二支撑环的直径。

所述的360°常温旋转束线，优选地，所述旋转支架还包括配重块，所述配重块通过连接件与所述第一支撑环、第二支撑环以及所述常温旋转段连接，以确保系统的动态平衡。

所述的360°常温旋转束线，优选地，所述驱动机构包括涡轮和蜗杆，所述涡轮装配在所述驱动环上，所述蜗杆与所述涡轮相齿接。

所述的360°常温旋转束线，优选地，所述常温旋转段和治疗室直通段之间采用双层钛合金真空窗隔断；所述引出配送段和常温旋转段之间的旋转点采用磁流体密封装置连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明将束流配送线依据功能需求划分为引出配送段、旋转段和治疗室直通段三部分，因其功能不同，每一部分的光路设计的实现模式完全不同，第一部分为常温固定束线，实现模式主要以紧凑的结构、色散的消除、接口匹配的实现为主线，第二部分为常温旋转束线，实现模式主要以小的旋转半径、旋转不同角度后的光学实现、不同终端照射野内的束斑一致性等功能为主线，第三部分由于没有磁元件，其功能相对简单，主要以离子束的无损通过为主要设计依据，同时考虑预留足够的纵向空间，用于束线末端与治疗系统相对应的一些束测及束流整形设备的安装。

2、本发明的束流配送线功能明晰、旋转半径小，可以实现垂直平面0°-360°任意角度的束流配送，治疗室沿旋转束线外围在处置平面内按一定规律分布，相比常规的常温固定束线，该束线长度短，结构简单，建造成本低，装置规模小。

3、本发明采用一对多的设计理念，通过合理布局，仅通过一条束线的旋转，能够有效替代碳离子治疗装置中水平终端配送线、垂直终端配送线、45°终端配送线等多条配送线，在不影响装置整体性能的前提下，从束线数量、规模等方面对整个装置的束流配送系统进行深度精简，同时从建造成本和占地面积方面对装置的建造成本进行压缩。最粗略的估算，采用该理念设计治癌装置，其束流配送系统的规模可以缩小70％以上，硬件成本能够节省2/3以上。

4、本发明的束流配送线采用紧凑化量轻化设计理念，转段束线固定安装在拱形旋转支架上，随拱形旋转支架一起进行360°旋转，把离子束配送至绕常温旋转束线外围垂直分布的治疗室，相比固定角度束线，该设计模式装置布局更紧凑，束线成本低，因此更适于广泛推广。

5、本发明的束流配送线采用区部消色散模式设计，区部消色散的优点是可以最大限度的降低色散的高度，同时减小色散影响的区域，在不影响束流传输效率的前提下，减小磁元件硬件尺寸和降低其成本。

6、本发明的束流配送线设计方案不仅可用于碳离子治癌装置，也可以用于质子装置和其它任何类型多终端的加速器装置，是一种放疗和辐照领域的普适性方案。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的常温旋转束线的结构布局图；

图2是本发明一实施例提供的引出配送段的光学图；

图3是本发明一实施例提供的常温旋转段的结构布局图；

图4是本发明一实施例提供的常温旋转段的光学图；

图5是本发明一实施例提供的旋转支架的侧视结构示意图；

图6是本发明该实施例提供的旋转支架的正视结构示意图；

图7是本发明一实施例提供的常温旋转段180°范围内向不同终端供束的光路正向投影图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“横向”、“竖向”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“装配”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

束流配送线几乎是所有加速器系统必备的组成部分，它主要负责各加速器之间和加速器至各终端(如实验终端或治疗终端)的束流配送。在目前的加速器系统的设计中，束流配送线和各终端之间均采用固定的一一对应关系设计，即一个终端必定对应一条束流配送线，该计理念的优点是运行期间所有设备位置不发生移动，但缺点是整个系统的束流配送线数量多，建价成本高及占地规模大。为了减少加速器系统的建造成本及占地面积，提升加速器的性价比，本发明提出一种可实现多终端配送的360°常温旋转束线结构，该束线结构的设计理念是通过优化的装置布局，在加速器与各终端之间仅设计一条束流配送线，通过0°至360°旋转，选择连接不同终端的方式，在不同的加速器和不同的终端之间形成一对多的配送关系。本发明的优点是极大减少了加速器至不同终端之间束流配送线的数量，有利于大幅降低加速器系统的束线数量，从而降低建造成本；同时，由于仅有一条束线，整个系统布局更为紧凑，更有利于减小整个系统的规模。

下面，结合附图对本发明实施例提供的可实现多终端配送的360°常温旋转束线进行详细的说明。

图1展示了根据本发明实施例提供的常温旋转束线的整体结构布局图，该常温旋转束线包括引出配送段1、常温旋转段2和治疗室直通段3。

引出配送段1包括顺次连接的包络及色散调制四极透镜组11、导向磁铁12和包络调制四极透镜组13。其中，包络及色散调制四极透镜组11被构造为适于对来自前级加速器的束流同时进行包络和色散调制后导入导向磁铁12，导向磁铁12被构造为适于对束流按预定方向导入下游的包络调制四极透镜组13，包络调制四极透镜组13被构造为适于对来自导向磁铁12的束流再次进行包络调制后导入常温旋转段2。

上述实施例中，优选地，包络及色散调制四极透镜组11包括三台第一散焦四极透镜111和三台第一聚焦四极透镜112，且三台散焦四极透镜111和三台聚焦四极透镜112沿束流方向交替布置，此三台散焦四极透镜111和三台聚焦四极透镜112与导向磁铁12共同形成反向消色散结构，由此可以消除前级加速器引出束流时代入的色散(区部消色散)，以避免该色散在导向磁铁12出口及后续的传输中对束流的影响，并且区部消色散的同时兼顾束流包络的调制。

上述实施例中，优选地，包络调制四极透镜组13包括两台第二聚焦四极透镜131和两台第二散焦四极透镜132，且两台聚焦四极透镜131和两台散焦四极透镜132沿束流方向交替布置，此两台聚焦四极透镜131和两台散焦四极透镜132主要用于常温旋转段2位于不同方位角时匹配其入口的束流的twiss参数，同时兼顾沿途束流的包络调制，由此通过局部分层处理的方式使复杂问题简单化。

图2所示为引出配送段1的光学图，图中横坐标代表磁元件在自然坐标系下在引出配送段1中的位置，其中横坐标上下对称的黑色色块代表导向磁铁，坐标轴之上的小黑色色块代表水平面聚焦四极透镜，坐标轴之下的小黑色色块代表水平面散焦四极透镜。位于水平坐标轴两侧外围的对称实线代表束流的发射度引起的包络，位于水平坐标轴两侧局部内侧的对称实线代表束流的色散引起的包络，这两个指标的叠加意味着束流在引出配送段1中稳定传输时，水平和垂直的束斑尺寸总体波动。从图中可以看出，系统的水平面存在色散，垂直面为零色散，而且束流的半包络小于20mm，从该光学图中可以判断出束流包络较小，对应其它系统硬件的尺寸也较小，从而有利于控制束线配送系统的硬件成本。

图3展示了根据本发明实施例提供的常温旋转段2的结构布局图，该常温旋转段2采用90°偏转常温模式设计，用于把来自引出配送段1的束流从水平方向导入垂直方向。具体地，常温旋转段2包括顺次连接的第一包络调制四极透镜组21、第一45°导向磁铁22、消色散四极透镜23、第二45°导向磁铁24、第二包络调制四极透镜组25和双向扫描磁铁26，来自引出配送段1的束流进入常温旋转段2后首先由第一包络调制四极透镜组21对束流进行包络调制，然后由第一45°导向磁铁22、消色散四极透镜23、第二45°导向磁铁24组成的消色散机构进行消色散调制和偏转90°后导入第二包络调制四极透镜组25，由第二包络调制四极透镜组25和双向扫描磁铁26依据靶点束斑尺寸和位置要求，进行束流的包络的调制和束流到达靶点横向位置的方向导引，该双向扫描磁铁26具备垂直和水平两个方向扫描功能，可以缩短扫描长度。同时，整个常温旋转段2固定安装在旋转支架4(如图5所示)上，旋转支架4可绕定轴0-360°旋转，由此把束流通过治疗室直通段3导入水平、垂直或45°等不同角度的终端。

上述实施例中，优选地，第一包络调制四极透镜组21和第二包络调制四极透镜组25均包括一台第三聚焦四极透镜211和一台第三散焦四极透镜212。因旋转点在不同方位角对应的twiss参数不同，故第三聚焦四极透镜211和第三散焦四极透镜212主要用于常温旋转段2位于不同方位角时，将对应不同twiss参数的束流无损地导入治疗室直通段3，并将束流包络调制至相同的尺寸。消色散四极透镜23用于将第一包络调制四极透镜组21引入的色散在第二包络调制四极透镜组25的出口处完全调制为零，由此通过不同功能分层分段处理的方式使复杂问题简单化。

图4所示为常温旋转段2的光学图，图中横坐标代表磁元件在自然坐标系下在常温旋转段2中的位置，类似于图2，横坐标上下对称的两个大黑色色块代表两台导向磁铁，坐标轴之上的小黑色色块代表水平面聚焦四极透镜，坐标轴之下的小黑色色块代表水平面散焦四极透镜。位于水平坐标轴两侧外围的三条对称实线8-10，分别代表束流在水平平面和垂直平面旋转0°和180°、45°和225°，以及90°方位角(对应0°，45°，90°，135°，180°等5个方位的终端)时的包络情况，从图中可以看出，与引出配送段1类似，常温旋转段2的束流的半包络同样小于20mm，该包络亦有利于控制束线配送系统的硬件成本。

治疗室直通段3布置在常温旋转段2的下游，且治疗室直通段3与常温旋转段2之间存在一空气段(即治疗室直通段3与常温旋转段2之间并非直连)，治疗室直通段3仅包括一段束流传输通道，其上安装有束流探测及整形设备。来自常温旋转段2的束流穿越空气段后射入治疗室直通段3，最后通过治疗室直通段3将调制后的束流导入水平、垂直或45°等不同角度的终端。

上述实施例中，优选地，如图5、图6所示，旋转支架4包括第一支撑环41、第二支撑环42、驱动环43和驱动机构，旋转支架4采用大(第一支撑环41和第二支撑环42直径大)小(驱动环43直径小)环的组合方案，通过连接杆44将三个环连接形成“漏斗”结构，截面渐变，质量轻，驱动半径小。驱动机构与驱动环43连接，用于驱动驱动环43旋转。在本发明一些优选的实施例中，旋转支架4还包括配重块45，配重块45通过连接件46与第一支撑环41、第二支撑环42以及常温旋转段2连接，最终使质心处于旋转系统的旋转轴线I上且位于第一支撑环41和第二支撑环42之间，以确保旋转系统的动平衡。

上述实施例中，优选地，驱动机构包括涡轮47和蜗杆48，涡轮47安装在旋转架的驱动环43上，蜗杆48与涡轮47相齿接，常温旋转段2在驱动机构的作用下随旋转支架4可以做0-360°旋转。本发明的驱动机构采用涡轮蜗杆机构，涡轮安装在驱动环上，涡轮直径小，结构紧凑，速比大、承载高，运行平稳。

上述实施例中，优选地，如图3所示，常温旋转段2和治疗室直通段3之间采用双层钛合金真空窗5隔断，以维持整个束线真空的稳定性。

上述实施例中，优选地，如图5所示，引出配送段1和常温旋转段2之间的旋转点采用磁流体密封装置6连接，以维持旋转过程中束流传输通道的真空度。磁流体密封装置6在均匀稳定磁场的作用下，使磁流体充满于设定的空间内，建立起多级“O型密封圈”，从而达到密封的效果，是广泛公认的“零泄漏”动密封先进技术，真空度可以达到10^-6Pa量级，完全满足束流在真空管道传输所需的真空度要求。

图7展示了本发明提供的360°常温旋转束线在180°旋转时为两个水平终端、两个45°终端和一个垂直终端供束的正向投影示意图。定义终端A为束流配送线旋转起始位置，从图中可以清晰的看出，常温旋转段2每旋转45°，将与下一个终端的直通线相连。当然，每次具体旋转角度要根据前后两次终端的具体位置来决定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种可实现多终端配送的360º常温旋转束线，其特征在于，包括引出配送段、常温旋转段、治疗室直通段和旋转支架；

所述引出配送段被构造为适于对来自前级加速器的束流进行包络和色散调制后导入所述常温旋转段；

所述常温旋转段采用90º偏转常温模式设计，所述常温旋转段被构造为适于把来自引出配送段的束流从水平方向导入垂直方向，且所述常温旋转段固定安装在所述旋转支架上，所述旋转支架可绕定轴0-360º旋转；

所述治疗室直通段布置在所述常温旋转段的下游，且所述治疗室直通段与所述常温旋转段之间存在一空气段，来自所述常温旋转段的束流穿越所述空气段后射入所述治疗室直通段，最后通过所述治疗室直通段将调制后的束流导入不同角度的终端；

所述引出配送段包括顺次连接的包络及色散调制四极透镜组、导向磁铁和包络调制四极透镜组；其中，所述包络及色散调制四极透镜组被构造为适于对来自前级加速器的束流同时进行包络和色散调制后导入所述导向磁铁，所述导向磁铁被构造为适于对束流按预定方向导入下游的所述包络调制四极透镜组，所述包络调制四极透镜组被构造为适于对来自所述导向磁铁的束流再次进行包络调制；

所述包络调制四极透镜组包括两台第二聚焦四极透镜和两台第二散焦四极透镜，且所述两台聚焦四极透镜和两台散焦四极透镜沿束流方向交替布置，所述两台聚焦四极透镜和两台散焦四极透镜用于所述常温旋转段位于不同方位角时匹配其入口的束流的twiss参数，同时兼顾沿途束流的包络调制；

所述常温旋转段包括顺次连接的第一包络调制四极透镜组、第一45º导向磁铁、消色散四极透镜、第二45º导向磁铁、第二包络调制四极透镜组和双向扫描磁铁，来自所述引出配送段的束流进入所述常温旋转段后首先由所述第一包络调制四极透镜组对束流进行包络调制，然后由所述第一45º导向磁铁、消色散四极透镜、第二45º导向磁铁组成的消色散机构进行消色散调制和偏转90°后导入所述第二包络调制四极透镜组，由所述第二包络调制四极透镜组和双向扫描磁铁依据靶点束斑尺寸和位置要求，进行束流的包络的调制和束流到达靶点横向位置的方向导引；

所述第一包络调制四极透镜组和第二包络调制四极透镜组均包括一台第三聚焦四极透镜和一台第三散焦四极透镜，所述聚焦四极透镜和散焦四极透镜用于所述常温旋转段位于不同方位角时，将对应不同twiss参数的束流无损地导入所述治疗室直通段，并将束流包络调制至相同的尺寸。

2.根据权利要求1所述的360º常温旋转束线，其特征在于，所述包络及色散调制四极透镜组包括三台第一散焦四极透镜和三台第一聚焦四极透镜，且所述三台散焦四极透镜和三台聚焦四极透镜沿束流方向交替布置，所述三台散焦四极透镜和三台聚焦四极透镜与所述导向磁铁共同形成反向消色散结构，以消除前级加速器引出束流时代入的色散。

3.根据权利要求1所述的360º常温旋转束线，其特征在于，所述旋转支架包括共轴设置且通过连接杆依次连接的第一支撑环、第二支撑环和驱动环及与所述驱动环连接的驱动机构，所述第一支撑环与所述第二支撑环直径相同，所述驱动环的直径小于所述第二支撑环的直径。

4.根据权利要求3所述的360º常温旋转束线，其特征在于，所述旋转支架还包括配重块，所述配重块通过连接件与所述第一支撑环、第二支撑环以及所述常温旋转段连接，以确保系统的动态平衡。

5.根据权利要求3所述的360º常温旋转束线，其特征在于，所述驱动机构包括涡轮和蜗杆，所述涡轮装配在所述驱动环上，所述蜗杆与所述涡轮相齿接。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的360º常温旋转束线，其特征在于，所述常温旋转段和治疗室直通段之间采用双层钛合金真空窗隔断；所述引出配送段和常温旋转段之间的旋转点采用磁流体密封装置连接。

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