CN115428104A - 磁场集中和/或引导设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种磁场集中或引导设备可以包括：一个或多个线圈(110)，以及相对于线圈设置在一个或多个预定位置处的一个或多个箔、带和/或体超导体结构(120、125)。一个或多个超导体结构可以形成一个或多个磁场承载区域。在操作期间，通过一个或多个线圈的电流可以产生在磁场承载区域中被压缩或引导的一个或多个磁场。

Description

磁场集中和/或引导设备和方法

发明背景

磁场用于许多应用中，所述应用可包括但不限于放射疗法、放射外科、质子疗法、核磁共振(NMR)、磁共振成像(MRI)、用于高能物理(HEP)研究的加速器磁体和核聚变。例如，磁场可用于引导和/或聚焦带电粒子。许多应用利用相对大的磁通密度。然而，增加电磁体的磁通密度通常导致磁体的尺寸、磁体中使用的材料量、磁体的重量、电流要求、磁体的冷却要求、制造的复杂性等的增加。因此，一直需要用于产生大磁通密度的改进的设备和技术。

发明内容

通过参考以下描述和附图可以最好地理解本技术，该描述和附图用于说明针对磁场集中和/或引导设备和方法的本技术的实施例。

在一个实施例中，一种磁场集中或引导设备可以包括一个或多个线圈和一个或多个超导体结构。该一个或多个线圈可以被配置成用于产生一个或多个磁场。一个或多个超导体结构可以被设置在相对于一个或多个线圈的一个或多个预定位置处。一个或多个超导体结构可以成形为集中或引导由一个或多个线圈产生的一个或多个磁场。

在另一实施例中，一种磁场集中或引导方法可包括：提供线圈和提供以预定定向设置到线圈的具有通道的超导体。

提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

本技术的实施例在所附示图的图中以示例而非限制的方式示出，并且其中相同的附图标记表示相似的元件，其中：

图1A和图1B示出了根据本技术的一个实施方式的用于集中磁场的示例性设备。

图2A和图2B示出了根据本技术的另一实施方式的用于集中磁场的示例性设备。

图3示出了根据本技术的另一实施方式的用于集中磁场的示例性设备。

图4示出了根据常规技术的用于产生磁场的设备。

图5示出了根据本技术的另一实施方式的用于集中磁场的示例性设备。

图6示出了根据本技术的另一实施方式的用于集中磁场的示例性设备。

图7示出了根据本技术的另一实施方式的用于集中更高阶磁场的示例性设备。

图8示出了根据本技术的另一实施方式的用于集中更高阶磁场的示例性设备。

图9示出了根据本技术的另一实施方式的磁场集中方法。

图10示出了根据本技术的另一实施方式的对一个或多个磁场进行成形的方法。

图11A和图11B示出了根据本技术的另一实施方式的用于向带电粒子施加集中磁场的示例性设备。

图12示出了根据本技术的另一实施方式的用于向带电粒子施加集中磁场的示例性设备。

图13示出了根据本技术的另一实施方式的用于向带电粒子施加集中磁场的示例性设备。

图14示出了根据本技术的各方面的包括用于集中一个或多个磁场的一个或多个设备的示例性粒子治疗系统。

具体实施方式

现在将详细参考本技术的实施例，其示例在附图中示出。虽然将结合这些实施例来描述本技术，但是应当理解，它们并不旨在将本技术限制于这些实施例。相反，本发明旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的范围内的替换、修改和等同物。此外，在本技术的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本技术的透彻理解。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本技术。在其它情况下，公知的方法、过程、组件和电路未被详细描述，以免不必要地模糊本技术的各方面。

以下根据例程、模块、逻辑块和对一个或多个电子设备内的数据的操作的其他符号表示来呈现本技术的一些实施例。这些描述和表示是本领域技术人员用来最有效地将他们工作的实质传达给本领域其他技术人员的手段。例程、模块、逻辑块等在本文中通常被认为是导致期望结果的过程或指令的自相容序列。这些过程是包括对物理量的物理操纵的那些过程。通常，尽管不是必须的，这些物理操纵采取能够在电子设备中存储、传送、比较和以其它方式操纵的电或磁信号的形式。为了方便起见，并且参考通用用法，关于本技术的实施例，这些信号被称为数据、比特、值、元素、符号、字符、项、数字、串等。

然而，应当记住，这些术语将被解释为引用物理操作和数量，并且仅仅是方便的标记，并且将根据本领域中常用的术语来进一步解释。除非特别声明，否则如从以下讨论中显而易见的，应当理解，通过本技术的讨论，利用诸如“接收”等术语的讨论是指诸如操纵和变换数据的电子计算设备等电子设备的动作和过程。数据被表示为电子设备的逻辑电路、寄存器、存储器等内的物理(例如，电子)量，并且被变换为类似地表示为电子设备内的物理量的其它数据。

在本申请中，析取性(disjunctive)的使用旨在包括合取性(conjunctive)。使用定冠词或不定冠词不旨在表示基数性。特别地，对“该”对象或“一个”对象的引用旨在也表示可能的多个这样的对象中的一个。术语“包括”，“包含”，“包含有”等的使用指定了所述元件的存在，但不排除一个或多个其它元件和/或其组的存在或添加。还应当理解，尽管术语第一、第二等在本文中可用于描述各种元件，但这些元件不应受到这些术语的限制。这里，使用这些术语来区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离实施例的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。还应理解，当元件被称为“耦接”到另一元件时，其可直接或间接连接到另一元件，或可存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”到另一元件时，则不存在中间元件。还应当理解，术语“和/或”包括一个或多个相关元件的任何和所有组合。还应当理解，这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应当被认为是限制性的。

本技术的实施例提供了用于集中和/或引导磁场的设备。所述设备可以包括一个或多个导电线圈和设置在相对于所述一个或多个导电线圈的预定位置处的一个或多个超导体结构。该一个或多个导电线圈可以被配置成用于产生一个或多个磁场。一个或多个超导体结构可以被配置成集中一个或多个磁场。将参考以下示例性实施方式来进一步解释本技术的各方面。然而，本技术的各方面不限于以下示例性实施方式。相反，本技术的各方面可应用于许多其它实施方式。

现在参考图1A和图1B，其示出了根据本技术的一个实施方式的用于集中磁场的示例性设备。图1A中示出了该设备的端视图，图1B中示出了该设备的沿剖面线A－A剖开的侧视图。设备100可以包括导电线圈110和设置在导电线圈110内的一个或多个超导体结构120。如在此所使用的，线圈指代关于体积以一次或多次旋转布置的一个或多个载流元件，该体积被配置成产生磁场。载流元件可以布置成任何几何形状，包括但不限于单个螺旋绕组，多个同心螺旋绕组，一个或多个倾斜螺旋绕组，或一个或多个cosθ(cosine-theta)绕组。导电线圈110例如可以是螺线管。导电线圈110可以是金属导体(在此称为电阻性导体)，或非电阻性导体(在此称为超导体)，其被设置在围绕体积长度的路径中。尽管导电线圈110被示为圆柱体，但是导电线圈110可以具有任何形状因子，例如但不限于立方体、平行六面体、五棱柱、六棱柱，包括这些形状的弯曲版本和其他类似的体积形状。类似地，导电线圈110的导体可以具有任何横截面形状因子，例如但不限于圆形、扁长形(oblong)、正方形或矩形(rectangular)。

在一个实施方式中，一个或多个超导体结构120可以包括一个或多个箔或带超导体结构。在另一实施方式中，一个或多个超导体结构120可以包括一个或多个体超导体结构。一个或多个超导体结构120可以由中温超导体材料或高温超导体材料形成。高温超导体材料可以包括但不限于：稀土钡铜氧化物(REBCO)，例如钇钡铜氧化物(YBCO)，或钆钡铜氧化物(GdBCO)，或铕钡铜氧化物(EUBCO)，镧钡铜氧化物(LBCO)，和不同类型的铋锶钙铜氧化物(BSCCO)。中温超导体材料可以包括但不限于：二硼化镁(MgB2)或基于铁(Fe)的超导体，也称为磷族元素化物。如本文所用，术语体超导体材料是指：与包含超导体材料与电阻性导体(例如铜，银等)的组合的结构(其通常也称为超导体且通常以细长条、带或线的形式制造)相反的超导体材料。这里使用的箔或带超导体结构通常被称为涂覆导体，其中超导体层被施加到由例如哈氏合金、不锈钢和类似合金或镍合金(例如具有钨(例如具有5％钨的Ni－W5))制成的衬底上。如本文所用，高温超导体材料是指表现出高于约40开尔文(K)的超导性的材料。如本文所用，中温超导体材料是指表现出高于约25开尔文(K)的超导性的材料。在一个实施方式中，一个或多个超导体结构120可以包括I型超导体。I型超导体可以基本上排除磁场穿过超导体结构120。在另一种实施方式中，一个或多个超导体结构120可以包括II型超导体。混合状态的II型超导体可以允许一部分磁场通过超导体结构120，而其余的磁场被排除通过超导体结构120。

一个或多个箔或带超导体结构可以包括箔或带平面中的连续超导路径。例如，可以使用REBCO箔或带的叠层来代替体超导材料或与体超导材料结合，以类似地部分或完全排出磁通量，从而将磁通量集中在不存在超导箔或带的区域中。在一种实施方式中，箔或带超导体可以在垂直于磁通量的平面中具有连续路径。

一个或多个超导体结构120的形状可以例如形成纵向穿过一个或多个超导体结构120设置的一个或多个通道130。一个或多个通道130可以具有任何形状因子。一个或多个通道130可以例如延伸到线圈110的至少一侧，如图1A和图1B所示。在另一示例中，一个或多个通道还可以在线圈110的一个或多个横向方向和整个长度上延伸穿过箔、带和/或体超导材料(如图2A和图2B所示)，或者延伸穿过该长度的一个或多个部分。

设备100可以可选地包括相对于线圈110设置在一个或多个预定位置的一个或多个磁屏蔽件140。一个或多个磁屏蔽结构140例如可以包括箔、带和/或体超导体结构。超导体的一个或多个磁屏蔽结构140可以被配置为减少或甚至完全去除设备100周围的不期望的杂散磁场。例如，如图1A和图1B所示，一个或多个磁屏蔽结构140可以设置在线圈的外侧周围。虽然磁屏蔽结构140被示出为围绕线圈110的外部长度的圆柱体，但是磁屏蔽结构140可以具有任何形状因子。

在设备100的操作期间，一个或多个超导体结构120、125被保持在或低于超导体材料的临界温度。例如，一个或多个冷却器(未示出)可以耦接到一个或多个超导体结构120、125。一个或多个冷却器可以被配置成在线圈110产生一个或多个磁场之前将一个或多个超导体结构120、125冷却到超导体材料的临界温度以下。一个或多个冷却器然后可以将一个或多个超导体结构120、125保持在临界温度以下，同时线圈110产生一个或多个磁场。一个或多个冷却器可以包括热耦接到一个或多个超导体结构120、125的一个或多个制冷器(cryocooler)、制冷剂浴(cryogen-bath)等。在设备100的操作期间，电流流过产生一个或多个磁场的线圈110。一个或多个超导体结构120、125的形状被配置为集中由线圈110产生的磁场。当在临界温度或低于临界温度下操作时，由线圈110产生的磁场不通过、或仅部分通过一个或多个超导体结构120、125。相反，由线圈110产生的磁场310被一个或多个超导体结构120、125集中在穿过一个或多个超导体结构120、125设置的一个或多个通道130中，如图3所示。

作为对比，图4示出了由根据常规技术的线圈420产生的磁场410。当电流流过线圈420(如在上部导体中进入页面和从下部导体中的页面出来所示的)时，产生磁场410，其具有从左到右穿过线圈420的中心430并缠绕在线圈420的外侧周围的通量。磁场410分布在线圈420的整个中心420。

再次参考图3，由线圈110产生的相同磁场被一个或多个超导体结构120、125集中到通过超导体结构120、125的一个或多个通道130的较小区域中。因此，对于流过相同线圈110、420的相同量的电流，通过一个或多个超导体结构120、125将磁场集中在穿过一个或多个超导体结构120、125设置的一个或多个通道130中，可以有利地增加给定区域中的磁通密度。例如，由线圈420产生的2－3特斯拉(T)磁场410可以被超导体结构120、125集中，以在穿过线圈110内的超导体结构120、125设置的通道130中获得7T的磁场。

现在参考图5，示出了根据本技术的另一实施方式的用于集中磁场的示例性设备。设备500可以包括导电线圈510和设置在导电线圈510外部的一个或多个超导体结构515、520。在其他实施方式中，该一个或多个超导体结构515、520可以相对于线圈510以任何定向设置，以便对磁场525进行凝聚(condense)、引导等。

现在参考图6，其为根据本技术的另一实施方式的用于集中磁场的示例性设备。同样，设备600可以包括导电线圈610和设置在导电线圈610内的一个或多个超导体结构615、620。一个或多个超导体结构615、620还可以包括一个或多个渐缩625以进一步对磁场630进行凝聚、引导等。例如，超导体结构615，620还可以包括在导电线圈610的端部处的更宽的入口和出口。此外，相对于线圈以任何定向设置的超导体结构615、620可以包括任何形状因子的渐缩，以对磁场进行凝聚、引导等。

在其他实施方式中，设备100，200，300，500，600可以进一步将超导通量引导与磁通量引导相结合。例如，包括但不限于顺磁性、铁磁性、钬等材料的磁性材料可以与超导体结构结合使用。附加的磁性材料可以作为衬垫设置在：沿着超导体结构的一个或多个通道中和/或在接近一个或多个通道的入口和/或出口的超导体结构外部，等。附加的磁性材料可以例如用于改善或修改：一个或多个通道中的磁通量分布和/或一个或多个通道的入口和/或出口处的磁场的不连续性，等。

本技术的各方面的实施方式还可以包括用于集中、引导等更高阶磁场的设备。例如，可以使用多个线圈来产生更高阶的磁场，并且设置在相对于螺线管的预定位置的一个或多个箔、带和/或体超导体结构可以集中更高阶的磁场。更高阶的磁场可以包括四极、六极、八极和更高。

现在参考图7，示出了根据本技术的另一实施方式的用于集中更高阶磁场的示例性设备。图7示出了包括四个导电线圈710－725的示例性四极设备700的截面图。一个或多个箔、带和/或体超导体结构730－765可以设置在每个导电线圈710－725内。此外，导电线圈710－725可以是设置在围绕体积的长度的螺旋路径中的电阻性导体或超导体。导电线圈710－725可以具有任何形状因子。同样，一个或多个箔、带和/或体超导体结构730－765可以由中温超导体材料或高温超导体材料形成。

同样，一个或多个箔、带和/或体超导体结构730－765的形状可以例如形成纵向穿过一个或多个超导体结构730－765设置的一个或多个通道770－785。一个或多个通道770－785可以具有任何形状因子。同样，一个或多个箔、带和/或体超导体结构730－765可以与每个线圈710－725一起设置(如图7所示)、可以设置在线圈外部(未示出)，或者可以设置在线圈内部和外部(如图8所示)，以对一个或多个磁场进行凝聚、引导等。

此外，设备700还可以可选地包括相对于线圈710－725设置在一个或多个预定位置的一个或多个磁屏蔽件(未示出)。一个或多个磁屏蔽结构例如可以包括箔、带和/或体超导体屏蔽件。

现在参考图9，示出了根据本技术的另一实施方式的磁场集中方法。该方法可以包括在910提供线圈。线圈可以是电阻性导体或超导体线圈，其围绕体积的长度以螺旋路径设置。可替换地，线圈可以是以双螺旋、双轨道(double racetrack)、cosθ、倾斜cosθ等布置的电阻性导体或超导体线圈。提供线圈还可以包括提供通过电阻性或超导体线圈的电流。如果线圈包括超导体，则提供线圈还可以进一步包括将超导体线圈冷却到超导体线圈的临界温度以下。

在920，可以在相对于线圈的一个或多个预定位置提供箔、带和/或体超导体。箔、带和/或体超导体可以是中温或高温超导体。提供箔、带和/或体超导体还可包括提供这样的一个或多个箔、带和/或体超导体结构，该一个或多个箔、带和/或体超导体结构相对于线圈设置在一个或多个预定位置并成形为集中一个或多个磁场。在一个实施方式中，箔、带和/或体超导体可包括I型超导体。I型超导体可基本上排除磁场穿过超导体，使得磁场被集中或引导通过由一个或多个箔、带和/或体超导体结构形成的一个或多个通道。在另一实施方式中，箔、带和/或体超导体可包括II型超导体。混合状态的II型超导体可以允许一部分磁场穿过超导体结构，而剩余的磁场被集中或引导通过由一个或多个箔、带和/或体超导体结构形成的一个或多个通道。提供箔、带和/或体超导体还可以进一步包括将箔、带和/或体超导体冷却到超导体材料的临界温度以下。在一个实施方式中，箔、带和/或体超导体可以在线圈产生一个或多个磁场之前被冷却到超导体材料的临界温度以下。然后，箔、带和/或体超导体可以被保持在临界温度以下，同时线圈产生一个或多个磁场。

磁场集中方法可以进一步扩展到提供多个线圈和提供相对于线圈设置在一个或多个预定位置的一个或多个箔、带和/或体超导体结构。

现在参考图10，示出了根据本技术的另一实施方式的对一个或多个磁场进行整形的方法。该方法可以包括在1010产生一个或多个磁场。产生一个或多个磁场可以包括在螺旋、双螺旋、双轨道、cosθ、倾斜cosθ等路径中传递电流。使电流围绕给定路径传递可以包括：使电流通过具有给定体积和长度的电阻性或超导体线圈。

在1020，可以使用一个或多个箔、带和/或体超导体结构来集中或引导一个或多个磁场。一个或多个箔、带和/或体超导体结构可以相对于一个或多个磁场设置在一个或多个预定位置，以集中或引导一个或多个磁场。例如，一个或多个箔、带和/或体超导体结构可以相对于线圈设置在一个或多个预定位置，以集中或引导一个或多个磁场通过体积的连续部分，该连续部分延伸通过一个或多个箔、带和/或体超导体结构。限制或成形一个或多个磁场还可以包括提供相对于线圈设置在一个或多个其它预定位置的一个或多个磁屏蔽件。

根据本技术各方面的磁场集中和/或引导设备和方法可有利地用于放射治疗设备，诸如但不限于：放射治疗、放射外科和质子治疗。磁场集中和/或引导设备和方法还可以有利地用于核磁共振(NMR)、磁共振成像(MRI)、用于高能物理(HEP)研究的加速器磁体和核聚变。例如，用于集中一个或多个磁场的设备可用于弯曲磁体、聚焦磁体等。

现在参考图11A和图11B，示出了根据本技术的另一实施方式的用于向带电粒子施加集中磁场的示例性设备。图1A中示出了设备1100的端视图，图1B中示出了设备1100的沿剖面线A－A剖开的侧视图。设备1100可以包括关于体积的长度设置的一个或多个线圈1110。设备1100还可以包括设置在线圈1110的内部体积中的多个箔、带和/或体超导体结构1115、1120。磁场承载区域1125可纵向和横向延伸通过多个箔、带和/或体超导体结构1115、1120中的至少两个之间的体积。可以设置通过一个或多个线圈1110的一个或多个线圈孔口1130。一个或多个线圈孔口1130可以与磁场承载区域1125的横向端部对准。

该一个或多个线圈1110可以被配置成响应于通过该一个或多个线圈1110的电流而产生一个或多个磁场。一个或多个线圈1110可以被布置为单螺旋、双螺旋、双轨道、cosθ、倾斜cosθ等。虽然一个或多个线圈1110被示为圆柱体，但是一个或多个导电线圈1110可以具有任何形状因子。一个或多个线圈1110可以包括电阻性导体或超导体。在一个实施方式中，一个或多个线圈1110可以包括分离线圈，该分离线圈具有设置在分离线圈的第一部分和第二部分之间的间隙。该分离线圈的间隙可以包括一个或多个线圈孔口1130。

多个箔、带和/或体超导体结构1115、1120可以由中温超导体材料或高温超导体材料形成。在一种实施方式中，多个箔、带和/或体超导体1115、1120可以被布置为填充一个或多个线圈1110的内部体积，并且形成磁场承载区域1125。在一个实施方式中，多个体超导体结构1115、1120可以被机械加工以填充一个或多个线圈1110的内部体积，并在体超导体结构1115、1120中的第一体超导体结构和第二体超导体结构之间形成弯曲的磁场承载区域1125。在另一实施方式中，可以模制体超导体材料以形成多个体超导体结构1115，1120，以填充一个或多个线圈1110的内部体积，并形成设置在体超导体结构1115、1120中的第一体超导体结构和第二体超导体结构之间的磁场承载区域1125。在一个实施方式中，磁场承载区域1125可以是在选定温度范围和/或压力范围下填充有大气气体或选定气体的开放空间，或处于低真空压力下。在其他实施方式中，磁场承载区域1125可以部分地或全部地由机械增强件(例如，玻璃纤维增强环氧树脂)填充，以固定箔、带和/或体超导体结构1115，1120的位置并维持磁场承载区域1125的指定横截面积。此外，包括但不限于顺磁性、铁磁性、钬等材料的磁性材料可与箔、带和/或体超导体结构1115，1120结合使用。附加的磁性材料可以作为衬垫设置在沿着箔、带和/或体超导体结构1115，1120的磁场承载区域中、和/或设置在箔、带和/或体超导体结构1115，1120的接近磁场承载区域1125的入口和/或出口处的外部，等。附加磁性材料可以例如用于改善或修改磁场承载区域1125中的磁通量分布、和/或磁场承载区域1125的入口和/或出口处的磁场中的不连续性，等。

由一个或多个导电线圈1110产生的一个或多个磁场被超导体材料部分地或全部地从一个或多个箔、带和/或体超导体结构1115、1120中排除，从而压缩或引导一个或多个磁场通过沿纵向穿过一个或多个导电线圈设置的磁场承载区域1125。压缩或引导由一个或多个导电线圈1110产生的一个或多个磁场有利地增加了磁场承载区域1125内的磁通量密度。

该一个或多个线圈孔口1130可以被配置成允许带电粒子1135穿过该一个或多个线圈1110并且进入磁场承载区域1125。同样地，一个或多个线圈孔口1130可以被配置为允许带电粒子1135在穿过磁场承载区域1125之后通过一个或多个线圈1110离开。当带电粒子1135穿过垂直于压缩磁场的磁场承载区域1125时，压缩磁场使带电粒子1135以半圆弧、弓形、半圆形、复合弧或类似路径偏转。

磁场承载区域1125可以具有任何均匀或非均匀的形状。例如，磁场承载区域1125可以沿着线圈的长度而不同和/或可以跨线圈而不同，等。在一种实施方式中，磁场承载区域1125的几何形状可以基于：用于使带电粒子穿过磁场承载区域1125的指定能量范围、压缩磁场的指定磁通量范围，以及用于带电粒子的指定弯曲半径范围。在一种实施方式中，磁场承载区域1125可以基本上笔直地穿过具有给定宽度的一个或多个线圈1110的内部，以解决带电粒子的弯曲半径以及各种公差和偏差。在另一种实施方式中，磁场承载区域1125可以具有基本上等于带电粒子的指定弯曲半径的曲线，并且因此与笔直的磁场承载区域1125轮廓相比，磁场承载区域1125的宽度可以被减小。

现在参考图12，示出了根据本技术的另一实施方式的用于向带电粒子施加集中磁场的示例性设备。设备1200基本上类似于上面参考图11描述的设备。同样，一个或多个线圈1210可以是单螺旋、双螺旋、双轨道、cosθ、倾斜cosθ等。然而，该一个或多个线圈1210可以在这些绕组中包括一个或多个局部化的“摆动(wiggle)”，这些摆动被配置成形成与该磁场承载区域1225的横向末端对准的一个或多个线圈孔口1230。

同样，一个或多个线圈孔口1230可被配置成允许带电粒子1235穿过一个或多个线圈1210并进入设置在箔、带和/或体超导体结构1215、1220之间的磁场承载区域1225。同样地，一个或多个线圈孔口1230可以被配置成允许带电粒子1235在穿过磁场承载区域1225之后通过一个或多个线圈1210离开。当带电粒子1235穿过垂直于压缩磁场的磁场承载区域1225时，压缩磁场使带电粒子1235以半圆弧、弓形、半圆形、复合弧或类似路径偏转。

现在参考图13，示出了根据本技术的另一实施方式的用于向带电粒子施加集中磁场的示例性设备。设备1300基本上类似于上面参考图12描述的设备。设备1300还包括设置在一个或多个导电线圈1310周围的一个或多个磁屏蔽结构1340。一个或多个磁屏蔽结构1340例如可以包括体超导体屏蔽材料。一个或多个磁屏蔽结构1340可以具有被配置成分散或减小设备1300附近的一个或多个磁场的任何形状因子。例如，如图1A和图1B所示，一个或多个磁屏蔽结构1340可以具有在一个或多个导电线圈1310的外侧周围设置并沿着一个或多个导电线圈1310的长度延伸的形状因子。在另一示例中，一个或多个磁屏蔽结构1340可以具有在一个或多个导电线圈1310的外侧周围设置并从一个或多个导电线圈1310径向向外延伸的形状因子，如图13所示。

同样，该一个或多个线圈孔口1330可以被配置成允许带电粒子1335穿过该一个或多个线圈1310并且进入被设置在体超导体结构1315、1320之间的磁场承载区域1325。同样地，一个或多个线圈孔口1330可以被配置成允许带电粒子1335在穿过磁场承载区域1325之后通过一个或多个线圈1310离开。当带电粒子1335穿过垂直于压缩磁场的磁场承载区域1325时，压缩磁场使带电粒子1335以半圆弧、弓形、半圆形、复合弧或类似路径偏转。

现在参考图14，示出了根据本技术的各方面的包括用于集中一个或多个磁场的一个或多个设备的示例性粒子治疗系统。粒子治疗系统1400可以包括粒子源1410，传输线1415，机架1420，多个弯曲磁体1425，多个聚焦磁体1430和患者台1435。粒子治疗系统1400通常还包括许多其它部件，例如束扫描部件，束仪器部件，真空部件，电源部件，冷却部件，机械支撑部件，机架驱动部件等，它们对于理解本技术的各方面不是必要的，因此在此不再进一步描述。

在一种实施方式中，粒子源1410可以是回旋加速器，该回旋加速器被配置成用于在传输管线1415上产生质子流。机架1420可以被配置为围绕患者台1435旋转，以将带电粒子提供给目标区域，例如患者的癌症或肿瘤。通过在患者台1435上围绕患者旋转机架1420，可以将给定剂量递送到目标区域，同时减小输送到周围组织的剂量。通常，机架1420可以被配置为围绕患者台1435旋转±180°。

多个弯曲磁体1425被配置为沿着传输线1415以限定的角度将带电粒子流引导到患者台1435。多个聚焦磁体可被配置为当带电粒子流沿传输线1415传播时聚焦带电粒子流以补偿沿传输线1415的各种失真。

在一种实施方式中，根据本技术的各方面，一个或多个弯曲磁体1425可以被配置成向带电粒子施加集中的磁场。例如，一个或多个弯曲磁体可包括构造成产生偶极磁场的螺线管。一个或多个弯曲磁体还可包括设置在螺线管内的体超导体结构。体超导体结构可以包括在螺线管内纵向和横向延伸的槽，其被配置为将由螺线管产生的偶极磁场集中在弯曲通道中。螺线管可包括在弯曲通道的横向端部处对齐的孔口，用于质子束穿过弯曲通道。通道中的集中偶极磁场用于弯曲质子粒子束的轨迹。在示例性实施方式中，一个或多个弯曲磁体可以是如上参考图11A和图11B、图12和/或图13所述的，或者是用于实现复合弯曲磁体的的一个或多个这种弯曲磁体。

可替代地或另外地，根据本技术的各方面，一个或多个聚焦磁体1430可以被配置成施加集中的磁场。例如，一个或多个聚焦磁体可包括配置成产生四极磁场的四个螺线管。所述一个或多个聚焦磁体还可以包括设置在每个螺线管中的体超导体结构，其中所述体超导体结构被配置为集中四极、六极等磁场。在示例性实施方式中，一个或多个聚焦磁体可以是四极磁体(如以上参照图7所述的)，并被配置为聚焦带电粒子流。

此外，如以上参考图1A和图1B、图2A和图2B和/或图13关于一个或多个弯曲磁体1425和/或一个或多个聚焦磁体1430所描述的，一个或多个超导屏蔽结构的使用可以减少或甚至完全消除围绕这些磁体的不希望的杂散磁场。这使得能够将弯曲磁体1425和/或聚焦磁体1430放置得更靠近机架前端部件，例如成像和扫描仪部件。同样，这可以使得弯曲磁体1425和/或聚焦磁体1430能够更靠近患者放置，这对于紧凑的机架是重要的。

由箔、带和/或体超导体结构提供的集中磁场可以有利地减小一个或多个弯曲磁体1425和/或一个或多个聚焦磁体1430等的重量和/或尺寸。减小的重量和/或尺寸还可以导致一个或多个弯曲磁体1425和/或一个或多个聚焦磁体1430等的成本降低。一个或多个弯曲磁体1425和/或一个或多个聚焦磁体1430等的减小的重量和/或尺寸也可以导致机架1420的尺寸和/或重量的减小。此外，由箔、带和/或体超导体结构提供的集中磁场可以有利地减少产生给定磁通量所需的电流和/或操作一个或多个弯曲磁体1425和/或一个或多个聚焦磁体1430等所需的冷却。减小的电流和/或冷却可以导致机架1420的重量和/或尺寸的进一步减小。降低的电流和/或冷却需求也可导致电源和/或冷却部件等的成本降低。此外，机架1420的减小的尺寸和/或重量可以导致机架支撑结构的成本降低。

以下实施例涉及具体的技术实施例，并指出在实现这些实施例中可以使用或以其它方式组合的具体特征、要素或步骤。

示例1包括一种磁场集中或引导设备，该磁场集中或引导设备包括：用以产生一个或多个磁场的一个或多个线圈；以及一个或多个超导体结构，其设置在相对于所述一个或多个线圈的一个或多个预定位置，并且被成形为集中或引导所述一个或多个磁场。

示例2包括根据示例1所述的磁场集中或引导设备，其中所述一个或多个超导体结构包括一个或多个体超导体结构。

示例3包括根据示例1所述的磁场集中或引导设备，其中所述一个或多个超导体结构包括一个或多个箔或带超导体结构。

示例4包括根据示例1的磁场集中或引导设备，其中所述一个或多个超导体结构包括一个或多个体超导体结构和一个或多个箔或带超导体结构的组合。

示例5包括根据示例1－4中任一项所述的磁场集中或引导设备，其中所述一个或多个超导体结构包括一个或多个高温超导体结构。

示例6包括根据示例1－4中任一项所述的磁场集中或引导设备，其中所述一个或多个线圈包括多个线圈，所述多个线圈被设置成以预定定向产生多个磁场。

示例7包括根据示例1－4中任一项所述的磁场集中或引导设备，其中该一个或多个超导体结构形成纵向穿过该一个或多个线圈的一个或多个通道。

示例8包括根据示例7所述的磁场集中或引导设备，其中所述一个或多个通道的几何形状被配置为对所述一个或多个磁场进行成形。

示例9包括根据示例1－4中任一项所述的磁场集中或引导设备，进一步包括：被设置在所述一个或多个线圈周围的超导体屏蔽结构。

示例10包括一种磁场集中或引导设备，该磁场集中或引导设备包括：关于体积的长度设置的一个或多个导电线圈；被设置在所述体积内的一个或多个结构，其中所述一个或多个结构包括箔、带或体超导体；纵向延伸穿过该体积的磁场承载区域；以及穿过所述一个或多个导电线圈和所述磁场承载区域设置的一个或多个孔口。

示例11包括根据示例10所述的磁场集中或引导设备，其中穿过该磁场承载区域布置的该一个或多个孔口包括横向延伸穿过该体积的该磁场承载区域。

示例12包括根据示例10的磁场集中或引导设备，其中：所述磁场承载区域进一步横向延伸穿过所述体积；并且该一个或多个孔口被进一步设置成穿过该一个或多个导电线圈到该磁场承载区域的横向末端。

示例13包括根据示例10所述的磁场集中或引导设备，进一步包括：设置在所述一个或多个导电线圈周围的超导体屏蔽件。

示例14包括根据示例13所述的磁场集中或引导设备，其中该一个或多个孔口被进一步布置成穿过该超导体屏蔽件。

示例15包括根据示例10－14中任一项所述的磁场集中或引导设备，其中所述磁场承载区域的几何形状是以下各项的函数：用于使带电粒子束横向穿过所述磁场承载区域的指定能量范围、用于纵向穿过所述磁场承载区域的指定磁通量范围、以及用于所述带电粒子束的指定弯曲半径范围。

示例16包括根据示例10－14中任一项所述的磁场集中或引导设备，该磁场集中或引导设备进一步包括耦接到该多个箔、带或体超导体结构上的一个或多个冷却器。

示例17包括一种磁场集中或引导方法，该方法包括：提供线圈；以及提供设置在相对于线圈的预定位置的具有通道的超导体。

示例18包括示例17的磁场集中或引导方法，其中该通道纵向地和横向地延伸穿过该线圈的内部体积。

示例19包括示例17的磁场集中或引导方法，其中提供超导体包括提供设置在线圈内部的高温超导体。

示例20包括示例19的磁场集中或引导方法，进一步包括将该超导体冷却到该超导体的临界温度以下。

示例21包括如示例17－19中任一项所述的磁场集中或引导方法，其中提供所述线圈包括提供通过电阻性或超导体线圈的电流。

示例22包括示例21的磁场集中或引导方法，还包括将超导体线圈冷却到超导体线圈的临界温度以下。

示例23包括一种磁场集中或引导方法，该方法包括：产生一个或多个磁场；以及集中或引导所述一个或多个磁场。

示例24包括示例23的磁场集中或引导方法，其中生成所述一个或多个磁场包括：使电流在围绕体积的长度的螺旋路径中通过。

示例25包括示例24的磁场集中或引导方法，其中集中或引导该一个或多个磁场包括：将该一个或多个磁场限制到该体积的连续部分，其中该连续部分延伸该体积的长度。

示例26包括示例23或24的磁场集中或引导方法，进一步包括：使带电粒子束通过经集中或经引导的一个或多个磁场。

示例27包括示例23或24的磁场集中或引导方法，其中所述一个或多个磁场包括彼此以预定定向设置的多个磁场。

已经出于说明和描述的目的呈现了本技术的具体实施例的以上描述。它们并不旨在穷举或将本技术限制为所公开的精确形式，并且显然根据上述教导，许多修改和变化是可能的。选择和描述这些实施例是为了最好地解释本技术的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够最好地利用本技术和具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (27)

1.一种磁场集中或引导设备，包括：

一个或多个线圈，用以产生一个或多个磁场；以及

一个或多个超导体结构，所述一个或多个超导体结构被设置在相对于所述一个或多个线圈的一个或多个预定位置处，并且被成形为集中或引导所述一个或多个磁场。

2.根据权利要求1所述的磁场集中或引导设备，其中所述一个或多个超导体结构包括一个或多个体超导体结构。

3.根据权利要求1所述的磁场集中或引导设备，其中所述一个或多个超导体结构包括一个或多个箔或带超导体结构。

4.根据权利要求1所述的磁场集中或引导设备，其中所述一个或多个超导体结构包括一个或多个体超导体结构和一个或多个箔或带超导体结构的组合。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的磁场集中或引导设备，其中所述一个或多个超导体结构包括一个或多个高温超导体结构。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的磁场集中或引导设备，其中所述一个或多个线圈包括多个线圈，所述多个线圈被设置为产生处于预定定向的多个磁场。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的磁场集中或引导设备，其中所述一个或多个超导体结构形成纵向穿过所述一个或多个线圈的一个或多个通道。

8.根据权利要求7所述的磁场集中或引导设备，其中所述一个或多个通道的几何形状被配置为对所述一个或多个磁场进行成形。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的磁场集中或引导设备，进一步包括：

被设置在所述一个或多个线圈周围的超导体屏蔽结构。

10.一种磁场集中或引导设备，包括：

被设置在体积的长度周围的一个或多个导电线圈；

被设置在所述体积内的一个或多个结构，其中所述一个或多个结构包括箔、带或体超导体；

纵向延伸穿过所述体积的磁场承载区域；以及

一个或多个孔口，所述一个或多个孔口被设置成穿过所述一个或多个导电线圈和所述磁场承载区域。

11.根据权利要求10所述的磁场集中或引导设备，其中被设置成穿过所述磁场承载区域的所述一个或多个孔口包括在横向上延伸穿过所述体积的所述磁场承载区域。

12.根据权利要求10或11所述的磁场集中或引导设备，其中：所述磁场承载区域进一步地横向延伸穿过所述体积；并且

所述一个或多个孔口被进一步设置成穿过所述一个或多个导电线圈到所述磁场承载区域的横向末端。

13.根据权利要求10、11或12所述的磁场集中或引导设备，进一步包括：

被设置在所述一个或多个导电线圈周围的超导体屏蔽件。

14.根据权利要求13所述的磁场集中或引导设备，其中所述一个或多个孔口被进一步设置成穿过所述超导体屏蔽件。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的磁场集中或引导设备，其中所述磁场承载区域的几何形状是以下各项的函数：用于使带电粒子束在横向上穿过所述磁场承载区域的指定能量范围、用于在纵向上穿过所述磁场承载区域的指定磁通量范围、以及用于所述带电粒子束的指定弯曲半径范围。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的磁场集中或引导设备，进一步包括一个或多个冷却器，所述一个或多个冷却器被耦接到所述多个箔、带或体超导体结构。

17.一种磁场集中或引导方法，包括：

提供线圈；以及

提供设置在相对于所述线圈的预定位置处的具有通道的超导体。

18.根据权利要求17所述的磁场集中或引导方法，其中所述通道纵向地和横向地延伸通过所述线圈的内部体积。

19.根据权利要求17或18所述的磁场集中或引导方法，其中提供所述超导体包括：提供设置在所述线圈内的高温超导体。

20.根据权利要求17、18或19所述的磁场集中或引导方法，还包括将所述超导体冷却到所述超导体的临界温度以下。

21.根据权利要求17至20中任一项所述的磁场集中或引导方法，其中提供所述线圈包括：提供通过电阻性线圈或超导体线圈的电流。

22.根据权利要求21所述的磁场集中或引导方法，还包括：将所述超导体线圈冷却到所述超导体线圈的临界温度以下。

23.一种磁场集中或引导方法，包括：

产生一个或多个磁场；以及

集中或引导所述一个或多个磁场。

24.根据权利要求23所述的磁场集中或引导方法，其中产生所述一个或多个磁场包括：使电流在围绕体积的长度的螺旋路径中通过。

25.根据权利要求24所述的磁场集中或引导方法，其中集中或引导所述一个或多个磁场包括：将所述一个或多个磁场限制到所述体积的连续部分，其中所述连续部分扩展所述体积的长度。

26.根据权利要求23、24或25所述的磁场集中或引导方法，还包括：使带电粒子束通过经集中或经引导的所述一个或多个磁场。

27.根据权利要求23、24、25或26所述的磁场集中或引导方法，其中所述一个或多个磁场包括彼此以预定定向设置的多个磁场。

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