CN116170933B - 用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置。采用直边加多螺角螺旋结构磁铁扇块结合圆柱高导磁芯，通过构建磁铁表面精细结构特征，不仅满足了等时性磁场的高精度要求，又解决了小半径和大半径磁场急剧下降的问题，保证了磁场稳定性。等时性磁场精度高、稳定性高、磁铁结构紧凑，且易于在加速器上安装和集成，在医用同位素生产中具有重要的应用价值。

Description

用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置

技术领域

本申请涉及粒子束治疗的回旋加速器领域，更具体地，涉及一种用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置。

背景技术

在过去的十多年间，服务于粒子束治疗的回旋加速器发展迅速。传统回旋加速器中，加速粒子因相对论效应会导致其回旋频率与电场频率的不一致，等时性回旋加速器通过允许磁场沿径向变化，使磁场强度沿半径方向与粒子能量同步增长，很好地解决了这个问题。

随着加速器束流动力学的发展，等时性磁场采用了“山谷”设计，磁极结构经历了直边扇形、螺旋扇形的发展过程。由此，既保证了粒子的回旋频率为常数，又解决了粒子的轴向聚焦问题。虽然对于扇形等时性磁场的设计已相对比较成熟，但在质子治疗和同位素生产中仍具有很大的应用潜力。特别是实际应用中质子束引出所需各个能量段的场形都有不同，且要满足磁场高精度的要求，使其在磁铁精细结构上的设计还存在诸多挑战。特别对于RFQ-dip结构的等时性回旋加速器，因磁铁体积减小以及中心位置留空，导致等时性磁场及其精度都受到严重影响，为此，我们发明了一种高精度应用型等时性回旋加速器的磁场设计方案，用于保持磁场的高精度。

发明内容

针对上述问题，本申请的目的是为了满足高流强的H₂ ⁺束流对高精度等时性磁场的需求，同时为了解决了大半径和小半径磁场急剧下降的问题，以保证磁场稳定性。

为实现上述目的，本申请采取以下技术方案：

一种用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，包括：

磁铁铁芯，磁铁铁芯包括铁轭和多个磁铁扇块，多个磁铁扇块设置在铁轭的内腔中；

超导线圈，超导线圈设置在铁轭的内腔中并且超导线圈围绕多个磁铁扇块设置；

中心孔道，中心孔道设置在铁轭的中心轴线处；

射频四极杆，射频四极杆设置在中心孔道中，束流通过射频四极杆以实现竖直聚焦；和

高导磁芯，高导磁芯在射频四极杆正上方设置在中心孔道中，并且连接到多个磁铁扇块。

高导磁芯包括扇形高导磁芯和圆环形高导磁芯，圆环形高导磁芯的中心孔与中心孔道的中心轴线同轴，扇形高导磁芯设置在圆环形高导磁芯的表面上，圆环形高导磁芯的中心孔与扇形高导磁芯的中心孔一起构成延伸孔道。

还包括反射镜，反射镜设置在延伸孔道中，束流通过射频四极杆，然后经过反射镜偏转进入等时性场区。

磁铁铁芯包括对称设置的具有相同结构的上层磁铁铁芯和下层磁铁铁芯。

多个磁铁扇块中的每一个是由上表面、下表面、中心端面、外围端面、左侧面和右侧面围成的扇形块，其中：

中心端面靠近中心孔道设置；

外围端面远离中心孔道设置；

左侧面为凸形表面；和

右侧面为凹形表面。

左侧面和右侧面分别地包括径向向外依次布置的直边扇段、第一螺旋扇段和第二螺旋扇段，直边扇段靠近中心孔道设置并且具有直线边缘，第二螺旋扇段远离中心孔道设置并且具有第一曲线边缘，第一螺旋扇段设置在直边扇段和第二螺旋扇段之间并且具有第二曲线边缘，第二曲线的曲率大于第一曲线的曲率。

第一螺旋扇段和第二螺旋扇段采用一个圆柱面构造或多个圆柱面削斜形成。

多个磁铁扇块中的每一个的上表面通过沿半径方向按照预定气隙间距削斜，以在上表面上形成多个环状表面。

高导磁芯通过卡槽和/或销钉固定到多个磁铁扇块。

高导磁芯采用FeCoV材料制造。

本申请由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

适用于质子束引出能量30-250MeV的等时性回旋加速器，通过构建磁铁表面精细结构特征，不仅满足了等时性磁场的高精度要求。中心圆柱高导磁芯的设置解决了小半径磁场急剧下降的问题。通过极面的区域划分来降低气隙，从而解决了大半径磁场急剧下降的问题。磁铁结构紧凑，且易于在加速器上安装和集成，在医用同位素生产中具有重要的应用价值。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本申请的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置的结构示意图；

图2是根据本申请的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置的局部剖示图；和

图3是根据本申请的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置的局部示意图。

附图中各标记表示如下：

1、铁轭；2、磁铁扇块；3、高导磁芯；4、超导线圈；5、中心孔道；6、延伸孔道；21、扇块凸面；22、扇块极面；23、扇块凹面；24扇块远端面；25、大半径螺旋边缘；26、小半径直线边缘；31、扇形高导磁芯；32、环形高导磁芯。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。

回旋加速器使带电粒子沿螺旋路径从回旋加速器的中心区域向外加速直到它们以若干MeV能量被引出。例如，如此引出的带电粒子可以是质子H⁺、或氘核D⁺。引出的粒子达到的能量包括在5MeV与30MeV之间、更优选地在15MeV与21MeV之间、最优选地为18MeV。具有这类能量的回旋加速器例如用于生产适合于在PET成像(正电子发射X线断层摄影术)中使用的短寿命正电子发射同位素或适合于生产用于SPECT成像(单光子发射计算机断层成像术)的伽马发射同位素(例如，Tc99m)。

根据本发明的回旋加速器优选地包括N＝3到8个磁铁扇块2。更优选地，如在图1中所展示的，N＝4。对于所有N＝3至8(即根据N的对称性)，N个磁铁扇块2围绕中心轴线均匀分布。在一些实施例中，4个磁铁扇块2围绕中心轴线径向分布。

磁铁扇块2包括上表面和下表面。在一些实施例中，上表面为扇块极面22。

上表面和下表面近端是边缘的、位置离中心轴线最近的末端。

上表面和下表面远端是边缘的、位置离中心轴线最远的末端。

上表面和下表面的外围边缘被限定为上表面和下表面的包括位置离中心轴线最远的点的边缘。如果将磁铁扇块比作一份蛋糕，外围边缘将是蛋糕的外围外皮。

中心边缘被限定为表面的包括位置离中心轴线最近的点的边缘。上中心边缘是上表面的包括位置离中心轴线最近的点的边缘。下中心边缘是下表面的包括位置离中心轴线最近的点的边缘。

侧边缘被限定为将近端处的中心边缘连结至远端处的外围边缘的边缘。侧边缘的近端是侧边缘的与中心边缘相交的末端，侧边缘的远端是侧边缘的与外围边缘相交的末端。

磁铁扇块2的形状与蛋糕一样，经常是楔形的，其中扇块凸面21和扇块凹面23从外围表面朝中心轴线会聚。在一些实施例中，外围表面为扇块远端面24。磁铁扇块2包括上表面，上表面包括：上外围边缘、上中心边缘、第一上侧边缘和第二上侧边缘。

磁铁扇块的形状与蛋糕一样经常是楔形的。磁极分成围绕中心轴线分布的磁铁扇块，创造粒子束的竖直聚焦。

本发明应用于RFQ-dip结构等时性回旋加速器系统。磁场的分布主要由上层磁铁铁芯、下层磁铁铁芯及超导线圈4决定。附图中仅仅显示出了上层磁铁铁芯及超导线圈的结构示意图，下层磁铁铁芯的结构及超导线圈与上层磁铁铁芯及超导线圈的结构一致，是相对旋转180度镜像对称的关系。

磁铁铁芯由铁轭1和磁铁扇块2组成。

由于上层磁铁中心要放置RFQ(射频四极杆Radio Frequency Quadrupole)，所以上层磁铁中心位置设计中心孔道5，示例地但非限制地，中心孔道5的直径为300mm。

在中心孔道5的延伸段处增加有延伸孔道6，用于放置反射镜，示例地但非限制地，延伸孔道6的直径减小到60mm。

束流通过RFQ，然后经过反射镜(未示出)偏转进入等时性场区。

由于中心孔道5会导致磁场急剧下降，所以本申请通过在中心孔道5的延伸段6中安装高导磁芯3来提升磁场。

高导磁芯3包括扇形高导磁芯31和圆环形高导磁芯32。如图3所示，围绕等时性回旋加速器的中心设置圆环形高导磁芯32，在圆环形高导磁芯32的表面上均匀布置四个扇形高导磁芯31。

高导磁芯3通过在主磁铁上开卡槽和销钉固定的方式进行固定，同时控制装配工差。在一些实施例中，下层磁铁铁芯采用与上层磁铁铁芯完全一样的结构，下层磁铁铁芯与上层磁铁铁芯对称地安装。

磁铁扇块2采用整块磁铁制造，如图1和图3所示，根据本申请的一些实施例，包括4个磁铁扇块2。磁铁扇块2的数量受限制，也可以是其他数量的。

每个磁铁扇块2的边缘采用直边扇加螺旋扇的结构。

由于在小半径处，螺旋扇增加的聚焦能力较小，因此采用直边扇替代，可以改善高频系统性能并且易加工，更好地调节等时性磁场。

这个直边扇结构设置在垂直于RFQ的正下方处，并且在直边扇段上还可以采用一段高导磁性材料。

在一些实施例中，在磁铁的半径R小于300mm的区域上方采用高导磁性材料，高导磁性材料可采用FeCoV材料，以提升此处的磁场。

另外，如图1至图3所示，在螺旋扇段，经过了两次螺旋角的改变并满足束流物理对等时性磁场的要求。

螺旋扇块凸面21的削斜采用一个圆柱面构造或多个圆柱面进行优化，可降低加工难度，通过精确调整圆柱面的圆心位置和半径简化结构，将整个加速区范围内的等时性磁场的误差降到30Gauss，为扇块极面22的磁场精确调整提供条件。

由于物理上为应对强流需要非常高精度(2-3Gauss)的等时性磁场，所以采用了精细削斜，扇块极面22上的精细削斜是应物理要求采用的。将整个极头沿半径方向按5mm划分成(970mm/5mm，)180多个圆环，通过削斜气隙间距便达到了调节等时性磁场的目的。在磁场计算中，通过精细化建模及削斜，从而可实现高精度磁场(2-3Gauss，约万分之一)的优化调节。

在一些实施例中，磁铁扇块2的半径为970mm，而引出半径为R850 mm。其中，磁铁扇块的半径指的是扇形磁铁最外围的半径大小，引出半径指的是束流引出位置的半径，两者均是以回旋加速器机器的几何中心为原点计算的半径。

越到达边界，磁场就会下降得越快，在此处，为了满足离子引出的需要，根据本申请的实施例，通过对扇块极面的区域进行划分，来逐步降低气隙，从而达到提升磁场的作用，解决了磁场在大半径处急剧下降的问题。

在回旋加速器机器的中心区，采用两个不同孔径的圆柱形中心孔道，分别定义为中心孔道5和延伸孔道6。中心孔道5用于放置RFQ，延伸孔道6用于放置反射镜。

孔道延伸段采用完整的圆柱形和扇形高导磁性材料，以提升中心磁场。

整个扇块采用直边加多螺角螺旋结构，利于高频电压提升，方便加工安装，并且易于调节等时性磁场。

全场区极面间隙的精细削斜及侧面位置的多参数精确调整可使磁场调节精度高达2-3Gauss，利于高精度等时性磁场的优化。

根据本发明的一些实施例的回旋加速器，适用于质子束引出能量30-250MeV的等时性回旋加速器，通过构建磁铁表面精细结构特征，满足了等时性磁场的高精度要求。中心圆柱高导磁芯的设置解决了小半径磁场急剧下降的问题。通过极面的区域划分来降低气隙，从而解决了大半径磁场急剧下降的问题。磁铁结构紧凑，且易于在加速器上安装和集成，在医用同位素生产中具有重要的应用价值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，包括：

磁铁铁芯，所述磁铁铁芯包括铁轭和多个磁铁扇块，多个磁铁扇块设置在铁轭的内腔中，多个磁铁扇块围绕中心轴线均匀分布；

超导线圈，所述超导线圈设置在铁轭的内腔中并且所述超导线圈围绕所述多个磁铁扇块设置；

中心孔道，所述中心孔道设置在所述铁轭的中心轴线处；

射频四极杆，所述射频四极杆设置在所述中心孔道中，束流通过所述射频四极杆以实现竖直聚焦；和

高导磁芯，所述高导磁芯在所述射频四极杆正上方，设置在所述中心孔道中，并且连接到所述多个磁铁扇块；

所述高导磁芯包括扇形高导磁芯和圆环形高导磁芯，所述圆环形高导磁芯的中心孔与所述中心孔道的中心轴线同轴，所述扇形高导磁芯设置在所述圆环形高导磁芯的表面上，所述圆环形高导磁芯的中心孔与所述扇形高导磁芯的中心孔一起构成延伸孔道。

2.根据权利要求1所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜设置在所述延伸孔道中，束流通过射频四极杆，然后经过所述反射镜偏转进入等时性场区。

3.根据权利要求1所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述磁铁铁芯包括对称设置的具有相同结构的上层磁铁铁芯和下层磁铁铁芯。

4.根据权利要求1所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述多个磁铁扇块中的每一个是由上表面、下表面、中心端面、外围端面、左侧面和右侧面围成的扇形块，其中：

所述中心端面靠近所述中心孔道设置；

所述外围端面远离所述中心孔道设置；

所述左侧面为凸形表面；和

所述右侧面为凹形表面。

5.根据权利要求4所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述左侧面和所述右侧面分别地包括径向向外依次布置的直边扇段、第一螺旋扇段和第二螺旋扇段，所述直边扇段靠近所述中心孔道设置并且具有直线边缘，所述第二螺旋扇段远离所述中心孔道设置并且具有第一曲线边缘，所述第一螺旋扇段设置在所述直边扇段和所述第二螺旋扇段之间并且具有第二曲线边缘，所述第二曲线的曲率大于所述第一曲线的曲率。

6.根据权利要求5所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述第一螺旋扇段和所述第二螺旋扇段采用一个圆柱面构造或多个圆柱面削斜形成。

7.根据权利要求5所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述多个磁铁扇块中的每一个的上表面通过沿半径方向按照预定气隙间距削斜，以在所述上表面上形成多个环状表面。

8.根据权利要求1所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述高导磁芯通过卡槽和/或销钉固定到所述多个磁铁扇块。

9.根据权利要求1所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述高导磁芯采用FeCoV材料制造。