CN116261252A - 一种医用质子同步加速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种医用质子同步加速器，其包括通过四个直线节连接以形成一环形结构的四个偏转二极磁铁，其中，所述偏转二极磁铁为第一、第二、第三和第四偏转二极磁铁，所述直线节中包括四六极组合磁铁，所述四六极组合磁铁为第一、第二、第三和第四水平聚焦四极与六极组合磁铁。本发明的结构非常紧凑，采用四六极组合磁铁，减少了不必要的间隙和磁铁元件，以利用尽可能少的元件数目实现医用加速器的功能，降低了同步加速器占用的空间，进而降低了建筑成本和治疗成本。

Description

一种医用质子同步加速器

技术领域

本发明涉及肿瘤治疗，更具体地涉及一种医用质子同步加速器。

背景技术

质子在深度方向上优异的布拉格峰特性使得其成为肿瘤治疗中最为先进的手段之一，目前世界上质子治疗装置和治疗中心的建设越来越多。目前运行及建造中的质子治疗加速器主要是回旋加速器和同步加速器。

回旋加速器可以提供稳定的连续束，其束流切断和开启速度很快，可以满足呼吸门控的要求。但是回旋加速器改变能量依靠的是安装在高能线上的机械装置——降能器，利用散射将束流能量降低；其优点是能量调节迅速，可以实现50毫秒一档的改变能量速度，能够支持快速重复扫描模式来治疗移动肿瘤；但缺点是散射造成束流利用率很低，治疗时最低能量70MeV时的通过效率不到1％，降能造成的散射和之后能量选择造成的大量束流损失会导致极大的辐射，对辐射防护以及设备安全造成很大的压力。

与回旋加速器相比，同步加速器的明显优点在于它可以对束流的能量方便地进行调节，以适应放射治疗对离子能量精确变化的需要，不需要额外的降能片，能够确保相对干净(辐射小)的环境。采用了新的多能量引出方式之后，可以克服其固有的换能时间缓慢、无效时间长而无法适应快速重复扫描的缺点。

已有专利文献CN105392270A在具体磁铁、电源等设计时，考虑了这种新的技术，从而极大减少了治疗时间。但是这种加速器的设计具有以下缺点为：一是较为复杂，采用了8块偏转二极磁铁和12块聚焦和散焦四极磁铁，元件的增加意味着可靠性的下降；二是结构不够紧凑，元件与元件之间的空隙成了浪费；三是能耗较高，磁铁是大功率设备，循环的升能降能过程浪费了大量能量；四是垂直包络函数仍然较大，达到6米，因而空间电荷效应较大，导致粒子存储较少。专利文献CN208094872U、CN208094871U等公布了几种较为紧凑的加速器设计，但是其垂直包络函数较大，接受度小，二极磁铁角度大、长度长，制造难度较大，不太适合实际应用，所采用的四极铁的数目也偏多，结构不够紧凑。

发明内容

为了解决上述现有技术中的结构不够紧凑等问题，本发明提供一种医用质子同步加速器。

根据本发明的医用质子同步加速器包括通过四个直线节连接以形成一环形结构的四个偏转二极磁铁，其中，所述偏转二极磁铁为第一、第二、第三和第四偏转二极磁铁，第一偏转二极磁铁和第二偏转二极磁铁相连，第二偏转二极磁铁和第三偏转二极磁铁相连，第三偏转二极磁铁和第四偏转二极磁铁相连，第四偏转二极磁铁还与第一偏转二极磁铁相连以构成该环形结构，所述直线节中包括四六极组合磁铁，所述四六极组合磁铁为第一、第二、第三和第四水平聚焦四极与六极组合磁铁，其中，第一水平聚焦四极与六极组合磁铁连接在第一偏转二极磁铁和第二偏转二极磁铁之间，第二水平聚焦四极与六极组合磁铁连接在第二偏转二极磁铁和第三偏转二极磁铁之间，第三水平聚焦四极与六极组合磁铁连接在第三偏转二极磁铁和第四偏转二极磁铁之间，第四水平聚焦四极与六极组合磁铁连接在第四偏转二极磁铁和第一偏转二极磁铁之间。

应该理解，这里的四个偏转二极磁铁与直接提供四组偏转二极磁铁不同。四组偏转二极磁铁构成的同步加速器结构具备的包络函数与工作点等均有区别于本发明。而且，四组偏转二极磁铁将由于磁铁间隙导致周长较长。另外，这里的四六极组合磁铁能够更好的保证紧凑性。

优选地，第一偏转二极磁铁和第二偏转二极磁铁之间依次连接有第一水平聚焦四极与六极组合磁铁、第二注入凸轨磁铁和注入静电切割板。

优选地，注入静电切割板连接有注入静磁切割磁铁。

优选地，第二偏转二极磁铁和第三偏转二极磁铁之间依次连接有高频加速装置、第三注入凸轨磁铁、第二快四极磁铁和第二水平聚焦四极与六极组合磁铁。

优选地，第三偏转二极磁铁和第四偏转二极磁铁之间依次连接有第三水平聚焦四极与六极组合磁铁、引出静电切割板和引出激励电极。

优选地，第四偏转二极磁铁和第一偏转二极磁铁之间依次连接有第一快四极磁铁、第一注入凸轨磁铁和第四水平聚焦四极与六极组合磁铁。

优选地，第四偏转二极磁铁连接有引出静磁切割磁铁。

根据本发明的医用质子同步加速器，通过采用较少数量的偏转二极磁铁结合控制工作点(采用不同的强度进行工作点的调节)的水平聚焦四极磁铁，将全环包络函数控制在较小水平，有效增加了同步加速器的接受度和质子储存数量，提高了质子利用率和占空比，缩短治疗时间。另外，本发明的结构非常紧凑，采用四六极组合磁铁，减少了不必要的间隙和磁铁元件，以利用尽可能少的元件数目实现医用加速器的功能，降低了同步加速器占用的空间，进而降低了建筑成本和治疗成本。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的医用质子同步加速器的结构示意图。

图2是图1的医用质子同步加速器的包络函数的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，根据本发明的一个优选实施例的医用质子同步加速器包括第一、第二、第三和第四偏转二极磁铁1、2、3、4，其中，第一偏转二极磁铁1和第二偏转二极磁铁2相连，第二偏转二极磁铁2和第三偏转二极磁铁3相连，第三偏转二极磁铁3和第四偏转二极磁铁4相连，第四偏转二极磁铁4还与第一偏转二极磁铁1相连以构成一环形结构以偏转束流(束流方向为图1中环形结构的顺时针方向)。

该医用质子同步加速器还包括第一、第二、第三和第四直线节，其中，第一直线节连接在第一偏转二极磁铁1与第二偏转二极磁铁2之间，第二直线节连接在第二偏转二极磁铁2与第三偏转二极磁铁3之间，第三直线节连接在第三偏转二极磁铁3与第四偏转二极磁铁4之间，第四直线节连接在第四偏转二极磁铁4与第一偏转二极磁铁1之间。

该第一直线节包括依次连接在第一偏转二极磁铁1与第二偏转二极磁铁2之间的第一水平聚焦四极与六极组合磁铁11、第二注入凸轨磁铁42和一注入静电切割板52。其中，第一直线节还包括与注入静电切割板52连接的一注入静磁切割磁铁51。

该第二直线节包括依次连接在第二偏转二极磁铁2与第三偏转二极磁铁3之间的高频加速装置61、第三注入凸轨磁铁43、第二快四极铁32和第二水平聚焦四极与六极组合磁铁12。

该第三直线节包括依次连接在第三偏转二极磁铁3与第四偏转二极磁铁4之间的第三水平聚焦四极与六极组合磁铁13、引出静电切割板21和引出激励电极22。

该第四直线节包括依次连接在第四偏转二极磁铁4与第一偏转二极磁铁1之间的第一快四极磁铁31、第一注入凸轨磁铁41和第四水平散焦四极与六极组合磁铁14。其中，第四直线节还包括与第四偏转二极磁铁4连接的引出静磁切割磁铁23。

以上提到的各部件之间通过真空管(图中未示)相连。

在实际使用时，一个治疗周期内由注入器提供低能质子束经过注入静磁切割磁铁51、注入静电切割板52、第一、第二和第三注入凸轨磁铁41、42、43、第一、第二、第三和第四偏转二极磁铁1、2、3、4注入到本发明的医用质子同步加速器并储存；然后，根据治疗要求，通过同步上升第一、第二、第三和第四偏转二极磁铁1、2、3、4与第一、第二、第三和第四水平聚焦四极与六极组合磁铁11、12、13、14的场强，质子在高频加速装置61的作用下能量得到提升。在需要的治疗能量下，激励第一和第二快四极磁铁31、32的强度，使工作点移动到靠近三阶共振线，再调节第一、第二、第三和第四水平聚焦四极与六极组合磁铁11、12、13、14的六极分量强度，使得稳定区缩小的同时保持色品在需要的强度，质子在引出激励电极22、第一、第二、第三和第四水平聚焦四极与六极组合磁铁11、12、13、14的作用下扩散到引出通道，通过引出静电切割板21和引出静磁切割磁铁23引出到质子同步加速器外的高能输运线上直至患者处。在需要时，可以在治疗周期内通过降低第一和第二快四极磁铁31、32的强度，停止引出，并同步改变第一、第二、第三和第四偏转二极磁铁1、2、3、4以及第一、第二、第三和第四水平聚焦四极与六极组合磁铁11、12、13、14的四极和六极分量和高频加速装置61的高频电压工作频率，切换能量再次实施引出。

如此，通过利用第一、第二、第三和第四偏转二极磁铁1、2、3、4的水平聚焦效果及第一、第二、第三和第四水平聚焦四极与六极组合磁铁11、12、13、14的水平聚焦效果和第一、第二、第三和第四偏转二极磁铁1、2、3、4的边缘角散焦效果达到双向聚焦，形成的弱聚焦能够控制其水平和垂直包络函数都在较小水平。

图2为本实施例对应的水平和垂直束流包络函数，其中，纵坐标表示函数的大小，单位为米(m)，横坐标表示在同步加速器中的纵向位置，单位为米(m)。可见，本发明具有包络函数小，有效接受度大的特点，模拟计算表明可以储存更多的质子。

综上所述，本实施例采用了四块偏转二极磁铁结合四极铁聚焦降低了包络函数和缩短周长，共振六极磁铁组合在四极磁铁上极大地简化了元件数量，降低了能耗。

与专利文献CN105392270A、CN208094872U、CN208094871U的技术方案相比，本发明的垂直包络函数更小，有效增加了同步加速器的接受度，增加了质子储存数目，提高了质子利用率和占空比，缩短了治疗时间；而且小的包络函数意味着较小的磁铁孔径和小的磁铁储能，也降低了能量消耗；较少的磁铁数量也减少了整个加速器的周长，从而有效地利用了同步加速器的空间，进而最大程度地降低装置和建筑的建造成本，降低了治疗成本。另外，本发明增加了两块快四极铁31，43用于多能量引出时更方便的进行快速的工作点调节，对多能量引出更好的进行支持。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种医用质子同步加速器，其特征在于，该医用质子同步加速器包括通过四个直线节连接以形成一环形结构的四个偏转二极磁铁，其中，所述偏转二极磁铁为第一、第二、第三和第四偏转二极磁铁(1、2、3、4)，第一偏转二极磁铁(1)和第二偏转二极磁铁(2)相连，第二偏转二极磁铁(2)和第三偏转二极磁铁(3)相连，第三偏转二极磁铁(3)和第四偏转二极磁铁(4)相连，第四偏转二极磁铁(4)还与第一偏转二极磁铁(1)相连以构成该环形结构，所述直线节中包括四六极组合磁铁，所述四六极组合磁铁为第一、第二、第三和第四水平聚焦四极与六极组合磁铁(11、12、13、14)，其中，第一水平聚焦四极与六极组合磁铁(11)连接在第一偏转二极磁铁(1)和第二偏转二极磁铁(2)之间，第二水平聚焦四极与六极组合磁铁(12)连接在第二偏转二极磁铁(2)和第三偏转二极磁铁(3)之间，第三水平聚焦四极与六极组合磁铁(13)连接在第三偏转二极磁铁(3)和第四偏转二极磁铁(4)之间，第四水平聚焦四极与六极组合磁铁(14)连接在第四偏转二极磁铁(4)和第一偏转二极磁铁(1)之间。

2.根据权利要求1所述的医用质子同步加速器，其特征在于，第一偏转二极磁铁(1)和第二偏转二极磁铁(2)之间依次连接有第一水平聚焦四极与六极组合磁铁(11)、第二注入凸轨磁铁(42)和注入静电切割板(52)。

3.根据权利要求2所述的医用质子同步加速器，其特征在于，注入静电切割板连接有注入静磁切割磁铁(51)。

4.根据权利要求1所述的医用质子同步加速器，其特征在于，第二偏转二极磁铁(2)和第三偏转二极磁铁(3)之间依次连接有高频加速装置(61)、第三注入凸轨磁铁(43)、第二快四极磁铁(32)和第二水平聚焦四极与六极组合磁铁(12)。

5.根据权利要求1所述的医用质子同步加速器，其特征在于，第三偏转二极磁铁(3)和第四偏转二极磁铁(4)之间依次连接有第三水平聚焦四极与六极组合磁铁(13)、引出静电切割板(21)和引出激励电极(22)。

6.根据权利要求1所述的医用质子同步加速器，其特征在于，第四偏转二极磁铁(4)和第一偏转二极磁铁(1)之间依次连接有第一快四极磁铁(31)、第一注入凸轨磁铁(41)和第四水平聚焦四极与六极组合磁铁(14)。

7.根据权利要求6所述的医用质子同步加速器，其特征在于，第四偏转二极磁铁(4)连接有引出静磁切割磁铁(23)。

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