CN117279185B - 一种回旋加速器芯柱磁铁一体化结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种回旋加速器芯柱磁铁一体化结构，包括布设在加速器中心平面上下两侧的上层芯柱磁铁一体化结构和下层芯柱磁铁一体化结构；该上层芯柱磁铁一体化结构将上层中心区芯柱和上层主磁极一体化制作，该下层芯柱磁铁一体化结构将下层中心区芯柱和下层主磁极一体化制作；该上层中心区芯柱和下层中心区芯柱为中空结构：该芯柱外轮廓分别为加粗的圆柱形，该圆柱形半径大于主磁极头部的半径，并且和各个主磁极侧面一体化制作；该芯柱的内轮廓成收拢状的圆形阶梯孔同时也构成了主磁极头部的阶梯状内表面。本发明通过回旋加速器芯柱磁铁一体化结构，保证中心区的高真空度和高安装精度。
Description
技术领域
本发明属于本发明属于加速器质子治疗技术领域，尤其涉及一种回旋加速器芯柱磁铁一体化结构。
背景技术
在直边扇回旋加速器中，如图7所示，中心区由磁场调变度提供的轴向聚焦力比较弱，难以对粒子进行轴向聚焦，为此采用在中心区提高磁场的方式增加一个磁场凸起，使粒子在磁场凸起处获得较强的轴向聚焦力。如图8所示，在中心区增加磁场凸起的方式，一般采用增加中心区芯柱、再在芯柱上表面增加两块凸起的电磁铁、和增加中心区磁极镶条角宽度。
调整中心区磁场强度的难点在于：不仅要考虑磁场强度因素，还要兼顾中心区的真空度、和安装精度。粒子是在真空环境下运动的、对真空度要求很高，如果中心区真空度不好，虽然中心区磁场强度达到了要求，但因为真空度不够高，也会影响加速器整体的运行；同时，安装精度也会对中心区磁场强度有很大影响，所述安装精度就是中心区各个部件之间的相对位置关系，当前的磁场凸起是针对当前各个部件的相对位置关系而产生的磁场凸起，但是当维修拆卸再安装时，很难保证这一次的安装精度和上一次完全一样，而安装精度决定了磁场精度，因此，调整中心区磁场强度的同时还要同时满足高真空度和高精度安装的需求，只有三者条件均具备了才能真正调整好中心区磁场强度和满足加速器运行需求。
现有技术如图8所示，在加速器中，芯柱、芯柱上表面的凸起的铁块、主磁极，这三者一般设计成可拆卸的独立的结构，需要单独加工后组装，这种分散的中心区结构不能满足高真空度和高精度安装的需求。原因之一是：这种可拆卸的分散的结构，它们相互之间的缝隙就比较多，例如，芯柱和其周围的四块主磁铁之间会有缝隙、芯柱表面二块凸起的铁块和芯柱上表面会有缝隙。而缝隙越少越有利于抽真空、缝隙越多越不利于抽真空，显然，这种分散的结构提高了真空系统的难度。原因之二是：维护复杂且存在安装精度问题。后续进行加速器安装、主磁铁测量、后期维护等时会因安装精度等造成磁场误差，对束流运行的轨道造成偏差，影响加速器加速束流，严重的甚至会导致无法引出束流。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种回旋加速器芯柱磁铁一体化结构。目的在于通过回旋加速器芯柱磁铁一体化结构，保证中心区的高真空度和高安装精度。
本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：
一种回旋加速器芯柱磁铁一体化结构，其特点是：包括布设在加速器中心平面上下两侧的上层芯柱磁铁一体化结构和下层芯柱磁铁一体化结构；该上层芯柱磁铁一体化结构将上层中心区芯柱和上层主磁极一体化制作，该下层芯柱磁铁一体化结构将下层中心区芯柱和下层主磁极一体化制作；
该上层中心区芯柱和下层中心区芯柱为中空结构：该上层中心区芯柱和下层中心区芯柱外轮廓分别为加粗的圆柱形，该加粗的圆柱形半径大于主磁极头部的半径，并且上层、下层中心区芯柱加粗的圆柱形分别贯穿圆周上各个主磁极的侧面并和各个主磁极侧面一体化制作；该上层中心区芯柱和下层中心区芯柱的内轮廓分别为由多个空心圆组成的朝向加速器中心平面成收拢状的圆形阶梯孔，该成收拢状的圆形阶梯孔同时也构成了主磁极头部的阶梯状内表面、和主磁极头部的阶梯状内表面一体化制作；
该成收拢状的圆形阶梯孔的第一层由四个主磁极头部伸出的尖端部分围合而成，该伸出的尖端部分相对主磁极头部的其它阶梯孔距离加速器中心点更近，该距离加速器中心点更近的第一层阶梯孔用于形成加速器中心区凸起的磁场、满足加速器中心区凸起磁场的设计要求；该成收拢状的圆形阶梯孔的第二层用于控制束流从外部进入时中心轴线上的泄漏的磁场，通过控制第二层圆形阶梯孔的直径减少泄漏的磁场；该成收拢状的圆形阶梯孔的第三层及第四层的圆形阶梯孔用于布设注入线中的束流元件。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第一层的孔半径相对最小，在设计阶段通过调节芯柱距离中心平面的距离和伸出部分的尺寸来调节头部磁场凸起的大小，增加轴向聚焦，调节芯柱的外半径和高度，整体性的抬高头部磁场。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第二层的孔半径在不遮挡束流的情况下尽量小，通过调节第二层的孔半径，尽可能屏蔽掉中心轴线上的泄漏的磁场，保证束流完整通过，尽量少的打到第二层圆环孔的侧壁上。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第三层的孔半径相对于第二层孔半径较大，用以留有足够的空间放置轴向注入线上的四极磁铁等元件。
进一步地，还能够设计多于四层的多级阶梯结构，逐渐增大径向尺寸，在给注入线元件留出更多空间的同时仍具有较好的屏蔽效果。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第一层孔的高度和宽度包括但不限于8毫米、3毫米。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第二层孔的高度和宽度包括但不限于5毫米、6毫米。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第三层孔的高度和宽度包括但不限于14毫米、14毫米。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第四层孔的高度和宽度包括但不限于10毫米、28毫米。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第一层孔的高度和高频腔头部连接件的高度相匹配；该芯柱的外半径和所述头部连接件以下的高频腔的半径相匹配，并沿着半径方向低接于所述头部连接件以下的高频腔。
本发明的优点效果
本发明采用加粗的芯柱圆柱形外轮廓抬高了中心区磁场、构成了中心区磁场凸起的重要因素，同时，还采用更加靠近加速器中心点的四个磁极的尖角进行中心区磁场凸起的精确调节，同时，将加粗的芯柱圆柱形外轮廓和主磁极的侧面一体化制作、将主磁极阶梯状内表面作为芯柱圆形阶梯内轮廓的组成部分，从而实现了芯柱内表面和主磁极内表面的一体化制作。通过以上芯柱和磁极外轮廓和内轮廓的一体化制作，克服了现有技术因为中心区各部件之间缝隙多难以保证高真空度的问题；同时还解决了现有技术中心区维护拆卸时因为安装精度达不到而造成磁场误差、束流运行的轨道造成偏差，影响加速器加速束流，严重的甚至会导致无法引出束流的问题。
附图说明
图1为本发明中心区芯柱磁铁一体化外部结构图；
图2为本发明中心区芯柱磁铁一体化内部结构图；
图3为本发明中心区芯柱磁铁一体化内表面形状示意图；
图4为本发明中心区芯柱磁铁一体化内表面尺寸示意图；
图5高频腔头部连接件示意图；
图6为本发明中心区磁场凸起示意图；
图7加速器磁场调变度示意图；
图8为现有技术中心区各部分独立结构俯视图。
具体实施方式
本发明设计原理
中心区芯柱磁铁一体化设计原理：
第一、加粗的芯柱圆柱形外轮廓抬高了中心区磁场、构成了中心区磁场凸起的重要因素。传统观念是芯柱半径区域一定不能超过主磁极头部半径区域，如图8所示，传统方案的芯柱的半径区域布设在四个主磁极头部围合而成的区域的内部，这样，芯柱的体积受到限制，为了提高中心区的磁场，传统方法不得不在芯柱的上表面增加二块凸起磁极，之所以采用增加凸起磁极的方法，是因为中心区空间拥挤：芯柱上表面既要布设电极、还要布设离子源，所剩空间无几，因此不得不把芯柱局部的磁铁抬高，通过减小中心区磁铁之间的气隙的高度来强化磁场。但是芯柱表面布设凸起磁极的方法会使得设计和调试的难度增大；本发明用一体化的设计打破了传统的观念，芯柱的外轮廓摆脱了主磁极头部区域的限制，从主磁极头部区域的内部“跳到”主磁极头部区域的外部，使得芯柱的外径大于主磁极头部的半径，由此实现了芯柱的加粗设计；
补充说明1：
本发明中心区磁场凸起的效果如图6所示。相比现有技术，由于加粗的芯柱圆柱形超出了中心区的范围，所以凸起的地方和非凸起的地方差距缩小，虽然差距减小了，但是凸起的磁场达到了要求。由于加粗的芯柱圆柱形超出了中心区的一定范围，会将超出的地方的磁场抬高，为了保持原先的磁场，将被抬高磁场的地方用主磁极侧边的镶条垫补，使得被抬高的磁场恢复到原来的磁场。
第二、采用更加靠近加速器中心点的四个磁极的尖角进行中心区磁场凸起的精确调节；如图5所示，由于圆柱形的上表面还要流出空间给高频腔头部连接件，因此，加粗的芯柱圆柱形的顶部不能到达加速器中心平面而要低于中心平面一块距离(该距离单位高度和高频腔头部连接件的高度相匹配)，这样就会导致磁场凸起的程度达不到设计要求，此时，用更加靠近加速器中心点的四个磁极的尖角进行精确调节，如图2、图4所示，顶层台阶既是由一对主磁极的尖角构成，尖角处的磁铁相对更多，因此可以增加磁场的凸起。
第三、一体化制作原理：第一、将芯柱外轮廓和主磁极外轮廓一体化制作设计原理：芯柱的外轮廓为圆柱形，圆柱贯穿圆周上每个主磁极的2个侧面并且和主磁极一体化制作；第二、将芯柱内轮廓和主磁极内轮廓一体化制作设计原理，如图2所示，芯柱圆形台阶孔由两个部分组成，一部分来自主磁极阶梯状的内轮廓，主磁极阶梯状的内轮廓作为圆形台阶孔的一部分；另一部分还包括圆周上四个主磁极内轮廓以外的其它部分，这两个部分一起构成了芯柱圆形台阶孔。
总之，本发明用加粗的芯柱圆柱形外轮廓设计、以及主磁极尖角达到了中心区磁场凸起的设计要求；通过芯柱和主磁极外轮廓的一体化制作、以及芯柱和主磁极内轮廓的一体化制作实现了芯柱和主磁极整体的一体化制作。
基于以上发明原理，本发明设计了一种回旋加速器芯柱磁铁一体化结构，如图1-7所示，其特点是：包括布设在加速器中心平面上下两侧的上层芯柱磁铁一体化结构和下层芯柱磁铁一体化结构；该上层芯柱磁铁一体化结构将上层中心区芯柱和上层主磁极一体化制作，该下层芯柱磁铁一体化结构将下层中心区芯柱和下层主磁极一体化制作；
该上层中心区芯柱和下层中心区芯柱为中空结构：该上层中心区芯柱和下层中心区芯柱外轮廓分别为加粗的圆柱形，该加粗的圆柱形半径大于主磁极头部的半径，并且上层、下层中心区芯柱加粗的圆柱形分别贯穿圆周上各个主磁极的侧面并和各个主磁极侧面一体化制作；该上层中心区芯柱和下层中心区芯柱的内轮廓分别为由多个空心圆组成的朝向加速器中心平面成收拢状的圆形阶梯孔，该成收拢状的圆形阶梯孔同时也构成了主磁极头部的阶梯状内表面、和主磁极头部的阶梯状内表面一体化制作；
该成收拢状的圆形阶梯孔的第一层由四个主磁极头部伸出的尖端部分围合而成，该伸出的尖端部分相对主磁极头部的其它阶梯孔距离加速器中心点更近，该距离加速器中心点更近的第一层阶梯孔用于形成加速器中心区凸起的磁场、满足加速器中心区凸起磁场的设计要求；该成收拢状的圆形阶梯孔的第二层用于控制束流从外部进入时中心轴线上的泄漏的磁场，通过控制第二层圆形阶梯孔的直径减少泄漏的磁场；该成收拢状的圆形阶梯孔的第三层及第四层的圆形阶梯孔用于布设注入线中的束流元件。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第一层的孔半径相对最小，在设计阶段通过调节芯柱距离中心平面的距离和伸出部分的尺寸来调节头部磁场凸起的大小，增加轴向聚焦，调节芯柱的外半径和高度，整体性的抬高头部磁场。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第二层的孔半径在不遮挡束流的情况下尽量小，通过调节第二层的孔半径，尽可能屏蔽掉中心轴线上的泄漏的磁场，保证束流完整通过，尽量少的打到第二层圆环孔的侧壁上。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第三层的孔半径相对于第二层孔半径较大，用以留有足够的空间放置轴向注入线上的四极磁铁等元件。
进一步地，还能够设计多于四层的多级阶梯结构，逐渐增大径向尺寸，在给注入线元件留出更多空间的同时仍具有较好的屏蔽效果。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第一层孔的高度和宽度包括但不限于8毫米、3毫米。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第二层孔的高度和宽度包括但不限于5毫米、6毫米。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第三层孔的高度和宽度包括但不限于14毫米、14毫米。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第四层孔的高度和宽度包括但不限于10毫米、28毫米。
进一步地，该芯柱圆形阶梯孔的第一层孔的高度和高频腔头部连接件的高度相匹配；该芯柱的外半径和所述头部连接件以下的高频腔的半径相匹配，并沿着半径方向低接于所述头部连接件以下的高频腔。
实施例一
回旋加速器主磁铁为上下对称结构，如图1-4中所示为主磁铁的扇形磁极和圆柱状芯柱设计成一体结构，整体坐落在一个圆饼状的底座上，垫补镶条安装在每个扇形磁极的一侧，芯柱位于磁极中心部分，其为中空结构，分为中心孔半径不同的上下多个部分。
扇形磁极用于产生角向周期性变化的磁场，磁场调变产生轴向的聚集力，保证粒子轴向的稳定。磁极和芯柱坐落于圆饼状的底座上，加工为一体结构，在每个磁极的一侧各有一根垫补镶条，安装于磁极的同侧边上，结构上旋转对称，用于在测磁阶段通过对镶条进行加工，来调节中心平面上的磁场，并且采取的是四边内陷型镶条。减少了镶条的数量，进一步降低了加工和测磁垫补的难度。并且内陷型镶条可以防止镶条和安装在谷区的高频腔体可能出现结构打架问题，避免了外凸型镶条在设计腔体时因不知道实际的测磁垫补量大小，必须留出空间距离，可以方便腔体的设计，使腔体能紧贴磁极面安装。
中心部分的圆柱状结构为芯柱，通过圆角与磁极为一体结构，在设计阶段可以通过调节芯柱距离中心对称平面的距离和头部伸出部分尺寸来调节头部磁场凸起的大小，增加轴向聚焦，调节芯柱的外半径和高度，整体性的抬高头部磁场。芯柱下部圆环内径较小，通过调节下部芯柱孔半径，可以尽可能屏蔽掉中心轴线上的泄漏的磁场，因为中心轴线上的漏磁场会对位于其中的轴向注入线的束流产生不利影响，故尽量减小内径，可以保证束流完整通过，不会打到其上。上部圆筒相对于下部内径较大，因为其中需要放置轴向注入线上的四极磁铁等元件，必须留有足够的空间，也可以采取多级阶梯结构逐渐增大径向尺寸，给注入线元件留出更多空间的同时仍具有较好的屏蔽效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种回旋加速器芯柱磁铁一体化结构，其特征在于：包括布设在加速器中心平面上下两侧的上层芯柱磁铁一体化结构和下层芯柱磁铁一体化结构；该上层芯柱磁铁一体化结构将上层中心区芯柱和上层主磁极一体化制作，该下层芯柱磁铁一体化结构将下层中心区芯柱和下层主磁极一体化制作；
该上层中心区芯柱和下层中心区芯柱为中空结构：该上层中心区芯柱和下层中心区芯柱外轮廓分别为加粗的圆柱形，该加粗的圆柱形半径大于主磁极头部的半径，并且上层、下层中心区芯柱加粗的圆柱形分别贯穿圆周上各个主磁极的侧面并和各个主磁极侧面一体化制作；该上层中心区芯柱和下层中心区芯柱的内轮廓分别为由多个空心圆组成的朝向加速器中心平面成收拢状的圆形阶梯孔，该成收拢状的圆形阶梯孔同时也构成了主磁极头部的阶梯状内表面、和主磁极头部的阶梯状内表面一体化制作；
该成收拢状的圆形阶梯孔的第一层由四个主磁极头部伸出的尖端部分围合而成，该伸出的尖端部分相对主磁极头部的其它阶梯孔距离加速器中心点更近，该距离加速器中心点更近的第一层阶梯孔用于形成加速器中心区凸起的磁场、满足加速器中心区凸起磁场的设计要求；该成收拢状的圆形阶梯孔的第二层用于控制束流从外部进入时中心轴线上的泄漏的磁场，通过控制第二层圆形阶梯孔的直径减少泄漏的磁场；该成收拢状的圆形阶梯孔的第三层及第四层的圆形阶梯孔用于布设注入线中的束流元件。
2.根据权利要求1所述一种回旋加速器芯柱磁铁一体化结构，其特征在于：该芯柱圆形阶梯孔的第一层的孔半径相对最小，在设计阶段通过调节芯柱距离中心平面的距离和伸出部分尺寸来调节头部磁场凸起的大小，增加轴向聚焦，调节芯柱的外半径和高度，整体性的抬高头部磁场；该芯柱圆形阶梯孔的第一层孔的高度和宽度为8毫米、3毫米。
3.根据权利要求1所述一种回旋加速器芯柱磁铁一体化结构，其特征在于：该芯柱圆形阶梯孔的第二层的孔半径在不遮挡束流的情况下尽量小，通过调节第二层的孔半径，尽可能屏蔽掉中心轴线上的泄漏的磁场，保证束流完整通过，尽量少的打到第二层圆环孔的侧壁上；该芯柱圆形阶梯孔的第二层孔的高度和宽度为5毫米、6毫米。
4.根据权利要求1所述一种回旋加速器芯柱磁铁一体化结构，其特征在于：该芯柱圆形阶梯孔的第三层的孔半径相对于第二层孔半径较大，用以留有足够的空间放置轴向注入线上的四极磁铁元件；该芯柱圆形阶梯孔的第三层孔的高度和宽度为14毫米、14毫米。
5.根据权利要求1所述一种回旋加速器芯柱磁铁一体化结构，其特征在于：还能够设计多于四层的多级阶梯结构，逐渐增大径向尺寸，在给注入线元件留出更多空间的同时仍具有较好的屏蔽效果；该芯柱圆形阶梯孔的第四层孔的高度和宽度为10毫米、28毫米。
6.根据权利要求1所述一种回旋加速器芯柱磁铁一体化结构，其特征在于：该芯柱圆形阶梯孔的第一层孔的高度和高频腔头部连接件的高度相匹配；该芯柱圆形柱体外半径和所述头部连接件以下的高频腔的半径相匹配，并沿着半径方向低接于所述头部连接件以下的高频腔。
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