CN117858329A - 可加速h+2和12c6+离子的高增益超导回旋加速器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器，包括分别安装在加速器下方两侧的双离子源系统、分别安装在加速器下方被双离子源系统共用的注入线传输系统；分别安装在加速器中心平面上下两侧磁极和磁极之间的用于给粒子加速的螺旋型高频腔系统、安装在加速器中心平面静电偏转板引出口的12C6+离子偏转板引出系统、以及安装在加速器中心平面剥离引出口的H+2剥离膜引出系统，本发明首次在同台回旋加速器上获得大能量范围内可连续调节的质子束与高能量12C6+离子束，实现一机三用；在国际上首次研制一种基于外部强流离子源注入、可加速H+2和12C6+离子的超导回旋加速器，可以不调节任何磁铁和高频等加速器主要技术参数，实现H+2和12C6+离子的等时性加速。

Description

可加速H+2和12C6+离子的高增益超导回旋加速器

技术领域

本发明涉及回旋加速器设计领域，特别涉及一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器。

背景技术

多用途、高产额、高能量增益、可调节引出能量的加速器在核物理、大众健康、先进能源、国防安全等领域均有重要应用，尤其是在离子治疗领域，回旋加速器具备设备规模较小、建设成本低的突出优势，更适用于产业化的实现。

但是从现阶段国内外离子治疗所使用的加速器规模来看，普遍存在加速粒子种类单一、引出能量不可调节或者调节范围较小的问题。

加速粒子种类单一的原因是，不同粒子加速器对于加速粒子的高频腔参数要求不同，如果加速器改换生产另外一种粒子加速，则需要重新调整高频腔参数、以及与高频腔配合的磁场参数，而高频腔参数和磁场参数这两块是加速器参数的主要技术参数，调整这两类参数的工作量不亚于重建一台加速器的工作量。正因为实现起来难度太大、工作量太大，所以长期以来，绝大多数的回旋加速器都是加速粒子种类单一的加速器；

引出能量不可调节或者调节范围较小的主要是因为回旋加速器粒子的引出束能量直接和加速器整体尺寸相关，若是纯粹为了提高能量调节范围而增大加速器磁铁尺寸是得不偿失的，因此现在离子治疗加速器大多采用固定引出能量，后续使用降能器获得所需能量离子束的方案，而无法直接调节引出束流能量。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器，第一目的在于解决加速粒子种类单一的问题；第二目的在于解决引出能量不可调节或者调节范围较小的问题。

本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：

一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器，包括分别安装在加速器下方两侧的双离子源系统1、分别安装在加速器下方被双离子源系统1共用的注入线传输系统2；分别安装在加速器中心平面上下两侧磁极和磁极之间的用于给粒子加速的螺旋型高频腔3系统、安装在加速器中心平面静电偏转板束流引出口的12C6+离子偏转板引出系统4、以及安装在加速器中心平面剥离靶引出口的H⁺ ₂剥离膜引出系统5，

其特点是：

所述的螺旋型高频腔3系统使用四根内杆作为内导体、用以大幅提高引出区域的加速电压；所述的¹²C⁶⁺离子偏转板引出系统4设有双偏转板、布设双偏转板前的扰动线圈、布设在双偏转板后多个磁通道；该扰动线圈用于在粒子进入偏转板之前，产生一次谐波磁场使得碳离子的偏转半径增大；该双偏转板用以增加粒子偏转时的偏转力；该多个磁通道用以对偏转板偏转后的粒子增加聚焦力和进一步约束粒子轨迹；所述的H⁺ ₂剥离膜引出系统(5)设有近似180度对称布设的双剥离靶、用于同时引出不同能量范围的质子。

进一步地，所述的H⁺ ₂剥离膜引出系统5设有2个引出点，在第1个引出点上设有剥离靶1，在第2个引出点上设有剥离靶2，剥离靶1用于引出一圈引出的质子，剥离靶2用于引出二圈引出的质子。

进一步地，所述一圈引出的质子，其引出能量范围为260-300MeV，引出点位置方位角范围在21.5°到28.4°。

进一步地，所述二圈引出的质子，引出能量范围为200-245MeV，引出点位置方位角范围在189°到196°。

进一步地，所述双偏转板沿着粒子引出的方向顺序设有第一静电偏转板、第二静电偏转板，通过100kV/cm的第一静电偏转板获得第一设定的圈间距，再通过100kV/cm的第二静电偏转板获得第二设定的圈间距。

进一步地，所述布设在双偏转板后多个磁通道的数量包括但不限于5个，每个磁通道由二级磁铁组成。

进一步地，前2个磁通道之间的距离相对大、均匀布设在第二静电偏转板以后的第一个磁极的峰区外侧；后3个磁通道之间的距离相对小，均匀布设在靠近引出口最前端的高频腔的外侧。

进一步地，所述螺旋型高频腔3的四根内杆，高度均为62cm，中间较粗两根内杆直径约为25cm，两端较细的内杆直径约为15cm。

进一步地，通过100kV/cm的第一静电偏转板获得第一设定的圈间距约15mm，通过75kV/cm的第二静电偏转板获得第二设定的圈间距约11mm。

进一步地，所述扰动线圈用于在粒子进入偏转板之前，产生一次谐波磁场使得碳离子的偏转半径增大，增大的尺寸约为9.5mm。

本发明的优点效果

1、在国际上首次研制一种基于外部强流离子源注入、可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的超导回旋加速器，可以不调节任何磁铁和高频等加速器主要技术参数，实现H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的等时性加速；首次采用同一套双束注入传输系统实现H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的注入，通过偏转磁铁、四极磁铁、聚束器、螺线管组成的传输系统，将束流注入到加速器中心区，双束流使用同一套传输系统，同时采用超导磁铁使得加速器更加紧凑，进一步降低建造成本；

2、首次在同台回旋加速器上获得大能量范围内可连续调节的质子束与高能量12C6+离子束，实现一机三用，即重离子治疗、质子治疗与质子成像，对于集成化的粒子诊疗系统具有重要价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的回旋加速器总体布局示意图；

图2是本发明实施例提供的双离子源与束流注入传输系统；

图3是本发明实施例提供的高加速梯度高Q值高频腔；

图4是本发明实施例提供的¹²C⁶⁺离子偏转板引出系统示意图；

图5a是本发明实施例提供的H⁺ ₂剥离膜引出系统引出位置示意图；

图5b是本发明实施例提供的H⁺ ₂剥离膜引出系统剥离靶示意图；

图中：1：双离子源系统；1-1：H⁺ ₂ECR离子源；1-2：¹²C⁶⁺ECR离子源2：注入线传输系统；2-1：偏转磁铁；2-2：四级磁铁；2-3:聚束器；2-4：螺线管：3：螺旋型高频腔系统；4：12C6+离子偏转板引出系统；4-2-1:第一静电偏转板；4-2-2：第二静电偏转板5：H⁺ ₂剥离膜引出系统的可径向伸缩的剥离靶；6-1：上磁轭；6-2：上磁极；6-3：上真空室；6-4：上半线圈；6-5：下磁极；6-6-1：引出的质子束流线；6-6-2：引出的碳离子束流线；6-7：支腿；6-8：下真空室；6-9：下半线圈；6-10：举升系统；6-11：下磁轭。

具体实施方式

本发明设计原理

1、H⁺ ₂双剥离膜引出系统设计原理：由于碳离子能量高达400MeV/A，因此若要产生足够的圈间距需要的直流高压极高，产生的打火风险极高，因此还需要一些辅助元件共同作用以产生足够的圈间距，这里的基本方案是在偏转板前的磁铁峰区间隙中放置一个扰动线圈，产生一次谐波磁场使得碳离子的偏转半径先增大少许，扰动线圈后使用两个相同的静电偏转板，但前一个电场为100kV/cm，后一个为75Kv/cm，继续增大圈间距，确保高效率引出静电偏转板后再放置若干个纯铁块磁通道用以校正碳离子的引出轨迹，最后将碳离子引出磁轭。

2、碳离子双偏转板引出系统设计原理：由于H⁺ ₂粒子经过剥离膜后变为两个质子，根据带电粒子在磁场中偏转半径公式：

R＝mv/qB

质子的质荷比只有H⁺ ₂的一半，因此偏转半径R也只有一半，因此剥离后的质子束会向加速器内部旋转，可能经过一圈、二圈或多圈旋转后引出也可能损失在加速器内部，而一般而言，引出前旋转圈数越多，束流包络越大，引出难度越大，因此我们只考虑一圈引出和两圈引出两种方式。

以一圈引出为例，模拟计算表明满足束流包络要求的引出能量范围为260-300MeV，引出点位置方位角范围在21.5°到28.4°，同样的分析过程用于两圈引出，引出能量范围为200-245MeV。而根据加速器设计中尽量降低主磁铁周围部件产生的一次谐波的要求，一圈引出和两圈引出的束流引出点位置尽量设置在磁轭相对的两侧，因此两种引出的剥离膜放置分别位于一条直线附近，计算表明两个剥离点到拟合直线的距离均小于1.2cm，因此控制剥离靶机械结构在该直线上移动，微调其角度就可以在设计的剥离点上剥离获得质子。

3、螺旋型高频腔系统使用四根内杆作为内导体的设计原理：作为经过仿真模拟与优化迭代，螺旋型高频腔共使用四根内杆作为内导体，高度均为62cm，中间较粗两根内杆直径约为25cm，两端较细的内杆直径约为15cm。四内杆的设计大幅提高了引出区域的加速电压，使得引出区与中心区加速电压比达到了2.1。增加内杆数量能够抬高加速电压，是因为：作为同轴谐振腔的内导体，内杆所在位置处径向电场分量更加集中，因此积分得到的加速电压也就越大，所以增加沿着径向增加一定的内杆数量对于抬高引出区的加速电压有显著影响。

4、腔体两端内杆直径适当减小的设计原理：根据如下定性公式：

I∝US/ρl

U为内杆两端电压，l为内杆长度，ρ为内杆的电阻率，内导体半径越小，表面积S越小，表面电流I就越小，而损耗功率正比于I²，所以，损耗功率也就越低，根据多次模拟结果，选择将腔体两端内杆直径适当减小，用以控制损耗并确定为15cm左右。

基于以上原理，本发明设计了一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器，该高增益超导回旋加速器如图1的本发明实施例提供的可加速H+2和12C6+离子的回旋加速器总体布局示意图、图2的本发明实施例提供的双离子源与束流注入传输系统、图3的本发明实施例提供的高加速梯度高Q值高频腔、图4的本发明实施例提供的12C6+离子偏转板引出系统、图5a的本发明实施例提供的H⁺ ₂剥离膜引出系统位置示意图所示，包括分别安装在加速器下方两侧的双离子源系统1、分别安装在加速器下方被双离子源系统1共用的注入线传输系统2；分别安装在加速器中心平面上下两侧磁极和磁极之间的用于给粒子加速的螺旋型高频腔系统3、安装在加速器中心平面静电偏转板束流引出口的12C6+离子偏转板引出系统4、以及安装在加速器中心平面剥离靶引出口的H⁺ ₂剥离膜引出系统5，其特点是：所述的螺旋型高频腔3系统使用四根内杆作为内导体、用以大幅提高引出区域的加速电压；所述的12C6+离子偏转板引出系统4设有双偏转板4-2-1、4-2-2、布设双偏转板前的扰动线圈4-1、布设在双偏转板后多个磁通道；该扰动线圈用于在粒子进入偏转板之前，产生一次谐波磁场使得碳离子的偏转半径增大；该双偏转板用以增加粒子偏转时的偏转力；该多个磁通道用以对偏转板偏转后的粒子增加聚焦力和进一步约束粒子轨迹；所述的H⁺ ₂剥离膜引出系统5设有近似180度对称布设的双剥离靶、用于同时引出不同能量范围的质子。

补充说明1：

1)所述的双偏转板如图4所示，第一静电偏转板4-2-1,第二静电偏转板4-2-2，所述多个磁通道为4-3-1、4-3-2、4-3-3、4-3-4、4-3-5.

2)所述四根内杆如图3所示，该四根内杆为3-1、3-2，其中2根3-1的内杆直径相对较粗，2根3-2的内杆直径相对较细。相对较粗的内杆是为了满足大幅提高引出区域的加速电压的需要，相对较细的2根3-2的内杆是在满足大幅提高引出区域的加速电压的基础上兼顾减小功耗的需求。

进一步地，如图5a的本发明实施例提供的H⁺ ₂剥离膜引出系统位置示意图所示，所述的H⁺ ₂剥离膜引出系统5设有2个引出点，在第1个引出点上设有剥离靶1，在第2个引出点上设有剥离靶2，剥离靶1用于引出一圈引出的质子，剥离靶2用于引出二圈引出的质子。

进一步地，如图5a的本发明实施例提供的H⁺ ₂剥离膜引出系统位置示意图所示，所述一圈引出的质子，其引出能量范围为260-300MeV，引出点位置方位角范围在21.5°到28.4°。

进一步地，如图5a的本发明实施例提供的H⁺ ₂剥离膜引出系统位置示意图所示，所述二圈引出的质子，引出能量范围为200-245MeV，引出点位置方位角范围在189°到196°。

补充说明2：

1)该2个引出点如图5a所示，引出点1和引出点2分别是剥离靶1和剥离靶2的位置；

2)剥离靶1的位置是剥离出相对能量大的质子，剥离靶2的位置是剥离出相对能量小的质子，剥离靶1的位置和剥离靶2的位置是经过计算得到的，不同的位置剥离出的质子的能量不同；

3)能量相对大的质子一圈引出，能量相对小的质子2圈引出；后面还有3圈以上才能引出的粒子就不考虑引出了。

进一步地，如图4的本发明实施例提供的¹²C⁶⁺离子偏转板引出系统示意图所示，所述双偏转板沿着粒子引出的方向顺序设有第一静电偏转板4-2-1、第二静电偏转板4-2-2，通过100kV/cm的第一静电偏转板4-2-1获得第一设定的圈间距，再通过100kV/cm的第二静电偏转板4-2-2获得第二设定的圈间距。

补充说明3

1)由于碳离子比较重，加速得到的它能量也比较大，所以想要让它进行一个偏转，施加的力就要非常大，如果把这个力全都由一个静电偏转转来提供的话，那这个偏转板就要提供非常高的电压，这个电压在工程上比较难以实现，所以需要把它分解一下，分解到两个偏转板，这样每个平转板的压力就会小一些。

2)第一个偏转板电场大，第二个偏转板电场小，是因为第一个静电偏转板需要提供足够大的电压，把这个碳离子给振出来；第二个偏转板只要把它把震出来的碳离子稳定住，然后再引出就可以了，这样，第二个偏转板的电压就会稍微低一些就足够了。

3)第一个静电偏转板，电压大，电场大，它起到的是一个主的作用，把碳离子从密集圈圈中给它震出来，第二个静电偏转板起到一个相对来说辅助的作用。把这个震出来的这个碳离子的圈间距进一步的增大，但是它就不需要和第一个电静电偏转板提供一样大的电压，因为越大的电压则束流包络度也增大，束流包络度太大也有副作用，对束流的品质不好，所以第二个电静电偏转板不需要提供个第一个偏转板一样大的电压。

进一步地，如图4的本发明实施例提供的¹²C⁶⁺离子偏转板引出系统示意图、如图5a的本发明实施例提供的H⁺ ₂剥离膜引出系统位置示意图所示，所述布设在双偏转板后多个磁通道的数量包括但不限于5个，每个磁通道由二级磁铁组成。

进一步地，如图4的本发明实施例提供的¹²C⁶⁺离子偏转板引出系统示意图、如图5a的本发明实施例提供的H⁺ ₂剥离膜引出系统位置示意图所示，前2个磁通道之间的距离相对大、均匀布设在第二静电偏转板以后的第一个磁极的峰区外侧；后3个磁通道之间的距离相对小，均匀布设在靠近引出口最前端的高频腔的外侧。

进一步地，如图3的本发明实施例提供的高加速梯度高Q值高频腔所示，所述螺旋型高频腔3的四根内杆，高度均为62cm，中间较粗两根内杆直径约为25cm，两端较细的内杆直径约为15cm。

进一步地，通过100kV/cm的第一静电偏转板获得第一设定的圈间距约15mm，通过75kV/cm的第二静电偏转板获得第二设定的圈间距约11mm。

进一步地，所述扰动线圈用于在粒子进入偏转板之前，产生一次谐波磁场使得碳离子的偏转半径增大，增大的尺寸约为9.5mm。

以上对本发明实施例所提供的高频腔的设计过程和各部分装置进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡是利用本说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器，包括分别安装在加速器下方两侧的双离子源系统(1)、分别安装在加速器下方被双离子源系统(1)共用的注入线传输系统(2)；分别安装在加速器中心平面上下两侧磁极和磁极之间的用于给粒子加速的螺旋型高频腔(3)系统、安装在加速器中心平面静电偏转板引出口的12C6+离子偏转板引出系统(4)、以及安装在加速器中心平面剥离引出口的H⁺ ₂剥离膜引出系统(5)，

其特征在于：

所述的螺旋型高频腔(3)系统使用四根内杆作为内导体、用以大幅提高引出区域的加速电压；所述的12C6+离子偏转板引出系统(4)设有双偏转板、布设双偏转板前的扰动线圈、布设在双偏转板后多个磁通道；该扰动线圈用于在粒子进入偏转板之前，产生一次谐波磁场使得碳离子的偏转半径增大；该双偏转板用以增加粒子偏转时的偏转力；该多个磁通道用以对偏转板偏转后的粒子增加聚焦力和进一步约束粒子轨迹；所述的H⁺ ₂剥离膜引出系统(5)设有近似180度对称布设的双剥离靶、用于同时引出不同能量范围的质子。

2.根据权利要求1所述一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器，其特征在于：所述的H⁺ ₂剥离膜引出系统(5)设有2个引出点，在第1个引出点上设有剥离靶1，在第2个引出点上设有剥离靶2，剥离靶1用于引出一圈引出的质子，剥离靶2用于引出二圈引出的质子。

3.根据权利要求2所述一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器，其特征在于：所述一圈引出的质子，其引出能量范围为260-300MeV，引出点位置方位角范围在21.5°到28.4°。

4.根据权利要求2所述一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器，其特征在于：所述二圈引出的质子，引出能量范围为200-245MeV，引出点位置方位角范围在189°到196°。

5.根据权利要求1所述一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器，其特征在于：所述双偏转板沿着粒子引出的方向顺序设有第一静电偏转板、第二静电偏转板，通过100kV/cm的第一静电偏转板获得第一设定的圈间距，再通过100kV/cm的第二静电偏转板获得第二设定的圈间距。

6.根据权利要求1所述一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器，其特征在于：所述布设在双偏转板后多个磁通道的数量包括但不限于5个，每个磁通道由二级磁铁组成。

7.根据权利要求2所述一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器，其特征在于：前2个磁通道之间的距离相对大、均匀布设在第二静电偏转板以后的第一个磁极的峰区外侧；后3个磁通道之间的距离相对小，均匀布设在靠近引出口最前端的高频腔的外侧。

8.根据权利要求1所述一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器，其特征在于：所述螺旋型高频腔(3)的四根内杆，高度均为62cm，中间较粗两根内杆直径约为25cm，两端较细的内杆直径约为15cm。

9.根据权利要求5所述一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器，其特征在于：通过100kV/cm的第一静电偏转板获得第一设定的圈间距约15mm，通过75kV/cm的第二静电偏转板获得第二设定的圈间距约11mm。

10.根据权利要求5所述一种可加速H⁺ ₂和¹²C⁶⁺离子的高增益超导回旋加速器，其特征在于：所述扰动线圈用于在粒子进入偏转板之前，产生一次谐波磁场使得碳离子的偏转半径增大，增大的尺寸约为9.5mm。