CN208094872U - 一种医用质子同步加速器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种医用质子同步加速器，包括通过三个直线节连接以形成环形结构的三个偏转二极磁铁，所述直线节中包括水平聚焦和水平散焦四极与六极组合磁铁。本实用新型通过采用较少数量的偏转二极磁铁结合控制工作点的水平聚焦或散焦四极磁铁，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目，提高了质子利用率和占空比，缩短治疗时间；另外，本实用新型的结构非常紧凑，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
技术领域
本实用新型涉及用于肿瘤治疗的同步加速器领域，尤其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癌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放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，不需要额外的能量降能片，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，其固有的换能时间缓慢、造成无效治疗时间长而无法适应快速重复扫描的缺点基本不存在。
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；四是包络函数仍然较大，因而空间电荷效应较大，导致粒子存储较少。
实用新型内容
为了解决上述现有同步加速器中存在的问题，本实用新型旨在提供一种医用质子同步加速器。
本实用新型所述的医用质子同步加速器，包括通过三个直线节连接以形成环形结构的三个偏转二极磁铁，所述直线节中包括水平聚焦和水平散焦四极与六极组合磁铁。
所述偏转二极磁铁为第一、第二和第三偏转二极磁铁，其中，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，第三偏转二极磁铁还与第一偏转二极磁铁相连以构成一环形结构。
所述四六极组合磁铁为第一、第二和第三水平聚焦四极与六极组合磁铁、以及第一、第二和第三水平散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和第一水平散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和第二水平散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和第三水平散焦四极与六极组合磁铁连接在第三偏转二极磁铁和第一偏转二极磁铁之间。
第三偏转二极磁铁和第一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、第一注入凸轨磁铁、高频加速装置、以及第三水平散焦四极与六极组合磁铁。
第三水平聚焦四极与六极组合磁铁连接有引出静磁切割磁铁。
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、横向高频激励电极、第二注入凸轨磁铁、注入静电切割板、以及第一水平散焦四极与六极组合磁铁。
注入静电切割板连接有注入静磁切割磁铁。
第二偏转二极磁铁和第三偏转二极磁铁之间依次连接有第二水平聚焦四极与六极组合磁铁、第三注入凸轨磁铁、引出静电切割板、以及第二水平散焦四极与六极组合磁铁。
所述偏转二极磁铁为超导磁铁或常规磁铁。
本实用新型通过利用偏转二极磁铁的水平聚焦效果及水平聚焦四极磁铁和水平散焦磁铁效果达到双向聚焦，能够控制其水平和垂直包络函数都在较小水平。与专利文献CN105392270A的技术方案相比，本实用新型的垂直包络函数虽然在水平散焦四极磁铁中更大，但是在对包络更加敏感的弯铁中更小，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。总之，本实用新型通过采用较少数量的偏转二极磁铁结合控制工作点的水平聚焦或散焦四极磁铁，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目，提高了质子利用率和占空比，缩短治疗时间；另外，本实用新型的结构非常紧凑，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是根据本实用新型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中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1～2，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本实用新型的功能、特点。
如图1所示，根据本实用新型的医用质子同步加速器包括第一、第二和第三偏转二极磁铁1、2、3，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)。
医用质子同步加速器还包括第一、第二和第三直线节，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与第一偏转二极磁铁1之间。
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21、一横向高频激励电极31、第二注入凸轨磁铁14、一注入静电切割板12、以及第一水平散焦四极与六极组合磁铁41。其中，第一直线节还包括与注入静电切割板12连接的一注入静磁切割磁铁11。
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之间的第二水平聚焦四极与六极组合磁铁22、第三注入凸轨磁铁15、一引出静电切割板32、以及第二水平散焦四极与六极组合磁铁42。
第三直线节包括依次连接在第三偏转二极磁铁3与第一偏转二极磁铁1之间的第三水平聚焦四极与六极组合磁铁23、第一注入凸轨磁铁13、一高频加速装置51、以及第三水平散焦四极与六极组合磁铁43。其中，第三直线节还包括与第三水平聚焦四极与六极组合磁铁23连接的一引出静磁切割磁铁33。
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11、注入静电切割板12、第一、第二和第三注入凸轨磁铁13、14、15、第一、第二和第三偏转二极磁铁1、2、3注入到本实用新型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、第二和第三偏转二极磁铁1、2、3的场强，质子在高频加速装置51的作用下能量得到提升。在相应的治疗能量下，激励第一、第二和第三水平散焦四极与六极组合磁铁41、42、43的六极分量，使工作点移动到靠近三阶共振线，质子在横向高频激励电极31、第一、第二和第三水平聚焦四极与六极组合磁铁21、22、23的作用下扩散到引出通道，通过引出静电切割板32和引出静磁切割磁铁33引出到质子同步加速器外直至病人。在需要时，可以在治疗周期内停止引出，并切换能量实施引出。
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，本实用新型具有包络函数小，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3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的简化了元件数量，降低了能耗。
除前面实例外，本实用新型还可以有其它变化，即凡是依据本实用新型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，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (9)
1.一种医用质子同步加速器，其特征在于，医用质子同步加速器包括通过三个直线节连接以形成环形结构的三个偏转二极磁铁，所述直线节中包括水平聚焦和水平散焦四极与六极组合磁铁。
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，所述偏转二极磁铁为第一、第二和第三偏转二极磁铁(1、2、3)，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)还与第一偏转二极磁铁(1)相连以构成一环形结构。
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，所述四极与六极组合磁铁为第一、第二和第三水平聚焦四极与六极组合磁铁(21、22、23)、以及第一、第二和第三水平散焦四极与六极组合磁铁(41、42、43)，其中，第一水平聚焦四极与六极组合磁铁(21)和第一水平散焦四极与六极组合磁铁(41)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(22)和第二水平散焦四极与六极组合磁铁(42)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(23)和第三水平散焦四极与六极组合磁铁(43)连接在第三偏转二极磁铁(3)和第一偏转二极磁铁(1)之间。
4.根据权利要求3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)和第一偏转二极磁铁(1)之间依次连接有第三水平聚焦四极与六极组合磁铁(23)、第一注入凸轨磁铁(13)、高频加速装置(51)、以及第三水平散焦四极与六极组合磁铁(43)。
5.根据权利要求4所述的医用质子同步加速器，其特征在于，第三水平聚焦四极与六极组合磁铁(23)连接有引出静磁切割磁铁(33)。
6.根据权利要求3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(21)、横向高频激励电极(31)、第二注入凸轨磁铁(14)、注入静电切割板(12)、以及第一水平散焦四极与六极组合磁铁(41)。
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，注入静电切割板(12)连接有注入静磁切割磁铁(11)。
8.根据权利要求3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)之间依次连接有第二水平聚焦四极与六极组合磁铁(22)、第三注入凸轨磁铁(15)、引出静电切割板(32)、以及第二水平散焦四极与六极组合磁铁(42)。
9.根据权利要求1所述的医用质子同步加速器，其特征在于，所述偏转二极磁铁为超导磁铁或常规磁铁。
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|---|---|---|---|---|
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| CN113382530A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-09-10 | 中国科学院上海高等研究院 | 一种超高剂量率医用质子同步加速器 |
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