CN212677437U - 同步加速系统 - Google Patents

Abstract

一种同步加速系统，包含一主环、一注入装置以及一引出装置。主环包含四个维持装置以及射频加速腔。四个维持装置分别设于主环的四个象限且彼此空间分离。维持装置用于偏转及聚焦一粒子束。射频加速腔相邻于维持装置，射频加速腔用于加速粒子束。注入装置具有与主环位于同一水平面的一引入通道。引出装置具有一隔片磁铁、各别设于维持装置的相对二侧的一引出线隔片磁铁和一六极磁铁、以及垂直于主环的一引出通道。六极磁铁的两端各别连通于主环和引出通道，六极磁铁用于使粒子束形成三阶共振并进入引出通道。

Description

同步加速系统

技术领域

本新型涉及一种加速系统，特别涉及一种适于带电粒子的同步加速系统。

背景技术

目前利用同步加速系统将带电粒子加速而射出高能量的带电粒子束以治疗癌症，可精确瞄击目标肿瘤，降低正常组织所受损伤，有效减少副作用的发生，是医学上治疗癌症方法之一。举例而言，质子疗法是通过带电质子破坏癌细胞的DNA，并阻止细胞再生来杀死肿瘤。

然而，同步加速系统通常具有庞大的体积，例如：加速轨道周长逾30米，因此需要较大的医疗场域空间来容纳系统设备，对于大部分的医疗机构而言，将造成空间运用的不方便，且增加配置此医疗系统的相关成本。

实用新型内容

医疗用的同步加速系统因受限于过大的体积而在场域空间上有所限制，甚至影响应用范围。有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种同步加速系统，适用于小空间。

本实用新型一实施例的同步加速系统包含一主环、一注入装置以及一引出装置。主环包含四个维持装置以及射频加速腔。四个维持装置分别设于主环的四个象限且彼此空间分离。维持装置用于偏转及聚焦一粒子束。射频加速腔相邻于维持装置，射频加速腔用于加速粒子束。注入装置具有与主环位于同一水平面的一引入通道，其中引入通道连接于主环。引出装置具有一隔片磁铁、各别设于维持装置的相对二侧的一引出线隔片磁铁和一六极磁铁、以及垂直于主环的一引出通道。六极磁铁的两端各别连通于主环和引出通道，六极磁铁用于使粒子束形成三阶共振并进入引出通道。

于一实施例中，维持装置的二极磁铁相对于主环的一环心之间的一夹角范围介于30度至90度。

于一实施例中，维持装置的二极磁铁具有一边缘角范围介于15度至30度。

于一实施例中，维持装置的二极磁铁具有一边缘角为18.6度。

于一实施例中，维持装置的四极磁铁用于聚焦粒子束，使粒子束在主环内任一位置为具有椭圆形截面的一束团，其中束团沿水平方向的宽度大于沿垂直方向的高度。

于一实施例中，主环的圆周长范围介于15米至100米。

于一实施例中，主环还包含一环状真空管，环绕四个维持装置、射频加速腔及引出装置。

于一实施例中，注入装置包含一线性加速器。

于一实施例中，线性加速器包含一离子源、一加速器以及一射频四极磁铁。

藉此，同步加速系统通过结构上的改良，利用垂直引出粒子机构，减少二级磁铁的使用数量，可有效节省系统所需的场域空间，以实现微小化同步加速系统，避免因体积太大而限制应用范围。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实用新型的限定。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的同步加速系统的示意图；

图2为如图1所示实施例的粒子束的动量分布示意图；

图3为本实用新型另一实施例的二极磁铁的示意图；

图4为本实用新型又一实施例的同步加速系统的示意图。

其中，附图标记

A:边缘角

C:环心

1:主环

10:维持装置

12:射频加速腔

14:环状真空管

100:二极磁铁

102:四极磁铁

106:轨道中心

108:连线

100a:磁铁边界

2:注入装置

20:离子源

22:加速器

24:射频四极磁铁

200:引入通道

3:引出装置

30:引出线隔片磁铁

32:隔片磁铁

34:六极磁铁

36:引出通道

具体实施方式

以下将详述本实用新型的各实施例，并配合附图作为例示。在说明书的描述中，为了使读者对本实用新型有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本实用新型可能在省略部分或全部特定细节的前提下仍可实施。附图中相同或类似的元件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，附图仅为示意之用，并非代表元件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求附图的简洁。

图1为本实用新型一实施例的同步加速系统的示意图。图2为如图1所示实施例的粒子束的动量分布示意图。请参照图1，本实用新型的一实施例的同步加速系统包含一主环1、一注入装置2以及一引出装置3。主环1(main ring)包含四个维持装置10以及射频加速腔12。由上往下俯视，四个维持装置10为彼此空间分离，而各别分布于主环1所在水平面的四个象限。各个维持装置10通过内部磁场作用，可偏转粒子束的运动方向并聚焦粒子束的团束形状，其中粒子束可为但不限于：质子束。

于一实施例中，维持装置10包含多个二极磁铁100以及一个四极磁铁102。二极磁铁100配置于四极磁铁102的相异两侧，二极磁铁100用于使粒子束偏转，而四极磁铁102用于使粒子束聚焦。

射频加速腔12相邻于维持装置10配置。运动通过射频加速腔12的粒子束，会受到电场及磁场作用而获得加速度，最终达到预计的目标速度与能量。通过主环1的作用，粒子束可维持稳定运动并获得加速度，逐渐达到所需的能量。

注入装置2具有与主环1位于同一水平面的引入通道200，引入通道200连接于主环1。亦即，通过水平引入技术，将粒子束以平行于主环1所在水平面的方式注入主环1内部运动轨道。相较于传统的垂直引入方法，无须增设额外的且大角度的二极磁铁，更可节省系统所需的场域空间。引入通道200将较低能量的粒子束引入主环1，由主环1对粒子束进行同步加速作用以调控运动能量。

请一并参照图1及图2，引出装置3包含一引出线隔片磁铁(Electric WireSeptum)30、一隔片磁铁(Lambertson Septum)32、一六极磁铁34以及一引出通道36，其中六极磁铁34的两端各别连通于主环1和引出通道36。于一实施例中，引出线隔片磁铁30通过沿垂直方向且分离设置的隔片与半圆环，将通过的粒子束分割为二部分，其中一部分的离子束经由隔片磁铁32的偏折作用而改变运动方向，且通过六极磁铁34作用，使具有预设能量的粒子束形成三阶共振，如图2所示，以实现慢引出机制。进一步言，引出线隔片磁铁30用于产生偏折电场，隔片磁铁32用于产生偏折磁场，而六极磁铁34将粒子束引出至束线轨迹垂直于主环1的引出通道36，再通过引出通道36将粒子束以垂直于主环1所在水平面的方向引出至外部的治疗装置，以供打击目标肿瘤等医疗应用。

由于同步系统有可调控能量、较低辐射的特点，举例而言，初始注入的粒子束能量为7(MeV)，后续通过主环1的加速作用，达到70至250(MeV)的能量范围，适于提供高能量粒子束应用于癌症治疗。依据上述结构，采用水平引入及垂直引出粒子束的结构设计，可减少系统所需的场域空间，且主环1采用较少数量的二极磁铁100，可降低系统成本且需要较小的能源消耗，从而实现微小化和低成本的同步加速系统，有助于其医疗应用的普及。于部分实施例中，主环的圆周长范围介于15至100米，举例而言，主环的圆周长为22.5米，相较于现有技术，仅需较小的布局空间。

请继续参照图1，于一实施例中，四个维持装置10相对于主环1的环心C呈镜像对称配置，举例而言，维持装置10的二极磁铁100相对于主环1的环心C之间的夹角范围介于30度至90度；较佳者，二极磁铁100与邻近象限边界之间的夹角为45度。

于至少一实施例中，维持装置10的四极磁铁102用于聚焦粒子束，藉此，粒子束在主环1内任一位置为具有椭圆形截面的一束团，其中束团沿水平方向的宽度大于沿垂直方向的高度，亦即βy函数曲线恒大于βx函数曲线(Betatron function)，其中βx表示粒子束沿水平方向的振荡，且βy函数表示粒子束沿垂直方向的振荡。举例而言，β函数值的最大值为(6.25,3.94)米，足见粒子束在主环1内任一位置皆为椭圆形束团。

图3为本实用新型另一实施例的二极磁铁100的示意图。请参照图3，于一实施例中，二极磁铁100具有一边缘角(dipole edge angle)A，可对粒子束产生偏折及弱聚焦作用。如图3所示，边缘角A是指环心C与粒子运动轨道中心106间的连线108，相对于磁铁边界100a所呈夹角。换言之，边缘角A是指与粒子束的运动方向相互垂直的法线方向与磁铁出口端边界之间所呈夹角。举例而言，边缘角A范围介于15度至30度；较佳者，边缘角A为18.6度。通过适当的边缘角A设计，可减少主环1的周长以节省布局空间，有助于实现微小化的同步加速系统。

图4为本实用新型又一实施例的同步加速系统的示意图。请参照图4，一实施例中，主环1还包含一环状真空管14，环绕于四个维持装置10、射频加速腔12及引出装置3等构件，而具有环状的内部真空通道，通过维持装置10及射频加速腔12的作用，供粒子束在其中持续运动及加速。串接于四个维持装置10，以构成粒子束运动所需的真空管路。于另一实施例中，主环另包含连接于主环1的一真空泵浦，用于产生前述真空管路。于至少一实施例中，其中注入装置2包含一线性加速器(Linac)，举例而言，线性加速器包含一离子源20、一加速器22以及一射频四极磁铁24。于一示范例中，离子源20具有初始能量约7至70(MeV)的氢气源，用于产生质子束；加速器22用于对质子束加速，且射频四极磁铁24用于对质子束聚焦。

综合上述，本实用新型的部分实施例提供一种同步加速系统，其主要是利用水平引入及垂直引出粒子束的结构设计，可减少系统所需的场域空间，例如真空管的圆周长仅需22.5米，且采用较少数量的磁铁，可降低系统成本及需要较小的能源消耗，从而实现微小化和低成本的同步加速系统，有助于其医疗应用的普及，避免因为同步加速系统体积太大而限制应用场域。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种同步加速系统，其特征在于，包含：

一主环，包含：

四个维持装置，分别设于该主环的四个象限且彼此空间分离，用于偏转及聚焦一粒子束；以及

射频加速腔，相邻于该维持装置，用于加速该粒子束；

一注入装置，具有与该主环位于同一水平面的一引入通道，其中该引入通道连接于该主环；以及

一引出装置，具有一隔片磁铁、各别设于该维持装置的相对二侧的一引出线隔片磁铁和一六极磁铁、以及垂直于该主环的一引出通道，其中该六极磁铁的两端各别连通于该主环和该引出通道，该六极磁铁用于使该粒子束形成三阶共振并进入该引出通道。

2.根据权利要求1所述的同步加速系统，其特征在于，该维持装置的二极磁铁相对于该主环的一环心之间的一夹角范围介于30度至90度。

3.根据权利要求1所述的同步加速系统，其特征在于，该维持装置的二极磁铁具有一边缘角范围介于15度至30度。

4.根据权利要求1所述的同步加速系统，其特征在于，该维持装置的二极磁铁具有一边缘角为18.6度。

5.根据权利要求1所述的同步加速系统，其特征在于，该维持装置的四极磁铁用于聚焦该粒子束，使该粒子束在该主环内任一位置为具有椭圆形截面的一束团，其中该束团沿水平方向的宽度大于沿垂直方向的高度。

6.根据权利要求1所述的同步加速系统，其特征在于，该主环的圆周长为22.5米。

7.根据权利要求1所述的同步加速系统，其特征在于，该主环包含一环状真空管，环绕于该四个维持装置、该射频加速腔及该引出装置。

8.根据权利要求1所述的同步加速系统，其特征在于，该注入装置包含一线性加速器。

9.根据权利要求8所述的同步加速系统，其特征在于，该线性加速器包含一离子源、一加速器以及一射频四极磁铁。

Images