医用小型化离子加速器制造技术

本公开提供了一种医用小型化离子加速器，包括：离子源，用于产生具有初始能量的低能离子；直线加速器，用于将低能离子进行初步加速，得到中能束流；同步加速器，用于加速中能束流，以得到目标能量的高能束流；同步加速器包括：两个偏转单元，通过两个直线节首尾连接，用于使同步加速器中的束流发生偏转，每个偏转单元的偏转角度均为180

【技术实现步骤摘要】
医用小型化离子加速器


[0001]本公开涉及医疗器材
，尤其涉及一种医用小型化离子加速器。

技术介绍

[0002]离子束(指氢离子、氦离子、锂离子、碳离子和氧离子等元素周期表中质量数不超过20，适合离子治疗的离子)存在一种称为布拉格峰的物理效应，该效应指离子束在物质中沉积能量的多少与其能量的大小成负相关，在离子的运动停止前能量释放到达峰值，再往后则能量沉积急剧减小。由于布拉格峰的存在，离子束可以精准地杀灭肿瘤细胞，而对周围健康组织损伤很小。除此之外，与常规射线相比，离子束具有较高的相对生物学效应，即达到相同的生物学效果(如细胞10％存活)所需的物理吸收剂量小于常规射线的物理吸收剂量，由此能显著减少患者的治疗次数。
[0003]现有的离子治疗加速器占地面积大，投资成本高，因此难以推广。本专利技术主要是降低同步加速器的成本，包括减少元件数量、降低主要元件制造及安装成本、结构紧凑减少占地面积等。
[0004]现有的离子治疗装置(申请号为201010252492.5)采用多个二极磁铁偏转离子束形成闭合轨道，同时在二极磁铁间排布四极磁铁，实现对离子束水平和竖直两个方向的聚焦效果。现有的离子治疗装置周长均大于50m，单块二极磁铁的重量接近20吨，制造成本及安装难度高，通常为了安装，需要较大的龙门吊，对空间的要求也较高。另一种离子治疗装置(申请号为202110638036.2)采用二极场上复合四极场的复合型超导磁铁，相较于由常规磁铁组成的加速器结构更加紧凑。但其引出方案采用的是竖直方向引出，引出所用的偏转铁会在高能束线的竖直方向引入色散。通常离子束会有一定的能量分散，色散会使离子束的整体尺寸变大，因此高能束线上会专门设计一段束线用以消色散。色散的引入和消除都只能通过二极磁铁。同步加速器中二极磁铁通常是使粒子在水平方向上偏转，所以水平方向上的色散是固有的，因此无论是水平方向的引出还是竖直方向引出，高能束线上总是需要在水平方向上进行消色散的处理。竖直方向的引出方案会增加整个高能束线的设计难度及调试难度，因为需要同时进行水平和竖直两个方向的色散消除。

技术实现思路

[0005]鉴于上述问题，本专利技术提供了一种医用小型化离子加速器，以解决上述问题。
[0006]本公开的一个方面提供了一种医用小型化离子加速器，包括：离子源，用于产生具有初始能量的低能离子；直线加速器，用于将所述低能离子进行初步加速，得到中能束流；同步加速器，用于加速所述中能束流，以得到目标能量的高能束流；所述同步加速器包括：两个偏转单元，通过两个直线节首尾连接，用于使所述同步加速器中的束流发生偏转，每个偏转单元的偏转角度均为180
°
；两个聚焦单元，与所述直线节一一对应，设于所述直线节上，用于使所述同步加速器内的束流在水平方向和竖直方向聚焦；高频加速腔，设于一个所述直线节上，用于加速所述同步加速器内的束流；注入系统，设于所述两个直线节上，用于
向所述同步加速器引入中能束流；慢引出系统，设于所述两个直线节上，用于引出加速后得到的目标能量的高能束流。
[0007]可选地，所述直线加速器与所述同步加速器之间安装有剥离膜，用于将所述中能束流中的离子转换为治疗所需的离子。
[0008]可选地，所述注入系统的注入方式为多圈注入，所述注入系统包括：注入切割磁铁，用于将所述中能束流注入到所述同步加速器中；多个注入凸轨磁铁，分设在所述两个直线节上，用于形成高度逐渐下降的局部凸轨，将所述同步加速器的水平接受度调整至注入静电偏转板出口处；注入静电偏转板，设置在所述两个直线节中的其中一个直线节上，连接所述注入切割磁铁，用于给所述中能束流一个横向的踢角，使其进入到所述同步加速器的水平接收度内，并随凸轨下降逐渐填满整个水平接收度。
[0009]可选地，所述慢引出系统包括：引出静电偏转板和引出切割磁铁，分设于所述两个直线节上，与所述聚焦单元相邻，所述引出静电偏转板和所述引出切割磁铁的相移为270
°
，用于引出加速后得到的目标能量的高能束流。
[0010]可选地，每一所述聚焦单元均包括三个四极磁铁。
[0011]可选地，所述慢引出系统包括：多个引出凸轨磁铁，分设在所述两个直线节上，用于在所述引出静电偏转板处形成局部凸轨，使所述同步加速器中的束流在接近所述引出静电偏转板的极板。
[0012]可选地，所述慢引出系统还包括：两个共振六极铁，对称设置在所述两个直线节上，与对应的直线节上所述聚焦单元中一端的四极磁铁相邻，用于引起所述同步加速器中的束流三阶共振并在相空间形成稳定三角形；两个色品校正六极铁，对称分设所述两个直线节上，与对应的直线节上所述聚焦单元中另一端的四极磁铁相邻，用于调节色品使所述同步加速器中的束流内不同能量的粒子引出相图相重叠，提高引出效率；引出激励(12)，设于一段所述直线节上，用于产生横向高频电场使所述粒子运动的振幅变大，逐渐离开所述稳定三角形并被引出。
[0013]可选地，每一所述偏转单元由多个超导二级磁铁组合而成。
[0014]可选地，所述离子源为电子回旋共振离子源。
[0015]可选地，所述直线加速器包括：射频四极场加速器，用于将所述离子源引出的低能离子加速到0.6MeV/u的能量水平；漂移管直线加速器，用于将所述射频四极场加速器加速后的低能离子加速到4
‑
7MeV/u的能量水平。
[0016]在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
[0017]本公开实施例提供的医用小型化离子加速器尽量减少了同步加速器中元器件数量，将二极铁外的器件集中在了两条直线节上，大大提高了空间利用率，缩短了加速器周长，整体周长不大于30米，整个装置的占地面积小建设成本低，并且独特的光学设计使得二极磁铁孔径小，有效控制了二极磁铁的制造成本和功耗。
附图说明
[0018]为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
[0019]图1示意性示出了本公开实施例提供的一种小型化重离子同步加速器的示意图；
[0020]图2示意性示出了本公开实施例提供的同步加速器的水平和垂直两个方向的包络
函数及色散函数；
[0021]图3示意性示出了束流注入过程的轨迹图；
[0022]图4示意性示出了图2束流在引出凸轨磁铁的作用下在引出静电偏转处形成局部凸轨的轨迹图；
[0023]图5示意性示出了束流在引出前最后三圈的轨迹以及进入静电偏转板后引出的轨迹图。
[0024]附图标记：
[0025]1‑
离子源；2
‑
直线加速器；3
‑
同步加速器；4
‑
偏转单元；5
‑
高频加速腔；6
‑
剥离膜；7
‑
注入切割磁铁；8
‑
注入静电偏转板；9
‑
注入凸轨磁铁；10
‑
引出静电偏转板；11
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种医用小型化离子加速器，其特征在于，包括：离子源(1)，用于产生具有初始能量的低能离子；直线加速器(2)，用于将所述低能离子进行初步加速，得到中能束流；同步加速器(3)，用于加速所述中能束流，以得到目标能量的高能束流；所述同步加速器(3)包括：两个偏转单元(4)，通过两个直线节首尾连接，用于使所述同步加速器(3)中的束流发生偏转，每个偏转单元(4)的偏转角度均为180
°
；两个聚焦单元，与所述直线节一一对应，设于所述直线节上，用于使所述同步加速器(3)内的束流在水平方向和竖直方向聚焦；高频加速腔(5)，设于一个所述直线节上，用于加速所述同步加速器(3)内的束流；注入系统，设于所述两个直线节上，用于向所述同步加速器(3)引入中能束流；慢引出系统，设于所述两个直线节上，用于引出加速后得到的目标能量的高能束流。2.根据权利要求1所述的医用小型化离子加速器，其特征在于，所述直线加速器(2)与所述同步加速器(3)之间安装有剥离膜(6)，用于将所述中能束流中的离子转换为治疗所需的离子。3.根据权利要求1所述的医用小型化离子加速器，其特征在于，所述注入系统的注入方式为多圈注入，所述注入系统包括：注入切割磁铁(7)，用于将所述中能束流注入到所述同步加速器(3)中；多个注入凸轨磁铁(9)，分设在所述两个直线节上，用于形成高度逐渐下降的局部凸轨，将所述同步加速器(3)的水平接受度调整至注入静电偏转板(8)出口处；注入静电偏转板(8)，设置在所述两个直线节中的其中一个直线节上，连接所述注入切割磁铁(7)，用于给所述中能束流一个横向的踢角，使其进入到所述同步加速器(3)的水平接收度内，并随凸轨下降逐渐填满整个水平接收度。4.根据权利要求1所述的医用小型化离子加速器，其特征在于，所述慢引出系统包括：引出静电偏转板(10)和引出切割磁铁(11)，分设于所述两个直线节上，与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：石健，芮腾晖，蒋晓鹏，周扬，杨春晓，周利荣，马力祯，朱新龙，杨文杰，
申请(专利权)人：杭州嘉辐科技有限公司，
类型：发明
国别省市：