一种重离子同步加速器的制作方法

本发明涉及同步加速器领域，具体涉及一种FODO结构的重离子同步加速器。

背景技术：

由于重离子束对生物体的照射具有倒转的深度剂量分布、较小的侧向散射、较高的相对生物学效应和较低的氧增比等特点，使得重离子治癌成为当今国际上先进有效的癌症放射治疗方法。常用的深层重离子治癌的束流能量为120MeV/u-400MeV/u。

同步加速器是一种通过控制前端注入器的时序结构、同步加速器磁铁的磁场、纵向高频电场、束诊元件、注引元件等实现带电粒子束流的注入、加速和引出的装置。它广泛应用于核物理、原子核物理，材料辐照、生物辐照、以及癌症治疗等领域。通过合理排列二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁等磁铁元件的位置和对应的磁场强度，可以实现对束流包络的操控，利用三阶共振慢引出系统，可以实现束流的均匀缓慢引出，满足医用重离子治疗需求。

目前已存在的医用同步加速器装置主要有专利号为201010252492.5，以及201210264179.2的发明专利。其中，201210264179.2非常适合于质子治癌加速器，对于重离子治癌加速器，尽管适用，但由于采用6块二极磁铁的结构，单台二极磁铁重量达20吨，弯转弧度达60度，不便于磁铁的加工，也给磁铁安装带来了难度；而专利201010252492.5，采用的是8个45度的偏转二极磁铁，并采用回旋加速器作为注入器，因此不易达到较高的束流流强，导致治疗时间较长。另外，该方案由于束流在引出静电切割器处相对同步加速器中心轨道的偏角较大，需要静电切割器提供较高的电压。现有技术中还有一种采用FODO结构的加速器，采用的是多圈注入方式，慢引出静电切割器以及引出磁切割铁放置于水平束流包络接近平均值的地方，慢引出没有采用凸轨，同步加速器的横向接受度的利用率低。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种FODO结构的重离子同步加速器，可以最大限度的提高注入增益，并实现加速器装置横向接收度的充分利用。

本发明的重离子同步加速器包括环形真空管道，所述环形真空管道具有多个直线离子束段和多个曲线离子束段，其中所述多个直线离子束段和所述多个曲线离子束段交替排列，重离子从第一直线离子束段注入后，流向第一曲线离子束段，加速完成后从另一个直线离子束段引出，每个曲线离子束段包括串联的第一二极磁铁和第二二极磁铁，重离子由第一二极磁铁运行至第二二极磁铁，第一二极磁铁和第二二极磁铁之间顺序设置有垂直校正磁铁和垂直聚焦四极磁铁，第二二极磁铁的下游的直线离子束段依次设置有水平校正磁铁、六极磁铁和水平聚焦四极磁铁。

优选地，所述直线离子束段和曲线离子束段的数量为六个或八个。

优选地，其中有两个曲线离子束段包括一个六极磁铁，设置在垂直聚焦四极磁铁与第二二极磁铁之间。

优选地，还包括注入装置，所述注入装置包括注入切割磁铁、剥离膜装置和多个注入凸轨磁铁，所述注入切割磁铁设置在第一直线离子束段，所述剥离膜装置设置在第一曲线离子束段的第一二极磁铁中，第一注入凸轨磁铁设置在第一直线束段上游的曲线离子束段中，且位于垂直聚焦四极磁铁和第二二极磁铁之间；第二注入凸轨磁铁设置在第一曲线束段，且位于垂直聚焦四极磁铁和第二二极磁铁之间；第三凸轨磁铁设置在第二直线束段，且位于水平聚焦四极磁铁下游。

优选地，所述注入装置还可包括第四注入凸轨磁铁，所述第四注入凸轨磁铁设置在所述第一直线离子束段中，且位于水平聚焦四极磁铁的上游。例如水平聚焦四极磁铁与六极磁铁之间、或者水平校正磁铁与六极磁铁之间、或者水平校正磁铁与第二二极磁铁之间。

优选地，所述注入凸轨磁铁为铁氧体结构，优选地，注入凸轨磁铁的磁场上升时间小于1ms，磁场下降时间小于100us。

优选地，还包括引出装置，所述引出装置包括引出静电切割器、引出切割磁铁、横向激励装置和多个引出凸轨磁铁，所述引出切割磁铁设置在引出重离子的直线离子束段上，所述引出静电切割器设置在引出重离子的直线离子束段上游的直线离子束段上，所述横向激励装置设置在任意直线离子束段上，第一引出凸轨磁铁设置在所述引出静电切割器所在直线离子束段上游的直线离子束段上，第二引出凸轨磁铁设置在所述引出静电切割器所在的直线离子束段上，且位于所述引出静电切割器的下游，第三引出凸轨磁铁位于引出重离子的直线离子束段，且位于所述引出切割磁铁的下游，所述第一引出凸轨磁铁、所述第二引出凸轨磁铁和所述第三引出凸轨磁铁均设置在相邻曲线离子束段的上游，且靠近第一二极磁铁。

优选地，所述引出装置还可包括第四引出凸轨磁铁，第四引出凸轨磁铁位于所述引出静电切割器所在的直线离子束段上，且位于水平聚焦四极磁铁的上游。例如水平聚焦四极磁铁与六极磁铁之间、或者水平校距磁铁与六极磁铁之间、或者水平校正磁铁与第二二极磁铁之间。

优选地，所述引出静电切割器和所述引出切割磁铁紧靠水平聚焦四极磁铁安装，以保证所述引出静电切割器和所述引出切割磁铁尽可能的位于水平包络最大的位置。

优选地，还包括设置在一个直线离子束段中的高频加速装置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.采用多个重复的FODO(Focus-Drift-Defocus-Drift，聚焦-漂移-散焦-漂移)结构，磁聚焦结构(lattice)简单，便于束流调试和安装；

2.采用剥离注入比多圈注入更易得到高流强；

3.引出元件的布局较为优化，采用3-bump(或4bump)的引出凸轨结构，充分利用同步加速器的横向接受度。

附图说明

图1为本发明的同步加速器的总体布局图；

图2为本发明的同步加速器中束流包络图；

图3为本发明的同步加速器的注入系统及注入轨道示意图；

图4为本发明的同步加速器中静电切割器和切割磁铁所处位置处的注入束流包络；

图5为本发明的慢引出束流与同步加速器中循环束流的包络。

附图标记列表：

1-12： 二极磁铁

13-24： 四极磁铁

25-32： 六极磁铁

33-44： 校正磁铁

45-47： 注入凸轨磁铁

48： 注入切割磁铁

49： 剥离膜装置

50-52： 引出凸轨磁铁

53： 引出静电切割器

54： 引出切割磁铁

55： 横向激励装置

56： 高频加速器腔

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的重离子同步加速器利用封闭的环形真空管道提供束流运行的高真空环境，采用二极磁铁实现束流的偏转，采用四极磁铁实现束流的聚焦，采用六极磁铁来实现色品校正和束流共振，采用校正铁进行闭轨校正。

图1是同步加速器的总体布局图，由图可见同步加速器呈六边形结构，二极磁铁和四极磁铁呈非常规则的排列。从六点钟方向开始，逆时针旋转，各元件依次为：注入切割磁铁48，二极磁铁1，剥离膜装置49，校正磁铁33，四极磁铁13，注入凸轨磁铁46，二极磁铁2，校正磁铁34，六极磁铁25，四极磁铁14，注入凸轨磁铁47，引出凸轨磁铁50，二极磁铁3，校正磁铁35，四极磁铁15，六极磁铁26，二极磁铁4，校正磁铁36，六极磁铁27，四极磁铁16，引出静电切割磁铁53，引出凸轨磁铁51，二极磁铁5，校正磁铁37，四极磁铁17，二极磁铁6，校正磁铁38，六极磁铁28，四极磁铁18，引出切割磁铁54，引出凸轨磁铁52，二极磁铁7，校正磁铁39，四极磁铁19，二极磁铁8，校正磁铁40，六极磁铁29，四极磁铁20，高频加速腔56，二极磁铁9，校正磁铁41，四极磁铁21，六极磁铁30，二极磁铁10，校正磁铁42，六极磁铁31，四极磁铁22，横向激励装置55，二极磁铁11，校正磁铁43，四极磁铁23，注入凸轨磁铁45，二极磁铁12，校正磁铁44，六极磁铁32和四极磁铁24。

可见，同步加速器实际上采用了6个重复的线性单元，每个单元均包括两个二极磁铁1/2，3/4，5/6，7/8，9/10和11/12，两个四极磁铁13/14，15/16，17/18，19/20，21/22和23/24，一个或两个六极磁铁25，26，27，28，29，30，31和32，一个长度约3m的直线离子束段a，b，c，d，e和f，两个校正铁33/34，35/36，37/38，39/40，41/42和43/44。这些磁铁通过真空管道交替连接。束流从直线离子束段a处进行注入，从直线离子束段d处进行引出。高频加速器腔56设置在直线离子束段e处。

12个二极磁铁的偏转角度均为30度，12个四极磁铁分别为6个垂直聚焦四极磁铁13、15、17、19、21和23，和6个水平聚焦四极磁铁14、16、18、20、22和24，在8个六极磁铁中，4个六极磁铁27、31、32和38用于驱动束流共振，2个六极磁铁25和29用于水平方向的色品校正，2个六极磁铁30和26用于垂直方向的色品校正，12个校正磁铁分别为6个水平校正磁铁34、36、38、40、42和44，和6个垂直校正磁33、35、37、39、41和43。

每个单元中，垂直聚焦四极磁铁位于两个二极磁铁之间，且紧挨着垂直聚焦四极磁铁放置垂直校正磁铁，水平聚焦四极磁铁位于两个二极磁铁的下游，且在水平聚焦四极磁铁和二极磁铁之间安装有六极磁铁和水平校正铁。

本发明中垂直聚焦四极磁铁和水平聚焦四极磁铁的排列与现有技术中采用FODO结构的同步加速器相反，在长直线离子束段上放置聚焦四磁极磁铁，有利于引出元件的放置。

本发明的同步加速器由6个相同的FODO单元组成，6个垂直聚焦四极磁铁和6个水平聚焦四极磁铁分别串联供电，既节省电源造价又能方便进行工作点的调节。12个二极磁铁，每个单元包含两个二极磁铁，二极磁铁长度约2m，重量约10t，不需要高吨位的吊车即可完成磁铁的安装。

需要说明的是，本发明的同步加速器中重复线性单元的数量不限于6个，还可以为例如8个。

图2是同步加速器的束流包络，其中上图为水平方向的束流包络，下图为垂直方向的束流包络，图中水平和垂直方向束流发射度分别为200/30pi，束流的动量分散为±0.3％。

如图1所示，注入系统包括3个注入凸轨磁铁45、46、47和剥离膜装置49。其中，注入凸轨磁铁采用铁氧体结构，要求磁场上升时间小于1ms，磁场下降时间小于100us。剥离膜装置位于二极磁铁1的真空室内部，通过在二极磁铁横向侧面打孔实现剥离膜的侧面安装，注入系统布局图如图3所示。

目前同步加速器的注入方式主要有多圈注入、利用冷却作用辅助下的多次多圈注入、剥离注入等，采用多圈注入由于受到刘维定理的限制，注入增益一般只有15倍左右；采用多次多圈可以实现较大的束流增益，但需要相空间冷却装置，例如电子冷却，随机冷却等，该冷却装置技术难度较大，造价较高，不适合在医用重离子装置上使用；而剥离注入是通过使束流打在剥离膜上，使束流的核外电子发生丢失从而改变束流的运行轨迹，因而突破刘维定理的限制，实现束流注入的方法。剥离注入可较易实现50倍以上的注入增益，该方案已经在专利201010252492.5上进行了验证。

本发明采用剥离注入方式，相同条件下更易于注入更多的粒子，模拟计算和实践经验表明，采用剥离注入得到的粒子数增益比多圈注入至少高出一倍。

图4是静电切割器和切割磁铁所处位置处的注入束流包络，可见不论是静电切割器还是切割磁铁，均位于水平包络较大的地方，且接近水平包络的最大值。一般而言，在慢引出过程中，静电切割器必须放置同步加速器横向接受度以内，否则，在引出过程中，束流便会发生严重损失。然而，静电切割器位于横向接受度以内，又会影响注入束流的接受度，也就是说，此时注入束可以利用的孔径只有同步加速器接受度的一部分，另外一部分被引出静电切割器“占据”了。解决该问题的办法，是在引出过程中采用局部凸轨。即将静电切割器放置于同步加速器横向接受度以外，此时在注入、加速过程中，静电切割器不会占据横向接受度。当束流将要引出时，采用3-bump(或4-bump)的凸轨结构，使束流的轨道在引出段产生局部凸起，进入静电切割器而引出。由于采用了3-bump的凸轨系统，引出静电切割器可以完全位于注入束流包络的外侧，即静电切割器位于同步加速器横向接受度以外，使得同步加速器的横向接受度得到了充分利用。

如图1所示，引出系统主要包括3-bump的凸轨系统50、51、52、横向激励系统55、引出静电切割器53、引出切割磁铁54。其中引出凸轨采用常规磁铁的设计，磁场上升时间小于50ms；横向激励安装于任意长直线离子束段均可，图中安装于f直线离子束段；引出静电切割器53和引出切割磁铁54分别位于长直线离子束段c和d，并且紧靠聚焦四极磁铁安装。

静电切割板和磁切割板入口的角度与束流的包络一致，以使束流垂直进入切割器，保证引出效率最高。

本发明的引出元件设置于水平束流包络最大的地方，更有利于降低静电切割器的电压，利于机器的稳定运行。

一般为了将同步加速器的色品校正和共振驱动功能进行分离，机器的水平工作点选择在5/3附近。而在该工作点下，采用6个重复的FODO结构，相邻直线节的相移接近90度。

静电切割器和切割磁铁是慢引出必须采用的元件，切割磁铁放置在静电切割器的下游，束流经过静电切割器的偏转后，在切割磁铁处与循环束产生一定的间隙，该间隙用来安装磁切割板。间隙大小与静电切割器和切割磁铁所处位置的包络函数、静电切割器与切割磁铁的相移等有关。具体关系为：其中β_ES为静电切割器处的水平包络函数，β_MS为切割磁铁处的水平包络函数，(μ_MS-μ_ES)为切割磁铁与静电切割器之间的相位差。

可见，同等条件下，静电切割器和切割磁铁所处的地方水平包络函数越大、且二者的相移越接近90度，所需的静电切割器的踢轨角度越小。本发明恰好满足上述所有条件。

图5是慢引出束流包络与循环束包络的对比。由图可见，受横向激励所激发的束流进入静电切割器以后，在静电切割器高压电场的作用下发生偏转，从而与循环束发生分离，然后进入到切割磁铁从而被引出到高能束线。在切割磁铁处，引出束与循环束产生了足够的分离距离，为磁切割板的安装预留了足够的间隙。

本发明的同步加速器可以满足重离子临床治疗对流强和能量的需要，在尽可能节约建造成本的情况下，可以为重离子治癌提供能量、流强、束流均匀性、开关断时间均满足要求的重离子束。除了医用，本发明的同步加速器还可应用于原子核物理研究、材料辐照、生物物理实验等领域。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。