用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置

本申请涉及粒子束治疗的回旋加速器领域，更具体地，涉及一种用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置。

背景技术：

1、在过去的十多年间，服务于粒子束治疗的回旋加速器发展迅速。传统回旋加速器中，加速粒子因相对论效应会导致其回旋频率与电场频率的不一致，等时性回旋加速器通过允许磁场沿径向变化，使磁场强度沿半径方向与粒子能量同步增长，很好地解决了这个问题。

2、随着加速器束流动力学的发展，等时性磁场采用了“山谷”设计，磁极结构经历了直边扇形、螺旋扇形的发展过程。由此，既保证了粒子的回旋频率为常数，又解决了粒子的轴向聚焦问题。虽然对于扇形等时性磁场的设计已相对比较成熟，但在质子治疗和同位素生产中仍具有很大的应用潜力。特别是实际应用中质子束引出所需各个能量段的场形都有不同，且要满足磁场高精度的要求，使其在磁铁精细结构上的设计还存在诸多挑战。特别对于rfq-dip结构的等时性回旋加速器，因磁铁体积减小以及中心位置留空，导致等时性磁场及其精度都受到严重影响，为此，我们发明了一种高精度应用型等时性回旋加速器的磁场设计方案，用于保持磁场的高精度。

技术实现思路

1、针对上述问题，本申请的目的是为了满足高流强的h2+束流对高精度等时性磁场的需求，同时为了解决了大半径和小半径磁场急剧下降的问题，以保证磁场稳定性。

2、为实现上述目的，本申请采取以下技术方案：

3、一种用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，包括：

4、磁铁铁芯，磁铁铁芯包括铁轭和多个磁铁扇块，多个磁铁扇块设置在铁轭的内腔中；

5、超导线圈，超导线圈设置在铁轭的内腔中并且超导线圈围绕多个磁铁扇块设置；

6、中心孔道，中心孔道设置在铁轭的中心轴线处；

7、射频四极杆，射频四极杆设置在中心孔道中，束流通过射频四极杆以实现竖直聚焦；和

8、高导磁芯，高导磁芯在射频四极杆正上方设置在中心孔道中，并且连接到多个磁铁扇块。

9、高导磁芯包括扇形超导磁芯和圆环形超导磁芯，圆环形超导磁芯的中心孔与中心孔道的中心轴线同轴，扇形超导磁芯设置在圆环形超导磁芯的表面上，圆环形超导磁芯的中心孔与扇形超导磁芯的中心孔一起构成延伸孔道。

10、还包括反射镜，反射镜设置在延伸孔道中，束流通过射频四极杆，然后经过反射镜偏转进入等时性场区。

11、磁铁铁芯包括对称设置的具有相同结构的上层磁铁铁芯和下层磁铁铁芯。

12、多个磁铁扇块中的每一个是由上表面、下表面、中心端面、外围端面、左侧面和右侧面围成的扇形块，其中：

13、中心端面靠近中心孔道设置；

14、外围端面远离中心孔道设置；

15、左侧面为凸形表面；和

16、右侧面为凹形表面。

17、左侧面和右侧面分别地包括径向向外依次布置的直边扇段、第一螺旋扇段和第二螺旋扇段，直边扇段靠近中心孔道设置并且具有直线边缘，第二螺旋扇段远离中心孔道设置并且具有第一曲线边缘，第一螺旋扇段设置在直边扇段和第二螺旋扇段之间并且具有第二曲线边缘，第二曲线的曲率大于第一曲线的曲率。

18、第一螺旋扇段和第二螺旋扇段采用一个圆柱面构造或多个圆柱面削斜形成。

19、多个磁铁扇块中的每一个的上表面通过沿半径方向按照预定气隙间距削斜，以在上表面上形成多个环状表面。

20、高导磁芯通过卡槽和/或销钉固定到多个磁铁扇块。

21、高导磁芯采用fecov材料制造。

22、本申请由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

23、适用于质子束引出能量30-250mev的等时性回旋加速器，通过构建磁铁表面精细结构特征，不仅满足了等时性磁场的高精度要求。中心圆柱高导磁芯的设置解决了小半径磁场急剧下降的问题。通过极面的区域划分来降低气隙，从而解决了大半径磁场急剧下降的问题。磁铁结构紧凑，且易于在加速器上安装和集成，在医用同位素生产中具有重要的应用价值。

技术特征：

1.一种用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述高导磁芯包括扇形超导磁芯和圆环形超导磁芯，所述圆环形超导磁芯的中心孔与所述中心孔道的中心轴线同轴，所述扇形超导磁芯设置在所述圆环形超导磁芯的表面上，所述圆环形超导磁芯的中心孔与所述扇形超导磁芯的中心孔一起构成延伸孔道。

3.根据权利要求2所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜设置在所述延伸孔道中，束流通过射频四极杆，然后经过所述反射镜偏转进入等时性场区。

4.根据权利要求1所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述磁铁铁芯包括对称设置的具有相同结构的上层磁铁铁芯和下层磁铁铁芯。

5.根据权利要求1所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述多个磁铁扇块中的每一个是由上表面、下表面、中心端面、外围端面、左侧面和右侧面围成的扇形块，其中：

6.根据权利要求5所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述左侧面和所述右侧面分别地包括径向向外依次布置的直边扇段、第一螺旋扇段和第二螺旋扇段，所述直边扇段靠近所述中心孔道设置并且具有直线边缘，所述第二螺旋扇段远离所述中心孔道设置并且具有第一曲线边缘，所述第一螺旋扇段设置在所述直边扇段和所述第二螺旋扇段之间并且具有第二曲线边缘，所述第二曲线的曲率大于所述第一曲线的曲率。

7.根据权利要求6所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述第一螺旋扇段和所述第二螺旋扇段采用一个圆柱面构造或多个圆柱面削斜形成。

8.根据权利要求6所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述多个磁铁扇块中的每一个的上表面通过沿半径方向按照预定气隙间距削斜，以在所述上表面上形成多个环状表面。

9.根据权利要求1所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述高导磁芯通过卡槽和/或销钉固定到所述多个磁铁扇块。

10.根据权利要求1所述的用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置，其特征在于，所述高导磁芯采用fecov材料制造。

技术总结
本申请涉及用于应用型等时性回旋加速器的磁场装置。采用直边加多螺角螺旋结构磁铁扇块结合圆柱高导磁芯，通过构建磁铁表面精细结构特征，不仅满足了等时性磁场的高精度要求，又解决了小半径和大半径磁场急剧下降的问题，保证了磁场稳定性。等时性磁场精度高、稳定性高、磁铁结构紧凑，且易于在加速器上安装和集成，在医用同位素生产中具有重要的应用价值。

技术研发人员：姚庆高,张翔,孙良亭,赵红卫,王兵,杨龙
受保护的技术使用者：中国科学院近代物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12