[發(fā)明專(zhuān)利]強(qiáng)磁場(chǎng)高頻場(chǎng)耦合測(cè)試法和基于該方法的超導(dǎo)回旋加速器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011297103.0
• 申請(qǐng)日: 2020-11-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112098735B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張?zhí)炀?/a>;王川;李明;崔濤;殷治國(guó);紀(jì)彬;邢建升;呂銀龍;張素平;葛濤;賈先祿;盧曉通;尹蒙;溫立鵬;管鋒平;蔡紅茹;劉景源;王飛;朱曉鋒
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)原子能科學(xué)研究院
• 主分類(lèi)號(hào): G01R29/08
• 分類(lèi)號(hào): G01R29/08;H05H7/04;H05H13/00
• 代理公司: 北京維正專(zhuān)利代理有限公司 11508
• 代理人: 卓凡

本發(fā)明公開(kāi)了強(qiáng)磁場(chǎng)高頻場(chǎng)耦合測(cè)試法和基于該方法的超導(dǎo)回旋加速器，用于強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器電磁場(chǎng)特性、電場(chǎng)分布測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域,包括以下步驟：強(qiáng)磁場(chǎng)高頻場(chǎng)的整體參數(shù)的匹配設(shè)置測(cè)試；平衡高頻電壓對(duì)稱(chēng)性和軸向聚焦的匹配設(shè)置測(cè)試；磁場(chǎng)與高頻系統(tǒng)與工作路徑間匹配設(shè)置測(cè)試；離子源與中心區(qū)高頻腔匹配設(shè)置測(cè)試；中心區(qū)高頻腔與主磁鐵芯柱匹配設(shè)置測(cè)試；該加速器為小型化高劑量中能超導(dǎo)回旋加速器，包括超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)與高頻系統(tǒng)間的匹配結(jié)構(gòu)、主真空系統(tǒng)與離子源以及超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)和高頻系統(tǒng)之間的匹配結(jié)構(gòu)、從離子源到中心區(qū)到加速區(qū)到引出區(qū)全過(guò)程的束流匹配結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用各個(gè)環(huán)節(jié)的配合技術(shù)，從整體效應(yīng)上解決了小型化、高劑量的新問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器電磁場(chǎng)特性、電場(chǎng)分布測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種強(qiáng)磁場(chǎng)高頻場(chǎng)耦合測(cè)試法和基于該方法的超導(dǎo)回旋加速器。

背景技術(shù)

回旋加速器是利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)共同使帶電粒子作回旋運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)高頻電場(chǎng)反復(fù)加速的裝置，在各行各業(yè)均有廣泛地應(yīng)用。回旋加速器相對(duì)于其它類(lèi)型的加速器，有束流連續(xù)的優(yōu)勢(shì)，可提供更高的質(zhì)子束流強(qiáng)。根據(jù)國(guó)際粒子治療協(xié)作組（PTCOG）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前國(guó)際上100多套在用、在建的質(zhì)子治療系統(tǒng)，世界上73%以上采用回旋加速器。

小型化質(zhì)子治療系統(tǒng)容易進(jìn)行規(guī)模管理，同時(shí)也意味著更低的用地和建造成本，有助于質(zhì)子治療在更多中小醫(yī)院的推廣，擴(kuò)大質(zhì)子全球治療的可用性和可能性。

在小型化的設(shè)計(jì)要求下，很多常規(guī)大型加速器中實(shí)現(xiàn)高劑量的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)都無(wú)法實(shí)施，原因在于小型化和高劑量本身就是一對(duì)矛盾，在超導(dǎo)回旋加速器中，小型化整體參數(shù)目標(biāo)對(duì)象主要為主磁鐵和超導(dǎo)磁體，高劑量整體參數(shù)目標(biāo)對(duì)象為主磁鐵、超導(dǎo)磁體和高頻腔，當(dāng)主磁鐵和超導(dǎo)磁體小型化以后，加速器整體尺寸也小型化，在整體尺寸小型化情況下實(shí)現(xiàn)高劑量，難點(diǎn)集中在小型化以后的強(qiáng)磁場(chǎng)和高頻場(chǎng)的耦合上，主要難點(diǎn)如下：

1）超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)與高頻系統(tǒng)間的強(qiáng)磁場(chǎng)與高頻場(chǎng)的耦合是實(shí)現(xiàn)小型化、高劑量的難點(diǎn)之一，這種的難度體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

a）強(qiáng)磁場(chǎng)高頻場(chǎng)整體參數(shù)的匹配是難點(diǎn)的第一個(gè)方面。強(qiáng)磁場(chǎng)高頻場(chǎng)整體參數(shù)的很大程度了決定了加速器的整體性能。過(guò)分追求小型化，高頻腔的布局將受到空間和性能上的限制，加速器劑量率無(wú)法提升；而過(guò)分追求高頻腔射頻場(chǎng)的性能的提升，加速器很難做到小型化。因而，在眾多可選參數(shù)中，兼顧磁場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性、加速相位、軸向聚焦和圈能量增益等多項(xiàng)目標(biāo)優(yōu)化，選擇合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度、諧波數(shù)、主磁鐵和高頻腔布局相關(guān)的參數(shù)，有較大的技術(shù)難度。解決這個(gè)難點(diǎn)的測(cè)量，涉及到：通過(guò)核磁共振（NMR）裝置和霍耳效應(yīng)器件來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的大小，確保磁場(chǎng)的穩(wěn)定和合適的磁場(chǎng)范圍；借助核磁共振（NMR）裝置（NMR）和使用感應(yīng)裝置，進(jìn)行磁場(chǎng)分布的繪制；采用X射線探測(cè)儀進(jìn)行電場(chǎng)分布的測(cè)量；通過(guò)頻率測(cè)量裝置測(cè)量高頻場(chǎng)的頻率，確認(rèn)最佳的高頻場(chǎng)的加速相位。

b）平衡高頻電壓對(duì)稱(chēng)性與軸向聚焦的匹配是實(shí)現(xiàn)小型化、高劑量的難點(diǎn)的第二個(gè)方面。超導(dǎo)回旋加速器由于引入了超導(dǎo)磁體磁場(chǎng)、調(diào)變度的下降必須通過(guò)增大磁極的螺旋度來(lái)彌補(bǔ)。而增大磁極的螺旋度必然導(dǎo)致高頻腔射頻場(chǎng)的電壓的左右對(duì)稱(chēng)性變差，影響加速器束流品質(zhì)。傳統(tǒng)超導(dǎo)回旋加速器過(guò)分追求軸向聚焦強(qiáng)度而犧牲了高頻場(chǎng)的電壓的對(duì)稱(chēng)性，是導(dǎo)致加速器劑量率無(wú)法提升的原因之一。為了實(shí)現(xiàn)高頻場(chǎng)的電壓對(duì)稱(chēng)性和軸向聚焦兩者間的平衡，需要進(jìn)行磁極螺旋度和高頻腔間整體結(jié)構(gòu)的匹配，如何將磁極螺旋度和高頻腔匹配得當(dāng)，有較大的技術(shù)難度。解決這個(gè)難點(diǎn)的測(cè)量，涉及到：基于電磁場(chǎng)特性的測(cè)量，確認(rèn)合適的加速器軸向聚焦；磁極螺旋度對(duì)軸向聚焦效應(yīng)影響的測(cè)量；采用X射探測(cè)儀進(jìn)行電場(chǎng)分布的測(cè)量，分析高頻場(chǎng)的電壓對(duì)稱(chēng)性；測(cè)試加速器劑量率的提升。