[发明专利]冷却系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于包括一个或多个超导线圈的粒子加速器的冷却系统和方法，并且更具体而言涉及一种用于包括一个或多个超导线圈的可旋转粒子加速器的冷却系统和方法。

背景技术

粒子加速器被用在许多应用中，包括例如粒子物理学应用，以及离子治疗，比如重离子治疗或质子治疗。在特定应用中，期望能够引导输出束，以从若干不同方向将输出束入射到目标上。这种技术被经常用在离子治疗应用中，以试图照射诸如肿瘤的目标结构，同时减小对周围健康组织的照射剂量。

在一些传统系统中，输出束的引导可以通过使用静态粒子加速器以供应粒子束并提供转向系统以将粒子束从若干方向引导到目标上来实现。这种系统典型地是相对较大和昂贵的，通常需要转向和聚集磁铁的复杂系统以将束从粒子加速器引导至目标，该系统可能与加速器相距一些距离。

日益流行的可替代技术是使用这样一种粒子加速器，其重量和大小允许该粒子加速器自身被安装到比如台架的支架上，以允许加速器的例如旋转的移动，并从而允许带电粒子的输出束的例如旋转的移动。在这种布置中，支架可以是可旋转的以允许粒子加速器和线圈围绕线圈的轴线旋转。可以被构造为足够轻且紧凑以能够安装到用于旋转的支架上的一种粒子加速器的类型是包括一个或多个超导线圈的粒子加速器。与使用不包括超导线圈从而能够实现尺寸和重量减小的尺寸相当的粒子加速器相比，这种线圈可以产生更强的磁场。例如，相对小截面的超导导线可以携带非常高的电流，在无损耗情况下大约数百或数千安培。可以无困难地获得使用电阻线圈典型实现的一百倍的电流密度。

安装粒子加速器的支架是有利的，在于其可以提供较小且较廉价的安装环境中的束引导能力。这例如在离子治疗应用的环境中是特别重要的，能够使治疗安装变得更加普遍，潜在地允许治疗中心位于并非区域或国家水平的地区。

当使用包括超导线圈的粒子加速器时，必须对超导绕组进行冷却。将会认识到的是，当对安装在用于旋转的支架上的粒子加速器的超导线圈进行冷却时会遇到特别的问题。冷却系统应该允许粒子加速器被安装到支架上，并且即使在粒子加速器及其线圈旋转时也能够操作以对线圈进行冷却。

已提出有各种用于冷却超导系统的线圈的方法。用于超导线圈的以下传统的冷却方法需要将线圈浸没到液态低温致冷剂或“制冷剂”中。最常用的制冷剂是液氦。制冷剂从超导体吸收热量，并被蒸发，由此冷却超导体。然而，将超导体浸没到制冷剂中的需要具有特定缺陷，尤其是在存在安装可旋转粒子加速器系统的支架的环境中。与将超导线圈浸没到与制冷剂槽相关联的最显著的问题之一是这会导致相对大的体积，不适于安装到支架上，或者不适于旋转。由于需要相对大量的制冷剂，制冷剂容纳槽通常必须为能够承受可能当制冷剂对超导磁体进行失超(quench)时蒸发而产生的潜在高压的压力容器。失超是当超导磁体脱离其超导状态并进入有阻状态时可能发生的现象。这可能导致线圈以热的形式沉积能量，引起围绕线圈的制冷剂蒸发。此外，制冷剂，比如液氦，有可能将在未来变得越来越稀少，使得更加不期望使用大量制冷剂的浸没式系统。

其他已知的冷却方法使用热导体，比如铜热联接件(thermal link)，以将热量从超导线圈传递到制冷器的工作流体，而不使用制冷剂作为传热介质。然而，这些系统同样具有特定缺陷。例如，在导体的长度上可能发生显著的温度梯度，从而降低超导线圈的性能。由于制冷器产生振动可能会干扰粒子加速器的操作而产生进一步的问题。相反地，由粒子加速器产生的强磁场可能会干扰制冷器的操作。为了避免制冷器与粒子加速器之间发生干扰，必须将制冷器定位在距粒子加速器的超导线圈一定距离处。然而，实践中，具有与在显著距离上传导热量相关联的实践困难。因此，申请人认识到这种系统也不适于保持超导线圈的温度低且稳定，而低且稳定的超导线圈的温度对于保持粒子加速器的有效操作是期望的。

发明内容

因此，申请人认识到需要一种用于安装在支架上以改变例如输出束的旋转方向的粒子加速器的超导系统的改进的冷却方法和系统。

根据发明的第一方面提供：

一种系统，包括：

支架；和

粒子加速器，安装在所述支架上，在使用中用于产生带电粒子的输出束，所述粒子加速器包括在使用中用于产生磁场的至少一个环形超导线圈；

所述系统进一步包括在使用中用于冷却所述超导线圈的装置；

所述冷却装置包括：

制冷剂室，位于所述至少一个超导线圈附近，在使用中用于容纳制冷剂；