[发明专利]强磁场高频场耦合测试法和基于该方法的超导回旋加速器

说明书

本发明公开了强磁场高频场耦合测试法和基于该方法的超导回旋加速器，用于强流质子回旋加速器电磁场特性、电场分布测量技术领域,包括以下步骤：强磁场高频场的整体参数的匹配设置测试；平衡高频电压对称性和轴向聚焦的匹配设置测试；磁场与高频系统与工作路径间匹配设置测试；离子源与中心区高频腔匹配设置测试；中心区高频腔与主磁铁芯柱匹配设置测试；该加速器为小型化高剂量中能超导回旋加速器，包括超导强磁场系统与高频系统间的匹配结构、主真空系统与离子源以及超导强磁场系统和高频系统之间的匹配结构、从离子源到中心区到加速区到引出区全过程的束流匹配结构。本发明采用各个环节的配合技术，从整体效应上解决了小型化、高剂量的新问题。

技术领域

本发明属于强流质子回旋加速器电磁场特性、电场分布测量技术领域，尤其涉及一种强磁场高频场耦合测试法和基于该方法的超导回旋加速器。

背景技术

回旋加速器是利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置，在各行各业均有广泛地应用。回旋加速器相对于其它类型的加速器，有束流连续的优势，可提供更高的质子束流强。根据国际粒子治疗协作组（PTCOG）的统计数据，目前国际上100多套在用、在建的质子治疗系统，世界上73%以上采用回旋加速器。

小型化质子治疗系统容易进行规模管理，同时也意味着更低的用地和建造成本，有助于质子治疗在更多中小医院的推广，扩大质子全球治疗的可用性和可能性。

在小型化的设计要求下，很多常规大型加速器中实现高剂量的结构和设计都无法实施，原因在于小型化和高剂量本身就是一对矛盾，在超导回旋加速器中，小型化整体参数目标对象主要为主磁铁和超导磁体，高剂量整体参数目标对象为主磁铁、超导磁体和高频腔，当主磁铁和超导磁体小型化以后，加速器整体尺寸也小型化，在整体尺寸小型化情况下实现高剂量，难点集中在小型化以后的强磁场和高频场的耦合上，主要难点如下：

1）超导强磁场系统与高频系统间的强磁场与高频场的耦合是实现小型化、高剂量的难点之一，这种的难度体现在以下几个方面：

a）强磁场高频场整体参数的匹配是难点的第一个方面。强磁场高频场整体参数的很大程度了决定了加速器的整体性能。过分追求小型化，高频腔的布局将受到空间和性能上的限制，加速器剂量率无法提升；而过分追求高频腔射频场的性能的提升，加速器很难做到小型化。因而，在众多可选参数中，兼顾磁场对称性、加速相位、轴向聚焦和圈能量增益等多项目标优化，选择合适的磁场强度、谐波数、主磁铁和高频腔布局相关的参数，有较大的技术难度。解决这个难点的测量，涉及到：通过核磁共振（NMR）装置和霍耳效应器件来测量磁场的大小，确保磁场的稳定和合适的磁场范围；借助核磁共振（NMR）装置（NMR）和使用感应装置，进行磁场分布的绘制；采用X射线探测仪进行电场分布的测量；通过频率测量装置测量高频场的频率，确认最佳的高频场的加速相位。

b）平衡高频电压对称性与轴向聚焦的匹配是实现小型化、高剂量的难点的第二个方面。超导回旋加速器由于引入了超导磁体磁场、调变度的下降必须通过增大磁极的螺旋度来弥补。而增大磁极的螺旋度必然导致高频腔射频场的电压的左右对称性变差，影响加速器束流品质。传统超导回旋加速器过分追求轴向聚焦强度而牺牲了高频场的电压的对称性，是导致加速器剂量率无法提升的原因之一。为了实现高频场的电压对称性和轴向聚焦两者间的平衡，需要进行磁极螺旋度和高频腔间整体结构的匹配，如何将磁极螺旋度和高频腔匹配得当，有较大的技术难度。解决这个难点的测量，涉及到：基于电磁场特性的测量，确认合适的加速器轴向聚焦；磁极螺旋度对轴向聚焦效应影响的测量；采用X射探测仪进行电场分布的测量，分析高频场的电压对称性；测试加速器剂量率的提升。