[发明专利]一种适用于质子治疗仪的超导90度二极铁真空冷却结构

说明书

技术领域

本发明属于真空超导冷却领域，具体涉及一种适用于质子治疗仪的超导90度二极铁真空冷却结构。

背景技术

要实现质子和重离子医疗，需要相应的设备；从结构组成原理上看，重离子与质子治疗系统基本相同，主要包括加速器、旋转机架、治疗头和治疗计划系统。旋转机架的作用是支撑离子束流从不同的角度照射至病灶的机械结构；旋转机架要有足够的刚度和强度，能承担束流输运的磁铁、治疗头设备和各种检测设备；机架转动着不同角度下其等中心误差小于1mm，转角精度小于0.2度。

现有的机架结构体积和重量很大，尤其是最后一块弯曲磁铁，其弯曲角度达到90度，半径的增加使得吨位极度增加，以德国GSI的HIT为例，最后一块90度弯曲磁铁达到了90吨重，占整个旋转传输系统的65％。过重的机架结构会导致受力严重不均产生变形，进而影响等中心误差和旋转精度，阻碍了离子束医疗的广泛应用。因此，旋转机架的小型化、轻型化和低成本化必将成为今后发展的关键目标。而弯曲磁铁作为实现离子束偏转功能的重要装置，是旋转机架的重要组成部件，是影响旋转机架尺寸和重量的重要因素，要想实现机架的小型化、轻型化和低成本化，改变现有的磁铁结构，开发一种精简、高效和稳定的磁体机构迫在眉睫。

高温超导材料是指临界特性优越的超导材料，将高温超导材料应用到磁体结构设计上来，用高温超导材料制作的高温超导磁体能够提供高强的、稳定的磁场。因此，旋转机架高温超导弯曲磁体结构设计成为离子束治疗技术应用发展的关键，对于推进高温超导技术在医学物理领域的发展有着重要的意义。而高温超导材料制成的高温超导磁体能够稳定运行，冷却设备必不可少。

现如今对于超导磁体的冷却主要采取两种方式，液氦浸泡冷却和制冷机传导冷却。液氦浸泡冷却方法是将超导磁体置于液氦容器中，液氦容器中充满液氦，其外是一个液氮容器，液氮容器中充满液氮，液氮容器要对液氦容器形成全包围态势，液氮容器其外是一个真空容器。液氦浸泡冷却超导磁体的主要缺点在于，为了减少液氦挥发，还需要再增加一个液氮保护容器；另外，当磁体失超时，如卸压装置出现故障，则会造成液氦容器过压，直至发生爆炸。

上个世纪90年代中期，随着GM制冷机和实用高温超导材料的出现，制冷机冷却超导磁体得以实现。制冷机冷却超导磁体主要通过固体热传导来完成。制冷机的一级冷头冷却热辐屏，二级冷头通过使用高导热材料如高纯铜制成的导冷带冷却磁体本体。这种冷却方法，由于免去了液氦、液氮的使用，使得磁体的结构简单，操作方便。

因此，基于GM制冷机进行高温超导磁体的冷却结构的设计对于高温超导磁体的发展具有十分重要的意义，也对质子治疗仪的小型化具有十分重大的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于质子治疗仪的超导90度二极铁真空冷却结构，该真空冷却结构可以提供一种采取特殊绕制线圈的二极铁需要的低温工作环境，从而保证线圈能够在超导环境下正常工作。同时，其特殊的结构特点使得这种真空冷却结构通过简单的结构改变即可以适用于多种角度二极铁的低温工作环境的提供。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种适用于质子治疗仪的超导90度二极铁真空冷却结构，包括真空腔、冷屏、铝壳、线圈；

其中，真空腔、铝壳为圆弧腔结构，冷屏由两端冷屏层和中间圆弧腔组成；所述的冷屏设在真空腔内部，冷屏设在铝壳外部；

所述的线圈同一端设有内层线圈引出头、外层线圈引出头；所述的线圈外部依次设有绝缘层、支撑层、轭铁；所述的轭铁设在铝壳内部；

所述的内层线圈引出头契合有传导连接块；所述的冷屏外壁通过冷屏软连接经过冷屏上的开口与制冷头进行连接；同时，所述的传导连接块也经过上述开口通过C形铜带连接块连接制冷头。

所述的真空腔与冷屏之间、以及冷屏与铝壳之间均采取三个圆环支撑进行连接；其中，真空腔与其内部的圆环支撑、冷屏与其内部的圆环支撑均采取周向分布的顶头连接。

所述的圆环支撑包括环片，环片侧面上均布设有八个弧形孔，环片的外环面均布设有八个顶头，顶头为山脊形状，该结构的圆环支撑用于铝壳与冷屏之间。

所述的圆环支撑包括圆环，圆环外侧环面上均布设有四个顶头，顶头为球形，该结构的圆环支撑用于冷屏与真空腔之间。

所述的冷屏两端连接有两个不同结构的支撑；其中，靠近制冷头一端的支撑固定冷屏端部的冷屏层，并与轭铁端部的法兰结构进行连接，远离制冷头一端的支撑与轭铁端部进行连接。