[发明专利]一种适用于粒子医疗输运技术的高温超导四极磁体结构

说明书

本发明公开了一种适用于粒子医疗输运技术的高温超导四极磁体结构，其包括钇钡铜氧高温超导线圈、低温传导冷却结构、线圈连接接头设计、铁芯和线圈外真空绝热结构和环氧板支撑组件。钇钡铜氧带材镶嵌在线圈基体凹槽内。磁体的各个高温超导线圈之间采用串联连接。高温超导接头采用铟片压紧连接。线圈通过制冷机传导冷却。铁芯和线圈外部还设有冷屏、杜瓦作为真空绝热结构。磁体内铁芯组件和冷屏通过环氧板支撑组件固定。本发明能够实现粒子输运系统中粒子束的聚焦功能，并有效降低磁体尺寸、重量和成本。本发明满足超导线圈在40K温区稳定运行时的低温传导冷却、结构强度、降低漏热和失超保护等要求，实现磁体结构的小型化、轻型化和低成本化。

技术领域

本发明涉及高温超导技术领域的一种高温超导多极磁体结构，尤其涉及一种适用于粒子医疗输运技术的高温超导四极磁体结构。

背景技术

粒子束的医疗技术发展是从1946年美国的Wilson首次提出质子束的治疗特性开始的；质子由于它的布拉格峰(Bragg峰)效应，在射程终止处的剂量值比入口处的剂量值大三四倍，在射程终点后的剂量等于零，质子束的此特点用于肿瘤治疗，可以使肿瘤处的剂量为最大值，得到最大的治疗效果，且肿瘤后的正常体细胞不会受到损伤，肿瘤前部的正常组织细胞仅受到肿瘤剂量值三分之一左右的较小损害，大幅地减少了癌症患者在放射治疗过程中的副作用，相比于传统的射线治疗，质子治疗的优势非常明显。经过半个多世纪的发展，质子治疗由于其穿透力强、剂量分布好、旁散射少等特征，成为令人瞩目的肿瘤治疗高新技术。重离子是比质子重的带电粒子，如氦粒子、碳离子、氖离子等，在质子医疗技术不断发展的同时，重离子以其更好的物理和放射生物学特性受到学者们的青睐；就束流种类而言，重离子特别是碳离子因其物理学的Bragg效应和特殊的相对生物学效应成为首选。

要实现质子和重离子医疗，需要相应的专业医疗设备；从结构组成原理上看，重离子与质子治疗系统基本相同，主要包括主加速器、粒子输运系统、治疗头和治疗计划系统。粒子输运系统的作用是保证粒子束在真空管道中的无障碍传输，在传输过程中需要有二极铁对粒子束进行偏转，四极铁对粒子束进行聚焦，一条完整的输运线装置其二极铁和四极铁的数量都是在几十套甚至更多，由于输运重离子和质子对磁场强度有很高的要求，使得粒子束在输运过程中的磁体的设计难度也会增大，这主要是由于常规的电磁铁磁场强度在增大到一定程度后会发生严重磁饱和，只能通过进一步增大线圈励磁安匝数来实现磁场强度的提高，但在这种磁饱和效应后线圈增大所带来的直接影响是磁体本身的尺寸和重量大幅增加，这会使得整条输运系统的总体占地面积和重量很大，成本也会大幅增加。因此，粒子输运系统的小型化、轻型化和低成本化必将成为今后发展的关键目标。而四极磁铁作为实现粒子束聚焦功能的重要装置，是输运系统的重要组成部件，也是影响整个输运线成本和重量的重要因素。要想实现最终输运系统的小型化、轻型化和低成本化，改变现有的常规磁铁结构，开发一种精简、高效和稳定的磁体结构迫在眉睫。高温超导材料是指在临界温度在液氮温区(77K)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。相当于常规磁铁来说，高温超导材料大幅提高了线圈的载流密度，降低了线圈尺寸，从而减小了整个磁体的尺寸。相对于液氦温度下(4.2K)运行的低温超导材料(Nb₃Sn、NbTi等)来说，高温超导材料的临界温度大大提高，不仅可以大大节约制冷成本，而且可以提供更高更稳定的强磁场。因此，粒子医疗输运技术的高温超导四极磁体结构设计成为粒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。

发明内容

针对现有的技术问题，本发明提供一种适用于粒子医疗输运技术的高温超导四极磁体结构，在保证大电流、强磁场安全稳定运行和磁体的传导冷却效果的前提下，实现对粒子束的聚焦功能。同时，其特殊的结构特点可以有效的降低磁体的尺寸、重量和成本，并保证磁体在失超等故障下电流的安全泄放。