[发明专利]用于聚焦带电粒子束的台架和装置

说明书

台架(100)设置为用于将具有不同动量‑电荷比的带电粒子束聚焦到大致共同点。台架包括：至少一个环形磁体(10)，具有中心孔，环形磁体的主轴线沿着中心孔延伸，环形磁体配置成根据带电粒子束的动量‑电荷比，在不同的径向位置处接收带电粒子束；其中，环形磁体包括离散的、基本上为平面的多个线圈(1a、1b、…、1p)，线圈间隔开，并从主轴线(z轴)径向延伸，以及配置成产生磁场使得在使用中：将第一带电粒子束(30)导向主轴线上的第一点，第一带电粒子束具有沿着主轴线的运动分量，并在第一径向位置处进入环形磁体，以及将第二带电粒子束导向主轴线上的第一点，第二带电粒子束具有与第一带电粒子束不同的动量‑电荷比，并具有沿着主轴线的运动分量，并在第二径向位置处进入环形磁体，以及其中；平面线圈配置成产生关于主轴线周期性对称的磁场，以及；至少一个环形磁体在使用中基本上是静止的。

背景技术

已知使用磁体来偏转或“弯曲”带电粒子，以便分离具有不同动量-电荷比的粒子。例如，质谱仪和粒子检测器的工作原理是：在存在磁场的情况下，具有不同动量-电荷比的粒子将偏转不同的量，从而允许对粒子进行分析。

使用磁场来偏转带电粒子的另一个示例是带电粒子疗法，这是放射疗法的一种。放射疗法通常是指使用电离辐射通过杀死或控制恶性组织以治疗癌症。电离辐射会损伤组织的DNA，而导致细胞死亡。常规的放射疗法使用由加速电子产生的高能光子(X射线)，而高能光子被导向人体所需的区域。为了最小化对健康组织的损伤，X射线通常在多个角度处引入，而且束在癌变区域相交。

当辐射束由带电粒子组成时，放射疗法被称为带电粒子疗法。带电粒子疗法的优点在于这些粒子独特的物理和放射生物学特性；粒子能几乎无扩散地穿透组织，并恰好在停止之前沉积最大能量。这允许对要照射的具体区域进行精确限定。这种带电粒子可包括强子(例如，质子、诸如碳离子的离子、介子)和轻子(例如，电子)。

束传输系统是带电粒子疗法系统的关键元件之一，无论是基于质子、离子束或是其它带电粒子。在很多情况下，束传输系统是相对简单和固定几何形状的传输线。这限制了能实现的立体定位程度，以及对健康组织的不必要的寄生剂量。这个问题在多种具有“台架”的装置中已得以解决：磁体组接收以可变能量从粒子加速器提取的束，并从任意方向将束导向患者身上，无论束方向如何，传送中心都可能没有变化(“等中心线”)，且在治疗期间无需移动患者。台架的一个关键优点在于，能够以改善的灵活性、精确性和最终大为减少的寄生剂量来“喷涂”受辐照区域。

本台架的束光学器件通常基于安装在旋转结构上的弯曲磁体，该旋转结构弯曲来自提取线的束，将束变直，并最终使束相对于患者以90度弯曲，使得所传送的束以最小路径在健康组织中行进。通常沿着传输线放置四极、转向器和校正器磁体，以控制束传输。

质子束的理想束刚度在1.2Tm至2.4Tm的范围内(对于在70MeV至250MeV范围内的质子能量)，而对于诸如碳的典型离子，所需束刚度为3.3Tm至6.6Tm(对于在120MeV/u至430MeV/u范围内的核子能量)。现有技术中的基于常规导电磁体的台架具有1T至2T范围内的偶极场强，以及上述刚度与几米长的电磁体对应。

现有技术要求这些磁体围绕患者旋转，从而导致具有高机械刚度的超大型结构结构，尤其是对于碳离子疗法而言。另外，由于单独的磁体孔尺寸不允许接受所期望的能量范围，因而由台架磁体产生的磁场需要在某种程度上可变。无论在重量、占地面积和成本方面，还是在初始投资和运营方面，现有技术中的台架及其旋转机械结构都是非常沉重的负担。

为了减小这种台架的尺寸，已经使用了超导磁体。然而，台架的旋转特性要求随附的低温系统具有基于柔性传输线或低温机械的旋转部件，低温机械诸如为与台架磁体一起旋转的低温冷却器。这增加了设计复杂性且是不期望的。

发明内容