[发明专利]一种质子束靶点和束线中心位置测量装置及其测量方法

说明书

本发明公开了一种质子束靶点和束线中心位置测量装置及其测量方法。本发明的测量装置包括N元四极透镜、激光器、靶和闪烁屏；靶和闪烁屏分别位于N元四极透镜的前方和后方，测量质子束经N元四极透镜聚焦后在闪烁屏上的位置，将N元四极透镜变换到M元四极透镜，测量质子束经M元四极透镜聚焦后在闪烁屏上的位置，根据放大倍数和质子束位置，计算出靶点处产生的质子束相对于束线中心的偏移量以及闪烁屏上的束线中心位置；本发明利用N元四极透镜和由N元四极透镜变换的M元四极透镜，结合闪烁屏，利用放大倍数的差异，精确确定束线中心和质子束靶点的位置，从而实现高精度的对心。

技术领域

本发明涉及加速器对心与激光加速器应用技术，具体涉及一种质子束靶点和束线中心位置测量装置及其测量方法。

背景技术

加速器在人类的科学研究和生活中发挥了越来越重要的作用。除了大型对撞机等前沿科学研究，加速器在癌症治疗领域发挥了不可替代的作用。传统光子治疗肿瘤，不可避免对浅层的健康组织造成伤害，而加速器产生的质子和重离子，得益于布拉格峰更集中的末端能量沉积，对浅层健康组织的伤害显著改善，因而质子和重离子治疗成为目前最先进的癌症治疗手段。然而以射频加速器为主体的离子加速装置体积大、造价高、维护和运行费用不菲，限制了质子和重离子治疗的广泛应用，肿瘤医疗需求得不到满足。

超强激光脉冲与靶作用时，加速梯度可以达到100GV/m以上(比射频加速器高3个数量级)，不受材料击穿电场的限制，可以显著降低加速器的尺寸和造价。报道中激光加速已获得接近100MeV的质子束，激光加速器逐渐走向成熟，在很多领域应用前景已引起越来越多的重视。

超强激光与靶作用后，产生质子束团。质子束通常需要传输束线聚焦和能量选择后应用。这要求质子束在束线中心，定位精确，以保障传输的精确。如果质子束源偏离束线中心，将导致传输到终端后质子束位置偏移，造成癌症治疗时位置偏差。通常的方法是通过模拟光确定激光与靶作用的靶点位置和四极磁铁等聚焦元件的位置，但实验中证明这种方法麻烦又不精确。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种质子束靶点和束线中心位置测量装置及其测量方法，从而能够方便、精确地确定束线中心和质子束相对于束线中心的位置。

本发明的一个目的在于提出一种质子束靶点和束线中心位置测量装置。

本发明的质子束靶点和束线中心位置测量装置包括：N个四极磁铁、激光器、靶和闪烁屏；其中，N个四极磁铁共轴沿着束线中心线排成一条直线构成N元四极透镜，相邻的四极磁铁之间有距离，N为≥3的自然数；沿着束线中心线的方向，与超强激光作用产生质子束的靶设置在N元四极透镜的前方；在N元四极透镜的后方设置闪烁屏，闪烁屏的探测平面垂直于束线中心线；激光器产生超强激光脉冲，激光脉冲与靶相互作用产生质子束，沿束线中心线传输；经N元四极透镜聚焦后，在闪烁屏上测量质子束的束斑的水平方向位置为a₁，在闪烁屏上测量质子束的束斑的竖直方向位置为a₂，N元四极透镜聚焦后到闪烁屏上的放大倍数在水平方向为F₁，竖直方向为F₃；将N元四极透镜变换到M个四极磁铁组成的M元四极透镜，M＜N且M为≥2的自然数，激光器产生超强激光脉冲，激光脉冲与靶相互作用产生质子束，沿束线中心线传输，经M元四极透镜聚焦后，在闪烁屏上测量质子束的束斑的水平方向位置为b₁，在闪烁屏上测量质子束的束斑的竖直方向位置为b₂，M元四极透镜聚焦后到闪烁屏上的放大倍数在水平方向为F₂，竖直方向为F₄，根据放大倍数和质子束的位置，分别计算出靶点处产生的质子束相对于束线中心的水平偏移量L₁和竖直偏移量L₂以及闪烁屏上水平方向束线中心的位置c₁和竖直方向束线中心的位置c₂：