[发明专利]一种激光加速质子束流均匀化方法及装置

说明书

本发明公开了一种激光加速质子束流均匀化方法及装置。本发明的束流均匀化传输线采用四极磁铁和高阶磁铁的组合，对质子束流X方向和Y方向进行束流均匀化操，质子束流横截面逐渐变为均匀分布的矩形束流；本发明方法摒弃了传统治癌加速器使用连续扫描叠加剂量的控制方法，而是将原本的高斯分布束团优化为相对规则且粒子分布均匀的矩形，矩形束斑应用使扫描叠加的照射面积覆盖病灶且无重叠；能够将激光产生的粒子得到最大化的利用率并转化为更易操控的矩形束流，以便于在治疗过程中进行步距扫描，确保被照射病灶能够收到均匀且可控的剂量照射；本发明采用高阶磁铁完成对激光驱动质子束流均匀性的优化，推进激光驱动质子治疗装置项目。

技术领域

本发明涉及激光质子加速器，具体涉及一种基于非线性高阶磁铁的激光加速质子束流均匀化系统及其实现方法。

背景技术

根据世界卫生组织的统计全世界每年大约有上1000万病人死于癌症，预计20年后将达到2400万。传统X射线等光子放疗副作用大，效果较差，导致复发率较高。而质子和重离子由于存在布拉格峰，这使得以这种离子对人体进行辐照治疗时具有较大优势，进入人体后不会立即大量释放能量，只在离子停下的位置释放其大部分能量，能够有效的杀死深层肿瘤的同时最大限度的减小对浅层正常组织的损害。至2015年，质子和重离子肿瘤治疗全世界已超过154000病例，其中质子治疗病例超过130000。然而以射频加速器为主体的离子加速设备体积大、造价高、维护和运行费用不菲，不易普及。

激光驱动质子治疗设备是由北京大学正在设计的一种新型质子加速器，是世界上首台激光驱动质子加速器，质子将由激光-等离子体相互作用产生，使用2PW激光使质子能量达到100MeV。应用新原理的激光加速器加速梯度可以达到100GV/m以上(比射频加速器至少高3个数量级)，可以显著降低加速器的尺寸和造价。超强超短激光驱动加速器由于其高加速梯度，近年来已成为加速器界最具吸引力的话题之一。

传统的质子治癌加速器所产生的束流流强较强，因此使用散射体控制束流穿过的面积进而控制病灶被照射剂量，或是通过叠加扫描铁来对照射区域进行扫描，通过治疗计划软件来控制被照射病灶的剂量。束流输送系统利用系统中的四极磁铁等调整粒子束的大小，并且输送至治疗室中的称为等中心的靶点位置，放射量分布则是令束流碰到散射体而使射束形状符合患部形状的散射体照射法，使用称为扫描电磁铁的电磁铁结合患部形状扫描细的射束的扫描照射法。

但激光驱动的质子束流流强较低，不适宜采用上述方法。

发明内容

为了解决以上现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种基于非线性高阶磁铁的激光加速质子束流均匀化系统及其实现方法，利用了高阶非线性磁铁横向边缘磁场大于横向中心磁场的特点，对激光驱动的质子束流进行均匀化操作，以达到治癌要求。

本发明的一个目的在于提出一种基于非线性高阶磁铁的激光加速质子束流均匀化系统。

本发明的基于非线性高阶磁铁的激光加速质子束流均匀化系统包括：束流收集段、能量选择段、束流均匀化传输线和束流整形传输线；激光打靶产生的束流经过束流收集段与能量选择段，获得理想能量的质子束流；理想能量的质子束流的横向分布为高斯分布，理想能量粒子经过束流均匀化传输线，完成束流均匀分布的操作，最后通过束流整形传输线，获得截面为矩形的均匀质子束流，用于后期步距扫描治疗癌症；其中，经过束流收集段以及能量拓展选择段后的质子束流进入束流均匀化输运线中，沿Z方向进行运动；传输至束流均匀化输运线中的质子束流是在XOY平面高斯分布的圆形束流，束流中心为同步粒子，即理想状态运动的粒子；