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用于质子治疗的HUST-SCC250超导回旋加速器注入引出系统研究设计

作者:陕西保健网
来源:http://www.xapfxb.com/yuer
更新日期:2020-12-13 18:57

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2020年12月13日发(作者:彭世济)
用于质子治疗的HUST-SCC250超导回旋加速器注入引出系统研
究设计
放射 线疗法是最主要的三种治癌方法之一,约50-70%的肿瘤治疗
需要放疗。目前使用最广泛的是光子( X、γ射线)放疗,其局限是:光
子强度随着穿透深度呈指数衰减,因而病灶前的健康组织受到更多的< br>剂量,这增加了诱发新癌症的风险。与光子不同,质子的剂量分布具有
Bragg峰。精确控制B ragg峰处于肿瘤部位,可最大杀伤肿瘤,同时保
护健康组织。因此,质子治疗可实现对肿瘤外科手术 式的治疗,是目前
最先进的癌症无创精准治疗方法。质子治疗的核心是对质子束的精确
控制,加 速器作为质子的源头,其束流性能对整个治疗系统的影响巨
大。回旋加速器运行稳定,能输出连续束流, 束流强度可快速调节,在
质子调强治疗应用中有巨大优势,因此回旋加速器是质子治疗装备的
主 流,占运行及在建质子治疗中心的62%。超导回旋加速器具有体积
小、重量轻、能耗低、磁铁维持超导 状态、机器参数不变、运行稳定、
可以随时开机运行等显著优势,因而我国在十三五首批重点研发计划< br>中重点支持基于超导回旋加速器的质子放疗装备研发,这也是我国首
次系统地把超导技术和回旋加 速器技术结合起来。研究束流在加速器
中的运动是回旋加速器的基础。质子束在回旋加速器中的运动可以 分
为三个阶段:注入、加速、引出,其中注入和引出对束流的品质起决定
性作用。超导回旋加速 器的结构紧凑,磁场强度高,电磁结构复杂,导
致束流的高效率注入与引出更加困难。为保证治疗所需的 束流要求,
需解决以下关键问题:1)复杂电磁结构下的中心区注入,2)引出束流
品质控制, 3)高磁场强度下的高效率的束流引出问题。针对上述问题,
其中涉及复杂的电磁结构部件,部分元件建 模困难,导致无法实现精
确的设计和束流控制。目前国际上运行的超导回旋加速器数量少,许
多 常规回旋加速器的注入引出方法直接应用于超导加速器的设计,部
分结构借助实验和工程经验建造,没有 精确标准的设计方法,在运行
过程中存在引出效率低和稳定运行的问题,需进一步优化设计。同时
国内的超导回旋加速器的研发处于起步阶段,没有完整的设计提供参
考,进一步增加了研发的难度。为 解决以上关键问题,亟需首先深入分
析注入引出的物理过程,研究注入引出的方法与进而设计相应的电磁
结构。本文以质子治疗用超导回旋加速器为研究背景,以质子束的高
效注入引出为目标,通过束 流动力学理论分析、回旋加速器中的数值
算法、离子源与中心区的电磁结构分析、共振引出理论以及边缘 场的
参数提取方法,研究了超导回旋加速器的注入与引出的理论与方法。
在此基础上研究分析了 离子源和中心区的特性,给出了引出区物理与
工程设计,对质子束注入引出的理论分析和工程实现具有一 定的参考
价值。本文的主要研究内容和创新包括:1)研究了束流在主磁铁中的
加速过程,分析 了引出区危险共振对束流的影响。基于相似平衡轨道
理论,揭示了螺旋扇回旋加速器中束流稳定的条件, 在此基础上分析
了 HUST-SCC250主磁铁的磁场分布,束流在其中的输运特性,加速过
程中的滑相,工作点的移动及共振线的穿越,同时使用密度优化方法,
给出了一种新的磁轭结构设计。 最后深入研究了在引出区几个关键共
振对束流横向振荡的影响,并推导出引出轨道的解析近似表达式。2 )
编写了相关数值计算程序。回旋加速器中电磁场空间分布复杂,束流
在其中的运动过程难以解 析表达,需通过数值算法来求解其输运方程,
为了给超导回旋加速器提供设计和束流模拟的工具,本文设 计了磁场
与轨道计算的相关算法,并编写了相关程序,主要包含了平衡轨道的
求解算法,加速参 考轨道的求解算法,多粒子推进的异构加速算法。3)
深入研究了注入系统的两个关键部件离子源和中心 区。针对RF离子
源,提出了一种基于场分解的分析方法。对于潘宁型离子源的引出,
采用虚拟 电极的方法,揭示离子源的等离子体发射面对引出束流品质
的影响。分析了中心区的电磁结构对束流的作 用,以及中心区的相位
选择对束流品质的影响。4)引出系统物理设计。采用进动引出方法以
增 加圈距,给出了进动引出的物理模型,优化了谐波场的最优幅值与
相位参数,设计了产生相应幅值和相位 磁场的方法,使得束流轨道振
荡在引出点的圈距达到5 mm。分析了 ESD(Electro- Static Deflector)
电压对束流引出轨道的影响,通过数值分析和粒子追踪,得到了在 设
计条件下,束流通过ESD的引出轨道。计算了沿着引出束流轨道进行
聚集补偿的方案,提出 了一种等效集中参数元件的方法建立了引出复
杂边缘场的模型,最后通过束流光学计算程序MADX设计 了一种磁通
道元件分布,确定了磁通道设计参数,使得引出束流品质满足设计要
求。5)引出系 统三个主要部件的工程设计。A)给出了 Bump线圈工程
设计参数,确定了产生所需磁场的线圈安匝数及供电需求;B)给出了
ES D的结构设计,同时给出了ESD实验平台总体的设计;C)给出了磁通
道元件沿轨道布局方案,设计了 磁场参数的磁通道结构。并通过有限
元仿真验证了设计参数,均满足设计指标。

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