一種醫用質子同步加速器的注入裝置及注入方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于腫瘤治療的醫用質子同步加速器的注入裝置及注入方法。
【背景技術】
[0002] 質子在深度方向上優異的布拉格峰特性使得其成為腫瘤治療中最為先進的手段 之一，目前世界上質子治療裝置和治療中心的建設越來越多。治療中采用的最先進的掃描 技術可以實現三維適形調強的精確治療，最大限度地實現靶區內照射劑量盡可能大而周圍 敏感組織照射劑量盡可能小的放療要求。傳統的同步加速器，尤其是質子同步加速器每個 引出循環對應一個引出能量。注入、升能（稱之為上升沿）和標準化循環（稱之為下降沿） 需要占用很長時間，引出平臺所對應的有效治療時間較短。因此，為了提供了一種能夠在同 一周期內進行不同能量治療的技術，大大降低同步加速器治療時間，質子同步加速器需要 儲存較多粒子數。傳統用于升能的同步加速器一般采用單圈在軸注入，并利用快速二極磁 鐵將注入束流踢入中心軌道，其優點在于注入效率高，但是缺點在于由于空間電荷效應和 注入器的流強限制，使得加速器累積的電荷數量較少，因此導致現有的質子同步加速器無 法支持單周期內多層能量引出技術以降低同步加速器治療時間。

【發明內容】

[0003] 為了解決上述現有技術存在的問題，本發明旨在提供一種醫用質子同步加速器的 注入裝置及注入方法，以使該加速器能夠儲存較多的粒子，從而能夠支持單周期內多層能 量引出技術。
[0004] 本發明之一所述的一種醫用質子同步加速器的注入裝置，其包括：
[0005] 依次連接的第一直線節、第一偏轉二極磁鐵、第二直線節、第二偏轉二極磁鐵以及 第三直線節，其中，
[0006] 所述第一直線節包括：靠近所述第一偏轉二極磁鐵設置的第一水平散焦四極磁鐵 以及與該第一水平散焦四極磁鐵連接并遠離所述第一偏轉二極磁鐵設置的第一注入凸軌 磁鐵；
[0007] 所述第二直線節包括：靠近所述第一偏轉二極磁鐵設置的第一水平聚焦四極磁 鐵、靠近所述第二偏轉二極磁鐵設置的第二水平散焦四極磁鐵、連接在所述第一水平聚焦 四極磁鐵與第二水平散焦四極磁鐵之間的注入靜電切割板以及與該注入靜電切割板連接 的注入靜磁切割鐵；
[0008] 所述第三直線節包括：靠近所述第二偏轉二極磁鐵設置的第二水平聚焦四極磁鐵 以及與該第二水平聚焦四極磁鐵連接并遠離所述第二偏轉二極磁鐵設置的第二注入凸軌 磁鐵；
[0009] 所述第一注入凸軌磁鐵和第二注入凸軌磁鐵為彼此相位差為180度的偏轉磁鐵。
[0010] 本發明之二所述的一種醫用質子同步加速器的注入方法，其包括以下步驟：
[0011] 步驟S1，提供如上所述的醫用質子同步加速器的注入裝置；
[0012] 步驟S2,在向所述第一注入凸軌磁鐵和第二注入凸軌磁鐵供電的外部電源的作用 下形成質子同步加速器的循環束流中心軌道，將質子束在所述注入裝置中加速至2-lOMeV， 然后通過所述注入靜磁切割鐵和注入靜電切割板將質子束注入質子同步加速器的真空室， 并將所述質子束的注入點的水平方向位置設置為與所述循環束流中心軌道的水平方向位 置相同，將所述質子束的注入點的垂直方向位置設置為相對于質子同步加速器的中心軌道 的垂直方向位置偏置；
[0013] 步驟S3,將所述外部電源的強度從其最大值開始下降，使所述循環束流中心軌道 的水平方向位置的高度降低，并保持所述質子束的注入點的垂直方向位置不變，以使注入 的所述質子束到達質子同步加速器的水平發射度和垂直發射度的相空間的不同位置；以及
[0014] 步驟S4,持續執行所述步驟S3,以使質子束在質子同步加速器內做回旋運動的同 時，在質子同步加速器的水平發射度和垂直發射度的相空間中振蕩，直至質子同步加速器 的水平發射度和垂直發射度的相空間被質子束填滿，以達到最大發射度。
[0015] 如上述的醫用質子同步加速器的注入方法中，所述步驟S2包括將質子束在所述 注入裝置中加速至7MeV。
[0016] 如上述的醫用質子同步加速器的注入方法中，所述步驟S2包括將所述質子束的 注入點的垂直方向位置設置為相對于質子同步加速器的中心軌道的垂直方向位置偏置 2-10mm〇
[0017] 如上述的醫用質子同步加速器的注入方法中，所述步驟S4包括持續執行所述步 驟S310-30μs。
[0018] 由于采用了上述的技術解決方案，本發明通過利用注入靜磁切割鐵和注入靜電切 割板將質子束注入質子同步加速器的真空室，利用第一、第二凸軌磁鐵形成循環束流中心 軌道，減少質子束的注入點相對于循環束流中心軌道的偏置，并通過采用水平聚焦和散焦 四極磁鐵形成足夠的相移，從而利用盡可能少的元件數目實現醫用質子同步加速器的注入 功能，實現質子同步加速器的水平發射度和垂直發射度的相空間的最大填充，從而有效增 加了質子同步加速器的質子儲存數目，使其能夠支持單周期內多層能量引出技術。本發明 采用的元件數目少，操控簡單，能夠最大程度的降低裝置和建筑的建造成本，降低治療成 本。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發明的一種醫用質子同步加速器的注入裝置的結構示意圖；
[0020] 圖2是采用本發明的醫用質子同步加速器在注入開始時的循環束流中心軌道圖；
[0021] 圖3(a)、（b)分別是采用本發明的醫用質子同步加速器的水平和垂直發射度分別 填滿后的水平和垂直相空間圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖，給出本發明的較佳實施例，并予以詳細描述。
[0023] 首先，對本發明的理念基礎進行簡單說明。
[0024] 通過研究發現限制同步加速器儲存粒子數的主要因素是注入能量附近的空間電 荷效應造成穿越共振線導致的粒子丟失。空間電荷效應的強弱主要取決于儲存粒子數、注 入能量和儲存束的發射度：
[0026]式⑴中，Δv是空間電荷效應引起的頻移，rp是經典半徑，N是儲存粒子數，β 和γ是注入束流的相對論因子，Bf是聚束因子，ε_是束流發射度。
[0027] 公知的在同步加速器中最大有效的發射度就是其接受度，忽略色散的影響，接受 度為：
[0029] 式⑵中，D是真空尺寸，β是包絡函數。
[0030] 因此，本發明旨在將質子同步加速器的水平和垂直發射度都填滿成該質子同步加 速器的接受度，從而最大程度上減輕空間電荷效應的影響。
[0031] 基于上述內容，如圖1所示，本發明之一，即一種醫用質子同步加速器的注入裝 置，包括：通過真空室（圖中未示）依次連接的第一直線節、第一偏轉二極磁鐵1、第二直線 節、第二偏轉二極磁鐵2以及第三直線節，其中，
[0032] 第一直線節包括：靠近第一偏轉二極磁鐵1設置的第一水平散焦四極磁鐵11以及 與該第一水平散焦四極磁鐵11連接并遠離第一偏轉二極磁鐵1設置