CN101631420B

CN101631420B - 用于质子-重离子束治癌的加速器

Info

Publication number: CN101631420B
Application number: CN 200910000759
Authority: CN
Inventors: 夏佳文; 原有进; 宋明涛; 杨建成
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2009-01-12
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2029-01-12
Also published as: CN101631420A

Abstract

本发明涉及一种将回旋加速器与同步加速器组合的用于质子-重离子束治癌的加速器，包括有离子源(E)和同步加速器(C)，其特点在于：所述的同步加速器(C)包括有通过离子束输送线(F)相连接的注入切割磁铁装置(5)、引出切割磁铁装置(6)、高频加速装置(9)、八个同步加速器弯曲段(1-1至1-8)和八个同步加速器直线段(2-1至2-8)；在同步加速器(C)的离子束注入端设有扇聚焦回旋加速器(A)或/和分离扇聚焦回旋加速器(B)。其采用将回旋加速器与同步加速器组合的方法，建立一套可以提供质子、重离子(质量数小于等于40)、宽能量范围(10MeV/u-400MeV/u)、高流强(每个脉冲提供的离子数目到10^7-10量级)的质子、重离子束治癌需要的加速器装置，实现临床治疗中对束流参数的要求。

Description

用于质子-重离子束治癌的加速器

技术领域：

本发明涉及一种将回旋加速器与同步加速器组合的质子-重离子束治癌装置技术领域，尤其是涉及一种用于质子-重离子束治癌的加速器。

背景技术：

由于质子和重离子束照射中倒转的深度剂量分布(Bragg峰)、侧向散射小、较高的相对生物学效应(RBE)和低的氧增比(OER)等特点，使质子-重离子束治癌成为当今国际上先进有效的癌症放射治疗方法。目前，初步临床治疗试验研究结果显示质子-重离子束治癌具有非常显著的疗效，且没有明显的毒副作用。

在实施质子-重离子束照射治疗中，提供符合临床要求束流的加速器是最基本的装置。根据临床治疗中不同肿瘤的深度，需要加速器提供不同能量的离子束；根据不同肿瘤的形状，需要加速器能够精确控制离子束流的扫描；根据肿瘤的生物有效剂量要求，需要加速器能够调节离子束流的强度。例如临床研究发现，在利用碳离子¹²C⁴⁺进行人体癌细胞照射治疗时，所需要的能量在100到400MeV/u之间，流强为微安量级。

在此应用领域，同步加速器是满足此类需求最有效的加速器装置。同步加速器可以提供其设计能量范围内(通常在几个MeV/u到几个GeV/u之间)任意能量的离子，流强可以达到毫安量级。同步加速器的另一个突出特点还在于可产生可变能量的质子-重离子束流。因此，建立以同步加速器为主体的重离子束治癌装置，是开展质子-重离子照射治疗癌症的基础。同时，实施质子-重离子肿瘤照射的治疗设备，还需要产生质子、重离子的离子源，和用于将质子、重离子能量提高到作为主加速器的同步加速器注入能量要求的预加速装置。

现有技术中公开的用于癌症治疗的加速器装置中，都采用了直线加速器与同步加速器组合的技术路线，详见中国已公开的专利号为20080019535.2的发明专利。这种治癌装置所采用的同步加速器为一个六重同步环，用激光离子源产生离子束，并采用直线加速器做同步加速器注入器。

这种公知的重离子治癌装置的一个显著的缺陷是，作为预加速装置的直线加速器只能够提供占空比较大的脉冲离子束流。在直线加速器的一个运行周期内，引出离子的时间只占整个周期中的一小部分，从而造成注入时间增长。同时，直线加速器体积较大，造价高昂，对磁铁和磁铁电源要求复杂，这增大了建造和投资的成本。

这种公知的重离子治癌装置的另一个缺陷是，虽然六重同步加速器环的采用，一定程度上减小了重离子治癌装置的体积，但同时造成了同步加速器直线段的减小，无法安装用于实现重复注入和束流累积的冷却装置，因此必须实现一次注入即可达到临床需要的束流强度，这种缺陷增大了此装置对离子源和直线加速器的性能要求，造成投资成本上升。

另外，公知的用于质子、重离子癌症治疗的加速器装置中，将直线加速器提供的离子注入到同步加速器中都采用了多圈注入方法，其缺点是单次注入效率低，进而造成治疗时间增长。

发明内容：

为了开展质子、重离子束治癌的临床研究及治疗，同时解决已有技术的缺陷，本发明了提供了一种采用电子回旋共振(ECR)离子源产生质子、重离子，并采用回旋加速器为预注入器，以八重同步加速器为主加速器的用于质子-重离子束治癌的加速器。建立一套可以提供质子、重离子(质量数小于等于40)、宽能量范围(10MeV/u-400MeV/u)、高流强(每个脉冲提供的离子数目到10^7-10量级)的质子、重离子束研究应用装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现：一种用于质子-重离子束治癌的加速器，包括有离子源(E)和同步加速器(C)，在同步加速器(C)的离子束注入端设有扇聚焦回旋加速器(A)或/和分离扇聚焦回旋加速器(B)，其主要特点在于：所述的同步加速器(C)包括有通过离子束输送线(F)相连接的注入切割磁铁装置(5)、引出切割磁铁装置(6)、高频加速装置(9)、八个同步加速器弯曲段(1-1至1-8)和八个同步加速器直线段(2-1至2-8)。

所述的同步加速器第1弯曲段(1-1)包括有第1、第2两个二极磁铁(3-1、3-2)；同步加速器第2弯曲段(1-2)包括有第15、第16两个二极磁铁(3-15、3-16)；同步加速器第3弯曲段(1-3)包括有第13、第14两个二极磁铁(3-13、3-14)和第2静电偏转板(9-2)；同步加速器第4弯曲段(1-4)包括有第11、第12两个二极磁铁(3-11、3-12)；同步加速器第5弯曲段(1-5)包括有第9、第10两个二极磁铁(3-9、3-10)；同步加速器第6弯曲段(1-6)包括有第7、第8两个二极磁铁(3-7、3-8)；同步加速器第7弯曲段(1-7)包括有第5、第6两个二极磁铁(3-5、3-6)；同步加速器第8弯曲段(1-8)包括有第3、第4两个二极磁铁(3-3、3-4)。

所述的同步加速器第1直线段(2-1)包括有第1、第2、第30三个四极磁铁(7-1、7-2、7-30)和第3、第4两个六极磁铁(8-3、8-4)；同步加速器第2直线段(2-2)包括有第24、第25、第26、第27、第28、第29六个四极磁铁(7-24、7-25、7-26、7-27、7-28、7-29)和第1静电偏转板(9-1)；同步加速器第3直线段(2-3)包括有第21、第22、第23三个四极磁铁(7-21、7-22、7-23)和第7、第8两个六极磁铁(8-7、8-8)；同步加速器第4直线段(2-4)包括有第18、第19、第20三个四极磁铁(7-18、7-19、7-20)；同步加速器第5直线段(2-5)包括有第15、第16、第17三个四极磁铁(7-15、7-16、7-17)和第5、第6两个六极磁铁(8-5、8-6)；同步加速器第6直线段(2-6)包括有第9、第10、第11、第12、第13、第14六个四极磁铁(7-9、7-10、7-11、7-12、7-13、7-14)和冷却装置(11)；同步加速器第7直线段(2-7)包括有第6、第7两个四极磁铁(7-6、7-7)和第1、第2两个六极磁铁(8-1、8-2)；同步加速器第8直线段(2-8)包括有第3、第4两个四极磁铁(7-3、7-4)和射频激励装置(10)。

还包括有用于将经回旋加速器加速的离子引入同步加速器(C)的注入切割磁铁装置(5)设置在同步加速器第1直线段(2-1)中；所述的用于将经同步加速器(C)加速的离子引出的引出切割磁铁装置(6)设置在同步加速器第3直线段(2-3)中；所述的高频加速装置(9)设置在同步加速器直线段中，高频加速装置(9)为单个或多个。

所述的同步加速器(C)还包括有剥离注入装置，剥离注入装置包括有设在同步加速器第8直线段(2-8)上的第1踢轨磁铁(4-1)、设在同步加速器第1弯曲段(1-1)上的第2踢轨磁铁(4-2)、设在同步加速器第2弯曲段(1-2)上的第3踢轨磁铁(4-3)、设在同步加速器第2直线段(2-2)上的第4踢轨磁铁(4-4)和设在第16二极磁铁(3-16)上的剥离膜(4-5)。

所述的用于质子-重离子束治癌的加速器，其利用质子-重离子束进行癌症放射治疗的加速器装置，通过将回旋加速器与同步加速器组合，实现临床治疗中对束流参数的要求。其存在的有益效果是：

1、其采用回旋加速器做注入器，可以实现离子束的连续注入，质子、重离子在回旋加速器中，被交变电场加速，并均匀磁场约束做回旋运动。随着质子、重离子能量提高，运动速度增大，回旋运动的半径逐渐增大，当被加速到趋于边缘时，借助静电偏转板将质子、重离子引出，实现离子的不间断引出，因此采用回旋加速器做同步加速器的注入器，可以实现离子束连续注入同步加速器中；

2、可以实现从质子到氩离子束流的多离子加速。回旋加速器中，离子的回旋频率其中Z是离子电荷数，A是离子质量数，B是均匀磁场强度，m_ion是单核子质量。由此可见，具有相同核质比的离子在回旋加速器中具有相同的回旋频率，因此，不同种类、相同核质比的离子，在回旋加速器中具有相同的参数设置，从而实现多离子加速。

3、本发明中同步加速器的预加速器采用的是回旋加速器。回旋加速器具有提供连续束流的优点，并且建造成本低，占地小，易于维护和修理。本发明用回旋加速器做质子-重离子治癌装置中同步加速器的注入器，克服了其他重离子治癌装置中，采用直线加速器做预加速器，只能提供脉冲束流的缺点。

4、本发明中采用电子回旋共振离子源作为重离子的产生装置，该离子源具有的低廉的投资和运行成本和能够产生多种类、多电荷态的重离子等优点。

附图说明：

图1为本发明结构原理示意图；

图2本发明图1中的同步加速器C的结构示意图(注入部分)；

图3本发明图1中的同步加速器C的结构示意图(引出部分)；

图4本发明图1中的同步加速器C中六极磁铁结构示意图。

图5本发明图1中的同步加速器C中重离子束流运动的水平和垂直半径示意图。

具体实施方式：

以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述：

见图1、2、3，所述的用于质子-重离子束治癌的加速器，包括有离子源E和同步加速器C，其特点在于：在同步加速器C的离子束注入端设有扇聚焦回旋加速器A或/和分离扇聚焦回旋加速器B。所述的同步加速器C包括有通过离子束输送线F相连接的注入切割磁铁装置5、引出切割磁铁装置6、高频加速装置9、八个同步加速器弯曲段1-1至1-8和八个同步加速器直线段2-1至2-8。

所述的同步加速器第1弯曲段1-1包括有第1、第2两个二极磁铁3-1、3-2；同步加速器第2弯曲段1-2包括有第15、第16两个二极磁铁3-15、3-16；同步加速器第3弯曲段1-3包括有第13、第14两个二极磁铁3-13、3-14和第2静电偏转板9-2；同步加速器第4弯曲段1-4包括有第11、第12两个二极磁铁3-11、3-12；同步加速器第5弯曲段1-5包括有第9、第10两个二极磁铁3-9、3-10；同步加速器第6弯曲段1-6包括有第7、第8两个二极磁铁3-7、3-8；同步加速器第7弯曲段1-7包括有第5、第6两个二极磁铁3-5、3-6；同步加速器第8弯曲段1-8包括有第3、第4两个二极磁铁3-3、3-4。

所述的同步加速器第1直线段2-1包括有第1、第2、第30三个四极磁铁7-1、7-2、7-30和第3、第4两个六极磁铁8-3、8-4；同步加速器第2直线段2-2包括有第24、第25、第26、第27、第28、第29六个四极磁铁7-24、7-25、7-26、7-27、7-28、7-29和第1静电偏转板9-1；同步加速器第3直线段2-3包括有第21、第22、第23三个四极磁铁7-21、7-22、7-23和第7、第8两个六极磁铁8-7、8-8；同步加速器第4直线段2-4包括有第18、第19、第20三个四极磁铁7-18、7-19、7-20；同步加速器第5直线段2-5包括有第15、第16、第17三个四极磁铁7-15、7-16、7-17和第5、第6两个六极磁铁8-5、8-6；同步加速器第6直线段2-6包括有第9、第10、第11、第12、第13、第14六个四极磁铁7-9、7-10、7-11、7-12、7-13、7-14和冷却装置11；同步加速器第7直线段2-7包括有第6、第7两个四极磁铁7-6、7-7和第1、第2两个六极磁铁8-1、8-2；同步加速器第8直线段2-8包括有第3、第4两个四极磁铁7-3、7-4和射频激励装置10。

还包括有用于将经回旋加速器加速的离子引入同步加速器C的注入切割磁铁装置5设置在同步加速器第1直线段2-1中；所述的用于将经同步加速器C加速的离子引出的引出切割磁铁装置6设置在同步加速器第3直线段2-3中；所述的高频加速装置9设置在同步加速器直线段中，高频加速装置9为单个或多个。

所述的同步加速器C还包括有剥离注入装置，剥离注入装置包括有设在同步加速器第8直线段2-8上的第1踢轨磁铁4-1、设在同步加速器第1弯曲段1-1上的第2踢轨磁铁4-2、设在同步加速器第2弯曲段1-2上的第3踢轨磁铁4-3、设在同步加速器第2直线段2-2上的第4踢轨磁铁4-4和设在第16二极磁铁3-16上的剥离膜4-5。

所述的用于质子-重离子束治癌的加速器，其离子源E采用已有的技术成熟的质子-重离子源体，如电子回旋共振(ECR)离子源等，同步加速器C用于调整质子和离子束流强、能量等涉及治癌要求的束流品质参数，使用时把经同步加速器C加速后的离子束引入用于照射病灶的癌症治疗终端D。

本发明的同步加速器C是一个由八个同步加速器弯曲段1-1至1-8和八个同步加速器直线段2-1至2-8组成具有四重循环的跑道型结构。每个弯曲段布置有改变质子-离子束方向的二极磁铁。直线节中设置有用于调整束流聚焦结构的多组四极磁铁，用于色品校正及慢引出的若干块六极磁铁，至少一个质子-离子加速装置，根据实际需要决定的束流累积装置，必要的束流诊断元件，将回旋加速器提供的质子、重离子束流注入到同步加速器中的注入元件和将其偏转出同步加速器的束流引出元件。

本发明的二极磁铁是具有H型结构的线圈及磁极，其结构已在我单位申请的专利号为：200820028897.9的专利中公开，用于将质子-离子束在水平偏转一定的角度。四极磁铁其结构已在我单位申请的专利号为：200820028898.3和200820028900.7的专利中公开，用于调整质子、离子束流在同步加速器中运动的包络，实现束流的横向聚焦或者纵向散焦，保证束流在同步加速器中循环运动的横向稳定性。六极磁铁的结构见图4所示，用于质子-离子束的色品校正，其另一个重要用途是在束流引出阶段调整稳定区域的大小。离子束输送线F主要有：改变束流方向的二极磁铁，调整束流聚焦的四极磁铁，局部轨道校正的矫正磁铁。束流诊断设备等。

附图5示意性显示了同步加速器C中，离子束作回旋运动的包络。曲线X表示水平方向离子束的半径，曲线Y表示垂直方向离子束的半径。每条曲线在图中纵坐标以毫米为单位，同步加速器中以米为单位的轨迹长度在图中横坐标表示。与公知的重离子治癌同步加速器相比较，具有横向束流尺寸大，变化小的特点，因此采用本发明可以降低同步加速器对注入束流匹配条件的要求。

本发明技术方案的实现具体过程可以描述为：

1、由离子源提供临床研究所需要的离子，离子源提供质量数小于等于40的质子、重离子，

2、束流输运线将离子源提供的质子、重离子输运到回旋加速器入口并注入，回旋加速器将质子、离子束能量提高到满足同步加速器的注入条件；

3、将质子、重离子从回旋加速器引出之后，输运到同步加速器入口并实现注入累积，达到临床治疗所需要的离子数目；

4、依据临床需要的离子能量，在同步加速器中，将离子加速至所需要的能量。

5、在同步加速器引出平台，采用慢引出方法将质子、重离子引出，并输运至治癌终端，在治癌终端元件的作用下，将符合临床要求的离子束照射至病灶，达到重离子治癌临床应用目的。

Claims

1.一种用于质子-重离子束治癌的加速器，包括有离子源(E)和同步加速器(C)，在同步加速器(C)的离子束注入端设有扇聚焦回旋加速器(A)或/和分离扇聚焦回旋加速器(B)，其特征在于：所述的同步加速器(C)包括有通过离子束输送线(F)相连接的注入切割磁铁装置(5)、引出切割磁铁装置(6)、高频加速装置(9)、八个同步加速器弯曲段(1-1至1-8)和八个同步加速器直线段(2-1至2-8)。

2.如权利要求1所述的用于质子-重离子束治癌的加速器，其特征在于：所述的同步加速器第1弯曲段(1-1)包括有第1、第2两个二极磁铁(3-1、3-2)；同步加速器第2弯曲段(1-2)包括有第15、第16两个二极磁铁(3-15、3-16)；同步加速器第3弯曲段(1-3)包括有第13、第14两个二极磁铁(3-13、3-14)和第2静电偏转板(9-2)；同步加速器第4弯曲段(1-4)包括有第11、第12两个二极磁铁(3-11、3-12)；同步加速器第5弯曲段(1-5)包括有第9、第10两个二极磁铁(3-9、3-10)；同步加速器第6弯曲段(1-6)包括有第7、第8两个二极磁铁(3-7、3-8)；同步加速器第7弯曲段(1-7)包括有第5、第6两个二极磁铁(3-5、3-6)；同步加速器第8弯曲段(1-8)包括有第3、第4两个二极磁铁(3-3、3-4)。

3.如权利要求1所述的用于质子-重离子束治癌的加速器，其特征在于：所述的同步加速器第1直线段(2-1)包括有第1、第2、第30三个四极磁铁(7-1、7-2、7-30)和第3、第4两个六极磁铁(8-3、8-4)；同步加速器第2直线段(2-2)包括有第24、第25、第26、第27、第28、第29六个四极磁铁(7-24、7-25、7-26、7-27、7-28、7-29)和第1静电偏转板(9-1)；同步加速器第3直线段(2-3)包括有第21、第22、第23三个四极磁铁(7-21、7-22、7-23)和第7、第8两个六极磁铁(8-7、8-8)；同步加速器第4直线段(2-4)包括有第18、第19、第20三个四极磁铁(7-18、7-19、7-20)；同步加速器第5直线段(2-5)包括有第15、第16、第17三个四极磁铁(7-15、7-16、7-17)和第5、第6两个六极磁铁(8-5、8-6)；同步加速器第6直线段(2-6)包括有第9、第10、第11、第12、第13、第14六个四极磁铁(7-9、7-10、7-11、7-12、7-13、7-14)和冷却装置(11)；同步加速器第7直线段(2-7)包括有第6、第7两个四极磁铁(7-6、7-7)和第1、第2两个六极磁铁(8-1、8-2)；同步加速器第8直线段(2-8)包括有第3、第4两个四极磁铁(7-3、7-4)和射频激励装置(10)。

4.如权利要求1所述的用于质子-重离子束治癌的加速器，其特征在于：还包括有用于将经回旋加速器加速的离子引入同步加速器(C)的注入切割磁铁装置(5)设置在同步加速器第1直线段(2-1)中；所述的用于将经同步加速器(C)加速的离子引出的引出切割磁铁装置(6)设置在同步加速器第3直线段(2-3)中；所述的高频加速装置(9)设置在同步加速器直线段中，高频加速装置(9)为单个或多个。

5.如权利要求1或4所述的用于质子-重离子束治癌的加速器，其特征在于：所述的同步加速器(C)还包括有剥离注入装置，剥离注入装置包括有设在同步加速器第8直线段(2-8)上的第1踢轨磁铁(4-1)、设在同步加速器第1弯曲段(1-1)上的第2踢轨磁铁(4-2)、设在同步加速器第2弯曲段(1-2)上的第3踢轨磁铁(4-3)、设在同步加速器第2直线段(2-2)上的第4踢轨磁铁(4-4)和设在第16二极磁铁(3-16)上的剥离膜(4-5)。