適用于超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)機(jī)架技術(shù)的高溫超導(dǎo)彎曲磁體結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高溫超導(dǎo)體領(lǐng)域，具體涉及一種適用于質(zhì)子和重離子醫(yī)療超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)機(jī) 架技術(shù)的高溫超導(dǎo)彎曲磁體結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 離子束的醫(yī)療技術(shù)發(fā)展是從1946年美國(guó)的Wilson首次提出質(zhì)子束的治療特性開 始的；質(zhì)子束有一個(gè)Bragg峰，通過高精度的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)可以將Bragg峰調(diào)整到腫瘤區(qū)， 并釋放大量能量。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，質(zhì)子治療由于其穿透力強(qiáng)、劑量分布好、旁散射 少等特征，成為令人矚目的腫瘤治療高新技術(shù)。重離子是比質(zhì)子重的帶電粒子，如氦粒子 碳離子（』，)、氖離子（！級(jí)嚴(yán))等，在質(zhì)子醫(yī)療技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，重離子以其 更好的物理和放射生物學(xué)特性受到學(xué)者們的青睞;重離子的線性能量傳遞(LET)、相對(duì)生物 效應(yīng)(RBE)和氧增比（OXR)等特性皆優(yōu)于質(zhì)子，其輻射劑量可以更多地沉積到人體深部的惡 性腫瘤內(nèi)，對(duì)腫瘤細(xì)胞更具殺滅性。就束流種類而言，重離子特別是碳離子因其物 理學(xué)的Bragg效應(yīng)和特殊的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)成為首選。
[0003] 要實(shí)現(xiàn)質(zhì)子和重離子醫(yī)療，需要相應(yīng)的設(shè)備;從結(jié)構(gòu)組成原理上看，重離子與質(zhì)子 治療系統(tǒng)基本相同，主要包括加速器、旋轉(zhuǎn)機(jī)架、治療頭和治療計(jì)劃系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)機(jī)架的作用 是支撐離子束流從不同的角度照射至病灶的機(jī)械結(jié)構(gòu);旋轉(zhuǎn)機(jī)架要有足夠的剛度和強(qiáng)度， 能承擔(dān)束流輸運(yùn)的磁鐵、治療頭設(shè)備和各種檢測(cè)設(shè)備;機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)著不同角度下其等中心誤 差小于1mm，轉(zhuǎn)角精度小于0.2度。隨著美國(guó)Loma Linda大學(xué)醫(yī)學(xué)中心設(shè)計(jì)了第一臺(tái)質(zhì)子旋 轉(zhuǎn)機(jī)架，隨后比利時(shí)、日本、瑞士、德國(guó)等國(guó)家相繼開發(fā)了不同類型的旋轉(zhuǎn)機(jī)架，德國(guó)GSI首 先建成了一臺(tái)重離子旋轉(zhuǎn)機(jī)架，目前也是唯一的一臺(tái)重離子旋轉(zhuǎn)機(jī)架?，F(xiàn)今旋轉(zhuǎn)機(jī)架大都 采用平面向心式結(jié)構(gòu)，僅在一個(gè)平面內(nèi)使用偏轉(zhuǎn)磁鐵，它主要是先由一臺(tái)二極磁鐵將離子 束流偏離軸線，再由另外一臺(tái)或者多臺(tái)二極磁鐵反向偏轉(zhuǎn)，使得束流垂直于旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)軸 線。由于偏轉(zhuǎn)重離子和質(zhì)子對(duì)磁體的磁剛度有很高的要求，偏轉(zhuǎn)重離子的磁剛度要求為 6.3T · m，質(zhì)子為2.5T · m。由于常規(guī)的電磁場(chǎng)難以達(dá)到那么大，只有通過擴(kuò)大曲率半徑來滿 足要求，這使得現(xiàn)有的機(jī)架結(jié)構(gòu)體積和重量很大;尤其是最后一塊彎曲磁鐵，其彎曲角度達(dá) 到90度，半徑的增加使得噸位極度增加，以德國(guó)GSI的HIT為例，最后一塊90度彎曲磁鐵達(dá)到 了 90噸重，占整個(gè)旋轉(zhuǎn)傳輸系統(tǒng)的65%。過重的機(jī)架結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致受力嚴(yán)重不均產(chǎn)生變形，進(jìn) 而影響等中心誤差和旋轉(zhuǎn)精度，阻礙了離子束醫(yī)療的廣泛應(yīng)用。因此，旋轉(zhuǎn)機(jī)架的小型化、 輕型化和低成本化必將成為今后發(fā)展的關(guān)鍵目標(biāo)。而彎曲磁鐵作為實(shí)現(xiàn)離子束偏轉(zhuǎn)功能的 重要裝置，是旋轉(zhuǎn)機(jī)架的重要組成部件，是影響旋轉(zhuǎn)機(jī)架尺寸和重量的重要因素，要想實(shí)現(xiàn) 機(jī)架的小型化、輕型化和低成本化，改變現(xiàn)有的磁鐵結(jié)構(gòu)，開發(fā)一種精簡(jiǎn)、高效和穩(wěn)定的磁 體機(jī)構(gòu)迫在眉睫。高溫超導(dǎo)材料是指臨界特性優(yōu)越的超導(dǎo)材料，將高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用到磁 體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來，用高溫超導(dǎo)材料制作的高溫超導(dǎo)磁體能夠提供高強(qiáng)的、穩(wěn)定的磁場(chǎng)。因 此，旋轉(zhuǎn)機(jī)架高溫超導(dǎo)彎曲磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為離子束治療技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵，對(duì)于推進(jìn) 高溫超導(dǎo)技術(shù)在醫(yī)學(xué)物理領(lǐng)域的發(fā)展有著重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種適用于質(zhì)子和重離子醫(yī)療超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)機(jī)架技術(shù)的高溫超 導(dǎo)彎曲磁體結(jié)構(gòu)，在保證大電流穩(wěn)定運(yùn)行、磁體的冷卻效果和產(chǎn)生高強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)均勻磁場(chǎng)的 前提下，實(shí)現(xiàn)離子束的偏轉(zhuǎn)功能。同時(shí)，其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以有效的降低彎曲磁體的尺 寸、重量和成本，并保證彎曲磁體在失超等故障下電流的安全泄放。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種適用于超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)機(jī)架技術(shù)的高溫超導(dǎo)彎曲磁體結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括同中 心軸嵌套的內(nèi)線圈和外線圈，所述內(nèi)線圈外表面上設(shè)有傾斜布置的長(zhǎng)凹槽一，所述外線圈 的外表面上設(shè)有傾斜布置的長(zhǎng)凹槽二，所述長(zhǎng)凹槽一和長(zhǎng)凹槽二的傾斜方向關(guān)于同中心軸 對(duì)稱，其內(nèi)分別嵌裝有特殊結(jié)構(gòu)的YBCO高溫超導(dǎo)導(dǎo)體形成內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體，所述內(nèi)導(dǎo)體和 外導(dǎo)體對(duì)稱纏繞嵌裝在內(nèi)線圈和外線圈外表面上，所述內(nèi)線圈和外線圈通大電流穩(wěn)定運(yùn)行 時(shí)內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互疊加，最終在離子束輸送區(qū)產(chǎn)生一個(gè)單方向的高強(qiáng)穩(wěn)態(tài) 均勻磁場(chǎng)，使得離子束實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。
[0007] 所述的外導(dǎo)體外層通過注入環(huán)氧樹脂形成導(dǎo)體固定層，所述固定層的外面設(shè)有絕 緣層，所述絕緣層的外面設(shè)有不銹鋼支撐層，不銹鋼支撐層的外面設(shè)有鐵輒束磁層，鐵輒束 磁層外面設(shè)有鋁外殼。
[0008] 所述特殊結(jié)構(gòu)的YBCO高溫超導(dǎo)導(dǎo)體是YBCO高溫超導(dǎo)帶材繞中心冷卻管旋轉(zhuǎn)排列 布滿，并在YBCO高溫超導(dǎo)帶材外面包裹不銹鋼殼體得到的結(jié)構(gòu)，有助于提高工作電流，從而 有效的增強(qiáng)線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)。
[0009] 所述的內(nèi)線圈是整體結(jié)構(gòu)線圈，該線圈是銅基材，可以保證內(nèi)導(dǎo)體發(fā)生失超故障 時(shí)可以有效地安全泄放電流。
[0010] 所述的外線圈是上下對(duì)稱分開結(jié)構(gòu)的線圈，上下對(duì)稱分開結(jié)構(gòu)的線圈整體包裹在 內(nèi)導(dǎo)體外面后通過焊接連在一起，所述上下對(duì)稱分開結(jié)構(gòu)的線圈為銅基材線圈，可以保證 在外導(dǎo)體發(fā)生失超故障時(shí)可以有效地安全泄放電流，所述上下分開結(jié)構(gòu)的線圈由模具直接 鑄造。
[0011] 所述內(nèi)線圈和外線圈外表面上的長(zhǎng)凹槽一和長(zhǎng)凹槽二的形狀是根據(jù)內(nèi)導(dǎo)體和外 導(dǎo)體尺寸設(shè)計(jì)的。
[0012] 所述的不銹鋼支撐層是上下對(duì)稱分開結(jié)構(gòu)的不銹鋼支撐層，所述上下對(duì)稱分開結(jié) 構(gòu)的不銹鋼支撐層通過螺栓連接固定在絕緣層外層，支撐內(nèi)線圈和外線圈，保證通電工作 時(shí)內(nèi)線圈和外線圈的強(qiáng)度，所述上下對(duì)稱分開結(jié)構(gòu)的不銹鋼支撐層的接觸面上設(shè)有設(shè)有相 互配合的卡槽以及凸起實(shí)現(xiàn)不銹鋼支撐層的安裝定位。
[0013] 所述的鐵輒束磁層是上下對(duì)稱分開結(jié)構(gòu)的鐵輒束磁層，所述上下對(duì)稱分開結(jié)構(gòu)的 鐵輒束磁層通過焊接固定在不銹鋼支撐層的外層，降低線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)漏場(chǎng)，進(jìn)一步增強(qiáng) 有效使用空間內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度;所述上下對(duì)稱分開結(jié)構(gòu)的鐵輒束磁層的接觸面上設(shè)有相互配 合的卡槽以及凸起實(shí)現(xiàn)鐵輒束磁層的安裝定位。
[0014] 所述的鐵輒束磁層與不銹鋼支撐層接觸的周向上還均勻設(shè)有四個(gè)液氮冷卻孔。
[0015] 所述的四個(gè)液氮冷卻孔與特殊結(jié)構(gòu)的YBCO高溫超導(dǎo)導(dǎo)體的中心冷卻管相結(jié)合構(gòu) 成雙重冷卻系統(tǒng)，保證整體的冷卻效果，通過液氮溫區(qū)磁體冷卻，實(shí)現(xiàn)內(nèi)線圈和外線圈大電 流運(yùn)行時(shí)，內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體產(chǎn)生高強(qiáng)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)。
[0016] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0017] 本發(fā)明主要實(shí)現(xiàn)了適用于質(zhì)子和重離子醫(yī)療超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)機(jī)架技術(shù)的高溫超導(dǎo)彎曲 磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大電流穩(wěn)定運(yùn)行、液氮溫區(qū)磁體冷卻、失超保護(hù)、產(chǎn)生高強(qiáng)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)等 功能;其中磁體的雙重冷卻結(jié)構(gòu)保證了磁體的冷卻效果，實(shí)現(xiàn)大電流的穩(wěn)定運(yùn)行;銅基材內(nèi) 線圈和外線圈以及不銹鋼支撐層可以保證磁體在失超條件下電流的安全泄放和內(nèi)部的結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度;鐵輒束磁層可以減少線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)漏磁，增強(qiáng)有效區(qū)域磁場(chǎng);特殊結(jié)構(gòu)的YBCO高 溫超導(dǎo)導(dǎo)體以及纏繞方式可以在線圈內(nèi)部離子束輸送區(qū)產(chǎn)生高強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)均勻磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)離 子束的偏轉(zhuǎn)?；赮BCO高溫超導(dǎo)彎曲磁體結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)離子束偏轉(zhuǎn)功能的同時(shí)，可以有效的 降低彎曲磁體的尺寸、重量和成本，實(shí)現(xiàn)離子束超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)機(jī)架的小、輕、廉化發(fā)展，對(duì)于未來 離子束治療技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用有著重要的推動(dòng)作用。
【附圖說明】
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