CN109637692B - 适用于带电粒子束的轨迹矫正器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨迹矫正器技术领域，具体公开一种适用于带电粒子束的轨迹矫正器，包括：第一矫正磁铁，所述第一矫正磁铁用于使带电粒子束的前进方向发生预设角度的偏移；第二矫正磁铁，所述第二矫正磁铁用于将带电粒子束的前进方向调整至与发生偏移前的前进方向平行；距离调整装置，所述第二矫正磁铁通过所述距离调整装置与所述第一矫正磁铁连接；所述距离调整装置用于将第一矫正磁铁和第二矫正磁铁之间的距离调整至预设距离；控制装置，所述控制装置分别与所述第一矫正磁铁、第二矫正磁铁和距离调整装置电连接。

Description

适用于带电粒子束的轨迹矫正器

技术领域

本发明涉及轨迹矫正器技术领域，尤其涉及一种适用于带电粒子束的轨迹矫正器。

背景技术

当前放疗已经成为治疗恶性肿瘤的重要手段之一，能够进行放疗的放射性源根据其产生可以分为自然衰变核素以及加速器产生的人工放射源。由于防护简单和强度可控等优点，人工放射源已经成为放疗的重要工具。这些人工放射源主要包括光子、中子、带电粒子(包括但不仅限于电子、质子、重离子)，而光子和中子主要产生的方法是利用带电粒子轰击靶材料。因此人工放射源的本质是产生和输运带电粒子。

带电粒子轰击靶材料可以产生光子和中子治疗肿瘤，例如传统光子放疗机利用高能电子轰击钨靶通过轫致辐射产生光子；带电粒子也可以直接轰击到肿瘤上，通过电离辐射杀死肿瘤，例如电子束中放疗机和质子治疗机等。因而操控带电粒子准确轰击到靶材料和肿瘤的位置至关重要。

在带电粒子的输运过程中，空间电荷力和不理想电磁场等干扰因素都会导致带电粒子偏离设定轨道，最终无法准确的轰击到肿瘤或者靶目标。因此，在带电粒子的输运过程中，需要添加调制元件来修正粒子的轨道。常用方法是在矩形铁芯框上缠绕线圈，构造矫正磁铁。

矫正磁铁由四根无磁铁芯框和线圈组成，上下两根铁芯缠绕的线圈作为一组，左右两根铁芯缠绕的线圈作为另外一组。当期望束流在垂直方向矫正时，则关闭水平线圈的电流(I_h＝0)，在垂直方向加电流I_v。此时在矩形框的中间的区域会出现水平方向的磁场B_h，若有带电粒子束在矩形框的中间沿着从纸面由里向外穿出的方向运动，则带电粒子会受到垂直方向的洛仑磁力，从而在垂直方向偏转。此时带电粒子在垂直方向受到的动量增量可以表示为y’(y’＝p_y/pz)，则从此位置经过长度为L的直线漂移节之后，粒子在垂直方向的位置改变为Δy＝L*y′，即粒子在垂直方向的位置被矫正了Δy。水平方向同理。

传统的矫正磁铁存在以下弊端：

通过调节电流的大小实现带电粒子矫正量的调整，如果需要矫正的距离较大，则需要较大电流，电流过大后线圈会发热，导致电阻上升，实际电流降低，精确度降低，重复性差。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种适用于带电粒子束的轨迹矫正器，可以对带电粒子束的轨迹进行快速而精准的调整。

为达以上目的，本发明提供一种适用于带电粒子束的轨迹矫正器，包括：

第一矫正磁铁，所述第一矫正磁铁用于使带电粒子束的前进方向发生预设角度的偏移；

第二矫正磁铁，所述第二矫正磁铁用于将带电粒子束的前进方向调整至与发生偏移前的前进方向平行；

距离调整装置，所述第二矫正磁铁通过所述距离调整装置与所述第一矫正磁铁连接；所述距离调整装置用于将第一矫正磁铁和第二矫正磁铁之间的距离调整至预设距离；

控制装置，所述控制装置分别与所述第一矫正磁铁、第二矫正磁铁和距离调整装置电连接，所述控制装置用于：

根据所述带电粒子束的目标纠偏距离确定所述预设角度的大小并控制所述第一矫正磁铁以使所述带电粒子束的前进方向发生所述预设角度的偏移；以及

根据所述带电粒子束的目标纠偏距离确定所述预设距离的大小并控制所述距离调整装置以将所述第一矫正磁铁和第二矫正磁铁之间的距离调整至所述预设距离。

作为一种优选的实施方式，所述第一矫正磁铁包括：

第一线圈组，所述第一线圈组与所述控制装置电连接，所述控制装置用于：通过控制所述第一线圈组的第一电流的方向及大小以调整所述预设角度。

作为一种优选的实施方式，所述第一电流、预设距离和目标纠偏距离之间存在第一映射关系，所述控制装置用于根据所述第一映射关系确定所述预设距离。

作为一种优选的实施方式，其特征在于，所述距离调整装置包括：

螺杆，所述螺杆的一端与所述第一矫正磁铁转动连接，所述螺杆的中部贯穿所述第二矫正磁铁并与所述第二矫正磁铁螺纹连接；

伺服电机，所述螺杆的另一端与所述伺服电机的驱动端连接。

作为一种优选的实施方式，所述第一电流、螺杆的螺距和伺服电机的转动参数之间存在第二映射关系，所述控制装置用于根据所述第二映射关系确定所述伺服电机的转动参数。

作为一种优选的实施方式，所述伺服电机的转动参数包括转数和转向。

作为一种优选的实施方式，所述第二矫正磁铁包括：

第二线圈组，所述第二线圈组与所述控制装置电连接，所述控制装置用于：通过控制所述第二线圈组的第二电流的方向及大小以将所述带电粒子束的前进方向调整至与发生偏移前的前进方向平行。

作为一种优选的实施方式，所述第一电流和第二电流的方向相反。

本发明的有益效果在于：提供一种适用于带电粒子束的轨迹矫正器，通过设置两个距离可调的矫正磁铁，将传统的通过电流调节偏移距离改变为通过距离调节偏移距离，可以对带电粒子束的轨迹进行快速而精准的调整。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为实施例提供的适用于带电粒子束的轨迹矫正器的结构示意图；

图2为实施例提供的带电粒子束的轨迹示意图。

图中：

1、第一矫正磁铁；

2、第二矫正磁铁；

3、螺杆；

4、控制装置；

5、加速管；

6、带电粒子束。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。

此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1～图2所示，本发明提供一种适用于带电粒子束的轨迹矫正器，包括第一矫正磁铁1、第二矫正磁铁2、距离调整装置和控制装置4。

其中，所述第一矫正磁铁1用于使带电粒子束6的前进方向发生预设角度的偏移。所述第二矫正磁铁2用于将带电粒子束6的前进方向调整至与发生偏移前的前进方向平行。所述第二矫正磁铁2通过所述距离调整装置与所述第一矫正磁铁1连接。所述距离调整装置用于将第一矫正磁铁1和第二矫正磁铁2之间的距离调整至预设距离。所述控制装置4分别与所述第一矫正磁铁1、第二矫正磁铁2和距离调整装置电连接，所述控制装置4用于根据所述带电粒子束6的目标纠偏距离确定所述预设角度的大小并控制所述第一矫正磁铁1以使所述带电粒子束6的前进方向发生所述预设角度的偏移；所述控制装置4还用于根据所述带电粒子束6的目标纠偏距离确定所述预设距离的大小并控制所述距离调整装置以将所述第一矫正磁铁1和第二矫正磁铁2之间的距离调整至所述预设距离。优选地，带电粒子束6发生偏移前的前进方向即离开加速管5时的运动方向。

具体地，传统的矫正磁铁通过控制矫正磁铁上的电流大小来控制带电粒子束6的前进角度偏移量，从而使带电粒子束6的偏移距离满足目标纠偏距离。本实施例提供的轨迹矫正器，设置第一矫正磁铁1以使带电粒子束6发生预设角度的偏移，然后通过调节第一矫正磁铁1和第二矫正磁铁2之间的距离以调整带电粒子束6的偏移距离(预设距离越远，偏移距离越大；预设距离越小，偏移距离越小)。如此一来，就避免了传统的通过调节电流以实现偏移距离的调节的方式，预设距离的调节比电流的调节更快速和精确，所以可以对带电粒子束6的轨迹进行更快速而精准的调整。

优选地，所述第一矫正磁铁1包括第一线圈组，所述第一线圈组与所述控制装置4电连接，所述控制装置4用于：通过控制所述第一线圈组的第一电流的方向及大小以调整所述预设角度。

具体地，第一矫正磁铁1和第二矫正磁铁2之间的距离是有限的，但是改变预设角度，就可以在相同的预设距离下获得不同的偏移距离。因此，可以通过改变第一电流以调节轨迹矫正器的量程和精确度。

本实施例中，所述第一电流、预设距离和目标纠偏距离之间存在第一映射关系，所述控制装置4用于根据所述第一映射关系确定所述预设距离。具体地，第一电流可以采用默认值，也可以采用修正调整值，目标纠偏距离为控制程序自动计算或者认为输入所得，根据第一映射关系就可以获取预设距离的取值。可以用于调节第一矫正磁铁1和第二矫正磁铁2之间的距离的距离调整装置有很多，例如使用气缸或者电机推动第二矫正磁铁2沿滑轨靠近或者远离第一矫正磁铁1等。优选地，本实施例的距离调整装置包括螺杆3和伺服电机。所述螺杆3的一端与所述第一矫正磁铁1转动连接，所述螺杆3的中部贯穿所述第二矫正磁铁2并与所述第二矫正磁铁2螺纹连接，所述螺杆3的另一端与所述伺服电机的驱动端连接。进一步地，所述第一电流、螺杆3的螺距和伺服电机的转动参数之间存在第二映射关系，所述控制装置4用于根据所述第二映射关系确定所述伺服电机的转动参数。具体地，预设距离可以由螺距和电机转动参数唯一确定，因此，第一电流可以采用默认值，也可以采用修正调整值，目标纠偏距离为控制程序自动计算或者认为输入所得，螺距为预设值，根据第二映射关系就可以反推伺服电机的转动参数。具体地，所述伺服电机的转动参数包括转数和转向。

所述第二矫正磁铁2包括第二线圈组，所述第二线圈组与所述控制装置4电连接，所述控制装置4用于：通过控制所述第二线圈组的第二电流的方向及大小以将所述带电粒子束6的前进方向调整至与发生偏移前的前进方向平行。具体地，由于第二矫正磁铁2用于使带电粒子束6的前进方向恢复到与原前进方向平行，所以第一电流和第二电流的方向相反，第二电流的大小由控制装置4计算可得。具体地，第二矫正磁铁2可以补偿预设角度带来的散射问题，使带电粒子继续沿原前进方向进行运动。

传统的矫正磁铁存在以下弊端：

①带电粒子束6的偏移距离通过调节电流的大小实现，如果需要矫正的偏移距离较大，则需要较大电流，电流过大后线圈会发热，导致电阻上升，实际电流降低，精确度降低，重复性差。

②经过矫正后的带电粒子束6虽然位置上满足要求，但是运动的方向角不是正向朝前方，带有一个散角，导致后续输运困难。

③带电粒子束6的偏移距离是通过调节电流的大小实现，但是缺乏定标，每次调节量需要通过观测带电粒子束6的实际位置来判断，过程较慢。例如想要带电粒子束6偏移1mm，需要多少安培的电流需要反复试验和观测才能确定。

针对以上弊端，本实施例提供的轨迹矫正器具有以下有益效果：

①定标之后矫正器线圈电流工作在恒流模式，通过调整线圈之间的间距实现调整带电粒子束6的偏移量，可以有效解决上述弊端①；

②通过前后两个矫正磁铁在调整带电粒子束6偏移距离的同时修正最终的散角，有效解决上述弊端②；

③通过控制器定标两个线圈之间的距离与带电粒子束6偏移距离之间的关系，可以快速将带电粒子束6流调整到需要的位置，有效解决上述弊端③。

本实施例提供的轨迹矫正器结构紧凑、操作简单、响应时间快，可以高效准确的操控带电粒子束6的位置，从而使得带电粒子束6准确轰击到目标上，将对未来的加速器领域起到促进作用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种适用于带电粒子束的轨迹矫正器，其特征在于，包括：

第一矫正磁铁（1），所述第一矫正磁铁（1）用于使带电粒子束（6）的前进方向发生预设角度的偏移；

第二矫正磁铁（2），所述第二矫正磁铁（2）用于将带电粒子束（6）的前进方向调整至与发生偏移前的前进方向平行；

距离调整装置，所述第二矫正磁铁（2）通过所述距离调整装置与所述第一矫正磁铁（1）连接；所述距离调整装置用于将第一矫正磁铁（1）和第二矫正磁铁（2）之间的距离调整至预设距离；

控制装置（4），所述控制装置（4）分别与所述第一矫正磁铁（1）、第二矫正磁铁（2）和距离调整装置电连接，所述控制装置（4）用于：

根据所述带电粒子束（6）的目标纠偏距离确定所述预设角度的大小并控制所述第一矫正磁铁（1）以使所述带电粒子束（6）的前进方向发生所述预设角度的偏移；以及

根据所述带电粒子束（6）的目标纠偏距离确定所述预设距离的大小并控制所述距离调整装置以将所述第一矫正磁铁（1）和第二矫正磁铁（2）之间的距离调整至所述预设距离；

所述第一矫正磁铁（1）包括：

第一线圈组，所述第一线圈组与所述控制装置（4）电连接，所述控制装置（4）用于：通过控制所述第一线圈组的第一电流的方向及大小以调整所述预设角度；

所述第一电流、预设距离和目标纠偏距离之间存在第一映射关系，所述控制装置（4）用于根据所述第一映射关系确定所述预设距离；

所述距离调整装置包括：

螺杆（3），所述螺杆（3）的一端与所述第一矫正磁铁（1）转动连接，所述螺杆（3）的中部贯穿所述第二矫正磁铁（2）并与所述第二矫正磁铁（2）螺纹连接；

伺服电机，所述螺杆（3）的另一端与所述伺服电机的驱动端连接；

所述第一电流、螺杆（3）的螺距和伺服电机的转动参数之间存在第二映射关系，所述控制装置（4）用于根据所述第二映射关系确定所述伺服电机的转动参数。

2.根据权利要求1所述的适用于带电粒子束的轨迹矫正器，其特征在于，所述伺服电机的转动参数包括转数和转向。

3.根据权利要求1所述的适用于带电粒子束的轨迹矫正器，其特征在于，所述第二矫正磁铁（2）包括：

第二线圈组，所述第二线圈组与所述控制装置（4）电连接，所述控制装置（4）用于：通过控制所述第二线圈组的第二电流的方向及大小以将所述带电粒子束（6）的前进方向调整至与发生偏移前的前进方向平行。

4.根据权利要求3所述的适用于带电粒子束的轨迹矫正器，其特征在于，所述第一电流和第二电流的方向相反。