质子治疗用超导回旋加速器SCC250中心区物理设计与研究

发布时间：2020-08-21 16:02

【摘要】：当前中国,癌症新增病例和死亡人数世界第一,且数值在不停地攀升。癌症治疗装置的需求量急剧增加,成为我国医疗体系的刚性需求。放疗是治疗癌症的三种主要方法之一。质子治疗的剂量分布具有布拉格峰特性,相比于光子放疗,质子治疗能更精准地杀死癌细胞。华中科技大学在国家科技部和政府的大力支持下,与多个机构共同承担“基于超导回旋加速器的质子放疗装备研发”项目,研发用于癌症治疗的质子放疗系统。该系统中,回旋加速器使用冷阴极PIG内离子源并且采用超导线圈进行励磁,从而减小尺寸以实现紧凑型设计,最终引出能量250 MeV、流强500 nA的质子束流。但是这种紧凑型设计压缩了中心区尺寸,增加了中心区设计的难度。本文围绕中心区物理设计以及相关束流动力学问题展开研究。本文首先对超导回旋加速器SCC250中的束流动力学问题进行了简单介绍和讨论。介绍了回旋加速器中的径向和轴向运动稳定性问题,研究了磁场的等时性,揭示了一次谐波对静态平衡轨道中心的影响。为比较和验证束流跟踪代码的可靠性,并为后续中心区结构设计提供参考,编写了MATLAB程序,用于计算静磁场与高频加速电场共同作用下的束流轨迹。然后对不同束流跟踪程序进行了对比,发现计算结果的一致性较好。之后研究了不同初始条件对束流参数的影响。本文重点在于对超导回旋加速器SCC250中心区的设计与研究,在设计过程中主要考虑束流对中、径向和轴向聚焦等问题。针对初步设计的中心区结构,利用有限元分析软件OPERA/TOSCA计算电磁场分布,然后利用Z3CYCLONE进行束流动力学计算。根据束流跟踪结果,迭代优化中心区电极与磁极结构,得到最终优化的中心区结构,并利用相关软件研究其束流对中、径向振荡、轴向振荡、径纵向耦合等问题,完成了超导回旋加速器SCC250中心区的初步设计与优化。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77
【图文】：

回旋加速器,主要参数,磁刚度,质子治疗

科技大学硕士学位量的提升，对应的磁刚度也越来越大，常温磁刚度方面的要求。20 世纪 60 年代，了采用低温超导技术来提升回旋加速器磁场超导回旋加速器 K500。速器展为其在质子治疗中的应用提供了基础。2系统通过美国 FDA 认证。IBAProteus-Plus加速器 C235 主要参数如表 1-1 所示，加速匝数 525 kA，引出能量 235 MeV，引出束

回旋加速器,主要参数

图 1-2 ACCEL250MeV 超导回旋加速器表 1-2 ACCEL 超导回旋加速器主要参数名称参数粒子能量 250MeV平均磁场中心区 2.4T，引出区 4T引出半径 815mm高频功率 100kW总重量 90tDee 盒数 4加速电压 80-130kV司，俄罗斯的 JINR，意大利的 INFN-I]。的严峻性，质子放疗装备研发需求极为用基于超导回旋加速器的方案。相比于：1）线圈中没有欧姆效应带来的发热损磁场强度大为提升，加速粒子到相同的

回旋加速器,中心区

中科技大学硕士学位论区轴向聚焦的过程中，P.G.Watson 最早提出了在等时增强轴向磁聚焦力的方法[21]。80 年代初，Gordon 和现象进行了深入研究[22]。.J.Louis 对 TRIUMF 的 500MeV 回旋加速器的中心区器单圈最大能量增益为 400keV，高频腔为180 Dee 盒[23]。

【参考文献】