束流輸運系統

束流輸運系統，即在加速器和靶之間設定的一系列粒子傳輸元件的組合。廣義的，可以把從粒子發射裝置和靶之間的所有元件統稱為束流輸運系統。

束流輸運系統基於束流傳輸理論。束流為許多單粒子的集合。設計束流輸運系統就是根據給定了的加速器出口的束流參量，設計最佳的傳輸元件組合，使在靶上得到所要求的束流，並且保證整個系統在投資上比較經濟，在傳輸過程中獲得合理的束流包絡。

基本介紹

• 中文名：束流輸運系統
• 外文名：beam transport system
• 範圍：粒子發射裝置和靶之間
• 組成：傳輸元件、螺線管、串流聚束器等
• 理論依據：束流傳輸理論
• 廣義範圍：從粒子發射裝置和靶之間

簡介

傳輸元件

束流輸運系統

最常用的傳輸元件有二極磁鐵，開關磁鐵,四極電磁透鏡,六極、八極等多極磁鐵,螺線管,聚束器，能散調節器等。有的束流輸運系統還配置有粒子分離器、束流導向器、束流準直器或光闌、衝擊磁鐵、扭曲磁鐵、切割磁鐵、聚束磁鐵以及廢流收集器等專用傳輸元件。通常，這些元件按照其對粒子運動的作用，可以分為三大類。

①橫向聚焦元件，如四極透鏡和螺線管等；

②縱向變換元件，如聚束器和能散調節器等；

③偏轉元件，如二極磁鐵、靜電偏轉器和高頻掃描偏轉器等。這些傳輸元件的組合，不僅可實現束流的傳輸，還能根據需要改變束流的性能和參量，如束流幾何形狀、脈衝寬度、發散度匹配、能量解析度以及時間結構等。
二極磁鐵

即偏轉磁鐵。在其磁場的作用下，束流中心軌道被偏轉成圓弧形，如圖1所示。
假設中心軌道（半徑）的磁場為,則在中央平面上任一點處的場為：

式中：為場指數。

帶電粒子在這種場中的運動滿足克斯特－塞貝爾(Kerst-Serber)方程：

束流輸運系統

當0<<1時，束流在和兩方向均聚焦。　　不同動量的粒子在偏轉磁鐵中通過的平衡軌道不同，此即色散效應，可用於對束流質量、電荷的選擇，能量分析以及實現束流的色散匹配等。但是，有時要在一定幾何空間利用全部束流，這就需要設計消色差磁鐵系統。
四極透鏡

束流輸運系統

可以分為磁四極透鏡和電四極透鏡兩類（如圖2所示）。在四極透鏡的軸線上,磁場或電場等於零。在它的有效孔徑內，磁場或電場是線性分布的，即有

或

式中k和G都是常數。B_x、B_y和E_x、E_y分別是磁感應強度和電場強度在方向及方向的分量。

帶電粒子在上述場中的運動(以磁四極透鏡為例)滿足方程：

束流輸運系統

式中：

m、e和v分別為粒子的質量、電荷和速度。

由方程可見，對一定的帶電粒子來說，一個四極透鏡如果在一個方向（或方向）起聚焦作用，則在另一個方向必然起散焦作用。但是，由兩個極性相反的四極透鏡所組成的雙合透鏡系統以及由三個極性交替的四極透鏡所組成的三合透鏡系統，可以在兩個方向上同時實現聚焦，如圖3所示，此外,它們還常常用來實現束流橫向相空間的匹配。

束流輸運系統

六極磁鐵

由圍繞著孔徑均勻排列而極性互相交替的六個極組成，它的磁場同半徑的平方成比例。八極磁鐵、十極磁鐵等同它類似。多極磁鐵主要用於校正非線性效應，如修正系統的各級像差等。
　螺線管

用它產生的磁場也可用來聚焦帶電粒子。但由於它的功率損耗比四極透鏡高得多，故一般只限用於低能束流或者對於束流的方位角對稱性頗為重要的系統里。螺線管磁場也可用於控制極化束的自旋方向。
束流聚束器

能壓縮脈衝寬度，但會增加束流的能散。聚束器通常為一高頻腔，利用速度調製原理來實現束流群聚。能散調節器又稱散束器，其作用同聚束器相反。

束流輸運系統的設計

它基於束流傳輸理論。束流為許多單粒子的集合。每一個粒子都可以用由坐標和動量構成的相空間 (,；,；,)的一個點來表示。因此，束流占有一定的相空間體積，此即發射度，由劉維定理可知，它在運動中保持不變。發射度和強度或亮度為束流的基本參量。束流強度為單位時間通過某截面的粒子數或其電荷數。打靶時則多採用束流亮度，其定義為單位時間通過單位截面的粒子數。

束流輸運系統

設計束流輸運系統就是根據給定了的加速器出口的束流參量，設計最佳的傳輸元件組合，使在靶上得到所要求的束流，並且保證整個系統在投資上比較經濟，在傳輸過程中獲得合理的束流包絡。
束流輸運系統的設計有矩陣法和軌跡方程法兩種數值計算方法。
① 矩陣法。

根據束流傳輸理論，束流可用一個六維相空間橢球來描述，傳輸元件對束流運動的作用可以用傳輸矩陣運算元表示。矩陣法就是根據給定的初始束流相空間橢球，通過計算傳輸矩陣運算元，設計束流輸運系統使得傳輸後的束流相空間橢球符合要求。
②軌跡方程法。

束流輸運系統

採用對帶電粒子在電磁場中的運動方程直接積分的方法來設計束流輸運系統。積分中，各個傳輸元件所產生的電磁場是預先給定的，它既可以是實驗測量值，也可以是數值計算結果。
大容量高速度的計算機的發展，為這兩種數值計算方法提供了有利的條件。並出現一些各具特色的程式。用數值積分法求解粒子運動軌跡，比矩陣法的精度要高得多，但所需的計算量相應的要大得多。
模擬機的套用，給束流輸運系統的設計和研究，提供了一個直觀而方便的工具。如圖4所示的束流輸運小型專用模擬機，可以對四極透鏡、偏轉磁鐵、高頻加速腔等元件組成的輸運系統進行模擬。它既可以模擬帶電粒子的軌跡，從而得到束流包絡線，還可以給出系統軸向任意位置上的束流相空間橢圓，如圖5所示。
近年來，有人提出了一種圖解設計法，並被發展為計入空間電荷效應的圖解法。據此可以求得薄透鏡近似下,腰腰傳輸的束流輪廓、透鏡強度和位置等。同時,也可以給出束流自身空間電荷效應對於束流輸運系統設計的影響及修正。

束流輸運系統

質子治療裝置

腫瘤的質子治療具有明顯優於傳統治療方法的物理特性，質子的放射生物學效應與X射線相似，但質子治療的劑量集中於質子射程附近，形成很高的Bragg峰，調節質子束能量，可使Bragg峰展寬到與腫瘤尺寸相當，對腫瘤周圍正常組織的損傷大為減輕。
治療用質子束由加速器提供。一台治療裝置通常由加速器、治療室和束流輸運系統組成。加速器提供合適能量的質子，治療室完成腫瘤的定位與治療。束流輸運系統連線加速器和治療室，進行束流輸運和匹配，為治療提供合適形狀和大小的質子束。輸運系統的設計優劣會影響最終治療效果。上海質子治療裝置由一台射頻四極場(RFO，radio—frequency quadrupole)加速器、一台漂移管直線加速器(DTL，drift-tube linac)、一台同步加速器、4個治療室以及束流輸運線組成。RFQ和DTL作為注入器，將質子加速到7 MeV以注入同步加速器。根據不同治療需求，同步加速器將質子加速到70-250MeV並引出。2個治療室為固定治療室，2個為旋轉支架治療室。束流輸運系統將引出束流輸送到治療室，並實現治療要求的束斑形狀，並對支架旋轉帶來的束斑變化進行處理。

同步加速器

質子治療

治療計畫要求不同能量的束斑為圓形且大小可調，FWHH(=2.35 )為4-10 mm。同步環採用1/3共振慢引出方式，對束流輸運線的要求很高。其在水平相空間上切削的特點，會使引出束流發射度具有非常明顯的不對稱性，垂直相空間中束流具有正常發射度，而水平相空間中呈棒狀結構，兩者相差10倍以上。束流能量改變時，引出束流的水平發射度基本上不變，而垂直方向發射度隨能量上升而不斷減小。要保持束斑形狀不變，靶點垂直 函式變化比例就會很大。因此，一套結構緊湊、布局合理、調節靈活、易於擴展的束流輸運線，對質子治療裝置功能的實現有重要意義。

同步環

神龍 l 號直線感應加速器

神龍 l 號直線感應加速器由注入器輸運段、 加速段、 聚焦段等 3 個部分組成。 整個束傳輸線從陰極發
射面算起到軔致輻射靶結束， 全長約 48m，其間數千安培的強流脈衝電子束經過約170mm的二極體加速區， 電子能量達到約 3.6MeV ， 再經過 4.5 m的無加速場漂移區到達注入器 出口， 隨後進入到長 38.5m的加速段， 在加速段 出口時電子能量不低於 18 MeV ； 然後進入到長約3.8m的無加速漂移段 ， 經過調整後通過兩級磁透鏡的聚焦將 電子束聚焦到軔致輻射靶上產生 x 射線。整個束傳輸線使用了100多個螺線管線圈(包括兩個磁透鏡)約束 電子束的橫向發散，100多對二極校正線圈調校束流的偏心， 近 20 個線上的束流探測器( BPM )監測輸運過程中束流的強度和位置。

強流脈衝電子束

束流探測器

神龍 l 號直線感應加速器束流輸運系統的研製包含螺線管聚焦線圈、 二極校正線圈、 多功能腔等關鍵單元部件的設計和研製工藝。 螺線管線圈研製的關鍵點在於控制其磁軸傾斜範圍不超過一l ～l m rad。 二極校正線圈的引入可 以進一步減小聚焦線圈的磁軸傾斜 ， 並對束心位置有一定的調整作用。

自主設計的多功能腔具有如下特點：

(1)保持束輸運磁場的連續性；

(2)方便進行磁軸對中，保證磁軸與幾何軸的高精度合一；
(3)能外接高真空機組；

(4)低Q值和低橫向阻抗；

(5)帶有束流探測器，方便進行束流診斷；

(6)維修拆卸節點，與加速腔之間實現 “ 軟連線 ”。

它替代 了以前的波紋管連線方式， 不僅簡化 了結構， 更重要的是提高了加速器的性能。在注入器的調試中， 主要依靠實驗手段來配置輸運磁場： 而在後加速段， 按照理論分析、 近似計算和數值模擬分別給出的磁場參數及其沿軸線的變化趨勢， 對加速段的磁場採用所謂 “ 逆向” 配置法， 就是在加速器的末端載入最強的傳輸磁場， 該處的軸向磁場強度以近似計算值為參考， 然後按照數值模擬結果沿上游逐級遞減， 到達與注入器的銜接處， 通過該處的多功能腔實現傳輸磁場的平穩過渡 。