用于质子治疗的斜螺线管型超导磁体设计研究

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质子治疗是目前先进的精准癌症治疗手段。旋转机架是质子治疗装备的核心部件之一,可实现对束流的大角度范围旋转,满足多照野供束。采用常温磁铁的旋转机架重量通常大于150吨,对机械结构设计、制造和安装提出很高要求。当前,实现旋转机架的轻量化成为质子治疗的未来发展方向之一,对其推广应用具有重要意义。
  本论文针对一种可应用于轻量型质子治疗旋转机架的斜螺线管型(Canted-Cosine-Theta, CCT)超导磁体开展研究。与常温磁体相比,采用CCT偏转磁体的旋转机架重量可降低约一个数量级;另外,由于超导CCT磁体可产生更高的磁场,对于输运相同磁刚度的质子束,可显著减小磁铁偏转半径,从而减小旋转机架的半径和体积。本文建立了一套完备可靠的CCT磁体设计与计算程序,提出了磁场优化方案,在此基础上针对应用于超导旋转机架的CCT磁体进行了优化设计。本文主要内容包括:
  (1)CCT线圈结构复杂,在采用OPERA-3D等有限元软件进行建模和磁场分析时,存在计算耗时等问题,影响磁体设计及迭代优化。论文基于毕奥-萨伐尔原理,利用线电流积分建立了的CCT磁场计算方法(以下简称BS方法),解决了复杂CCT模型有限元仿真耗时的问题;采用多线计算模型可进一步提高磁场计算精度。经比对,BS方法计算结果与OPERA-3D吻合,而计算效率显著提高。
  (2)CCT磁体应用于旋转机架的束流偏转段可大幅降低磁铁重量和尺寸,但由于磁中心的偏移,弯转CCT磁体在柱形谐波下包含固有的磁场畸变。对此,本文利用组合功能型弯转CCT路径方程优化磁场品质,通过迭代修正多极磁场分量系数,实现了对初始模型中高阶谐波分量的补偿。
  (3)课题组提出的超导旋转机架方案采用了具有组合功能交变梯度斜螺线管型(Alternating Gradient CCT, AG-CCT)超导磁体,本文针对该方案中的67.5°AG-CCT参数开展了磁体设计,磁场校正后均匀度提升显著,并抑制了高阶谐波分量,磁场分布符合期望;根据线圈磁场和电流完成超导线材选型;最后,结合线圈洛伦兹力计算及ANSYS软件,完成了磁体支撑骨架的初步结构设计与分析。
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