一种与bnct相关的低能量带电粒子束输运系统
技术领域
1.本实用新型涉及一种与bnct相关的低能量带电粒子束输运系统。
背景技术：2.硼中子俘获疗法（boron neutron capture therapy）属于癌症放射治疗的一种。硼中子俘获疗法（以下称“bnct”）是利用硼化合物能够选择性地集聚在癌细胞内的特性，对其加以中子照射，利用
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b（n，α）7li核反应产生的α粒子和锂原子核破坏癌细胞。由于α粒子和锂原子核的放射范围与细胞大小相当，因此该疗法的优点是仅会选择性地破坏癌细胞的同时，不会对正常细胞造成损害。
3.该bnct的概况说明如下：首先，对于中子的产生方法，除了利用核反应堆产生中子以外，近年来主要是应用加速器产生中子。其中涉及到的核反应较为常见的有如下四种：一是9be（p，n）9b反应，二是7li（p，n）7be反应，三是2h(2h,n)3he反应，四是3h（2h,n）4he反应。对于四种反应中的带电粒子能量，第一种核反应使用铍作为靶子，能量最高，达30mev。第二种核反应以锂作为靶子，带电粒子能量在3mev上下，第三种、第四种核反应以氢作为靶子，其核聚变反应的能量更低，仅为100kev。而且，上述带电粒子的加速方式包括回旋加速器、静电加速器及直线加速器等。如后文所述，日本国内唯一经厚生劳动省许可获批的bnct设备，是通过回旋加速器采用第一种核反应来产生中子。除加速器外，bnct设备一般还包含将加速器产生的带电粒子投递至中子发生靶子的束流输运系统（又称束流输运线、束流线）以及将靶子产生的高能量中子减速至热中子范围内的降能系统。
4.目前，正在研发的与bnct相关技术种类很多。例如，特开2018—161449号公报（专利文献1）中，公开了一种包括降能部分、反射部分、准直器部分（collimator）的中子降能辐照装置。 其降能部分对带电粒子束照射中子源所产生的中子束进行降能，其反射部分围绕在降能部分外部对中子束进行反射。准直器部分对经降能部分完成降能的中子束径向轮廓进行整形，同时还设有间隔部分、管口部分。间隔部分沿带电粒子束照射方向，设置在降能部分的下端，同时迎接照射方向设有直径变小的小孔部分。管口部分沿照射方向，设置在间隔部分的下端，从小孔部分的四周向着照射方向突出，在中央处有贯通孔。此外，管口部分包含形成贯通孔内壁的反射材料以及围绕在反射材料周围的屏蔽材料。通过此种方式，可以实现中子束高强度且精确地照射。
5.特开2020—146119号公报（专利文献2）中公开了一种包括加速器、靶子、束流输运线、第1电流检测部分、第2电流检测部分、非重叠部分的中子俘获治疗系统。加速器发射带电粒子束，靶子接受带电粒子束的照射产生中子束。束流输运线负责将加速器射出的带电粒子束投递至靶子，第1电流检测部分设置在束流输运线的内部，与束流输运线的内壁处于绝缘状态，负责检测带电粒子束的电流值。第2电流检测部分设置在束流输运线的内部，位于第1电流检测部分的下端，与束流输运线的内壁处于绝缘状态，负责检测带电粒子束的电流值。非重复部分是指，以平行于束流输运线延伸方向的视线来观察第1电流检测部分和第2电流检测部分时，第2电流检测部分不与第1电流检测部分重叠。通过此种方式，提高了对
带电粒子束照射靶子位置异常检测的可靠性。
6.同时，也存在许多对bnct束流输运线的相关研究。例如，非专利文献1（yosuke yuri,et al.，“uniformization of the transverse beam profile by means of nonlinear focusing method“，phys. rev.st accel.beams 10, 104001 published 29 october 2007）中提到，经模拟计算发现，通过使用六极和八极电磁铁对束流输运线中的带电粒子束（束流）进行非线性聚焦，可以将不对称分布的束流转换为均匀分布的束流。
[0007] 另外，非专利文献2（shin—ichiro meigo,etal.,“two—parameter model for optimizing target beam distribution with an octupole magnet”，phys.rev.accel.beams23，062802 published 23 june 2020）中提到，根据模拟计算结果与实际实验结果的比较，基于非线性光学使用八极电磁铁，可以将束流输运系统中的束流轮廓（beam profile）调整至最佳。
[0008]
专利文献：（1）特开2018—161449号公报；（2）特开2020—146119号公报。
[0009]
非专利文献：（1）yosuke yuri, et al.,“uniformization of the transverse beam profile by means of nonlinear focusing method”, phys. rev. st accel. beams 10, 104001 published 29 october 2007；
[0010]
（2）shin—ichiro meigo，et al.，“two—parameter model for optimizing target beam distribution with an octupole magnet”,phys. rev. accel. beams 23, 062802 published 23 june 2020。
技术实现要素：[0011]
本实用新型要解决的课题如下：
[0012]
2020年日本批准的用于bnct的医疗设备，主要是利用回旋型加速器射出的较高能量（例如30mev）的质子束照射铍靶，通过9be（p，n）9b反应产生可用于bnct治疗的中子束。此处，为促使中子束更有效率地与患者体内的
11
b进行反应，需要将中子束的能量降低至热中子束范围内。通过上述专利文献1所记载的技术，可以解决该课题。
[0013]
同时，近年来用于bnct的加速器愈发小型化，能够以低能量产生质子束。因此，对使用射出低能量质子束加速器的用于bnct的医疗器械的研发也发展迅速。
[0014]
此处假设低能质子束照射的靶子是锂，利用的是上述第二种7li（p，n）7be核反应。在该反应中，虽然质子束的能量可以使用5mev以下的低能量，但是靶子中所含锂熔点仅为179℃，与现有使用高能质子束照射的常规靶使用的铍熔点（1278℃）相比较低。同时，为了产生bnct所需的中子量，质子线量需要10ma的大电流。当10ma
×
5mev=50kw热值的质子束集中在锂靶子的狭窄区域时，会使得靶子所含锂蒸发。特别是，近年来随着靶子厚度变薄，上述课题变得更为明显突出。为解决该课题，必须使从加速器射出的质子束，在经过束流输运线内部时，控制其径向面积均匀一致放大后，再将其输运至靶子处进行照射。
[0015]
通过专利文献2及非专利文献1、2所记载的技术，无法解决上述问题。
[0016]
为解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型的主要目的是提供一种与bnct相关的中低能量大电流的带电粒子束可以在较宽范围均匀输运的低能量带电粒子束输运系统。
[0017]
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
[0018]
本实用新型所指的与bnct相关的低能量带电粒子束输运系统，包括加速器、束流输运线、靶子、降能系统、集束透镜、集束透镜控制部分。加速器发射出5mev以下的低能量带电粒子束。束流输运线输运前述加速器射出的带电粒子束。经前述束流输运线输运来的带电粒子束对含有锂的靶子照射产生中子束。降能系统将前述靶子产生的中子束能量降低至热中子范围内。集束透镜由设置在前述束流输运线内部的四极电磁铁、八极电磁铁构成，其中，从前述带电粒子束的前端位置起沿着前述带电粒子束照射方向设置规定个数的四极电磁铁；从前述带电粒子束的前端位置起沿着前述带电粒子束照射方向设置规定个数的八极电磁铁。集束透镜控制部分通过控制前述四极电磁铁与八极电磁铁的磁场，对前述带电粒子束径向的束流轮廓（beam profile）进行放大，并使其均匀一致。
[0019]
本实用新型所指的与bnct相关的低能量带电粒子束输运方法，指的是包括上述加速器、束流输运线、靶子、降能系统、集束透镜的带电粒子束输运系统的带电粒子束输运方法，也包括集束透镜控制工程。集束透镜控制工程（步骤）对应集束透镜控制部分。
[0020]
本实用新型所述的一种与bnct相关的低能量带电粒子束输运系统及带电粒子束输运方法即用于bnct的低能量带电粒子束输运系统及带电粒子束输运方法。
[0021]
本实用新型的有益效果在于，可以实现bnct中低能量大电流带电粒子束在较宽范围且均匀受控地进行输运。
附图说明
[0022]
图1为本实用新型提供的与bnct相关的低能量带电粒子束输运系统的概略图；
[0023]
图2为本实用新型提供的与bnct相关的带电粒子束输运方法的实际操作顺序流程图；
[0024]
图3为从带电粒子束照射方向所见的与本实用新型实施方式相关的四极电磁铁的剖面图；
[0025]
图4为从带电粒子束照射方向所见的与本实用新型实施方式相关的八极电磁铁的剖面图；
[0026]
图5为与本实用新型实施方式相关的集束透镜的第一种基本构造的概略图；
[0027]
图6为与本实用新型实施方式相关的集束透镜的第二种基本构造的概略图；
[0028]
图7为与本实用新型实施方式相关的集束透镜的第一种应用构造的概略图之一；
[0029]
图8为与本实用新型实施方式相关的集束透镜的第一种应用构造的概略图之二；
[0030]
图9为与本实用新型实施方式相关的集束透镜的第二种应用构造的概略图之一；
[0031]
图10为与本实用新型实施方式相关的集束透镜的第二种应用构造的概略图之二；
[0032]
图11、12、13为采用第一种基本构造集束透镜情况下的初始束流轮廓（beam profile）模拟计算结果示意图；
[0033]
图14、15、16为采用第一种基本构造集束透镜情况下通过集束透镜后的束流轮廓（beam profile）模拟计算结果示意图；
[0034]
图17、18、19为为采用第二种基本构造集束透镜情况下的初始束流轮廓（beam profile）模拟计算结果示意图；
[0035]
图20、21、22为采用第二种基本构造集束透镜情况下通过集束透镜后的束流轮廓（beam profile）模拟计算结果示意图。
[0036]
1、用于bnct的低能量大电流的带电粒子束输运系统；10、加速器；11、束流输运线；12、靶子；13、降能系统；14、集束透镜；15、控制部分；101、加速器控制部分；102、集束透镜控制部分；14a、前端位置四极电磁铁； 14b、中端位置四极电磁铁；14c、后端位置四极电磁铁；14d、（前端）八极电磁铁；14e、后端位置八极电磁铁；14f、14g、可适当增设1个及以上的四极电磁铁；c、带电粒子束；n、中子束；t0、加速器10到靶子12的整体距离；t、加速器10起至靶子12的基本距离；s101、带电粒子束的照射；s102、磁场的控制；x1、前端位置四极电磁铁14a的长；x2、中端位置四极电磁铁14b的长；x3、后端位置四极电磁铁14c的长；x4、（前端）八极电磁铁14d的长；x5、后端位置八极电磁铁14e的长；d1、中端位置四极电磁铁14b与前端位置四极电磁铁14a的间隔第一间距；d2、中端位置四极电磁铁14b与后端位置四极电磁铁14c的间隔第二间距；d3、（前端位置）八极电磁铁14d与后端位置四极电磁铁14c的间隔第三间距；d4、（前端位置）八极电磁铁14d与靶子12的间隔第四间距；d5、后端位置八极电磁铁14e与靶子12的间隔第五间距。
具体实施方式
[0037]
以下，为方便理解本实用新型，参照后附图示对本实用新型的实施方式进行说明。并且，以下所述的实施方式仅是本实用新型具体实施的一种方式，并不代表本实用新型的技术范围仅限于下述实施方式。
[0038]
本实用新型所指与bnct相关的低能量带电粒子束输运系统1，如图1所示，由加速器10、束流输运线11、靶子12、降能系统13、集束透镜14、控制装置15构成。
[0039]
加速器10产生带电粒子束c，同时通过规定的静电场将产生的带电粒子束c加速后射出。加速器10负责调整静电场，并将其所产生的带电粒子束c以5mev以下的低能量射出。
[0040]
束流输运线11将加速器10射出的带电粒子束c输运至规定的靶子12处。束流输运线11由连接加速器10与靶子12之间的带电粒子束的通路构成。
[0041]
靶子12含有锂（li），接受束流输运线11输运来的带电粒子束c的照射，产生中子束n。产生的中子束n用于bnct治疗。
[0042]
靶子12由锂构成，设置在束流输运线11的导管端头，锂的截面面积小于束流输运线11导管的截面面积。此处，依据带电粒子束c从加速器10射向靶子12的射出方向，将靠近加速器10的一侧称为前端，将靠近靶子12的一侧称为后端。
[0043]
降能系统13将靶子12产生的中子束n的能量降低至热中子范围。在锂靶子12的后端位置，沿带电粒子束c射出方向，设置一直径变大的氟化镁圆锥台。在氟化镁的后端位置设置镉，并在氟化镁与镉的四周设置石墨作为反射材料。在石墨的四周设置高密度聚乙烯作为遮蔽材料。同时，在镉的后端位置，沿带电粒子束c射出方向设置一直径变小的圆锥台的开口部作为准直器，将锂靶子12射出的中子束n进行适当地聚光后照射患者。上述各要素共同构成了降能系统13。
[0044]
集束透镜14由设置在前述束流输运线11内部的四极电磁铁、八极电磁铁构成。其中，从前述带电粒子束c的前端位置起沿着前述带电粒子束c照射方向设置规定个数的四极电磁铁；从前述带电粒子束c的前端位置起沿着前述带电粒子束c照射方向设置规定个数的八极电磁铁。四极电磁铁与八极电磁铁在束流输运线11内，与带电粒子束c射出方向成垂直方向分布，通过对带电粒子束c的径向施加磁场，控制带电粒子束c的径向的轮廓。同时，规
定个数的数量至少为1。
[0045]
控制装置15对构成集束透镜13的四极电磁铁与八极电磁铁的磁场进行控制。控制装置15内部配置有cpu、rom、ram、hdd、ssd等（图1中未标示），cpu，例如可以利用ram进行操作，运行rom、hdd、ssd等存储的程序。而且，后述各部分的实施也需通过cup运行程序实现。
[0046]
下面，参照图1、图2就本实用新型实施方式的构成及实际流程进行说明。首先，技术员启动用于bnct的低能量带电粒子束输运系统1，打开加速器10的开始开关，加速器10开始运转，带电粒子束输运系统1随后启动。在bnct中，根据加速器10的运转对束流输运线11的集束透镜14实施控制。本实用新型的实施方式中，带电粒子束c为质子束，由加速器10射出至束流输运线11。
[0047]
本实用新型中设想为小型bnct，利用前述第二种7li（p，n）7be核反应。因此，加速器10产生的带电粒子束c能量为5mev以下的低能量，例如，可以设想在2mev—5mev的范围内。而且，加速器10的电流值保持在5ma—20ma的范围内最佳。据此，可以产生足够数量的中子用于bnct。
[0048]
此处，设加速器10产生的带电粒子束c能量为5mev，加速器10 的电流值为10ma，则带电粒子束c的热量为10ma
×
5mev=50kw。带电粒子束c的热量取决于加速器产生的带电粒子束c的能量和电流值。不过，虽然带电粒子束c的热量依赖于加速器10产生的带电粒子束c能量，考虑到bnct的治疗，例如，保持在5kw—100kw范围内较好，保持在10kw—50kw的范围内最佳。据此，将中子束n的能量降低到热中子范围内的降能系统的制作将会较为容易，可行性较高。
[0049]
接下来，控制装置15的集束透镜控制部分102，通过控制集束透镜14的四极电磁铁与八极电磁铁的磁场，使带电粒子束c的径向束流轮廓（截面形状）得以放大的同时，分布也变得均匀一致（图2：s102）。
[0050]
此处，四极电磁铁和八极电磁铁的构造如图3和图4所示，是将多个电磁铁的磁极（s极或n极）沿带电粒子束c的周围朝向中心设置，并使其磁极可以互相转化。例如，四极电磁铁的构造是将四个电磁铁的磁极沿带电粒子束c的周围朝向中心设置，并使其磁极可以互相转化。八极电磁铁的构造是将八个电磁铁的磁极沿带电粒子束c的周围朝向中心设置，并使其磁极可以互相转化。构成四极电磁铁和八极电磁铁的多个电磁铁，以相等间距沿带电粒子束c的周围朝向中心设置。
[0051]
在带电粒子束c径向束流轮廓（beam profile）的调整上，四极电磁铁与八极电磁铁的数量、尺寸、各个间的设置间距、各个磁场的强弱等参量的设定都很重要。本实用新型的实施方式中，通过调整上述参数使其达到最合适的状态，从而使带电粒子束c在适当放大束流轮廓（beam profile）的同时，分布也变得均匀。
[0052]
具体来说，在希望将带电粒子束c径向束流轮廓放大为矩形（例如正方形）的情况下，束流输运线11中集束透镜14的基本构造如图5所示，是沿带电粒子束c的射出方向，按顺序依次设置3个四极电磁铁14a、14b、14c和1个八极电磁铁14d，称以上构造为第一种基本构造。在希望获得矩形束流轮廓的情况下，本实用新型中集束透镜14的构成最少需要3个四极电磁铁14a、14b、14c和一个八极电磁铁14d。矩形包含正方形、长方形等。
[0053]
此处，前端位置四极电磁铁14a的长x1（指带电粒子束c照射方向的长度，即电磁铁厚度，下同）和中端位置四极电磁铁14b的长x2和后端位置四极电磁铁14c的长x3和八极电
磁铁14d的长x4，可根据加速器10 发射带电粒子束c的能量及加速器10的电流值进行适当设计。另，中端位置的四极电磁铁14b指设置在上端位置四极电磁铁14a和下端位置四极电磁铁14c正中间的四极电磁铁。四极电磁铁14a的长x1越长，带电粒子束c所承受的来自四极电磁铁14a的磁场影响就越强。
[0054]
此处，前端位置四极电磁铁14a的长x1和中端位置四极电磁铁14b的长x2和后端位置四极电磁铁14c的长x3设为同等长度。即3个四极电磁铁14a、14b、14c在带电粒子束c的照射方向的长度相同。据此，3个四极电磁铁14a、14b、14c的磁场可以均衡地施加在带电粒子束c上。另，前端位置八极电磁铁14d的长x4，可与前端位置四极电磁铁14a的长x1保持同等长度；四极电磁铁14a、14b、14c和八极电磁铁14d的长度也可全部设为同等长度。
[0055]
本实用新型中，因为设想带电粒子束c的能量为5mev的低能量，可以采用较为小型的四极电磁铁14a、14b、14c和八极电磁铁14d。前端位置四极电磁铁14a的长x1和中端位置四极电磁铁14b的长x2和后端位置四极电磁铁14c的长x3可以设定在10cm—40cm范围内，八极电磁铁14d的长x4可以设定在10cm—40cm范围内。
[0056]
中端位置四极电磁铁14b与前端位置四极电磁铁14a的间隔为第一间距d1，与后端位置四极电磁铁14c的间隔为第二间距d2。八极电磁铁14d与后端位置四极电磁铁14c的间隔为第三间距d3，与靶子12的间隔为第四间距d4。
[0057]
此处，第一间距d1与第二间距d2可以设定在10cm—40cm范围内，最理想的是将第一间距d1与第二间距d2设为同等长度。即最理想的是3个四极电磁铁14a、14b、14c互相之间以等距离进行设置。据此，3个四极电磁铁14a、14b、14c的磁场可以均衡地施加在带电粒子束c上。
[0058]
另，第三间距d3可以设定在15cm—100cm范围内，最理想的是设定在第一间距d1的1.5倍—2.5倍范围内。另，第四间距d4可以设定在15cm—100cm范围内，最理想的是与第三间距d3设为同等长度。另，加速器10起至靶子12的基本距离t，即为前端位置四极电磁铁14a的长x1和第一间距d1、中端位置四极电磁铁14b的长x2和第二间距d2、后端位置四极电磁铁14c的长x3和第三间距d3、八极电磁铁14d的长x4和第四间距d4的合计长度，设定在90cm—440cm的范围内。
[0059]
另一方面，在希望将带电粒子束c的径向束流轮廓放大为圆形的情况下，束流输运线11中集束透镜14的基本构造如图6所示，是沿带电粒子束c射出方向，按顺序配置了3个四极电磁铁14a、14b、14c及2个八极电磁铁14d、14e，该构造为第二种基本构造。本实用新型中，集束透镜14至少需要由3个四极电磁铁14a、14b、14c及2个八极电磁铁14d、14e构成。圆形包含正圆形、椭圆形等。
[0060]
此处，前端位置四极电磁铁14a的长x1和中端位置四极电磁铁14b的长x2和后端位置四极电磁铁14c的长x3和前端位置八极电磁铁14d的长x4和后端位置八极电磁铁14e的长x5，应当按照加速器10产生的带电粒子束c能量及加速器电流值进行适当设计。
[0061]
例如，可将位于沿带电粒子束c射出方向的前端位置四极电磁铁14a的长x1、中端位置四极电磁铁14b的长x2、后端位置四极电磁铁14c的长x3设为同等长度。另，可将设置于后端位置四极电磁铁14c之后的前端位置八极电磁铁14d的长x4和后端位置八极电磁铁14e的长x5设为同等长度。即2个八极电磁铁14d、14e沿带电粒子束照射方向的长度相等。据此，3个四极电磁铁14a、14b、14c和2个八极电磁铁14d、14e的磁场可以均衡地施加在带电粒子
束c上。
[0062]
此外，可将前端位置的八极电磁铁14d的长x4与前端位置四极电磁铁14a的长x1设为同等长度，即可将四极电磁铁14a、14b、14c和八极电磁铁14d、14e全部设为同等长度。据此，3个四极电磁铁14a、14b、14c和2个八极电磁铁14d、14e的磁场可以极为均衡地施加在带电粒子束c上，从而可以实现在将带电粒子束c放大至完美圆形的同时，保证分布均匀一致。
[0063]
与前述相同，本实用新型中，可以采用较为小型的四极电磁铁14a、14b、14c和八极电磁铁14d、14e。前端位置四极电磁铁14a的长x1和中端位置四极电磁铁14b的长x2和后端位置四极电磁铁14c的长x3可以设定在10cm—40cm范围内。前端位置八极电磁铁14d的长x4和后端位置八极电磁铁14e的长x5可以设定在10cm—40cm范围内。
[0064]
中端位置四极电磁铁14b与前端位置四极电磁铁14a的间隔为第一间距d1，与后端位置四极电磁铁14c的间隔为第二间距d2。另，前端位置八极电磁铁14d与后端位置四极电磁铁14c的间隔为第三间距d3，与后端位置八极电磁铁14e的间隔为第四间距d4。后端位置八极电磁铁14e与靶子12的间隔为第五间距d5。
[0065]
此处，第一间隔d1与第二间隔d2可以设定在10cm—40cm范围内，最理想的是将第一间隔d1与第二间隔d2设为同等长度。即与前述相同，最理想的是3个四极电磁铁14a、14b、14c互相之间以等距离进行设置。
[0066]
另，第三间隔d3可以设定在15cm—100cm范围内，最理想的是设定在第一间隔d1的1.5倍—2.5倍范围内。另，第四间隔d4可以设定在10cm—40cm范围内，最理想的是与第一间隔d1设为同等长度，或者设为较第一间隔d1更短的长度。第五间隔d5可以设定在15cm—100cm的范围内，最理想的是与第三间隔d3设为同等长度。另，加速器10起至靶子12的基本距离t，即为前端位置四极电磁铁14a的长x1和第一间隔d1、中端位置四极电磁铁14b的长x2和第二间隔d2、后端位置四极电磁铁14c的长x3和第三间隔d3、前端位置八极电磁铁14d的长x4和第四间隔d4、后端位置八极电磁铁14e的长x5和第五间隔d5的合计长度，设定在110cm—520cm的范围内。
[0067]
上述集束透镜14有第一种基本构造和第二种基本构造2个种类，集束透镜控制部分102，分别控制规定数量四极电磁铁和规定数量八极电磁铁的磁场，带电粒子束c通过规定数量四极电磁铁和规定数量八极电磁铁的磁场，得以在径向上实现均匀一致地放大。
[0068]
此处，如上所述带电粒子束c的能量与加速器10的电流值保持在规定数值范围内，因此可以计算得出带电粒子束c的热量。此处，可以根据带电粒子束c的热量对规定数量的四极电磁铁及规定数量的八极电磁铁的磁场进行调整。据此，集束透镜控制部分102可以基于加速器10产生的带电粒子束c的能量及加速器10的电流值，对规定数量的四极电磁铁及规定数量的八极电磁铁的磁场分别进行控制。
[0069]
此处，可对第一种基本构造中的3个四极电磁铁14a、14b、14c和1个八极电磁铁14d的磁场分别进行适当设置。
[0070]
例如，最理想的是将前端位置四极电磁铁14a的磁场设为正向，中端位置四极电磁铁14b的磁场设为负向，后端位置四极电磁铁14c的磁场设为正向。据此，通过3个四极电磁铁14a、14b、14c的带电粒子束c，依次承受正向、负向、正向的磁场，从而可以实现带电粒子束c径向束流轮廓均匀一致地放大。
[0071]
此处，最理想的是将前端位置四极电磁铁14a的磁场设定在5m-2
—20m-2
范围内，中
端位置四极电磁铁14b的磁场设定在-5m-2
—
ꢀ‑
20m-2
范围内，后端位置四极电磁铁14c的磁场设定在5m-2
—20m-2
范围内。另，最理想的是将前端位置四极电磁铁14a和后端位置四极电磁铁14c的磁场设为相同强度，前端位置四极电磁铁14a（或者后端位置四极电磁铁14c）的磁场绝对值与中端位置四极电磁铁14b的磁场绝对值相同。据此，可以对通过3个四极电磁铁14a、14b、14c的带电粒子束c施加平衡均匀的磁场。
[0072]
另，最理想的是将八极电磁铁14d的磁场设为正向。据此，通过八极电磁铁14d的带电粒子束c承受正向磁场，可以将带电粒子束c径向束流轮廓均匀一致地放大至矩形。
[0073]
此处，理想的是将八极电磁铁14d的磁场可以设定在1000m-4
—5000m-4
范围内，设定在1000m-2
—4000m-2
范围内更为理想。
[0074]
另外，第二种基本构造中的3个四极电磁铁14a、14b、14c和2个八极电磁铁14d、14e的磁场，也可采用与前述相同设置。
[0075]
例如，与前述相同，最理想的是将前端位置四极电磁铁14a的磁场设为正向，中端位置四极电磁铁14b设为负向，后端位置四极电磁铁14c设为正向。
[0076]
此处，最理想的是将前端位置四极电磁铁14a的磁场设定在5m-2
—20m-2
范围内；将中端位置四极电磁铁14b的磁场设定在-5m-2
‑‑
20m-2
范围内；将后端位置四极电磁铁14c的磁场设定在5m-2
—20m-2
范围内。另，最理想的是将前端位置四极电磁铁14a和后端位置四极电磁铁14c的磁场设为相同强度，前端位置四极电磁铁14a（或者后端位置四极电磁铁14c）的磁场绝对值与中端位置四极电磁铁14b的磁场绝对值相同。另，最理想的是取前端位置四极电磁铁14a的磁场绝对值作为中间值，取中间值与规定数值相加的数值作为上限值，取中间值与规定数值相减的数值作为下限值。据此，可以对通过3个四极电磁铁14a、14b、14c的带电粒子束c施加平衡均匀的磁场。
[0077]
另，可以认为不论是第一种基本构造还是第二种基本构造中，3个四极电磁铁14a、14b、14c的构造形式，都对带电粒子束c径向束流轮廓的均匀一致放大产生了作用。
[0078]
另，最理想的是将前端位置八极电磁铁14d的磁场设为正向，后端位置八极电磁铁14e的磁场设为负向。据此，通过2个八极电磁铁14d、14e的带电粒子束c，依次承受正向、负向的磁场，从而可以实现带电粒子束c径向束流轮廓均匀一致地放大至圆形。
[0079]
此处，最理想的是将前端位置八极电磁铁14d的磁场设定在1000m-4
—4000m-4
范围内；将后端位置八极电磁铁14e的磁场设定在-1000m-2
—
ꢀ‑
4000m-2
范围内。另，最理想的是后端位置八极电磁铁14e的磁场绝对值与前端位置八极电磁铁14d的磁场绝对值相同。另，最理想的是取前端位置八极电磁铁14d的磁场绝对值作为中间值，取中间值与规定数值相加的数值作为上限值，取中间值与规定数值相减的数值作为下限值。据此，可以对通过2个八极电磁铁14d、14e的带电粒子束c施加平衡均匀的磁场。
[0080]
放大到一定范围且分布均匀的带电粒子束c经过束流输运线11照射靶子12的锂，发生7li（p，n）7be核反应，产生中子束n。产生的中子束n，经过后端位置降能系统13降低至热中子范围，成为bnct治疗所必需的热中子。该中子束n，对位于降能系统13后端位置患者进行照射。
[0081]
此处，给患者注射可选择性集聚在癌细胞中的硼素化合物，应用中子束n对含有硼素化合物的癌细胞进行照射，发生
10
b（n，α）7li核反应，产生α粒子与锂原子核并破坏癌细胞。上述即为bnct治疗原理。
[0082]
此处，因带电粒子束c的径向的束流轮廓（beam profile）宽阔且分布均匀，靶子12中的锂不会蒸发，可以产生适量的中子束n。
[0083]
在本实用新型的实施方式中，虽然集束透镜14的基本构造是采用2个种类的集束透镜14组成的，但是本实用新型也可以是包含上述基本配置在内的其他应用配置。例如，如图7和图8所示，在加速器10到靶子12的整体距离t0长于由3个四极电磁铁14a、14b、14c和八极电磁铁14d组成的基本距离t的情况下，可以在加速器10与位于集束透镜14前端位置四极电磁铁14a之间，增加设置1个及以上的四极电磁铁14e、14f，用以阻止加速器10射出的经过前端位置四极电磁铁14a的带电粒子束c的发散。基本距离t，例如对应一个房间的距离，全程距离t0，例如对应两个以上房间的距离，则由加速器10至束流输运线11，并经由靶子12至治疗室，相当于跨越两个以上房间的距离。1个及以上的四极电磁铁14e、14f，按照加速器10起至前端位置四极电磁铁14a间的距离，按照规定距离设置。
[0084]
此处，对增设的四极电磁铁14e、14f的构造无特殊要求，其设计可依据加速器10射出的带电粒子束c的能量及加速器10的电流值、整体距离t0与基本距离t的差值，按照需要添加。例如，将增设的四极电磁铁14e、14f的长度与前端位置四极电磁铁14a的长度x1设置为等长；可根据整体距离t0与基本距离t之间的差值，按实际需要增设1个或依据规定间隔设置多个。
[0085]
另，基本构造为3个四极电磁铁14a、14b、14c和2个八极电磁铁14d、14e的情况下也是同样，如图9和图10所示，加速其器10和集束透镜14的前端位置四极电磁铁14a之间，可适当增设1个及以上的四极电磁铁14f、14g。
[0086]
另，在第二个种类的集束透镜14中，可自后端位置的八极电磁铁起至靶子12之间，增设1个八极电磁铁，用以对带电粒子束c径向束流轮廓进行调整。
实施例
[0087]
以下，就本实用新型的实施案例与对比案例等进行具体说明，但并不代表本实用新型的应用仅限于以下实施案例等。
[0088]
关于束流输运线11中的集束透镜14的设计及带电粒子束c径向的束流轮廓（beam profile），使用了非专利文献1中使用的束流线计算代码crystal。通过使用束流线计算代码crystal对集束透镜14进行设计，并确认带电粒子束c径向束流轮廓（beam profile）的模拟结果，以此确定了集束透镜14的结构。
[0089]
首先，关于束流输运线11中的集束透镜14，由多个四极电磁铁和多个八极电磁铁配置组成。
[0090]
其次，对照射进前端位置四极电磁铁14a的带电粒子束c进行设定。在表示带电粒子束c空间扩散和前进角度的参数中，将α和β分别设置为规定数值。该参数数值与bnct中使用的低能量质子相对应。
[0091]
使规定的带电粒子束c通过上述构造的集束透镜14，并对通过后带电粒子束c径向的束流轮廓（beam profile）进行了模拟计算。此处，关于带电粒子束c径向的束流轮廓（beam profile），其轮廓横向为x轴、轮廓纵向为y轴、原点即是带电粒子束c的中心位置。
[0092]
模拟计算中，通过调整各个参数，并对通过磁场后的带电粒子束c的径向束流轮廓进行测量，发现测量数据皆显示该束流轮廓得到了均匀一致的放大。参数指四极电磁铁和
八极电磁铁的数量、尺寸、各个电磁铁间的设置间隔和磁场强弱等。
[0093]
此处，模拟计算的结果如图11-16所示，在初期的束流轮廓（beam profile）中，多数带电粒子集中在原点附近，且无论是x轴的束流轮廓（beam profile）还是y轴的束流轮廓（beam profile）上的带电粒子数量都是以近似山形分布的。也就是说，从加速器10射出的带电粒子束c径向的束流轮廓（beam profile）上的带电粒子分布是越接近中心位置带数量越多。如使用此种状态的带电粒子束c照射靶子12的锂，则热量会集中到锂的中心附近，从而可能导致锂的蒸发。
[0094]
在某模拟计算的条件（α=0.1、β=39）下，束流输运线11中的集束透镜14如图5所示，由3个四极电磁铁14a、14b、14c、和1个八极电磁铁14d构成。此时，令前端位置的四极电磁铁14a的长x1、中端位置的四极电磁铁14b的长x2、后端位置四极电磁铁14c的长x3、八极电磁铁14d的长x4分别为20cm。另，令第一间隔d1和第二间隔d2的长分别为25cm，第三间隔d3和第四间隔d4分别为50cm。此种情况下，基本距离t为230cm。另，令前端位置四极电磁铁14a的磁场为13.0m-2
，中端位置四极电磁铁14b的磁场为-13.0m-2
，后端位置四极电磁铁14c的磁场为13.0m-2
，八极电磁铁14d的磁场为3000m-4
。
[0095]
上述模拟计算的结果如图11-16所示，通过集束透镜后的束流轮廓（beam profile）中，带电粒子从原点附近向四面呈矩形（近似正方形）均匀放大。更令人震惊的是，无论是x轴的束流轮廓（beam profile）还是y轴的束流轮廓（beam profile）上的带电粒子数量，除两端部分外，基本呈现均匀一致的分布状态。这表明，已正确地将带电粒子束c放大到宽阔面积，且分布均匀。使用该种状态下的带电粒子束c照射靶子12的锂，则锂的中心附近不会集中热量，可以防止锂的蒸发。
[0096]
更进一步的模拟计算结果显示，在其他模拟计算条件（α=-0.1，β=31）下，束流输运线11中的集束透镜14如图6所示，由3个四极电磁铁14a、14b、14c、和2个八极电磁铁14d、14e构成。此时，令前端位置的四极电磁铁14a的长x1、中端位置的四极电磁铁14b的长x2、后端位置四极电磁铁14c的长x3、八极电磁铁14d的长x4分别为20cm。另，设定第一间隔d1和第二间隔d2的长分别为25cm，第三间隔d3为50cm，第四间隔d4为20cm，第五间隔d5为50cm。此种情况下，基本距离t为270cm。另，设定前端位置四极电磁铁14a的磁场为12.1m-2
，中端位置四极电磁铁14b的磁场为-13.1m-2
，后端位置四极电磁铁14c的磁场为12.1m-2
，前端位置八极电磁铁14d的磁场为2000m-4
，后端位置八极电磁铁14e的磁场为-3000m-4
。
[0097]
上述模拟计算的结果如图17-22所示，通过集束透镜后的束流轮廓（beam profile）中，带电粒子从原点附近向四面呈圆形均匀放大。更令人震惊的是，无论是x轴的束流轮廓（beam profile）还是y轴的束流轮廓（beam profile）上的带电粒子数量基本呈现均匀一致的分布状态。这表明，已正确地将带电粒子束c放大到宽阔面积，且分布均匀。使用该种状态下的带电粒子束c照射靶子12的锂，则锂靶的中心附近不会集中热量，可以防止锂的蒸发。
[0098]
可以认为，对带电粒子束c的均匀一致扩大起作用的部分，就是3个四极电磁铁；对带电粒子束c的形状起作用的部分，就是八极电磁铁的数量。
[0099]
如上所述，通过本实用新型，对与bnct相关的低能量大电流的带电粒子束在宽阔范围且均匀一致的输运成为可能。本实用新型中，通过bnct用加速器小型化及与之配适的束流输运线11的集束透镜14的最优化，可以推动医院引进bnct设备。
[0100]
综上所述，关于本实用新型所指与bnct相关的低能量带电粒子束输运系统以及带电粒子束输运方法，有利于bnct实现高精度治疗，与bnct相关的低能量大电流的带电粒子束可以在宽阔范围，且均匀一致地输运作为与bnct相关的低能量带电粒子束输运系统及带电粒子束输运方法是有效的。
技术特征：1.一种与bnct相关的低能量带电粒子束输运系统，其特征在于：包括：发射5mev以下的低能量带电粒子束的加速器、输运上述加速器发射的带电粒子束的束流输运线、含有锂的、通过接受上述束流输运线输运的带电粒子束的照射产生中子束的靶子、将上述靶子产生的中子束能量降低至热中子范围的降能系统、位于上述束流输运线内部，由自带电粒子束上端起沿着带电粒子束照射方向设置的规定数量的四极电磁铁以及自后端位置四极电磁铁起沿着带电粒子束照射方向设置的规定数量的八极电磁铁构成的集束透镜、通过控制上述四极电磁铁、八极电磁铁的磁性，放大上述带电粒子束径向的束流轮廓，并实现均匀一致的集束透镜控制部分。2.根据权利要求1所述的一种与bnct相关的低能量带电粒子束输运系统，其特征在于：所述四极电磁铁的数量为3个，在所述3个四极电磁铁中，前端位置四极电磁铁的磁场设为正向、中端位置四极电磁铁的磁场设为负向、后端位置四极电磁铁的磁场设为正向。3.根据权利要求1所述的一种与bnct相关的低能量带电粒子束输运系统，其特征在于：所述八极电磁铁数量为1个或2个。
技术总结本实用新型涉及一种与BNCT相关的低能量带电粒子束输运系统；其加速器射出5MeV以下的低能量带电粒子束，束流输运线输运前述加速器射出的带电粒子束。靶子含有锂，接受前述束流输运线输运来的带电粒子束的照射产生中子束。降能系统将靶子产生的中子束的能量降低至热中子范围。集束透镜位于上述束流输运线内部，由自带电粒子束上端起沿着带电粒子束照射方向设置的规定数量的四极电磁铁以及自后端位置四极电磁铁起沿着带电粒子束照射方向设置的规定数量的八极电磁铁构成。集束透镜控制部分通过控制前述四极电磁铁与八极电磁铁的磁性，在放大前述带电粒子束的径向的束流轮廓的同时，使其均匀一致。使其均匀一致。使其均匀一致。
技术研发人员：高桥成人
受保护的技术使用者：新华锦集团有限公司
技术研发日：2021.10.22
技术公布日：2022/7/5
