一种宽能谱粒子束传输与均匀化装置及其实现方法

技术特征：
1.一种宽能谱粒子束传输与均匀化装置，在粒子坐标系xyz中，坐标系的原点始终在参考粒子处；参考粒子是假想的沿预定路径运动的粒子，参考粒子的前进方向为z轴，横向包括水平的x轴和竖直的y轴；在漂浮段中，粒子坐标系的指向不变，原点跟随参考粒子改变；在偏转磁铁中，z轴始终沿切向，随着参考粒子的前进而不断改变；x轴始终沿径向，y轴指向保持不变；在实验室坐标系x’y’z’中，坐标系选定后坐标轴的指向和原点始终保持不变，在所述宽能谱粒子束传输与均匀化装置中y轴与y’轴的方向相同，其特征在于，所述宽能谱粒子束传输与均匀化装置包括：弱聚焦磁铁、狭缝和导向磁铁；其中，弱聚焦磁铁包括两个形状完全相同的极面，弱聚焦磁铁的极面在实验室坐标系z’x’平面的投影形状为部分圆环，包括分别位于y轴正方向的上极面和位于y轴负方向的下极面；弱聚焦磁铁的入口正对着靶点，弱聚焦磁铁的入口与靶点之间有距离形成第一漂浮段，第一漂浮段的长度为l1；弱聚焦磁铁的出口正对着辐照终端，弱聚焦磁铁的出口与辐照终端之间有距离形成第二漂浮段，第二漂浮段的长度为l2；在弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度偏转后，在x方向上相同能量、不同初始散角的粒子在像点处聚焦，不同能量粒子的像点在x方向位置不同，在弱聚焦磁铁的两个极面之间所需能量的粒子的像点处设置狭缝；在弱聚焦磁铁的出口处设置导向磁铁，导向磁铁包括互相平行放置的两个极面，导向磁铁的每个极面平行于zx平面，导向磁铁的两个极面之间有距离，分别位于y方向的正方向和负方向，导向磁铁的入口与弱聚焦磁铁的出口平行，导向磁铁出口的形状在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中zx平面内由(3)式决定，表现为宽度随着x轴上的坐标的绝对值增加；激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的粒子束，粒子束在x和y方向具有初始散角，在x方向正半轴的粒子在x方向的速度v
x
均大于0，即x方向位置为正的粒子x方向的散角为正，在x方向负半轴的粒子在x方向的速度v
x
均小于0，即x方向位置为负的粒子x方向的散角为负，x方向处于散焦状态；同样y方向位置为正的粒子y方向的散角为正，y方向位置为负的粒子y方向的散角为负，y方向处于散焦状态；x和y方向的运动独立，互不影响；进入第一漂浮段，在第一漂浮段中粒子束的横向尺寸不断增加，粒子束的散角保持不变；经过第一漂浮段进入弱聚焦磁铁，弱聚焦磁铁对粒子束产生偏转并改变散角，粒子具有偏转角度，不同能量的粒子的偏转半径不同但偏转角度相同，能量大的粒子的偏转半径大，从而在弱聚焦磁铁的出口，不同能量的粒子沿粒子坐标系xyz的x方向分开，能散越大的粒子距离束线中心线越远；粒子束在弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度偏转后到达像点，相同能量且不同初始散角的粒子在x方向汇聚，不同能量的粒子沿x方向分开；通过狭缝在x方向位置选择能量范围，通过狭缝在y方向的开口范围选择各个能量的粒子的通过比例，从而实现整形能谱；弱聚焦磁铁在x和y方向提供聚焦力，散角的改变量决定于x和y方向的聚焦力，聚焦力随着偏转角度的增加而增加，同时散角不断改变；经过弱聚焦磁铁聚焦后进入第二漂浮段，在x方向位置为正的粒子的散角为负，x方向位置为负的粒子x方向的散角为正，在x方向处于聚焦状态，同样y方向位置为正的粒子y方向的散角为负，y方向位置为负的粒子y方向的散角为正，y方向处于聚焦状态，在第二漂浮段中粒子束的横向尺寸不断减小，各个能量粒子束的分布中心与束线中心线的距离不断缩小；均匀性要求在辐照终端各个能量粒子束在x方向的分布中心位于束线中心线上；但弱聚焦磁铁在偏转相同角度时x方向的聚焦力对散角的改变量不能达到均匀性的要求；利用束流传输动力学，得到粒子束传输到辐照终端在x方向实现位置消色差时第二漂
浮段的长度l2需要满足的关系：当粒子的偏转半径r、弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ和磁场降落指数n确定后，由(1)式得到第二漂浮段的长度l2；在(1)式中，能量越高的粒子的偏转半径r越大，弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ相同时，实现位置消色差要求第二漂浮段的长度l2随着能量增加；第二漂浮段的长度l2按照中心能量粒子的偏转半径r
c
确定，使得高于和低于中心能量的粒子束在辐照终端朝x轴正方向偏移，能散越大，粒子束的分布中心与束线中心线的偏离越大，导致粒子束整体分布出现畸形，不均匀的剂量分布导致粒子束无法用于辐照；因而在弱聚焦磁铁的出口设置导向磁铁，修正x方向的散角，使各个能量粒子束在辐照终端的分布中心回到束线中心线；能散越大的粒子，散角修正量越大；粒子束通过导向磁铁修正x方向的散角，经过第二漂浮段到达辐照终端；通过束流传输矩阵，计算得到在弱聚焦磁铁出口，散角修正量为：x
e
为粒子在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系zx中的x轴上的坐标，坐标原点位于束线中心线；不同能量粒子在弱聚焦磁铁出口沿x方向分开，且能散越大，在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系zx中的x轴上的坐标x
e
的绝对值越大，因而导向磁铁施加的散角修正量随着在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系zx中的x轴上的坐标x
e
的绝对值增大；在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中zx平面内，导向磁铁靠近弱聚焦磁铁的边界即入口的形状为z＝0的直线，右边界即导向磁铁的出口在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中zx平面内的坐标以(z
e
,x
e
)表示，z
e
代表在x
e
处导向磁铁在z方向的宽度，求得粒子的偏转半径根据散角修正量与粒子的偏转半径r，得到导向磁铁的出口的形状满足：(3)式中b
s
为导向磁铁的磁场强度，r
c
为中心能量粒子的偏转半径，q为粒子的电荷，p0为中心能量粒子的动量；由于在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中zx平面内，导向磁铁设
计为处于z≥0的位置，因而在(3)式中取的绝对值；从而通过导向磁铁使各个能量粒子在辐照终端的分布中心回到束线中心线，使得整个粒子束的剂量分布均匀，克服色差效应对大能散粒子束辐照应用的限制，提高粒子束的辐照应用效率。2.如权利要求1所述的宽能谱粒子束传输与均匀化装置，其特征在于，所述电流方向决定磁场方向，当弱聚焦磁铁的电流方向为正时，传输质子束、离子束或正电子束；电流方向为负时，传输电子束。3.如权利要求1所述的宽能谱粒子束传输与均匀化装置，其特征在于，所述从靶点出来的粒子束均在管道中传输，管道中保持真空，从弱聚焦磁铁以及导向磁铁的磁极面间隙中穿过；并且粒子束的路径上不设置任何障碍。4.如权利要求1所述的宽能谱粒子束传输与均匀化装置，其特征在于，还包括束流诊断装置，所述束流诊断装置设置在第一漂浮段或第二漂浮段中，用来测量质子束参数。5.一种如权利要求1所述的宽能谱粒子束传输与均匀化装置的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：1)宽能谱粒子束传输与均匀化装置设置：a)提供弱聚焦磁铁，弱聚焦磁铁包括两个形状完全相同的极面，弱聚焦磁铁的极面在实验室坐标系z’x’平面的投影形状为部分圆环，包括分别位于y轴正方向的上极面和位于y轴负方向的下极面；b)弱聚焦磁铁的入口正对着靶点，弱聚焦磁铁的入口与靶点之间有距离形成第一漂浮段，第一漂浮段的长度为l1；c)弱聚焦磁铁的出口正对着辐照终端，弱聚焦磁铁的出口与辐照终端之间有距离形成第二漂浮段，第二漂浮段的长度为l2；d)在弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度偏转后，在x方向上相同能量、不同初始散角的粒子在像点处聚焦，不同能量粒子的像点在x方向位置不同，在弱聚焦磁铁的两个极面之间所需能量的粒子的像点处设置狭缝；e)在弱聚焦磁铁出口处设置导向磁铁，导向磁铁包括互相平行放置的两个极面，导向磁铁的每个极面平行于zx平面，导向磁铁的两个极面之间有距离，分别位于y方向的正方向和负方向，导向磁铁的入口与弱聚焦磁铁的出口平行，导向磁铁出口的宽度随着x轴上的坐标的绝对值增加；2)激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的粒子束，粒子束在x和y方向具有初始散角，在x方向正半轴的粒子在x方向的速度v
x
均大于0，即x方向位置为正的粒子x方向的散角为正，在x方向负半轴的粒子在x方向的速度v
x
均小于0，即x方向位置为负的粒子x方向的散角为负，x方向处于散焦状态；同样y方向位置为正的粒子y方向的散角为正，y方向位置为负的粒子y方向的散角为负，y方向处于散焦状态；x和y方向的运动独立，互不影响；进入第一漂浮段，在第一漂浮段中粒子束的横向尺寸不断增加，粒子束的散角保持不变；经过第一漂浮段进入弱聚焦磁铁，弱聚焦磁铁对粒子束产生偏转并改变散角，粒子具有偏转角度，不同能量的粒子的偏转半径不同但偏转角度相同，能量大的粒子的偏转半径大，从而在弱聚焦磁铁出口，不同能量的粒子沿粒子坐标系xyz的x方向分开，能散越大的粒子距离束线中心线越远；
3)粒子束在弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度偏转后到达像点，相同能量且不同初始散角的粒子在x方向汇聚，不同能量的粒子沿x方向分开；通过狭缝在x方向位置选择能量范围，通过狭缝在y方向的开口范围选择各个能量的粒子的通过比例，从而实现整形能谱；4)弱聚焦磁铁在x和y方向提供聚焦力，散角的改变量决定于x和y方向的聚焦力，聚焦力随着偏转角度的增加而增加，同时散角不断改变；经过弱聚焦磁铁聚焦后进入第二漂浮段，在x方向位置为正的粒子的散角为负，x方向位置为负的粒子x方向的散角为正，在x方向处于聚焦状态，同样y方向位置为正的粒子y方向的散角为负，y方向位置为负的粒子y方向的散角为正，y方向处于聚焦状态，在第二漂浮段中粒子束的横向尺寸不断减小，各个能量粒子束的分布中心与束线中心线的距离不断缩小；均匀性要求在辐照终端各个能量粒子束在x方向的分布中心位于束线中心线上；但弱聚焦磁铁在偏转相同角度时x方向的聚焦力对散角的改变量不能达到均匀性的要求；5)粒子束通过导向磁铁修正x方向的散角，经过第二漂浮段到达辐照终端：利用束流传输动力学，得到粒子束传输到辐照终端在x方向实现位置消色差时第二漂浮段的长度l2需要满足的关系：当中心能量粒子的偏转半径r、弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ和磁场降落指数n确定后，由(1)式得到第二漂浮段的长度l2；在(1)式中，能量越高的粒子的偏转半径r越大，弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ相同时，实现位置消色差要求第二漂浮段的长度l2随着能量增加；第二漂浮段的长度l2按照中心能量粒子的偏转半径r
c
确定，使得高于和低于中心能量的粒子束在辐照终端朝x轴正方向偏移，能散越大，粒子束的分布中心与束线中心线的偏离越大，导致粒子束整体分布出现畸形，不均匀的剂量分布导致粒子束无法用于辐照；因而在弱聚焦磁铁出口设置导向磁铁，修正x方向的散角，使各个能量粒子束在辐照终端的分布中心回到束线中心线；能散越大的粒子，散角修正量越大；6)通过束流传输矩阵，计算得到在弱聚焦磁铁出口，散角修正量为：x
e
为粒子在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系zx中的x轴上的坐标，坐标原点位于束线中心线；不同能量粒子在弱聚焦磁铁出口沿x方向分开，且能散越大，在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系zx中的x轴上的坐标x
e
的绝对值越大，因而导向磁铁施加的散角修正量随着在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系zx中的x轴上的坐标x
e
的绝对值增大；在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中zx平面内，导向磁铁靠近弱聚焦磁铁的边界即入口的形状为z＝0的直线，右边界即导向磁铁出口在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中zx平面内的坐标以(z
e
,x
e
)表示，z
e
代表在x
e
处导向磁铁在z方向的宽度，求得粒子的偏转半径
根据散角修正量与粒子的偏转半径r，得到导向磁铁出口的形状满足：(3)式中b
s
为导向磁铁的磁场强度，r
c
为中心能量粒子的偏转半径，q为粒子的电荷，p0为中心能量粒子的动量；由于在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中zx平面内，导向磁铁处于z≥0的位置，因而在(3)式中取的绝对值；从而通过导向磁铁使各个能量粒子在辐照终端的分布中心回到束线中心线，使得整个粒子束的剂量分布均匀，克服色差效应对大能散粒子束辐照应用的限制，提高粒子束的辐照应用效率。6.如权利要求5所述的实现方法，其特征在于，电流方向决定磁场方向，当弱聚焦磁铁的电流方向为正时，传输质子束、离子束或正电子束；电流方向为负时，传输电子束。

技术总结
本发明公开了一种宽能谱粒子束传输与均匀化装置及其实现方法。本发明采用弱聚焦磁铁、狭缝和导向磁铁；本发明通过狭缝在X方向的位置选择能量范围，通过狭缝在Y方向的开口范围选择各个能量粒子束的通过比例，从而实现整形能谱；在弱聚焦磁铁出口设置特殊设计的导向磁铁，根据散角修正量与粒子的偏转半径r，得到导向磁铁出口的形状，有针对地修正各个能量粒子束X方向的散角，从而通过导向磁铁使各个能量粒子在辐照终端的分布中心回到束线中心线，使得整个粒子束的剂量分布均匀，克服色差效应对大能散粒子束辐照应用的限制，提高粒子束的辐照应用效率，满足辐照应用的要求。满足辐照应用的要求。满足辐照应用的要求。


技术研发人员：朱军高 卢海洋 周沧涛 赵媛 赖美福 古永力
受保护的技术使用者：深圳技术大学
技术研发日：2022.06.23
技术公布日：2022/9/2