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用于质子治疗的旋转机架束流输运线设计

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癌症已成为造成人类死亡的第二大杀手，严重威胁着人类的健康。质子治疗是目前最先进的癌症无创精准治疗方法之一，它利用质子独特的布拉格峰剂量分布特性，通过精确调节展宽布拉格峰，使得肿瘤处剂量最大化，同时通过多照射野剂量优化最大限度保护肿瘤周边正常组织，达到最佳的治疗效果。相较于其他癌症治疗手段，质子治疗具有高效精准、副作用小、适应症广等优点。但质子治疗装备技术门槛高，造价昂贵，相关技术基本上被国外垄断且具有很强的商业保密性，可获取的资料非常少，国内质子治疗研发总体处于起步阶段。因此，实现质子放疗装备国产化，打破国外技术垄断，降低治疗成本，对缓解中国百姓看病难、看病贵的社会问题有重要意义。 在质子治疗装置中，旋转机架束流输运线是束流输运系统的核心部件之一，包含磁铁、真空、束流测量、机械支撑等诸多系统和部件，整个旋转机架的重量约200吨，其中输运线系统重量约40吨，要求在r180q旋转过程中等中心点的束流位置偏差小于1mm，因此旋转机架束流输运线的设计、建造和调试也是整个束流输运系统的技术难点之一。本论文以该项目为背景，对旋转机架束流输运线系统开展了全面的理论研究和相关工程设计： 束流输运线物理设计是本文的基础，主要包含束流光学设计和动态扫描磁铁设计，这两者决定了整条输运线的磁铁元件布局，是旋转机架结构、尺寸及造价的影响因素之一。在物理设计中，首先确定下游扫描方式的旋转机架输运线整体方案；在此基础上完成了基于镜像束流方法的束流光学设计与匹配，并提出磁铁设计规格需求；扫描磁铁是主动扫描系统的核心部件，完成扫描磁铁设计及涡流效应分析，通过增加狭缝等方式可以有效减小涡流，系统地研究了不同磁铁线圈形状，狭缝方向、分布、间距对涡流效应的影响，最终经过优化后的磁铁温度小于70qC，满足设计要求。 在磁铁误差分析中，论文系统研究了磁铁误差的来源、分类及其影响，对各类磁铁误差进行了详细地数值分析计算，得到含有误差项的传输矩阵。介绍了束流准直技术的原理，响应矩阵的求解方法和获取方式，并将此技术应用于本装置中，详细优化校正元件布局，完成了束流轨道校正设计，结果显示等中心点束流精度好于r0.5mm，满足物理和临床要求。 在束流输运线辅助系统设计中，完成真空系统、束流测量系统和磁铁机械支撑系统设计。对于真空系统设计，从形变和束流穿透性角度对比并选择真空隔断薄膜材料和尺寸，选择合适的真空部件组成真空系统；对于束流测量系统设计，结合束流准直计算结果及束流测量需求，安排束测元件布局，并就平板电离室的原理及结构进行详细地理论分析，搭配电子学和控制器件，组建电离室测量系统；对于磁铁机械支撑系统设计，完成磁铁支撑结构方案设计，在旋转机架处于0度、90度和180度时，结构的最大变形和最大应力均满足设计要求。

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