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质子治疗系统的构成

1.加速器系统

1.1离子源

功能与操作

离子源是质子产生过程的起点。它的主要作用是从氢气中产生质子流。这通常是通过称为电离的过程来实现的。在常见的设置中，在充满氢气的腔室内产生放电。放电中的高能电子与氢原子碰撞，剥离了它们的电子。因此，带正电的质子被留下来。

例如，在彭宁离子源中，电场和磁场的组合将电子限制在一个可以有效电离氢气的区域。这种类型的离子源可以产生相对稳定和强烈的质子束，这对后续的加速阶段至关重要。

1.2直线加速器（直线加速器）

加速原理

线性加速器被设计为最初加速质子。它由一系列空心金属管组成，称为漂移管，在真空密封室内呈直线排列。在这些漂移管上施加交变电场。

当质子进入第一漂移管时，电场被配置为加速质子。当质子穿过漂移管时，电场会反转极性。当质子离开漂移管时，新的电场配置会进一步加速它进入下一个漂移管。这一过程仍在继续，在短时间内，质子的能量可以达到700万电子伏特（MeV）。这个初始加速步骤有助于为质子在主加速器中更强烈的加速做准备。

1.3主加速器

回旋加速器

机械和磁结构：回旋加速器是一种具有独特设计的大型加速器。它通常有一个大的圆形磁体结构，重量可达200吨，直径在6-12英尺之间。磁体产生垂直于回旋加速器平面的强而均匀的磁场。

加速机制：质子被注入回旋加速器的中心。当它们在磁场中移动时，它们会受到一种力，使它们沿圆形路径移动。在回旋加速器内的两个D形电极（Dees）之间施加一个称为射频（RF）场的交变电场。每次质子穿过Dees之间的间隙时，RF场都会加速它们。随着质子获得能量，它们的圆形路径半径增加，它们向外螺旋，直到达到所需的能级。

同步加速器

设计和磁体布置：同步加速器是另一种类型的主加速器。与回旋加速器相比，它们的重量更轻，但直径要大得多，通常为20-25英尺。与回旋加速器中的单个大磁体不同，同步加速器使用一系列分布在大型圆形加速环周围的较小磁体。

能量可调性：同步加速器的一个关键优势是它们在加速过程中能够调节质子能量。这是通过在质子围绕环移动时精确控制磁场强度和射频场频率来实现的。随着质子获得能量，磁场增加以使它们保持在圆形路径中，射频场被调整以继续加速它们。

1.4低能束流传输系统

重要性和功能

低能束传输（LEBT）系统负责将质子束从离子源传输到主加速器。由于该阶段的质子束能量相对较低且处于精细状态，LEBT系统必须确保其稳定性和精确输送。

它包含一系列磁性透镜和转向磁铁。磁透镜聚焦质子束，防止其扩散，而转向磁体则校正质子束的轨迹，以确保其以正确的位置和角度进入主加速器。LEBT系统中的任何未对准或不稳定都可能导致主加速器中的束流损失或加速效率低下。

1.5高能束流传输系统

光束整形和传输

质子在主加速器中加速到高能后，高能束流输运（HEBT）系统开始发挥作用。该系统旨在将高能质子束传输到治疗室。

它由一系列复杂的磁体组成，包括弯曲磁体、四极磁体和六极磁体。弯曲磁铁用于改变光束的方向，确保其到达治疗室。四极磁体将光束聚焦在水平和垂直方向上，而六极磁体用于校正光束中的任何像差。这种对光束形状、焦点和方向的精确控制对于治疗室中的精确肿瘤靶向至关重要。

1.6辅助电气系统

电源和控制

辅助电气系统是整个加速器系统的命脉。它为加速器的所有组件提供必要的电力，包括离子源、直线加速器、主加速器和束流传输系统。

它还提供各种电气参数的控制和监测。例如，它监测电源中的电压和电流，以确保它们在正确的工作范围内。如果发生任何电气故障或波动，系统可以自动调整电源或触发安全机制，以保护设备和质子束的完整性。

2.治疗系统

2.1龙门架

机械和旋转功能

龙门架是一种大型、复杂的机械结构，在治疗过程中起着至关重要的作用。它的设计目的是安装一个弯曲磁铁和其他光束处理部件的系统。机架最显著的特点是能够围绕患者旋转360度。

这种旋转能力允许质子束从多个角度指向患者的肿瘤。通过改变光束入射角，医生可以更好地靶向肿瘤，同时最大限度地减少对周围健康组织的剂量。例如，在治疗脑肿瘤时，机架可以旋转以从不同方向输送质子束，确保肿瘤获得全部治疗剂量，同时尽可能多地保留健康的脑组织。

2.2处理喷嘴

被动散射系统组件

在被动散射系统中，处理喷嘴包含几个重要部件。能量降解器用于调节质子束的能量，以匹配患者体内肿瘤的深度。散射箔用于横向扩散质子束，产生适用于治疗较大肿瘤的较宽束。

距离调制轮用于调节质子束在体内的穿透深度。准直器用于调整光束的形状，以匹配肿瘤的大小和形状，鼻子是喷嘴最靠近患者的最后一部分，进一步将光束引导到目标区域。

主动扫描系统组件

在主动扫描系统中，处理喷嘴具有不同的配置。由于它使用磁场扫描肿瘤上的束点，因此传统的束整形设备较少。相反，它依赖于强大的电磁铁来快速准确地移动质子束穿过肿瘤体积。这使得