阅读说明：本技术 一种质子重离子医疗设备超导二极铁快速励磁测试装置 (Fast excitation testing device for superconducting dipolar iron of proton heavy ion medical equipment ) 是由 郑金星 宋云涛 郑书悦 陆坤 黄迪西 朱小亮 程远 刘海洋 于 2020-06-17 设计创作，主要内容包括：一种质子重离子医疗设备超导二极铁快速励磁测试装置,包括低温杜瓦罐、真空系统、制冷机组、外部液氮容器、外部液氦容器、液氦储罐、超导二极铁、温度传感器、电源及失超保护系统、监控系统；所述低温杜瓦罐与真空系统、制冷机组、外部液氮容器相连接,所述液氦储罐安装在低温杜瓦罐内,分别与外部液氮容器、超导二极铁相连接,所述超导二极铁安装在低温杜瓦罐内,分别与电源及失超保护系统、监控系统相连接,所述温度传感器安装在超导二极铁各部分,与监控系统连接,所述监控系统分别与真空系统中真空规、液氦储罐中液位计、电源及失超保护系统中超导磁体电源相连接；本发明提出了完善的装置对超导二极铁励磁进行快速测试,为低温超导技术的应用提供可靠保证。(A fast excitation testing device for a proton heavy ion medical device superconducting dipolar iron comprises a low-temperature dewar tank, a vacuum system, a refrigerating unit, an external liquid nitrogen container, an external liquid helium container, a liquid helium storage tank, a superconducting dipolar iron, a temperature sensor, a power supply and quench protection system and a monitoring system; the low-temperature Dewar flask is connected with a vacuum system, a refrigerating unit and an external liquid nitrogen container, the liquid helium storage tank is installed in the low-temperature Dewar flask and is respectively connected with the external liquid nitrogen container and superconducting dipolar iron, the superconducting dipolar iron is installed in the low-temperature Dewar flask and is respectively connected with a power supply, a quench protection system and a monitoring system, the temperature sensor is installed on each part of the superconducting dipolar iron and is connected with the monitoring system, and the monitoring system is respectively connected with a vacuum gauge in the vacuum system, a liquid level meter in the liquid helium storage tank, the power supply and a superconducting magnet power supply in the quench protection system; the invention provides a perfect device for rapidly testing the excitation of the superconducting dipolar iron, and provides reliable guarantee for the application of the low-temperature superconducting technology.)

一种质子重离子医疗设备超导二极铁快速励磁测试装置

技术领域

本发明属于医疗器材粒子治疗仪领域，具体是一种质子重离子医疗设备超导二极铁快速励磁测试装置。

背景技术

癌症(恶性肿瘤)已成为世界各国居民因病死亡的主要原因之一，各个国家癌症治疗的新技术不断涌现。传统的癌症治疗中的放射治疗主要采取的是X射线、γ射线和电子束，其物理剂量分布和生物效应都在不同程度上伤害肿瘤附近的正常细胞，而且剂量的有效利用率也低；中子和负π粒子的生物效应虽好，但物理剂量分布不好，对正常组织损害过大，不是理想的治疗方法。

质子是构成原子核的基本微小粒子；重离子是原子量较大原子的原子核，常用的如碳离子。质子或碳离子经由同步加速器加速至约70％的光速，被引出射入人体。在到达肿瘤病灶前，射线能量释放不多，在到达病灶后，射线会瞬间释放大量能量，形成名为“布拉格峰”的能量释放轨迹，整个治疗过程好比是针对肿瘤的“立体定向爆破”，能够对肿瘤病灶进行强有力的照射，同时又避开照射正常组织，实现疗效最大化。重离子质子治疗的优点是使放射线能量峰值对准肿瘤病灶处，在肿瘤处受到最大的照射剂量，肿瘤前的正常细胞通常只受到1/3～1/2的峰值剂量，肿瘤后部的正常细胞基本上不受伤害。从质子内在的物理特性就能断定它比常规放疗方法要优越得多。近几十年来，已有超过10万癌症患者得到质子治疗，其优越性得到广泛的临床验证。

目前已经成功运营的治疗中心都具有体积庞大、造价昂贵、建设周期长以及难以普及等缺点。未来重离子质子治疗仪主流的发展方向是小型化和集成化，使治疗仪的整体尺寸减小，缩短建设周期，降低成本，以便于普及。超导二极铁系统是国内首个采用超导技术实现重离子质子治疗装置旋转机架小型化和轻量化创新项目，超导二极铁系统替代常规偏转电磁体能够实现高场高均匀性磁场下旋转机架尺寸和吨位指数倍的下降，对于治疗装置的产业化升级具有重要意义。

低温超导磁体是一种利用超导线材在一定低温下产生超导现象制成的磁体，由于超导线材处于零电阻状态，承载电流能力极大提高，进而超导态的螺旋线圈能产生极高的磁场。目前关于超导二极铁的测试装置还没有完善的装置能整体实现超导性能测试、系统实时监控、超导装置安全保护。

发明内容

本发明的目的在于提供一种质子重离子医疗设备超导二极铁快速励磁测试装置，以解决上述背景技术中提出的还没有完善的装置对超导二极铁励磁进行测试的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种质子重离子医疗设备超导二极铁快速励磁测试装置，包括：低温杜瓦罐、真空系统、制冷机组、外部液氮容器、外部液氦容器、液氦储罐、超导二极铁、温度传感器、电源及失超保护系统、监控系统；所述低温杜瓦罐与真空系统、制冷机组、外部液氮容器相连接，所述液氦储罐安装在低温杜瓦罐内，分别与外部液氮容器、超导二极铁相连接，所述超导二极铁安装在低温杜瓦罐内，分别与电源及失超保护系统、监控系统相连接，所述温度传感器数量为多个，安装在超导二极铁各部分，与监控系统连接，所述监控系统分别与真空系统中真空规、液氦储罐中液位计、电源及失超保护系统中超导磁体电源相连接。

进一步的，所述真空系统包括复合分子泵、机械泵、真空规，其中复合分子泵和机械泵与低温杜瓦罐密封连接，是对低温杜瓦罐内进行抽气而获得真空的设备，其中真空规安装在真空管上，用于监测低温杜瓦罐内的真空度，与监控系统相连接，上传真空度数据信息到监控系统。

进一步的，所述外部液氦容器包括液氦阀和输液管，通过输液管把液氦注入液氦储罐，使超导二极铁快速降温度，将低温杜瓦罐及磁体的温度最终降到4.2K，即超导二极铁的运行温度。

进一步的，所述液氦储罐，包括储罐和液位计，其中储罐通过支撑件安装在低温杜瓦罐内，为超导二极铁提供稳定液氦，其中液位计安装在储罐内，监测液氦的液位，与监控系统连接，上传液位数据信息到监控系统。

进一步的，所述超导二极铁，包括超导磁体线圈、超导引线端，其中超导磁体线圈通过支撑件安装在低温杜瓦罐内，与超导引线端连接，其中超导引线端与低温杜瓦罐密封连接并引出到罐外，与电源及失超保护系统中的超导磁体电源输出端及泄能电阻连接，为超导二极铁输入励磁电流及失超保护，其中超导引线端与监控系统连接，监测超导二极铁端电压，上传端电压数据信息到监控系统，超过设置的电压后，监控系统显示失超报警状态，并向超导磁体电源输出失超保护信号。

进一步的，所述温度传感器安装在超导二极铁各部分，监测超导磁体线圈内部温度，与监控系统连接，上传温度数据信息到监控系统，超过设置的温度后，监控系统会显示失超报警状态，并向超导磁体电源输出失超保护信号。

进一步的，所述电源及失超保护系统，包括超导磁体电源、泄能电阻，其中超导磁体电源与监控系统相连接，上传超导磁体电源状态信息，接收监控系统遥控控制，为超导二极铁提供励磁电流，接收控制指令完成励磁和退磁操作，并接受监控系统发出的超导磁体失超指令，其中超导磁体电源与超导二极铁引线端相连接，为超导磁体提供励磁电流，其中泄能电阻与超导磁体电源、超导二极铁引线端相连接，泄能电阻在失超保护中快速的泄放超导线圈的能量，与超导磁体电源一起完成失超保护，保护超导磁体线圈。

进一步的，所述监控系统，分别接收超导磁体电源状态信息、杜瓦罐内真空度、杜瓦罐内液氦液位、超导线圈温度信号、超导引线端电压，监控系统的控制单元对各参数阀值进行设置，在各参数在阀值范围内，监控系统显示系统状态正常，输出相应的故障指示信号和电流控制信号，包括电流的幅值、电流励磁时间，实现超导二极铁励磁测试，并在监控屏显示各参数的运行状态，形成相应的数据曲线，当各参数超过阀值，输出相应的故障指示信号，电源及失超保护系统会自动执行保护操作，并在监控屏显示系统各部分的状态和故障信息。

所述低温杜瓦罐为超导二极铁提供一个绝热、密封、耐超低温的容器。

所述制冷机组，包括制冷机和制冷机压缩机组，是将低温杜瓦罐内的热量转移给环境介质从而获得冷量的设备，制冷的温度范围通常在120K以上。

所述外部液氮容器，包括液氮阀和输液管，通过输液管把液氮注入低温杜瓦罐内，使超导二极铁快速降温度，制冷的温度范围通常在77K以上。

有益效果：

本发明提出了完善的装置对超导二极铁励磁进行快速测试，为低温超导技术的应用提供可靠保证。相比较传统方案，本发明的应用环境可以监测整个系统的状态，实时反馈给主控操作界面并联动操作，并能保护超导装置，保证整个系统的稳定运行。本试验装置结构科学，易于实现，具有良好的经济性和安全性。经过多轮技术攻关和现场实验，实现了超导二极铁在4.2K低温下连续通电励磁稳定运行，电流励磁变化率20A/min以上。

附图说明

图1为本发明提供的质子重离子医疗设备超导二极铁快速励磁测试装置示意图；

附图标记说明：1低温杜瓦罐、2真空系统、3制冷机组、4外部液氮容器、5外部液氦容器、6液氦储罐、7超导二极铁、8温度传感器、9电源及失超保护系统、10监控系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，质子重离子医疗设备超导二极铁快速励磁测试装置示意图，包括低温杜瓦罐(1)、真空系统(2)、制冷机组(3)、外部液氮容器(4)、外部液氦容器(5)、液氦储罐(6)、超导二极铁(7)、温度传感器(8)、电源及失超保护系统(9)、监控系统(10)。

所述低温杜瓦罐(1)与真空系统(2)、制冷机组(3)、外部液氮容器(4)、相连接，所述液氦储罐(6)安装在低温杜瓦罐(1)内，分别与外部液氮容器(5)、超导二极铁(7)相连接，所述超导二极铁(7)安装在低温杜瓦罐(1)内，分别与电源及失超保护系统(9)、监控系统(10)相连接，所述温度传感器(8)安装在超导二极铁(7)各部分，与监控系统(10)连接，所述监控系统(10)分别与真空系统(2)中真空规、液氦储罐(6)中液位计、电源及失超保护系统(9)中超导磁体电源相连接。

所述低温杜瓦罐(1)为超导二极铁(7)提供一个绝热、密封、耐超低温的容器。

所述真空系统(2)，包括复合分子泵、机械泵、真空规，其中复合分子泵和机械泵与低温杜瓦罐(1)密封连接，对低温杜瓦罐(1)内进行抽气而获得真空，其中真空规安装在真空管上，用于监测低温杜瓦罐(1)内的真空度，与监控系统(10)相连接，上传真空度数据信息到监控系统(10)。

所述制冷机组(3)，包括制冷机和制冷机压缩机组，将低温杜瓦罐(1)内的热量转移给环境介质从而获得冷量，制冷的温度范围通常在120K以上。

所述外部液氮容器(4)，包括液氮阀和输液管，通过输液管把液氮注入低温杜瓦罐(1)内，使超导二极铁(7)快速降温度，制冷的温度范围通常在77K以上。

所述外部液氦容器(5)，包括液氦阀和输液管，通过输液管把液氦注入液氦储罐(6)，使超导二极铁(7)快速降温度，将低温杜瓦罐(1)及磁体的温度最终降到4.2K，即超导二极铁(7)的运行温度。

所述液氦储罐(6)，包括储罐和液位计，其中储罐通过支撑件安装在低温杜瓦罐(1)内，为超导二极铁(7)提供稳定液氦，其中液位计安装在储罐内，监测液氦的液位，与监控系统(10)连接，上传液位数据信息到监控系统(10)。

所述超导二极铁(7)，包括超导磁体线圈、超导引线端，其中超导磁体线圈通过支撑件安装在低温杜瓦罐(1)内，与超导引线端连接，其中超导引线端与低温杜瓦罐(1)密封连接并引出到罐外，与电源及失超保护系统(9)中的超导磁体电源输出端及泄能电阻连接，为超导二极铁(7)输入励磁电流及失超保护，其中超导引线端与监控系统(10)连接，监测超导二极铁(7)端电压，上传端电压数据信息到监控系统(10)，超过设置的电压后，监控系统(10)显示失超报警状态，并向超导磁体电源输出失超保护信号。

所述温度传感器(8)安装在超导二极铁(7)各部分，监测超导磁体线圈内部温度，与监控系统(10)连接，上传温度数据信息到监控系统(10)，超过设置的温度后，监控系统(10)会显示失超报警状态，并向超导磁体电源输出失超保护信号。

所述电源及失超保护系统(9)，包括超导磁体电源、泄能电阻，其中超导磁体电源与监控系统(10)相连接，上传超导磁体电源状态信息，接收监控系统(10)遥控控制，为超导二极铁(7)提供励磁电流，接收控制指令完成励磁和退磁操作，并接受监控系统(10)发出的超导磁体失超指令，其中超导磁体电源与超导二极铁(7)引线端相连接，为超导磁体提供励磁电流，其中泄能电阻与超导磁体电源、超导二极铁(7)引线端相连接，泄能电阻在失超保护中快速的泄放超导线圈的能量，与超导磁体电源一起完成失超保护，保护超导磁体线圈。

所述监控系统(10)，分别接收超导磁体电源状态信息、杜瓦罐内真空度、杜瓦罐内液氦液位、超导线圈温度信号、超导引线端电压，监控系统(10)的控制单元对各参数阀值进行设置，在各参数在阀值范围内，监控系统(10)显示系统状态正常，输出相应的故障指示信号和电流控制信号，包括电流的幅值、电流励磁时间，实现超导二极铁(7)励磁测试，并在监控屏显示各参数的运行状态，形成相应的数据曲线，当各参数超过阀值，输出相应的故障指示信号，电源及失超保护系统(9)会自动执行保护操作，并在监控屏显示系统各部分的状态和故障信息。

整个装置的测试工作过程包括：抽真空，降温，测试，回温等步骤，具体如下：首先通过真空阀，利用真空分子泵对低温杜瓦罐抽真空至10^-3Pa；将制冷机过来的液氦慢慢提升到待测阀门的最大压力和流量。开启制冷机组，开始对低温杜瓦罐降温；温度降至120K时，打开充液氮阀，将液氮存储罐输送至低温杜瓦罐；温度降至77K时，关闭充液氮阀，待低温杜瓦罐中液氮完全排尽后，打开充液氦阀，将液氦存储罐输送至低温杜瓦罐内的液氦储罐，使降为4.2K；监控系统监测装置各部分满足测试要求，监控系统向超导磁体电源发送电流及电流变化率信号，超导磁体电源向超导二极铁输出励磁电流并将运行信息反馈监控系统，整个装置运行正常，实现超导二极铁励磁测试；待测试完成后，关闭输液阀门、制冷机组，打开旁通阀门，使得整个低温杜瓦罐自然回温。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。