基于电机原理的重离子扫描装置

重离子治癌已经成为当今医学领域的热点，与常规放射线相比，重离子用于治癌时具有明显的优势。如何提高治癌中旋转扫描装置的均匀性并进一步提高束流均匀性是当今重离子治癌要解决的难点问题。本项目主要针对重离子旋转扫描装置的静态、动态磁场特性等一系列亟待解决的科学技术问题展开相关的应用基础研究。主要内容包括旋转扫描磁铁内磁场强度的提高手段研究；磁场强度的均匀性优化与提高研究；磁场转速实时控制研究；扫描磁铁内磁场精确测量研究。运用先进的计算软件OPERA等对磁体的磁场、力热等性能进行分析，设计并优化合理的磁体结构，满足重离子旋转扫描装置的要求；磁场的优化设计与测量研究相结合，探索磁场强度及其均匀性的优化新方法；建立一套适合于旋转扫描磁铁内磁场的转速实时控制的新手段。为我国重离子治癌扫描装置自主设计提供相关的应用基础研究。并通过该青年基金的申报，可以凝聚一批年青骨干力量，形成一支富有朝气的高水平研发团队。

按照计划进行旋转扫描磁铁样机的调研，完成了旋转扫描磁铁的设计及加工，并为旋转扫描磁铁配置了变频器交流电源，最后通过对旋转扫描磁铁进行加电励磁，进行了初步测试。在设计阶段，考虑了磁场的旋转形式、线圈的绕线形式和加工方式。通过尝试多种模型，如电机定子型，双向校正磁铁型等，并通过OPERA进行磁场的瞬态分析，分析结果显示磁场都可以旋转。另外计算发现磁场的均匀度与磁铁的槽数、气隙有很大的关系，通过对比最终选择两极三相二十四槽形式。由于旋转扫描磁铁需要采用叠片磁铁，加工工艺复杂，在设计及加工期间对磁铁的绕线方式及铁芯的装配方式做了特殊的规划。加工中，由于线圈直接绕制在磁轭上，磁铁采用了竖放的方式。考虑到线圈电感及电阻热功率等因素，通过采用中空铜线绕制并通水来满足各种目的。测试中，需要三相交流变频器电源加电励磁，先采用高斯计及指南针进行初步测量，在测量过程中发现磁针在磁铁的端部可以旋转，但在内部磁针旋转幅度非常小。高斯计测量发现磁场较小且没有正负交替的磁场产生，与计算值有一定差距，有待后续进一步的调试。