用于强子治疗的新型CCT超导磁体制造技术研究

《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》：Fabrication of a straight canted cosine-theta prototype magnet for hadron therapy

本文报道了欧洲IFAST项目团队在强子治疗用CCT超导磁体制造方面的突破性进展。研究人员针对传统旋转机架系统体积庞大、成本高昂的问题，开发了一种结合弯曲和聚焦功能的直型CCT磁体原型。该研究通过系统性的电磁力学模拟、绕线工艺优化、接头创新设计和蜡浸渍工艺验证，成功建立了可靠的制造方案，为紧凑型粒子治疗装置的发展奠定了关键技术基础。

　　

在当今肿瘤治疗领域，粒子束治疗特别是碳离子等重离子治疗，以其精准的靶向性显著降低了对周围健康组织的损伤，展现出巨大优势。然而，这种先进治疗方式的广泛应用却受制于庞大的加速器系统，尤其是需要多角度照射时使用的旋转机架（gantry）。传统机架因使用常规磁体而体积巨大、造价昂贵，成为制约粒子治疗普及的关键瓶颈。

超导磁体技术为这一难题提供了突破方向。由欧盟IFAST项目资助，来自西班牙能源环境技术研究中心（CIEMAT）、意大利国家核物理研究所（INFN）、欧洲核子研究中心（CERN）等机构的研究团队，聚焦于Canted Cosine Theta（CCT）这一创新磁体结构，开展了一项具有重要应用前景的研发工作。他们的研究成果以"Fabrication of a straight canted cosine-theta prototype magnet for hadron therapy"为题，正式发表于《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》。

该研究团队致力于开发一种长1米、孔径80毫米、中心磁场4 T、同时具备5 T/m四极场分量的直型组合功能CCT磁体原型。与传统的余弦塞塔（cosine theta）磁体不同，CCT结构的独特优势在于每个线匝的洛伦兹力（Lorentz force）能够独立支撑，避免了力的累积效应，但同时也对线圈支撑结构的刚度提出了更高要求。

为攻克制造难题，研究人员采用了一套系统化的工程技术方法：首先通过ANSYS和COMSOL进行电磁力学耦合模拟，预测磁体在低温和励磁条件下的应力和变形；其次利用铜缆和缩比模型进行绕线工艺测试，优化了包括线缆导向、定位夹持和层间过渡等关键步骤；针对由7根NbTi超导线围绕中心铜线绞合而成的特殊缆材，开发了低电阻、小体积的手握手（hand-shake）接头技术；最后创新性地采用蜡浸渍工艺替代传统的环氧树脂，通过控制凝固温度梯度确保填充完整性。

ELECTROMECHANICAL MODEL

研究人员建立了包含线圈、骨架和沟槽的完整有限元模型，重点分析了摩擦接触条件下的力学行为。模拟结果显示，在冷却至工作温度和通入1540 A额定电流后，线圈的应力和位移分布均处于安全范围内。CCT结构成功避免了应力集中问题，验证了其力学设计的合理性。通过RAT软件进一步评估了变形对磁场质量的影响，发现直到10阶谐波的多极子变化均保持在可接受水平，证明了磁体在真实工作条件下仍能保持优异的磁场性能。

WINDING TESTS

为降低实际制造风险，团队首先使用铜缆和缩比骨架进行了全面的绕线测试。测试中采用了与实际超导磁体相同的绕线机、线轴支架和操作工具，重点优化了14根电缆同时引导入槽的工艺。通过使用聚甲醛（POM）低摩擦导向件和定制夹具，确保了复杂空间轨迹下的精确布线。双层的聚酯编织绝缘层被证明能有效保护电缆在复杂几何形状的沟槽中免受损伤。层间过渡部分通过3D打印制造，绝缘包裹采用玻璃纤维织物和预先切割的聚酰亚胺层组合方案。

SPLICES TESTING

接头性能是影响磁体整体性能的关键因素之一。由于14根电缆采用串联连接，电流将依次通过13个接头，任何额外的电阻都会产生局部热负荷。研究人员开发了一套精密的焊接工艺：先对每根电缆进行预镀锡（pre-tinning）处理，使用共晶AgSn箔在221°C的模具中完成；然后将两根电缆以"手握手"方式排列，加入铜板增强机械强度和热均匀性，在模具中完成最终焊接。这种方案不仅实现了低电阻连接，还保证了接头尺寸的精确性，为磁体连接盒内的紧凑布置创造了条件。

ASSEMBLY AND IMPREGNATION

磁体的最终组装和浸渍过程经过精心设计。完成绕线的磁体从水平位置通过专用工装安全翻转至垂直位置，安装上部储蜡罐并完成所有接头焊接后，进行蜡浸渍处理。与传统的环氧树脂浸渍不同，该研究选择石蜡作为浸渍材料，通过控制外部加热和强制空气冷却产生的温度梯度，确保液态蜡能够持续补充因相变体积收缩产生的空隙，从而避免气泡和缺陷的形成。这种蜡浸渍技术在先前的研究中已显示出对CCT磁体的良好适应性。

CONCLUSIONS AND NEXT STEPS

本研究系统性地建立了一套完整的直型CCT超导磁体制造方案，涵盖了从电磁设计、力学分析到关键工艺验证的全过程。通过缩比模型测试和工艺优化，显著降低了实际制造风险，为后续全尺寸磁体的建造奠定了坚实基础。该研究成果不仅推动了CCT磁体技术在粒子治疗领域的应用，也为小型化加速器系统的发展提供了重要的技术支撑。研究团队强调，制造过程中的许多细节必须串行处理，如前道工序的完成情况直接影响后续工装的设计修改，这种系统化 approach 是确保项目成功的关键。

这项工作的意义在于它为解决粒子治疗装置大型化、高成本的传统难题提供了一条切实可行的技术路径。通过CCT磁体实现的组合功能（同时提供偏转和聚焦）和紧凑化设计，有望显著降低旋转机架的尺寸、复杂性和造价，从而促进先进粒子治疗技术的更广泛应用。该制造方案的成熟也为未来开发更复杂、更高性能的超导磁体系统积累了宝贵经验。