最常用的传输元件有二极磁铁，开关磁铁,四极电磁透镜,六极、八极等多极磁铁,螺线管,聚束器，能散调节器等。有的束流输运系统还配置有粒子分离器、束流导向器、束流準直器或光阑、冲击磁铁、扭曲磁铁、切割磁铁、聚束磁铁以及废流收集器等专用传输元件。通常，这些元件按照其对粒子运动的作用，可以分为三大类。

①横向聚焦元件，如四极透镜和螺线管等；

②纵向变换元件，如聚束器和能散调节器等；

③偏转元件，如二极磁铁、静电偏转器和高频扫描偏转器等。这些传输元件的组合，不仅可实现束流的传输，还能根据需要改变束流的性能和参量，如束流几何形状、脉冲宽度、发散度匹配、能量解析度以及时间结构等。
二极磁铁

即偏转磁铁。在其磁场的作用下，束流中心轨道被偏转成圆弧形，如图1所示。
假设中心轨道（半径）的磁场为,则在中央平面上任一点处的场为：

式中：为场指数。

带电粒子在这种场中的运动满足克斯特－塞贝尔(Kerst-Serber)方程：

当0<<1时，束流在和两方向均聚焦。　　不同动量的粒子在偏转磁铁中通过的平衡轨道不同，此即色散效应，可用于对束流质量、电荷的选择，能量分析以及实现束流的色散匹配等。但是，有时要在一定几何空间利用全部束流，这就需要设计消色差磁铁系统。
四极透镜

束流输运系统

可以分为磁四极透镜和电四极透镜两类（如图2所示）。在四极透镜的轴线上,磁场或电场等于零。在它的有效孔径内，磁场或电场是线性分布的，即有

或

式中k和G都是常数。B_x、B_y和E_x、E_y分别是磁感应强度和电场强度在方向及方向的分量。

带电粒子在上述场中的运动(以磁四极透镜为例)满足方程：

式中：

m、e和v分别为粒子的质量、电荷和速度。

由方程可见，对一定的带电粒子来说，一个四极透镜如果在一个方向（或方向）起聚焦作用，则在另一个方向必然起散焦作用。但是，由两个极性相反的四极透镜所组成的双合透镜系统以及由三个极性交替的四极透镜所组成的三合透镜系统，可以在两个方向上同时实现聚焦，如图3所示，此外,它们还常常用来实现束流横向相空间的匹配。

由围绕着孔径均匀排列而极性互相交替的六个极组成，它的磁场同半径的平方成比例。八极磁铁、十极磁铁等同它类似。多极磁铁主要用于校正非线性效应，如修正系统的各级像差等。
　螺线管

用它产生的磁场也可用来聚焦带电粒子。但由于它的功率损耗比四极透镜高得多，故一般只限用于低能束流或者对于束流的方位角对称性颇为重要的系统里。螺线管磁场也可用于控制极化束的自旋方向。
束流聚束器

能压缩脉冲宽度，但会增加束流的能散。聚束器通常为一高频腔，利用速度调製原理来实现束流群聚。能散调节器又称散束器，其作用同聚束器相反。

它基于束流传输理论。束流为许多单粒子的集合。每一个粒子都可以用由坐标和动量构成的相空间 (,；,；,)的一个点来表示。因此，束流占有一定的相空间体积，此即发射度，由刘维定理可知，它在运动中保持不变。发射度和强度或亮度为束流的基本参量。束流强度为单位时间通过某截面的粒子数或其电荷数。打靶时则多採用束流亮度，其定义为单位时间通过单位截面的粒子数。

束流输运系统

设计束流输运系统就是根据给定了的加速器出口的束流参量，设计最佳的传输元件组合，使在靶上得到所要求的束流，并且保证整个系统在投资上比较经济，在传输过程中获得合理的束流包络。
束流输运系统的设计有矩阵法和轨迹方程法两种数值计算方法。
① 矩阵法。

根据束流传输理论，束流可用一个六维相空间椭球来描述，传输元件对束流运动的作用可以用传输矩阵运算元表示。矩阵法就是根据给定的初始束流相空间椭球，通过计算传输矩阵运算元，设计束流输运系统使得传输后的束流相空间椭球符合要求。
②轨迹方程法。

束流输运系统

採用对带电粒子在电磁场中的运动方程直接积分的方法来设计束流输运系统。积分中，各个传输元件所产生的电磁场是预先给定的，它既可以是实验测量值，也可以是数值计算结果。
大容量高速度的计算机的发展，为这两种数值计算方法提供了有利的条件。并出现一些各具特色的程式。用数值积分法求解粒子运动轨迹，比矩阵法的精度要高得多，但所需的计算量相应的要大得多。
模拟机的套用，给束流输运系统的设计和研究，提供了一个直观而方便的工具。如图4所示的束流输运小型专用模拟机，可以对四极透镜、偏转磁铁、高频加速腔等元件组成的输运系统进行模拟。它既可以模拟带电粒子的轨迹，从而得到束流包络线，还可以给出系统轴向任意位置上的束流相空间椭圆，如图5所示。
近年来，有人提出了一种图解设计法，并被发展为计入空间电荷效应的图解法。据此可以求得薄透镜近似下,腰腰传输的束流轮廓、透镜强度和位置等。同时,也可以给出束流自身空间电荷效应对于束流输运系统设计的影响及修正。

束流输运系统

肿瘤的质子治疗具有明显优于传统治疗方法的物理特性，质子的放射生物学效应与X射线相似，但质子治疗的剂量集中于质子射程附近，形成很高的Bragg峰，调节质子束能量，可使Bragg峰展宽到与肿瘤尺寸相当，对肿瘤周围正常组织的损伤大为减轻。
治疗用质子束由加速器提供。一台治疗装置通常由加速器、治疗室和束流输运系统组成。加速器提供合适能量的质子，治疗室完成肿瘤的定位与治疗。束流输运系统连线加速器和治疗室，进行束流输运和匹配，为治疗提供合适形状和大小的质子束。输运系统的设计优劣会影响最终治疗效果。上海质子治疗装置由一台射频四极场(RFO，radio—frequency quadrupole)加速器、一台漂移管直线加速器(DTL，drift-tube linac)、一台同步加速器、4个治疗室以及束流输运线组成。RFQ和DTL作为注入器，将质子加速到7 MeV以注入同步加速器。根据不同治疗需求，同步加速器将质子加速到70-250MeV并引出。2个治疗室为固定治疗室，2个为旋转支架治疗室。束流输运系统将引出束流输送到治疗室，并实现治疗要求的束斑形状，并对支架旋转带来的束斑变化进行处理。

同步加速器

质子治疗

治疗计画要求不同能量的束斑为圆形且大小可调，FWHH(=2.35 )为4-10 mm。同步环採用1/3共振慢引出方式，对束流输运线的要求很高。其在水平相空间上切削的特点，会使引出束流发射度具有非常明显的不对称性，垂直相空间中束流具有正常发射度，而水平相空间中呈棒状结构，两者相差10倍以上。束流能量改变时，引出束流的水平发射度基本上不变，而垂直方向发射度随能量上升而不断减小。要保持束斑形状不变，靶点垂直 函式变化比例就会很大。因此，一套结构紧凑、布局合理、调节灵活、易于扩展的束流输运线，对质子治疗装置功能的实现有重要意义。

同步环

神龙 l 号直线感应加速器由注入器输运段、 加速段、 聚焦段等 3 个部分组成。 整个束传输线从阴极发
射面算起到轫致辐射靶结束， 全长约 48m，其间数千安培的强流脉冲电子束经过约170mm的二极体加速区， 电子能量达到约 3.6MeV ， 再经过 4.5 m的无加速场漂移区到达注入器 出口， 随后进入到长 38.5m的加速段， 在加速段 出口时电子能量不低于 18 MeV ； 然后进入到长约3.8m的无加速漂移段 ， 经过调整后通过两级磁透镜的聚焦将 电子束聚焦到轫致辐射靶上产生 x 射线。整个束传输线使用了100多个螺线管线圈(包括两个磁透镜)约束 电子束的横向发散，100多对二极校正线圈调校束流的偏心， 近 20 个线上的束流探测器( BPM )监测输运过程中束流的强度和位置。

强流脉冲电子束

束流探测器

神龙 l 号直线感应加速器束流输运系统的研製包含螺线管聚焦线圈、 二极校正线圈、 多功能腔等关键单元部件的设计和研製工艺。 螺线管线圈研製的关键点在于控制其磁轴倾斜範围不超过一l ～l m rad。 二极校正线圈的引入可 以进一步减小聚焦线圈的磁轴倾斜 ， 并对束心位置有一定的调整作用。

自主设计的多功能腔具有如下特点：

(1)保持束输运磁场的连续性；

(2)方便进行磁轴对中，保证磁轴与几何轴的高精度合一；
(3)能外接高真空机组；

(4)低Q值和低横向阻抗；

(5)带有束流探测器，方便进行束流诊断；

(6)维修拆卸节点，与加速腔之间实现 “ 软连线 ”。

它替代 了以前的波纹管连线方式， 不仅简化 了结构， 更重要的是提高了加速器的性能。在注入器的调试中， 主要依靠实验手段来配置输运磁场： 而在后加速段， 按照理论分析、 近似计算和数值模拟分别给出的磁场参数及其沿轴线的变化趋势， 对加速段的磁场採用所谓 “ 逆向” 配置法， 就是在加速器的末端载入最强的传输磁场， 该处的轴向磁场强度以近似计算值为参考， 然后按照数值模拟结果沿上游逐级递减， 到达与注入器的衔接处， 通过该处的多功能腔实现传输磁场的平稳过渡 。