BNCT02加速器設(shè)計及離子源調(diào)試

歐陽華甫，肖永川，曹秀霞，呂永佳，薛康佳，劉盛進，李 輝，朱仁麗，陳衛(wèi)東，傅世年

（中國科學(xué)院高能物理研究所 東莞研究部，廣東 東莞 523803）

0 引言

統(tǒng)計表明，中國每年新增的癌癥患者接近500萬人，死亡人數(shù)接近300萬人，而現(xiàn)有的治療手段，如手術(shù)、化療或普通放療對人體或有損傷或有副作用；質(zhì)子或重離子治療雖可克服常規(guī)放療的劑量毒性問題，但裝置造價及維護昂貴、體積龐大、經(jīng)濟性差，難以規(guī)?；抑委煹娜藬?shù)極為有限.基于加速器的硼中子俘獲治療（BNCT）則具有靶向精確、副作用低、適應(yīng)性廣、體積較小、費用合理和一次性解決等優(yōu)點，在我國現(xiàn)有放療設(shè)備嚴重不足的情況下，BNCT具有廣泛的市場前景.

BNCT是一種安全的二元靶向放療技術(shù)，是腦膠質(zhì)瘤、黑色素瘤的極佳治療手段，同時對復(fù)發(fā)性脖頸癌、肝轉(zhuǎn)移癌等有良好的治療響應(yīng).BNCT治療需要的中子由加速器輸出的質(zhì)子束打鋰（或鈹）靶產(chǎn)生，經(jīng)過慢化達到治療需要的能量.BNCT的成功實踐，離不開四個關(guān)鍵要素：中子源、靶向藥物、劑量系統(tǒng)和治療計劃.近年來，強流加速器技術(shù)的進步促進了基于加速器的BNCT（AB-BNCT）的快速發(fā)展，加快了BNCT的臨床治療研究［1-5］.國內(nèi)、國際都有計劃或正在開展BNCT的研究.

近年來，隨著BNCT固態(tài)鋰靶技術(shù)的進步，現(xiàn)已可采用固態(tài)鋰靶產(chǎn)生中子.固態(tài)鋰靶的采用可以降低加速器的輸出能量需求，減少加速器的造價，縮小設(shè)備的占地面積，減少背景的輻射劑量，更加便于加速器的運行和維護.而轉(zhuǎn)動固態(tài)鋰靶的采用可進一步減少束流沉積在靶上的熱密度，增大鋰靶的熱負荷能力和減小鋰靶的水冷難度.這時，加速器只需要一臺電子回旋共振（ECR）離子源、一臺射頻四極加速器（RFQ）及必要的束流傳輸線即可.束流整形體（BSA）的中子學(xué)計算表明，當RFQ的輸出能量約為2.8 MeV、束流功率為40 kW時，中子的通量便滿足BNCT治療的要求，此時所需要治療時間約為30 min［6］.

2020年，中國科學(xué)院高能物理研究所完成了國內(nèi)首臺基于加速器的BNCT實驗裝置BNCT01.BNCT01包含一臺加速器和一個固定的固態(tài)鋰靶，BNCT01加速器則由一臺75 kV的ECR離子源、一段長度約2.5 m的低能束流傳輸線（LEBT）、一臺能量為3.5 MeV的RFQ加速器和一條長度約為10 m的高能束流傳輸線（HEBT）組成.BNCT01加速器設(shè)計的最終束流輸出功率為35 kW，即束流能量為3.5 MeV，脈沖束流強度為30 mA，平均束流強度為10 mA，束流占空比為33.3%.由于受加速器高頻系統(tǒng)速調(diào)管（已運行幾十年）輸出功率及工作占空比大小的限制，目前在這臺實驗裝置上實現(xiàn)的最大打靶束流功率為10 kW.該實驗裝置已經(jīng)面向用戶開放，進行了包括含硼藥物、細胞及荷瘤小鼠等實驗，取得了不錯的實驗效果.

1 BNCT02加速器設(shè)計

BNCT02將安裝在東莞人民醫(yī)院，用于先期臨床治療實驗.因此，它必須符合中國食品藥品監(jiān)督管理局（CFAD）的醫(yī)療器械安全性和有效性的要求.同時，作為醫(yī)療設(shè)備，其運行的可靠性、穩(wěn)定性、易運行性和易維護性也是設(shè)計優(yōu)先考慮的因素.因為追求的最終目標是設(shè)備的商品化，設(shè)計時還需考慮設(shè)備的性價比和外觀等因素.與BNCT01相同，仍采用固態(tài)鋰靶，因BNCT02設(shè)計的束流功率更大，將采用轉(zhuǎn)動的固態(tài)鋰靶.BNCT02位于東莞人民醫(yī)院BNCT治療中心的二樓，整體布局如圖1所示，包括ECR離子源一臺、低能束流傳輸線一條、RFQ加速器一臺以及高能束流傳輸線三條.其中，左右兩條高能束流傳輸線分別通往兩個水平治療室，束流通過位于傳輸線中心的開關(guān)二極磁鐵進行切換.中間的束流傳輸線初期用于加速器的束流調(diào)試，將來可升級為垂直治療室的束流傳輸線，治療將交替在各個治療室間進行.

圖1 BNCT02整體布局圖

因為RFQ是加速器的唯一加速結(jié)構(gòu)，加速器的輸出能量也即RFQ的輸出能量.RFQ主要設(shè)計參數(shù)如表1所示，RFQ加速器的輸出能量設(shè)計為2.787 MeV，脈沖束流強度為25 mA，平均束流強度為20 mA，平均束流功率達到55.74 kW.加速器運行模式為脈沖模式，加速器設(shè)計為高重復(fù)頻率模式運行，束流占空比為80%.ECR離子源設(shè)計的輸出能量為35 keV、輸出脈沖束流強度為30 mA、均方根發(fā)射度須小于0.2 πmm·mrad.RFQ的工作頻率選擇為180 MHz，該工作頻率兼顧了RFQ加速器長度小于5 000 mm（加工制造難度）、RFQ腔體功率損耗及束流負載總功率需求小于200 kW（固態(tài)功率源造價）的要求.

表1 RFQ主要設(shè)計參數(shù)

2 BNCT02 ECR離子源設(shè)計

ECR離子源是一種基于磁場中電子回旋共振、微波加熱電離的磁約束等離子體裝置.離子源提供BNCT加速器所需要的質(zhì)子束，質(zhì)子束經(jīng)過加速器加速、打靶產(chǎn)生中子，中子慢化成形后用來治病.BNCT02離子源主要設(shè)計指標為：輸出能量為35 keV，輸出脈沖流強大于25 mA，平均流強大于20 mA，束流歸一化均方根發(fā)射度小于0.2 πmm·mrad.另外，離子源可以在脈沖模式下運行，也可以在連續(xù)（CW）模式下運行，同時穩(wěn)定可靠.通過優(yōu)化離子源放電室結(jié)構(gòu)、軸向磁場分布、放電室空腔耦合、三電極引出及加速系統(tǒng)，實現(xiàn)了離子源放電起弧及引出加速的可靠性和穩(wěn)定性.

BNCT02 ECR離子源布局如圖2所示，ECR離子源中電子作回旋共振所需要的微波由工業(yè)磁控管產(chǎn)生，微波的頻率ωrf約為2.45 GHz.在實際使用中，因磁控管制造的個體差異，其頻率會有所不同，我們用到的磁控管，其產(chǎn)生的微波頻率為2.471 GHz，輸出功率為1 kW.磁控管產(chǎn)生的微波經(jīng)由環(huán)形器、三螺釘調(diào)諧器、高壓隔離波導(dǎo)、陶瓷真空窗、脊波導(dǎo)耦合進放電室.放電室的反射功率經(jīng)由環(huán)形器另一端口回到假負載.放電室放電起弧后形成穩(wěn)定的等離子體，等離子體中的質(zhì)子通過三電極引出系統(tǒng)引出，并加速至所需的能量35 keV.

圖2 BNCT02 ECR離子源布局圖

2.1 放電室的腔室設(shè)計

ECR離子源放電室采用的是矩形鋁合金腔（也可以采用圓柱體腔室），腔內(nèi)產(chǎn)生的微波電磁場模式為TE111模.為限制放電區(qū)域大小，使放電更加集中，從而增大等離子體的濃度，矩形腔內(nèi)嵌圓柱形石英玻璃.為了增大放電室空載時的微波耦合頻帶寬度，在矩形鋁合金腔與圓柱形石英玻璃之間放置了一塊氧化鋁陶瓷.圖3為放電室空載時，在脊波導(dǎo)入口處得到的單端口S11模擬曲線.從圖3可以看出，在頻率2 000~3 000 MHz范圍內(nèi)，共有兩個共振峰，其頻率分別為2 070 MHz和2 467 MHz.

圖3 放電室空載時在脊波導(dǎo)入口處的單端口S11模擬曲線

圖4為放電室空載時，在脊波導(dǎo)入口處得到的S11測量曲線.從圖4可以看出，S11曲線在頻率2~3 GHz范圍內(nèi)，也是具有兩個共振峰，頻率分別為2.093 GHz和2.471 GHz，與理論值基本一致.

圖4 放電室空載時在脊波導(dǎo)入口處的單端口S11測量曲線

2.2 放電室的軸向磁場設(shè)計

在ECR離子源放電過程中，部分電子在軸向靜態(tài)磁場的作用和約束下，在磁場中作頻率為ωce的拉莫回旋運動（當磁場強度為875 Gauss時，電子的回旋頻率ωce為2.45 GHz）.當電子的回旋頻率ωce等于微波頻率ωrf時，部分電子將受到回旋共振加熱并電離工作氣體，產(chǎn)生高溫等離子體.磁場通常由電磁鐵或永磁鐵產(chǎn)生，其各有利弊，這里不作討論.我們采用2塊永磁鐵加1塊純鐵的方案來產(chǎn)生電子回旋共振所需要的軸向磁場.圖5為磁場分布的計算值及實測值.從圖5（a）可以看出，計算得到最高磁場為1 042 Gauss，最低磁場為841 Gauss.從圖5（b）可以看出，實測得到的最高磁場為1 024 Gauss，最低磁場為871 Gauss，兩者雖有差異，但基本相符.

圖5 軸線磁場分布的計算值和實測值

2.3 引出系統(tǒng)的設(shè)計

如圖2所示，離子源引出系統(tǒng)采用三電極結(jié)構(gòu)，包括等離子體電極、抑制電極和地電極.等離子體電極電位為35 kV，抑制電極電位為-2.2 kV，地電極電位為0 V.引出系統(tǒng)的優(yōu)化原則是在保證束流包絡(luò)滿足要求的前提下，使束流的發(fā)射度盡可能地小.圖6給出了束流能量為35 keV、束流強度為44 mA、空間電荷中和95%時，引出系統(tǒng)下游660 mm處發(fā)射度的分布.從圖6可以看出，發(fā)射度的大小為0.041 πmm·mrad，束流的包絡(luò)（半徑）為32 mm.

圖6 束流能量為35 keV、束流強度為44 mA、空間電荷中和95%時，引出系統(tǒng)下游660 mm處發(fā)射度的分布

3 BNCT02 ECR離子源測試臺

BNCT02離子源測試臺結(jié)構(gòu)布局圖及實物照片如圖7所示.BNCT02離子源測試臺包含了ECR離子源的全部組件，還包含低能傳輸線（LEBT）除螺線管及導(dǎo)向鐵外其余組件，如真空腔、束流變壓器（CT）、法拉第桶及非在線發(fā)射度測量儀.

圖7 BNCT02離子源測試臺結(jié)構(gòu)布局圖及實物照片

盡管國內(nèi)外ECR離子源技術(shù)非常成熟，有很多經(jīng)驗可以借鑒和查閱［7-9］，但這卻是我們第一次研制ECR離子源，有很多技術(shù)細節(jié)需要通過實驗來摸索.在ECR離子源研制和調(diào)試過程中，我們先后遇到了放電室空腔耦合、磁控管輸出微波頻率、磁場分布、引出系統(tǒng)潘寧放電、脊波導(dǎo)真空及高壓絕緣等問題，但都逐一被解決了.目前，在測試臺上所得到的束流參數(shù)包括束流能量、束流強度、束流占空比、束流發(fā)射度、離子源的穩(wěn)定性和可靠性等都基本滿足BNCT的要求.

該離子源能夠在脈沖或CW模式下出束運行，同時脈沖模式運行時，可以在不同束流占空比下進行在線隨意切換，但不同占空比下的束流強度會有所不同.在束流調(diào)試過程中，既進行了重復(fù)頻率1 Hz，束流脈寬100μs較低束流占空比脈沖出束，也進行了重復(fù)頻率200 Hz，束流脈寬4 ms高束流占空比脈沖出束.由于放電室空載時的駐波比小于2，微波傳輸效率約為90%.在實驗中，即便是在很低的束流占空比情況下，離子源也能穩(wěn)定起弧.而這種可得性作為醫(yī)療裝置是非常重要的.在離子源的調(diào)試實驗中，對離子源放電室內(nèi)嵌石英玻璃的厚度、放電室內(nèi)置陶瓷的種類及大小、引出系統(tǒng)的三電極的孔徑及間距、永磁鐵與純鐵之間的間距等都進行了不斷優(yōu)化.在最終的脈沖出束過程中，得到的最大脈沖束流強度約為40.17 mA.此時的束流重復(fù)頻率為200 Hz，脈沖寬度為2 ms，束流占空比為40%.如圖8示波器1通道曲線所示.

圖8 ECR離子源輸出流強CT波形（1通道）

在低占空比的情況下，采用雙縫發(fā)射度測量儀對束流的發(fā)射度進行了測量.之所以在低占空比下進行發(fā)射度的測量，是因為雙縫發(fā)射度測量儀是一種束流攔截式的測量儀器，雙縫發(fā)射度測量儀的第一縫板攔截了幾乎所有的束流，而第一縫板的水冷能力非常有限，不能承受高占空比束流功率帶來的熱載.發(fā)射度測量是在束流重復(fù)頻率為5 Hz，束流脈寬為300μs，束流占空比為0.15%的情況下進行的.由于占空比非常低，此時的束流強度只有18 mA.由于離子源是軸向旋轉(zhuǎn)對稱的，只對X方向進行了測量，測量結(jié)果如圖9所示.束流的歸一化均方根發(fā)射度約為0.197 πmm·mrad，基本滿足BNCT02 RFQ接收度的要求.

圖9 離子源束流X方向發(fā)射度測量結(jié)果

在完成ECR離子源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、束流調(diào)試和束流測量后，進行了離子源的48 h穩(wěn)定性運行測試.測試是在束流重復(fù)頻率為200 Hz、束流脈寬為4 ms、束流占空比為80%的情況下進行的.圖10中底部區(qū)域（meas2）顯示的曲線是束流的平均束流強度，束流強度大于20 mA.從圖10的平均束流強度曲線可以看出，束流48 h無中斷，離子源48 h穩(wěn)定運行無故障.

圖10 對BNCT02離子源進行了48 h穩(wěn)定性測試，離子源48 h穩(wěn)定運行無故障

4 結(jié)語

文章介紹了BNCT02加速器的設(shè)計，給出了唯一的加速結(jié)構(gòu)RFQ加速器的主要設(shè)計參數(shù)；重點介紹了BNCT02 ECR離子源的設(shè)計、研制和調(diào)試.在離子源的調(diào)試過程中遇到和解決了一系列問題，最后，在該離子源上已成功引出能量為35 keV，最大脈沖束流強度約40 mA及平均束流強度大于20 mA束流.束流的歸一化均方根（rms）發(fā)射度小于0.2 πmm·mrad，同時實現(xiàn)了離子源的48 h穩(wěn)定無故障運行，離子源束流參數(shù)及穩(wěn)定性滿足BNCT02要求.