盧 亮，Toshiyuki HATTORI，趙環(huán)昱，何 源，孫良亭，趙紅衛(wèi)

（1.中國(guó)科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.日本放射線醫(yī)學(xué)綜合研究所，日本 千葉 263-8555）

發(fā)達(dá)國(guó)家正常人口死亡率的三分之一是由癌癥引起的，而中國(guó)目前每6 min就有一個(gè)人被確診為癌癥，未來(lái)10～20年將會(huì)是我國(guó)癌癥的高發(fā)期［1］。因此大力普及癌癥治療設(shè)施，特別是治療效果顯著、副作用極小的重離子癌癥治療設(shè)施是目前的迫切任務(wù)。

近年來(lái)用粒子線治療癌癥的方法開(kāi)始盛行并受到全世界的關(guān)注。但目前運(yùn)行中以及計(jì)劃建設(shè)中的重離子癌癥治療設(shè)施都有以下缺點(diǎn)：1）設(shè)施都非常巨大，并且都要花費(fèi)高額的建設(shè)費(fèi)用。例如日本的千葉重離子醫(yī)療加速器（HIMAC）是目前世界上最先進(jìn)的癌癥治療設(shè)施之一，已有7 000多例（2012年數(shù)據(jù)）成功的癌癥治療案例，其綜合建設(shè)費(fèi)用為444億日元，建設(shè)面積為2 960 m2，其中直線注入器長(zhǎng)約35m，如此大的設(shè)施很難引進(jìn)到目前的一般醫(yī)院［2］。世界先進(jìn)的、已投入運(yùn)行的日本第2代普及型群馬重離子癌癥治療設(shè)施（GHMC）的直線注入器也長(zhǎng)達(dá)8 m［3］。2）這些設(shè)施的重離子注入機(jī)制都較復(fù)雜、注入效率較低。目前的重離子癌癥治療設(shè)施包括：產(chǎn)生C4＋粒子的電子回旋共振（ECR）離子源、加速C4＋到6～8 MeV／u的直線加速器、轉(zhuǎn)換C4＋粒子到C6＋粒子的碳素電子剝離膜系統(tǒng)，以及加速C6＋粒子到350～400 MeV／u的環(huán)狀同步加速器［4］。而基于C4＋的ECR 離子源在一個(gè)周期內(nèi)難以產(chǎn)生足夠的治療所需的粒子數(shù)，這就要求經(jīng)過(guò)碳素電子剝離膜后的C6＋粒子注入到環(huán)狀同步加速器時(shí)必須采用復(fù)雜的多圈注入方式，才能滿足治療所需的粒子數(shù)。這些多圈注入的設(shè)計(jì)要求都使得現(xiàn)有的重離子癌癥治療設(shè)施耗資巨大、設(shè)備復(fù)雜、難以普及到普通醫(yī)院。

1 研究介紹

本研究是以研發(fā)緊湊型重離子癌癥治療注入器為目的，而進(jìn)行混合單腔（HSC）型加速器的開(kāi)發(fā)研究。這是一種將射頻四極（RFQ）型和漂移管DT 型兩種加速極結(jié)構(gòu)合并到一個(gè)IH 型加速腔，能加速大強(qiáng)度C6＋粒子的新型加速器。這種新型結(jié)構(gòu)的加速器具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）IH 型腔體結(jié)構(gòu)因?yàn)槭褂玫氖荰E111共振模式，所以腔體本身具有TE111模式固有的低功耗、高加速梯度；2）與傳統(tǒng)的單腔單一結(jié)構(gòu)的注入器相比，HSC能將各加速器原本必備的高頻率電源等外圍設(shè)施統(tǒng)一起來(lái)，節(jié)省大量外圍空間，使其在有限的空間，如一般醫(yī)院等也能適用；3）因所有的核心部件均采用數(shù)控機(jī)床（NC）一體切割制造法，使得整個(gè)加速腔體的裝配簡(jiǎn)潔、幾乎無(wú)需準(zhǔn)直，大幅節(jié)省了工期；4）因大面積采用一體切割制造法，使得核心部件的冷卻效果高于采用傳統(tǒng)制造法的結(jié)構(gòu)，從而使得腔體能夠連續(xù)波運(yùn)行［5-6］。

采用等離子體直接注入法（DPIS）的HSC可直接加速大強(qiáng)度的C6＋粒子束流，一次注入的粒子數(shù)完全能滿足癌癥治療所需的粒子數(shù)（108～109個(gè)粒子），因此使得現(xiàn)有重離子癌癥治療設(shè)施采用的剝離膜系統(tǒng)，以及復(fù)雜的多圈注入系統(tǒng)均可省去，能在很大程度上簡(jiǎn)化現(xiàn)有的重離子癌癥治療設(shè)施。

2 HSC腔的設(shè)計(jì)和低功率測(cè)試

HSC腔的核心部件包括1個(gè)4桿型RFQ、1個(gè)16個(gè)加速單元的DT，以及RFQ 和DT 之間作過(guò)渡的接地漂移管（GBP）。其中DT 采用交互相位聚束（APF）方式。為使整個(gè)腔體的長(zhǎng)度小于2m，設(shè)計(jì)時(shí)故意犧牲了低能段的RFQ傳輸效率，使之僅為65.4%，而DT 出口的傳輸效率也僅設(shè)計(jì)為DT 入口（RFQ 出口）的45.7%，整個(gè)HSC腔的出口束流強(qiáng)度為5.98mA。HSC腔的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所列。

表1 HSC腔的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Designed parameters of HSC cavity

HSC腔體的低功率測(cè)試是為了測(cè)試腔體的高頻特性和腔體的軸上場(chǎng)分布。腔體的低功率測(cè)試結(jié)果顯示，腔體的諧振頻率為100.49 MHz，與設(shè)計(jì)值有0.5%的誤差；腔體的性能因子Q0達(dá)到了設(shè)計(jì)值的95%，顯示了一體加工技術(shù)的進(jìn)步和成熟［6］。圖1為HSC 型加速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和組裝后的腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1 HSC型加速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖（a）和組裝后的腔體內(nèi)部照片（b）Fig.1 Inner structure scheme of HSC linac（a）and inner image of real machine（b）

腔體的場(chǎng)分布測(cè)量采用小球微擾法。采用的小球直徑分別為3.17、4.5、8 mm。圖2 為使用小球直徑為3.17 mm 的微擾體得到的HSC腔體的歸一化場(chǎng)分布。從圖2可看出，測(cè)得的DT 一側(cè)的場(chǎng)分布基本與模擬計(jì)算的場(chǎng)分布一致，僅在第5個(gè)加速間隙約有5%的誤差，這是因?yàn)榈?個(gè)加速單元受到APF 相位的影響（＋30°～-30°）而長(zhǎng)度最短，從而使微擾體受到較經(jīng)過(guò)其他加速單元時(shí)更大的影響而產(chǎn)生較大誤差，同樣的現(xiàn)象以前也曾出現(xiàn)過(guò)［6］。而RFQ 一側(cè)的場(chǎng)分布則與模擬計(jì)算結(jié)果一致，均隨著調(diào)制線的增大而增大，增大幅度也基本一致［4］。3.17mm 的微擾體清晰準(zhǔn)確地測(cè)得了RFQ 調(diào)制線所特有的徑向匹配、聚束、加速結(jié)構(gòu)以及附加出口匹配結(jié)構(gòu)［6］。

圖2 使用微擾法測(cè)得的HSC腔的場(chǎng)分布Fig.2 Electric field distribution of HSC cavity by perturbation method

根據(jù)HSC 的低功率測(cè)試結(jié)果，可算出HSC腔體的分路阻抗為104 MΩ／m，遠(yuǎn)高于同能量領(lǐng)域的RFQ 腔，但低于同能量領(lǐng)域的IH型腔［4］。

3 HSC腔的初步大功率測(cè)試結(jié)果

圖3為HSC 腔的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)于2014年5月底搭建完成，并完成了腔體烤機(jī)和初步的大功率測(cè)試。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用近代物理研究所現(xiàn)有的250kW 功率源，一周之內(nèi)完成了165kW、1ms的脈沖烤機(jī)，滿足了大功率實(shí)驗(yàn)的要求。實(shí)驗(yàn)采用的激光離子源使用的是3J激光器，激光轟擊碳靶時(shí)的能量為1.9J，為HSC提供了足量C6＋粒子。測(cè)量束流流強(qiáng)的法拉第筒（FC）是普通的法拉第筒，不具備精確測(cè)量束流時(shí)間以及攔阻電子、其他離子和噪聲的能力。

圖3 HSC腔大功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 High RF power test platform of HSC cavity

圖4為在27kW 和107kW 的饋入功率時(shí)由腔體出口的FC1 上測(cè)得的加速后的H＋和C6＋束流信號(hào)。從圖4可看出，加速后的C6＋束流信號(hào)和H＋束流信號(hào)到達(dá)FC1 的時(shí)間均為4.6ms，這與設(shè)計(jì)以及計(jì)算出的2keV／u的等離子速度一致。圖4 中，加速后的H＋束較加速后的C6＋束的脈寬窄，說(shuō)明C6＋束的發(fā)散度較H＋束的發(fā)散度大，而且，加速H＋束時(shí)未被加速的粒子較加速C6＋束時(shí)未被加速的粒子多，這與理論一致。從圖4還可看出，被加速的C6＋束只有4.2mA，這是因?yàn)榧右龈邏汉透哳l時(shí)，腔體和等離子體管道之間的放電使等離子體的注入管道后退了12mm，降低了C6＋粒子的注入強(qiáng)度，實(shí)際注入的C6＋粒子束流流強(qiáng)要小于設(shè)計(jì)值的20mA。從加速后的H＋束有3.4mA 的事實(shí)來(lái)看，HSC腔體有加速6.8mA C6＋束流的能力。

圖4 加速后的H＋束和C6＋束的束流Fig.4 Beam currents of accelerated H＋ions and C6＋ions

4 結(jié)束語(yǔ)

目前HSC 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有相當(dāng)于1mA 束流大的噪聲，加上HSC 加速器出口的橫向發(fā)散設(shè)計(jì)，使得分析磁鐵后的束流分析變得極為困難。接下來(lái)會(huì)考慮在目前的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上加聚束束流的電磁鐵，或測(cè)量微束流的半導(dǎo)體檢出器等元件，以期得到更多更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

［1］ 錢煒.中國(guó)癌癥近年來(lái)高發(fā)：每6分鐘就有一人被確診［EB／OL］.［2014-08-16］.http：∥news.qq.com／a／20130408／001003＿all.htm.

［2］ Hosiotal［EB／OL］.［2014-07-15］.http：∥www.nirs.go.jp／ENG／core／hospital／hospital.shtml.

［3］ Process of heavy ion therapy［EB／OL］.［2014-05-14］.http：∥heavy-ion.showa.gunma-u.ac.jp／en／.

［4］ LU L，HATTORI T，SHI L，et al.Low power test of a hybrid single cavity linac［C／OL］∥Proceedings of IPAC'2014.（2014）.http：∥www.JACoW.org.

［5］ LU L，HATTORI T，HAYASHIZAKI N.Design and simulation of C6＋hybrid single cavity linac for cancer therapy with direct plasma injection scheme［J］.Nucl Instrum Methods Phys Res A，2012，688：11-21.

［6］ ITO T，LU L，ISHIBASHI T，et al.Research of hybrid single cavity linac［J］.Nucl Instrum Methods Phys Res B，2007，261：17-20.