HSC加速器的初步大功率加速实验

卢 亮，Toshiyuki HATTORI，赵环昱，何 源，孙良亭，赵红卫

（1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.日本放射线医学综合研究所，日本 千叶 263-8555）

发达国家正常人口死亡率的三分之一是由癌症引起的，而中国目前每6 min就有一个人被确诊为癌症，未来10～20年将会是我国癌症的高发期［1］。因此大力普及癌症治疗设施，特别是治疗效果显著、副作用极小的重离子癌症治疗设施是目前的迫切任务。

近年来用粒子线治疗癌症的方法开始盛行并受到全世界的关注。但目前运行中以及计划建设中的重离子癌症治疗设施都有以下缺点：1）设施都非常巨大，并且都要花费高额的建设费用。例如日本的千叶重离子医疗加速器（HIMAC）是目前世界上最先进的癌症治疗设施之一，已有7 000多例（2012年数据）成功的癌症治疗案例，其综合建设费用为444亿日元，建设面积为2 960 m2，其中直线注入器长约35m，如此大的设施很难引进到目前的一般医院［2］。世界先进的、已投入运行的日本第2代普及型群马重离子癌症治疗设施（GHMC）的直线注入器也长达8 m［3］。2）这些设施的重离子注入机制都较复杂、注入效率较低。目前的重离子癌症治疗设施包括：产生C4＋粒子的电子回旋共振（ECR）离子源、加速C4＋到6～8 MeV／u的直线加速器、转换C4＋粒子到C6＋粒子的碳素电子剥离膜系统，以及加速C6＋粒子到350～400 MeV／u的环状同步加速器［4］。而基于C4＋的ECR 离子源在一个周期内难以产生足够的治疗所需的粒子数，这就要求经过碳素电子剥离膜后的C6＋粒子注入到环状同步加速器时必须采用复杂的多圈注入方式，才能满足治疗所需的粒子数。这些多圈注入的设计要求都使得现有的重离子癌症治疗设施耗资巨大、设备复杂、难以普及到普通医院。

1 研究介绍

本研究是以研发紧凑型重离子癌症治疗注入器为目的，而进行混合单腔（HSC）型加速器的开发研究。这是一种将射频四极（RFQ）型和漂移管DT 型两种加速极结构合并到一个IH 型加速腔，能加速大强度C6＋粒子的新型加速器。这种新型结构的加速器具有以下优点：1）IH 型腔体结构因为使用的是TE111共振模式，所以腔体本身具有TE111模式固有的低功耗、高加速梯度；2）与传统的单腔单一结构的注入器相比，HSC能将各加速器原本必备的高频率电源等外围设施统一起来，节省大量外围空间，使其在有限的空间，如一般医院等也能适用；3）因所有的核心部件均采用数控机床（NC）一体切割制造法，使得整个加速腔体的装配简洁、几乎无需准直，大幅节省了工期；4）因大面积采用一体切割制造法，使得核心部件的冷却效果高于采用传统制造法的结构，从而使得腔体能够连续波运行［5-6］。

采用等离子体直接注入法（DPIS）的HSC可直接加速大强度的C6＋粒子束流，一次注入的粒子数完全能满足癌症治疗所需的粒子数（108～109个粒子），因此使得现有重离子癌症治疗设施采用的剥离膜系统，以及复杂的多圈注入系统均可省去，能在很大程度上简化现有的重离子癌症治疗设施。

2 HSC腔的设计和低功率测试

HSC腔的核心部件包括1个4杆型RFQ、1个16个加速单元的DT，以及RFQ 和DT 之间作过渡的接地漂移管（GBP）。其中DT 采用交互相位聚束（APF）方式。为使整个腔体的长度小于2m，设计时故意牺牲了低能段的RFQ传输效率，使之仅为65.4%，而DT 出口的传输效率也仅设计为DT 入口（RFQ 出口）的45.7%，整个HSC腔的出口束流强度为5.98mA。HSC腔的具体设计参数如表1所列。

表1 HSC腔的设计参数Table 1 Designed parameters of HSC cavity

HSC腔体的低功率测试是为了测试腔体的高频特性和腔体的轴上场分布。腔体的低功率测试结果显示，腔体的谐振频率为100.49 MHz，与设计值有0.5%的误差；腔体的性能因子Q0达到了设计值的95%，显示了一体加工技术的进步和成熟［6］。图1为HSC 型加速器的内部结构示意图和组装后的腔体内部结构。

图1 HSC型加速器内部结构示意图（a）和组装后的腔体内部照片（b）Fig.1 Inner structure scheme of HSC linac（a）and inner image of real machine（b）

腔体的场分布测量采用小球微扰法。采用的小球直径分别为3.17、4.5、8 mm。图2 为使用小球直径为3.17 mm 的微扰体得到的HSC腔体的归一化场分布。从图2可看出，测得的DT 一侧的场分布基本与模拟计算的场分布一致，仅在第5个加速间隙约有5%的误差，这是因为第5个加速单元受到APF 相位的影响（＋30°～-30°）而长度最短，从而使微扰体受到较经过其他加速单元时更大的影响而产生较大误差，同样的现象以前也曾出现过［6］。而RFQ 一侧的场分布则与模拟计算结果一致，均随着调制线的增大而增大，增大幅度也基本一致［4］。3.17mm 的微扰体清晰准确地测得了RFQ 调制线所特有的径向匹配、聚束、加速结构以及附加出口匹配结构［6］。

图2 使用微扰法测得的HSC腔的场分布Fig.2 Electric field distribution of HSC cavity by perturbation method

根据HSC 的低功率测试结果，可算出HSC腔体的分路阻抗为104 MΩ／m，远高于同能量领域的RFQ 腔，但低于同能量领域的IH型腔［4］。

3 HSC腔的初步大功率测试结果

图3为HSC 腔的实验平台。该实验平台于2014年5月底搭建完成，并完成了腔体烤机和初步的大功率测试。实验平台使用近代物理研究所现有的250kW 功率源，一周之内完成了165kW、1ms的脉冲烤机，满足了大功率实验的要求。实验采用的激光离子源使用的是3J激光器，激光轰击碳靶时的能量为1.9J，为HSC提供了足量C6＋粒子。测量束流流强的法拉第筒（FC）是普通的法拉第筒，不具备精确测量束流时间以及拦阻电子、其他离子和噪声的能力。

图3 HSC腔大功率实验平台Fig.3 High RF power test platform of HSC cavity

图4为在27kW 和107kW 的馈入功率时由腔体出口的FC1 上测得的加速后的H＋和C6＋束流信号。从图4可看出，加速后的C6＋束流信号和H＋束流信号到达FC1 的时间均为4.6ms，这与设计以及计算出的2keV／u的等离子速度一致。图4 中，加速后的H＋束较加速后的C6＋束的脉宽窄，说明C6＋束的发散度较H＋束的发散度大，而且，加速H＋束时未被加速的粒子较加速C6＋束时未被加速的粒子多，这与理论一致。从图4还可看出，被加速的C6＋束只有4.2mA，这是因为加引出高压和高频时，腔体和等离子体管道之间的放电使等离子体的注入管道后退了12mm，降低了C6＋粒子的注入强度，实际注入的C6＋粒子束流流强要小于设计值的20mA。从加速后的H＋束有3.4mA 的事实来看，HSC腔体有加速6.8mA C6＋束流的能力。

图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 结束语

目前HSC 实验平台有相当于1mA 束流大的噪声，加上HSC 加速器出口的横向发散设计，使得分析磁铁后的束流分析变得极为困难。接下来会考虑在目前的实验平台上加聚束束流的电磁铁，或测量微束流的半导体检出器等元件，以期得到更多更好的实验结果。

［1］ 钱炜.中国癌症近年来高发：每6分钟就有一人被确诊［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.