潘宁质子源测试平台磁位形研究

陈俞钱， 苏国建， 张怀强， 赵玉杰， 宋方茹

(1. 东华理工大学 核科学与工程学院，江西 南昌 330013; 2. 东华理工大学 化学生物与材料科学学院，江西 南昌 330013)

质子作为带正电荷的粒子，不仅在质谱技术中应用广泛(杨水平等，2010)，而且在医学领域中的作用也越来越受到重视。作为核技术在医学领域的重要应用，回旋加速器装置用于质子治疗的技术已经得到广泛认可，如通过加速器产生的高能质子射线来治疗肿瘤。随着中国经济的发展，国内已有多家科研单位和机构正在规划和建设回旋加速器质子治疗装置(王岚等，2016)，这是近几年质子重离子肿瘤放疗装备得到快速发展的原因之一。根据质子中国(2020)统计，目前我国质子重离子治疗项目70个，其中已运营项目5个，在建项目25个，拟建项目40个。质子源是回旋加速器中最关键的部件，其产生质子的方式、质子束流强度、使用寿命等，在一定程度上决定了回旋加速器的性能和后端治疗效果。目前，回旋加速器质子治疗系统普遍采用PIG质子源(Busold et al.,2016；Cailliau et al.,2016；Schippers et al.,2007)，此类质子源测试成本高、维护成本更高，开展低成本PIG质子源的相关研究势在必行。通过调研国内外类似质子源的测试平台结构(Busold et al., 2016；Cailliau et al., 2016)，发现大多数测试平台与小尺寸的回旋加速器主机相当，系统结构复杂、运行成本高、安装维护不易且研制周期长。

为了在安装空间、质子束注入角度和注入强度调节上发挥强大优势，采用PIG质子源作为超导紧凑型的回旋加速器质子注入源。为了更好地匹配工作参数和缩短加速器的研制周期，质子源需要在测试平台进行参数匹配(锻炼)后使用，质子源锻炼的关键在于目标区磁感应强度大小，由此需要设计和测试验证可进行质子源锻炼的磁场平台。通电螺线线圈可在线圈轴向产生磁场，根据磁力线是封闭曲线的原理，其可“穿过”磁性铁材料，基于此组成的“磁回路”可产生轴向的磁场，即可进行质子源测试。测试平台上调节通电线圈电流，利用高斯计测量目标区磁感应强度大小，直至高斯计测量的目标区磁感应强度为0.8 T，即验证设计的测试平台满足质子源正常运行。回旋加速器质子源在治疗中属于易损耗件，需要定期更换。为了缩短回旋加速器的维护时间，质子源的锻炼十分重要，质子源测试平台在回旋加速器的研制中不可或缺，其为解决质子源的可靠运行提供了技术保障。为了研究回旋加速器质子源简易测试平台的磁场位形，采用程序模拟和实验测试结合的方法，验证了所设计的磁场位形满足质子源的测试需求，为节约回旋加速器质子源研制时间、提高测试效率和规模化生产提供技术保障。

1 回旋加速器用质子源

PIG质子源的工作原理如图1所示(Yeon et al.，2014)。质子源的尺寸由阳极的尺寸决定，通常阳极结构为5～10 mm的圆柱桶状。这里磁场(B)方向是沿着两阴极相对的方向。PIG质子源阴极可以是热灯丝，通过灯丝发热后释放初始电子，被加速后碰撞气体放电；也可以是冷阴极材料，通过场致发射电子被强电场作用碰撞气体放电。以上放电产生质子通过引出缝隙形成质子束。热灯丝弧放电型PIG质子源原理更简单、放电效率更高、运行更安全(Antaya et al.,1983；Forringer et al.,2001；Marti et al.,1981)，本研究采用该装置。

2 磁位形计算理论

在回旋加速器研制过程中，为了节约研制和运行成本、提高运行效率，设计了一套与回旋加速器质子源参数一致的测试平台，进行质子源放电特性、质子束引出测试。

本研究利用程序建立简洁、易操作的PIG质子源磁场测试平台，并模拟计算目标区磁场分布。测试平台基于通电螺旋线圈与磁性铁材料在真空室内感应产生磁场环境，主要由通电螺旋线圈、磁性铁材料、真空腔室、质子源组成(图2)。

如图3所示，根据电流的磁感应强度公式，半径为R、载流为I的圆形导线回路在沿圆环轴线(距圆心x处)上的磁感应强度(沿轴线方向)：

BI=μ02·IR2(R2+x2)3/2

(1)

式中，μ0为真空磁导率(张志勇等，2018)。

由圆心相同、半径不同的多层圆形导线回路叠加起来(1匝)，在沿圆轴线(距圆心x处)上的磁感应强度(沿轴线方向)：

Bn=μ02·∫rnr1Ir2(r2+x2)3/2dr

(2)

式中，μ0为真空磁导率，r1是最内层导线回路的半径，rn是最外层导线回路的半径，x为沿圆轴线距离圆心的距离。

据此同理，由N匝叠加形成的线圈在轴线上相同点x处的磁感应强度(沿轴线方向)：

BN=NBn

(3)

由于线圈内部有磁性铁作为芯材料，故求得的磁感应强度(沿轴线方向)：

B=μBN=μμ02·∫rnr1Ir2(r2+x2N)3/2dr

(4)

式中，μ为铁芯的磁导率，其等于铁芯材料相对磁导率μr与真空磁导率μ0的乘积，即μ=μr·μ0，xN是待求磁感应强度处距第N匝线圈圆心的距离。

螺旋线圈通过一定直流电流后即感生恒定磁场，通过磁性铁材料在真空腔室内产生恒定方向、恒定大小的磁场分布，将质子源穿过通道安装在真空腔室内。由于质子源尺寸最大处为10 mm，为了保证真空腔室内质子源测试区域的磁场强度满足加速器实际运行需求，通道的尺寸设计为40 mm。

3 建模与仿真计算

CST 2015是一款专业的电磁仿真软件，是模拟静电场、静磁场、温度场和应力设计的仿真工具。

质子束流引出品质取决于目标区磁感应强度分布，根据质子源测试平台结构，建立磁位形计算模型。建模步骤如图4：首先利用程序建模模块中线圈按钮，建立内径为100 mm、外径为200 mm、长为370 mm的线圈，线圈内部建立直径为100 mm、长为370 mm的铁芯，至此建立线圈模型；其次，以平行线圈轴线的平面在线圈两侧分别建立磁性铁材料回路，真空腔室内质子源目标区两侧铁材料外径为100 mm、内径为40 mm、长为165 mm，质子源处于真空腔室中心对称平面处；最后，参考欧阳礼仁等(2003)方法对各部分模型进行材料的参数赋值，线圈赋值以安匝数为单位，铁材料以Steel-10进行赋值。完整的测试平台模型如图5所示，质子源阳极为圆柱形对称结构，目标区中质子流引出缝隙出口位于阳极所在对称中心位置。本研究对磁感应强度在阳极轴向的分布计算只作出总结说明。

本研究模拟建立了基于目标区最高磁感应强度为0.8 T的磁场平台，磁感应强度的大小可由通电线圈电流强弱来调节。考虑线圈通电运行的电力和水冷成本，应最大程度降低线圈运行的安匝总数(线圈电流与线圈总匝数的乘积)。程序中设置的参数是线圈的安匝总数，通过设置安匝总数来调节仿真的磁场磁感应强度大小，每设置一次安匝总数后，即进行程序计算，并将导出的计算结果再进行取值。实际平台运行中的参数为线圈电流(I)和总匝数(N)的乘积。图6是仿真计算的磁感应分布结果。

通过反复设置线圈安匝总数，仿真计算出对应的目标区域处的磁位形分布及磁感应强度大小(图7)。在磁感应强度达到0.8 T时，线圈电流安匝数达到140(kA·N)。根据仿真计算结果，将为下一步磁场平台的搭建提供有价值的指导。

从图7中可以发现，通过调整线圈安匝总数来调节目标区的磁感应强度大小。根据安匝总数和线圈电流的大小，确定线圈结构搭建测试平台，为了实现平台稳态的强磁环境，线圈设计中必须采用水冷运行。平台组装完成后，通过供电磁场电源对线圈进行供电励磁，根据谭志刚等(2004)方法使用标定过的高斯计进行磁感应强度测量(图7)。平台测量到的磁感应强度大小，可保证质子源正常放电运行。

通过比对仿真结果和实验测量结果可以看出，实验测量结果与模拟结果比对较好，磁感应强度均随着安匝总数的增大而增大，设计的磁场测试平台满足内质子源测试需求。对于在相同安匝总数值下，实验测量的磁感应强度值较模拟计算的磁感应强度值稍高的原因，一方面由于在实验测量中高斯计探头悬空测量时靠近目标区铁芯较近，使得测量结果偏高，在所有测量过程中只有保持探头位置恒定不变，测量结果才可信；另一方面由于磁场供电电源输出控制及反馈电路值采集中存在精度误差，线圈实际运行电流值较模拟设置值大，使得实际磁感应强度较模拟值偏高。

4 总结

PIG质子源运行需要一定强度的强磁场环境，使用铁芯螺旋线圈激励磁场平台可以满足质子源的运行需求。程序模拟的结果提供了较为合适的磁位形结构和螺旋线圈参数，以及 PIG质子源所在目标区的磁感应强度随线圈通电电流的变化。通过使用高斯计测量磁场测试平台磁感应强度，测试平台磁感应强度最高达0.8 T，磁场分布能够满足PIG质子源的正常运行。程序模拟和实验测试结果一致。本研究的模拟计算为质子源的研制测试提供了便利，也为回旋加速器质子治疗系统的研制提供必要的技术支持和研究参考。