BNCT02加速器设计及离子源调试

欧阳华甫，肖永川，曹秀霞，吕永佳，薛康佳，刘盛进，李 辉，朱仁丽，陈卫东，傅世年

（中国科学院高能物理研究所 东莞研究部，广东 东莞 523803）

0 引言

统计表明，中国每年新增的癌症患者接近500万人，死亡人数接近300万人，而现有的治疗手段，如手术、化疗或普通放疗对人体或有损伤或有副作用；质子或重离子治疗虽可克服常规放疗的剂量毒性问题，但装置造价及维护昂贵、体积庞大、经济性差，难以规模化且治疗的人数极为有限.基于加速器的硼中子俘获治疗（BNCT）则具有靶向精确、副作用低、适应性广、体积较小、费用合理和一次性解决等优点，在我国现有放疗设备严重不足的情况下，BNCT具有广泛的市场前景.

BNCT是一种安全的二元靶向放疗技术，是脑胶质瘤、黑色素瘤的极佳治疗手段，同时对复发性脖颈癌、肝转移癌等有良好的治疗响应.BNCT治疗需要的中子由加速器输出的质子束打锂（或铍）靶产生，经过慢化达到治疗需要的能量.BNCT的成功实践，离不开四个关键要素：中子源、靶向药物、剂量系统和治疗计划.近年来，强流加速器技术的进步促进了基于加速器的BNCT（AB-BNCT）的快速发展，加快了BNCT的临床治疗研究［1-5］.国内、国际都有计划或正在开展BNCT的研究.

近年来，随着BNCT固态锂靶技术的进步，现已可采用固态锂靶产生中子.固态锂靶的采用可以降低加速器的输出能量需求，减少加速器的造价，缩小设备的占地面积，减少背景的辐射剂量，更加便于加速器的运行和维护.而转动固态锂靶的采用可进一步减少束流沉积在靶上的热密度，增大锂靶的热负荷能力和减小锂靶的水冷难度.这时，加速器只需要一台电子回旋共振（ECR）离子源、一台射频四极加速器（RFQ）及必要的束流传输线即可.束流整形体（BSA）的中子学计算表明，当RFQ的输出能量约为2.8 MeV、束流功率为40 kW时，中子的通量便满足BNCT治疗的要求，此时所需要治疗时间约为30 min［6］.

2020年，中国科学院高能物理研究所完成了国内首台基于加速器的BNCT实验装置BNCT01.BNCT01包含一台加速器和一个固定的固态锂靶，BNCT01加速器则由一台75 kV的ECR离子源、一段长度约2.5 m的低能束流传输线（LEBT）、一台能量为3.5 MeV的RFQ加速器和一条长度约为10 m的高能束流传输线（HEBT）组成.BNCT01加速器设计的最终束流输出功率为35 kW，即束流能量为3.5 MeV，脉冲束流强度为30 mA，平均束流强度为10 mA，束流占空比为33.3%.由于受加速器高频系统速调管（已运行几十年）输出功率及工作占空比大小的限制，目前在这台实验装置上实现的最大打靶束流功率为10 kW.该实验装置已经面向用户开放，进行了包括含硼药物、细胞及荷瘤小鼠等实验，取得了不错的实验效果.

1 BNCT02加速器设计

BNCT02将安装在东莞人民医院，用于先期临床治疗实验.因此，它必须符合中国食品药品监督管理局（CFAD）的医疗器械安全性和有效性的要求.同时，作为医疗设备，其运行的可靠性、稳定性、易运行性和易维护性也是设计优先考虑的因素.因为追求的最终目标是设备的商品化，设计时还需考虑设备的性价比和外观等因素.与BNCT01相同，仍采用固态锂靶，因BNCT02设计的束流功率更大，将采用转动的固态锂靶.BNCT02位于东莞人民医院BNCT治疗中心的二楼，整体布局如图1所示，包括ECR离子源一台、低能束流传输线一条、RFQ加速器一台以及高能束流传输线三条.其中，左右两条高能束流传输线分别通往两个水平治疗室，束流通过位于传输线中心的开关二极磁铁进行切换.中间的束流传输线初期用于加速器的束流调试，将来可升级为垂直治疗室的束流传输线，治疗将交替在各个治疗室间进行.

图1 BNCT02整体布局图

因为RFQ是加速器的唯一加速结构，加速器的输出能量也即RFQ的输出能量.RFQ主要设计参数如表1所示，RFQ加速器的输出能量设计为2.787 MeV，脉冲束流强度为25 mA，平均束流强度为20 mA，平均束流功率达到55.74 kW.加速器运行模式为脉冲模式，加速器设计为高重复频率模式运行，束流占空比为80%.ECR离子源设计的输出能量为35 keV、输出脉冲束流强度为30 mA、均方根发射度须小于0.2 πmm·mrad.RFQ的工作频率选择为180 MHz，该工作频率兼顾了RFQ加速器长度小于5 000 mm（加工制造难度）、RFQ腔体功率损耗及束流负载总功率需求小于200 kW（固态功率源造价）的要求.

表1 RFQ主要设计参数

2 BNCT02 ECR离子源设计

ECR离子源是一种基于磁场中电子回旋共振、微波加热电离的磁约束等离子体装置.离子源提供BNCT加速器所需要的质子束，质子束经过加速器加速、打靶产生中子，中子慢化成形后用来治病.BNCT02离子源主要设计指标为：输出能量为35 keV，输出脉冲流强大于25 mA，平均流强大于20 mA，束流归一化均方根发射度小于0.2 πmm·mrad.另外，离子源可以在脉冲模式下运行，也可以在连续（CW）模式下运行，同时稳定可靠.通过优化离子源放电室结构、轴向磁场分布、放电室空腔耦合、三电极引出及加速系统，实现了离子源放电起弧及引出加速的可靠性和稳定性.

BNCT02 ECR离子源布局如图2所示，ECR离子源中电子作回旋共振所需要的微波由工业磁控管产生，微波的频率ωrf约为2.45 GHz.在实际使用中，因磁控管制造的个体差异，其频率会有所不同，我们用到的磁控管，其产生的微波频率为2.471 GHz，输出功率为1 kW.磁控管产生的微波经由环形器、三螺钉调谐器、高压隔离波导、陶瓷真空窗、脊波导耦合进放电室.放电室的反射功率经由环形器另一端口回到假负载.放电室放电起弧后形成稳定的等离子体，等离子体中的质子通过三电极引出系统引出，并加速至所需的能量35 keV.

图2 BNCT02 ECR离子源布局图

2.1 放电室的腔室设计

ECR离子源放电室采用的是矩形铝合金腔（也可以采用圆柱体腔室），腔内产生的微波电磁场模式为TE111模.为限制放电区域大小，使放电更加集中，从而增大等离子体的浓度，矩形腔内嵌圆柱形石英玻璃.为了增大放电室空载时的微波耦合频带宽度，在矩形铝合金腔与圆柱形石英玻璃之间放置了一块氧化铝陶瓷.图3为放电室空载时，在脊波导入口处得到的单端口S11模拟曲线.从图3可以看出，在频率2 000~3 000 MHz范围内，共有两个共振峰，其频率分别为2 070 MHz和2 467 MHz.

图3 放电室空载时在脊波导入口处的单端口S11模拟曲线

图4为放电室空载时，在脊波导入口处得到的S11测量曲线.从图4可以看出，S11曲线在频率2~3 GHz范围内，也是具有两个共振峰，频率分别为2.093 GHz和2.471 GHz，与理论值基本一致.

图4 放电室空载时在脊波导入口处的单端口S11测量曲线

2.2 放电室的轴向磁场设计

在ECR离子源放电过程中，部分电子在轴向静态磁场的作用和约束下，在磁场中作频率为ωce的拉莫回旋运动（当磁场强度为875 Gauss时，电子的回旋频率ωce为2.45 GHz）.当电子的回旋频率ωce等于微波频率ωrf时，部分电子将受到回旋共振加热并电离工作气体，产生高温等离子体.磁场通常由电磁铁或永磁铁产生，其各有利弊，这里不作讨论.我们采用2块永磁铁加1块纯铁的方案来产生电子回旋共振所需要的轴向磁场.图5为磁场分布的计算值及实测值.从图5（a）可以看出，计算得到最高磁场为1 042 Gauss，最低磁场为841 Gauss.从图5（b）可以看出，实测得到的最高磁场为1 024 Gauss，最低磁场为871 Gauss，两者虽有差异，但基本相符.

图5 轴线磁场分布的计算值和实测值

2.3 引出系统的设计

如图2所示，离子源引出系统采用三电极结构，包括等离子体电极、抑制电极和地电极.等离子体电极电位为35 kV，抑制电极电位为-2.2 kV，地电极电位为0 V.引出系统的优化原则是在保证束流包络满足要求的前提下，使束流的发射度尽可能地小.图6给出了束流能量为35 keV、束流强度为44 mA、空间电荷中和95%时，引出系统下游660 mm处发射度的分布.从图6可以看出，发射度的大小为0.041 πmm·mrad，束流的包络（半径）为32 mm.

图6 束流能量为35 keV、束流强度为44 mA、空间电荷中和95%时，引出系统下游660 mm处发射度的分布

3 BNCT02 ECR离子源测试台

BNCT02离子源测试台结构布局图及实物照片如图7所示.BNCT02离子源测试台包含了ECR离子源的全部组件，还包含低能传输线（LEBT）除螺线管及导向铁外其余组件，如真空腔、束流变压器（CT）、法拉第桶及非在线发射度测量仪.

图7 BNCT02离子源测试台结构布局图及实物照片

尽管国内外ECR离子源技术非常成熟，有很多经验可以借鉴和查阅［7-9］，但这却是我们第一次研制ECR离子源，有很多技术细节需要通过实验来摸索.在ECR离子源研制和调试过程中，我们先后遇到了放电室空腔耦合、磁控管输出微波频率、磁场分布、引出系统潘宁放电、脊波导真空及高压绝缘等问题，但都逐一被解决了.目前，在测试台上所得到的束流参数包括束流能量、束流强度、束流占空比、束流发射度、离子源的稳定性和可靠性等都基本满足BNCT的要求.

该离子源能够在脉冲或CW模式下出束运行，同时脉冲模式运行时，可以在不同束流占空比下进行在线随意切换，但不同占空比下的束流强度会有所不同.在束流调试过程中，既进行了重复频率1 Hz，束流脉宽100µs较低束流占空比脉冲出束，也进行了重复频率200 Hz，束流脉宽4 ms高束流占空比脉冲出束.由于放电室空载时的驻波比小于2，微波传输效率约为90%.在实验中，即便是在很低的束流占空比情况下，离子源也能稳定起弧.而这种可得性作为医疗装置是非常重要的.在离子源的调试实验中，对离子源放电室内嵌石英玻璃的厚度、放电室内置陶瓷的种类及大小、引出系统的三电极的孔径及间距、永磁铁与纯铁之间的间距等都进行了不断优化.在最终的脉冲出束过程中，得到的最大脉冲束流强度约为40.17 mA.此时的束流重复频率为200 Hz，脉冲宽度为2 ms，束流占空比为40%.如图8示波器1通道曲线所示.

图8 ECR离子源输出流强CT波形（1通道）

在低占空比的情况下，采用双缝发射度测量仪对束流的发射度进行了测量.之所以在低占空比下进行发射度的测量，是因为双缝发射度测量仪是一种束流拦截式的测量仪器，双缝发射度测量仪的第一缝板拦截了几乎所有的束流，而第一缝板的水冷能力非常有限，不能承受高占空比束流功率带来的热载.发射度测量是在束流重复频率为5 Hz，束流脉宽为300µs，束流占空比为0.15%的情况下进行的.由于占空比非常低，此时的束流强度只有18 mA.由于离子源是轴向旋转对称的，只对X方向进行了测量，测量结果如图9所示.束流的归一化均方根发射度约为0.197 πmm·mrad，基本满足BNCT02 RFQ接收度的要求.

图9 离子源束流X方向发射度测量结果

在完成ECR离子源结构优化、束流调试和束流测量后，进行了离子源的48 h稳定性运行测试.测试是在束流重复频率为200 Hz、束流脉宽为4 ms、束流占空比为80%的情况下进行的.图10中底部区域（meas2）显示的曲线是束流的平均束流强度，束流强度大于20 mA.从图10的平均束流强度曲线可以看出，束流48 h无中断，离子源48 h稳定运行无故障.

图10 对BNCT02离子源进行了48 h稳定性测试，离子源48 h稳定运行无故障

4 结语

文章介绍了BNCT02加速器的设计，给出了唯一的加速结构RFQ加速器的主要设计参数；重点介绍了BNCT02 ECR离子源的设计、研制和调试.在离子源的调试过程中遇到和解决了一系列问题，最后，在该离子源上已成功引出能量为35 keV，最大脉冲束流强度约40 mA及平均束流强度大于20 mA束流.束流的归一化均方根（rms）发射度小于0.2 πmm·mrad，同时实现了离子源的48 h稳定无故障运行，离子源束流参数及稳定性满足BNCT02要求.