醫用回旋高頻腔的初步設計

田瑞霞，王賢武，許 哲，金 鵬，馮 勇

（中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

醫用回旋加速器在核醫學領域有著廣泛的應用［1］，在腫瘤治療等領域做出了巨大貢獻。由中國科學院近代物理研究所自主設計研發的重離子腫瘤治療示范裝置注入器，工作過程是12C5＋經過回旋加速器高頻系統加速，最終形成的碳離子束能量達7 MeV。對于回旋加速器中碳離子束的形成，回旋高頻系統起到了至關重要的作用，即高頻腔的結構設計非常重要也很關鍵。本文利用Microwave Studio CST三維數值仿真軟件對設計的31.02 MHz醫用回旋高頻腔的相關高頻參數進行模擬仿真計算，并與實際測量參數值進行對比，對產生的誤差進行進一步的分析。

1 醫用回旋高頻腔的物理設計要求

根據醫用回旋高頻腔物理設計要求，腔體放置在磁鐵的谷區。由于空間緊張，故采用λ／2豎腔結構。高頻加速部件為兩個張角為33°的Dee盒，兩腔在整個系統中用中心區隔離。物理設計要求高頻腔的諧振頻率為31.02 MHz，Dee電壓為70kV，匹配阻抗為50Ω。為了減小高頻腔的功率損耗，要求其制作材料為無氧銅。

從上述高頻參數可看出，雖然高頻腔的諧振頻率為點頻，但加速電壓較高，這要求高頻腔有較高的儲能條件，即高的品質因數Q0，同時醫用回旋加速器的結構設計為緊湊型，所以高頻腔的設計所能利用的空間比較有限。

基于以上考慮，醫用回旋高頻腔的結構設計為λ／2，即由兩個λ／4 結構并聯構成。由于諧振頻率較低，同時結構為半波長，故整個腔體較長，所以有一部分高頻腔的罩筒處于磁鐵外部。為提高腔體品質因數，設計時這部分罩筒較處于磁鐵之間的罩筒粗些，其結構參數列于表1。

表1 醫用回旋高頻腔結構參數Table 1 Structural parameters of medical cyclotron RF cavity

醫用回旋高頻腔的機械模型如圖1所示。

圖1 醫用回旋高頻腔模型Fig.1 Model of medical cyclotron RF cavity

2 醫用回旋高頻腔設計仿真

在醫用回旋高頻腔的模擬計算中，采用目前最常用的三維場計算程序Microwave Studio CST［2］。Microwave Studio CST 程 序 是 高 頻三維電磁場仿真軟件，能為用戶的高頻設計提供直觀的電磁特性。本文利用Microwave Studio CST 軟件進行建模仿真計算，最終得到其諧振頻率為31.02 MHz，Q0可達7 400。高頻腔的電磁場分布與電流密度分布如圖2所示。

從圖2可看出，電流密度較集中區域主要包括內桿、Dee盒與短路片等部位，所以內桿、Dee盒與短路片均會設計有相應的冷卻水路。但外罩筒與覆面均是由2mm 厚的銅皮制成，考慮到腔體發熱導致變形引起的頻率穩定性問題，因此罩筒與覆面部分同樣設計有冷卻水路。

耦合系統［3-4］是連接高頻系統兩大子系統發射機和腔體的關鍵設備，同時擔負著阻抗變換的重要作用。由于受束流引出元件機械位置和其他空間位置的影響，故醫用回旋加速器高頻腔功率耦合采用電耦合方式。本次設計的醫用回旋加速器高頻腔的耦合電容位于Dee盒大半徑與外殼大半徑之間，并在Dee盒對稱線下7°位置。對耦合電容的反射系數（S11）進行了計算，通過掃描耦合電容與Dee盒間的距離，得出間隙為30mm 時S11為0.055，如圖3所示。

圖2 電磁場分布與電流密度分布Fig.2 Distribution of electromagnetic field and current density

圖3 反射系數S11 Fig.3 S11parameter

在回旋高頻腔實際運行的過程中，頻率穩定度是非常重要的關注點［5-6］。高頻腔的諧振點是31.02 MHz，實際運行中高頻腔可能會因熱變形導致諧振頻率偏移諧振點。雖然前文中已對高頻腔的冷卻系統作了初步設計，但調諧系統還是必不可少的。回旋高頻腔的調諧系統由傳統的短路片與微調環（圖4）構成，運行過程中只有對微調環進行實時調諧，短路片僅在每次安裝結束后進行靜態調諧以調整高頻腔的諧振頻率。短路片在調節范圍內對頻率與Q0的影響如圖5所示。

圖4 微調環結構Fig.4 Structure of fine-tuning ring

圖5 短路片對諧振頻率與品質因數的影響Fig.5 Impact of short-circuit plate on resonance frequency and quality factor

回旋系統的特點之一就是空間緊張，故微調環放置在下短路片處，由電機帶動傳動機構進行調諧。本文利用Microwave Studio CST程序對設計的微調環進行仿真計算，得到其調諧曲線如圖6所示。由圖6可看出其調諧范圍約為50kHz。

圖6 微調環調諧曲線Fig.6 Tuning curve of fine-tuning ring

3 醫用回旋高頻腔的實際測試

31.02 MHz醫用回旋高頻腔于2013年5月加工完成，同時進行了腔體高頻參數的相關測試［7-10］。用安捷倫E5061B 網絡分析儀測試兩腔，諧振頻率均在設計值31.02 MHz左右，兩腔有載QL分別為3 000與3 010，調節耦合匹配阻抗均在50Ω 左右。相關測試參數列于表2。

表2 回旋加速器的高頻測試參數Table 2 Test RF parameters of cyclotron

從表2可看出，靜態測試數據與前文的仿真計算結果較接近，但還存在著一定的差距。這主要是由加工工藝引起的。在安裝與測試高頻腔的過程中可發現，整個腔體活動連接部位太多，從而導致腔體組件間接觸阻抗太大，這會嚴重影響腔體的高頻性能。因此，在滿足電性能指標的前提條件下，可適當提高裝配連接質量。

4 結論

本文利用三維場計算程序 Microwave Studio CST 仿真計算了相關高頻腔的結構參數。考慮腔體實際較長的情況，充分利用空間提高高頻腔的品質因數。同時合理地利用高頻腔電磁場分布，對耦合電容與微調環的結構進行了合理設計與仿真計算。根據Microwave Studio CST 軟件仿真計算獲得的電流密度分布確定了整個高頻腔的水冷分布，并對已加工好的高頻腔進行了靜態測試。從測試結果可看出，測量數據與仿真計算結果較吻合，所以醫用回旋高頻腔的結構設計比較合理。

下一步工作就是對整個醫用回旋加速器高頻系統進行長時間穩定度的測試，包括頻率穩定度、相位穩定度與幅值穩定度。同時還要在測試過程中發現隱患，保證及時發現、及時解決。

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