上海質子治療裝置同步環真空布局及真空室設計

湯啟升，王志山，李雪軍

（中國科學院 上海應用物理研究所，上海 201800）

質子治癌的顯著優點是束流能進入到深層病區后瞬間釋放能量殺死癌細胞而不損傷正常細胞，副作用小。目前美國、日本已有多臺用于治癌的質子加速器裝置［1］。上海質子治療裝置將成為首臺國產質子束治療腫瘤癌醫用加速器。此裝置由注入器、低能輸運線、同步加速環、高能輸運線以及兩個固定支架治療室和一個旋轉支架治療室組成。裝置的機械特點是全線系統器件繁多，尤其是同步加速環的物理布局緊湊、器件繁多、安裝空間緊張。因此，在真空器件布局和真空室結構設計過程中需考慮在滿足束流順利通過的情況下真空室的安裝以及與其他系統元件的接口問題。本文對上海質子治療裝置同步環真空布局及真空室設計進行研究。

1 同步環真空系統設計參數

同步環是質子治療裝置的加速主體，它的功能是將從低能輸運線注入的7 MeV 能量的質子加速至70～250 MeV，然后通過環上的引出系統將高能質子束輸送到高能輸運線上。根據8個二極鐵將真空室分成8段焊有波紋管接頭的彎鐵真空室和3段帶抽口的直段真空室以及1段引出區岔口真空室。同步環主要束流清晰區及磁鐵孔徑列于表1。

表1 同步環主要束流清晰區及磁鐵孔徑Table 1 Beam profile and magnet hole size in synchrotron ring

2 同步環真空器件布局

同步環全環周長約24.6m，分為8個彎轉段和6個直線段，環上分布著8塊偏轉二極鐵、若干四極鐵、六極鐵、BP 鐵、束流截面探測器（PROF）、束流位置探測器（BPM）以及高頻腔等器件。從安裝、維護便利的角度考慮，在環的對稱位置安裝2個超高真空閥門，將全環真空分為2部分。靠近主環的注入位置和引出位置也分別安裝1 個超高真空閥門，將低能線、主環、高能線3部分分開，可將故障段的影響范圍減小，維護時只需破壞局部區域真空，這樣利于真空的快速恢復。

因同步環的周長較短，在全環配置4個高真空規管（2個用于測量靜電切割磁鐵內真空度，2個用于測量環內真空度）和2個低真空規管（用于測量同步環的低真空狀態），這樣便可滿足全環真空測量及保護的需求。同步環真空布局如圖1所示。

圖1 同步環真空布局Fig.1 Vacuum layout in synchrotron ring

全環的真空度要求取決于束流壽命的要求，質子在注入時的空間電荷效應較強，主要問題之一是束流勢阱俘獲殘余氣體中的電子，從而造成束流被中和。根據物理計算，全環真空度要求好于1.33×10-6Pa。在每個直線節分別配置100L／s的離子泵（有效抽速88L／s）。由于環上2臺靜電切割磁鐵內氣載大，分別配置2臺和1臺抽速為400L／s的離子泵。除注入引出靜電切割鐵內部外全環氣載較均勻，取同步環上兩泵間距最長段真空室進行核算，真空度計算模型如圖2所示。

由于加速的粒子是質子，真空室內主要是熱解吸氣載。真空室材料為316L 不銹鋼，通過計算得到該段的氣載Q 為2.52×10-5Pa·L／s，利用長管道計算公式［2］計算得到平均壓強ˉp、最高壓強pL、最低壓強p0分別為5.45×10-7、6.78×10-7、2.8×10-7Pa。可見，泵的分布滿足全環真空度要求。

圖2 真空度計算模型Fig.2 Calcuation model of vacuum degree

3 同步環真空室設計

同步環上的二極鐵工作在交變狀態，考慮真空盒上渦流對磁場的影響，除鐵氧體沖擊磁鐵（BP鐵）區段外的真空室材料均采用低磁導率的316L不銹鋼。

3.1 BM 鐵區段、Q 鐵區段、S鐵區段真空室

考慮到磁鐵間隙的限制及束流清晰區的要求，BM 鐵區段內的真空室橫截面形狀采用矩形結構。與BM 鐵緊臨的QF 鐵、S 鐵區段內束流清晰區與BM 鐵區段內相同，其真空室橫截面形狀與BM 鐵區段內的相同。因此除特殊位置外，將BM 鐵、QF鐵、S鐵區段的真空室作為連續同一截面。與BM 鐵緊臨的上游四極QD 鐵區段內，真空室橫截面為圓形管道。同步環上除2處QD 鐵與BM 鐵間距可滿足安裝閥門的空間外，其余4處QD 鐵與BM 鐵間距很小，沒有法蘭連接的安裝空間，因此將圓管與矩形室直接通過一過渡片焊接成一整體，真空室2端直接焊上波紋管接頭。同步環真空室的典型結構如圖3所示。

圖3 同步環真空室的典型結構Fig.3 Typical structure of chamber in synchrotron ring

對真空室的結構進行變形核算，在1×105Pa下最大變形發生在矩形真空室與磁芯塊平行的上、下面的中間處，小于0.4 mm，變形在允許范圍內。

3.2 引出區磁鐵段真空室

束流在靜電切割鐵內被切割成循環束和引出束兩部分，兩條束流進入引出區的相對位置、截面形狀均在逐漸變化，又因為不同磁鐵孔空間不同，因此真空室的截面形狀無法做成一致。

根據束流、真空室、磁鐵孔三者的空間關系，QD-3 鐵區段的真空室截面為扁長六邊形，壁厚3mm；BM-4鐵區段的真空室截面為矩形，壁厚3 mm，其中心線與環束流中心偏17mm。這兩段的真空室用過渡片焊接成一整體。為實現安裝和保證束流區，矩形室下游端的法蘭中心、真空室中心及環束流中心均不重合。QF-3 鐵區段真空室截面為六邊形，其下游端通過過渡片焊接一波紋管法蘭接頭。

在QF-3鐵下游，引出束進入高能輸運線，循環束繞主環旋轉。此處放置了1臺靜磁切割鐵（MS-1），引出束真空室在切割鐵孔內，循環束真空室在切割鐵外，將此段的真空室形狀設定為一岔口結構，引出束真空室與循環束真空室均焊接在一雙孔CF200法蘭上。引出束和循環束的真空室截面均為矩形。真空室的上、下面壁厚均為3 mm，因引出靜磁切割鐵（MS-1）與束流輪廓的間距很小，真空室的內外側面板壁厚為1.5mm。從引出區的器件布局圖可看出，束流、真空室及磁鐵間的位置非常緊湊，因此該段真空室的加工需很高的形位公差精度，加工及安裝誤差共要控制在0.5 mm 以內，才能保障安裝的順利進行。引出區器件布局與岔口真空室的結構如圖4所示。

此段真空室在大氣壓下變形的最大位置發生在矩形真空室與磁芯塊平行的上下面的中間處，約為0.75mm，變形在允許范圍內。

3.3 注入系統沖擊磁鐵段真空室

同步環上有兩個直線節裝置了2臺注入系統鐵氧體沖擊磁鐵（BP 鐵），該磁鐵頻率很高，為避免真空室的渦流效應，BP鐵內采用陶瓷真空室。陶瓷真空室的內、外表面粗糙度應好于0.4μm和1.6μm。為減小管道內二次電子或多次電子發射影響質子束的穩定性，在陶瓷真空室內壁鍍一層導電膜（TiN）［3］。兩臺BP 鐵區段器件布局及陶瓷真空室結構如圖5所示。

圖4 引出區器件布局（a）與岔口真空室的結構（b）Fig.4 Components layout（a）and fork chamber structure（b）in beam splitting region

圖5 BP鐵區段器件布局（a）及陶瓷真空室結構（b）Fig.5 Component layout（a）and ceramic chamber structure（b）in BP region

從圖5可看出，BP-1鐵上下游有BM 鐵和QD 鐵，BP-2鐵上下游有高頻腔和BPM，相互之間距離很近，空間位置緊張。同樣基于安裝考慮，將陶瓷真空室與帶抽口的不銹鋼圓管真空室通過過渡片焊接成一整體段。陶瓷段與其兩端的法蘭、過渡片通過可伐過渡焊接成一體。可伐除可保證陶瓷與金屬封接的牢固外，還必須與陶瓷真空室內表面的金屬鍍層有良好均勻的電接觸，以確保束流的鏡像電流光滑通過。兩段陶瓷真空室結構如圖5所示。

4 結語

針對上海質子治療裝置同步環物理布局緊湊的特點，設計了主環上的真空器件布局，針對不同段的束流清晰區要求、磁鐵孔尺寸設計出相應的真空室結構。設計滿足了同步加速環的真空、安裝及維護要求。

［1］ 劉世耀.質子治療設備的現狀和發展［J］.基礎醫學與臨床，2005，25（2）：123-127.LIU Shiyao.Current situation and development of proton therapy equipment［J］.Basic &Clinical Medicine，2005，25（2）：123-127（in Chinese）.

［2］ 達道安.真空設計手冊［M］.北京：國防工業出版社，2004.

［3］ 王梨兵，董海義，裴國璽，等.CSNS 四極陶瓷真空盒磁控濺射鍍TiN 膜研究［J］.原子能科學技術，2011，45（1）：90-93.WANG Libing，DONG Haiyi，PEI Guoxi，et al.TiN coating of CSNS alumina ceramics vacuum chambers for quadrupole magnets by magnetron sputtering［J］.Atomic Energy Science and Technology，2011，45（1）：90-93（in Chinese）.