HSC加速器的初步大功率加速實驗

盧 亮，Toshiyuki HATTORI，趙環昱，何 源，孫良亭，趙紅衛

（1.中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.日本放射線醫學綜合研究所，日本 千葉 263-8555）

發達國家正常人口死亡率的三分之一是由癌癥引起的，而中國目前每6 min就有一個人被確診為癌癥，未來10～20年將會是我國癌癥的高發期［1］。因此大力普及癌癥治療設施，特別是治療效果顯著、副作用極小的重離子癌癥治療設施是目前的迫切任務。

近年來用粒子線治療癌癥的方法開始盛行并受到全世界的關注。但目前運行中以及計劃建設中的重離子癌癥治療設施都有以下缺點：1）設施都非常巨大，并且都要花費高額的建設費用。例如日本的千葉重離子醫療加速器（HIMAC）是目前世界上最先進的癌癥治療設施之一，已有7 000多例（2012年數據）成功的癌癥治療案例，其綜合建設費用為444億日元，建設面積為2 960 m2，其中直線注入器長約35m，如此大的設施很難引進到目前的一般醫院［2］。世界先進的、已投入運行的日本第2代普及型群馬重離子癌癥治療設施（GHMC）的直線注入器也長達8 m［3］。2）這些設施的重離子注入機制都較復雜、注入效率較低。目前的重離子癌癥治療設施包括：產生C4＋粒子的電子回旋共振（ECR）離子源、加速C4＋到6～8 MeV／u的直線加速器、轉換C4＋粒子到C6＋粒子的碳素電子剝離膜系統，以及加速C6＋粒子到350～400 MeV／u的環狀同步加速器［4］。而基于C4＋的ECR 離子源在一個周期內難以產生足夠的治療所需的粒子數，這就要求經過碳素電子剝離膜后的C6＋粒子注入到環狀同步加速器時必須采用復雜的多圈注入方式，才能滿足治療所需的粒子數。這些多圈注入的設計要求都使得現有的重離子癌癥治療設施耗資巨大、設備復雜、難以普及到普通醫院。

1 研究介紹

本研究是以研發緊湊型重離子癌癥治療注入器為目的，而進行混合單腔（HSC）型加速器的開發研究。這是一種將射頻四極（RFQ）型和漂移管DT 型兩種加速極結構合并到一個IH 型加速腔，能加速大強度C6＋粒子的新型加速器。這種新型結構的加速器具有以下優點：1）IH 型腔體結構因為使用的是TE111共振模式，所以腔體本身具有TE111模式固有的低功耗、高加速梯度；2）與傳統的單腔單一結構的注入器相比，HSC能將各加速器原本必備的高頻率電源等外圍設施統一起來，節省大量外圍空間，使其在有限的空間，如一般醫院等也能適用；3）因所有的核心部件均采用數控機床（NC）一體切割制造法，使得整個加速腔體的裝配簡潔、幾乎無需準直，大幅節省了工期；4）因大面積采用一體切割制造法，使得核心部件的冷卻效果高于采用傳統制造法的結構，從而使得腔體能夠連續波運行［5-6］。

采用等離子體直接注入法（DPIS）的HSC可直接加速大強度的C6＋粒子束流，一次注入的粒子數完全能滿足癌癥治療所需的粒子數（108～109個粒子），因此使得現有重離子癌癥治療設施采用的剝離膜系統，以及復雜的多圈注入系統均可省去，能在很大程度上簡化現有的重離子癌癥治療設施。

2 HSC腔的設計和低功率測試

HSC腔的核心部件包括1個4桿型RFQ、1個16個加速單元的DT，以及RFQ 和DT 之間作過渡的接地漂移管（GBP）。其中DT 采用交互相位聚束（APF）方式。為使整個腔體的長度小于2m，設計時故意犧牲了低能段的RFQ傳輸效率，使之僅為65.4%，而DT 出口的傳輸效率也僅設計為DT 入口（RFQ 出口）的45.7%，整個HSC腔的出口束流強度為5.98mA。HSC腔的具體設計參數如表1所列。

表1 HSC腔的設計參數Table 1 Designed parameters of HSC cavity

HSC腔體的低功率測試是為了測試腔體的高頻特性和腔體的軸上場分布。腔體的低功率測試結果顯示，腔體的諧振頻率為100.49 MHz，與設計值有0.5%的誤差；腔體的性能因子Q0達到了設計值的95%，顯示了一體加工技術的進步和成熟［6］。圖1為HSC 型加速器的內部結構示意圖和組裝后的腔體內部結構。

圖1 HSC型加速器內部結構示意圖（a）和組裝后的腔體內部照片（b）Fig.1 Inner structure scheme of HSC linac（a）and inner image of real machine（b）

腔體的場分布測量采用小球微擾法。采用的小球直徑分別為3.17、4.5、8 mm。圖2 為使用小球直徑為3.17 mm 的微擾體得到的HSC腔體的歸一化場分布。從圖2可看出，測得的DT 一側的場分布基本與模擬計算的場分布一致，僅在第5個加速間隙約有5%的誤差，這是因為第5個加速單元受到APF 相位的影響（＋30°～-30°）而長度最短，從而使微擾體受到較經過其他加速單元時更大的影響而產生較大誤差，同樣的現象以前也曾出現過［6］。而RFQ 一側的場分布則與模擬計算結果一致，均隨著調制線的增大而增大，增大幅度也基本一致［4］。3.17mm 的微擾體清晰準確地測得了RFQ 調制線所特有的徑向匹配、聚束、加速結構以及附加出口匹配結構［6］。

圖2 使用微擾法測得的HSC腔的場分布Fig.2 Electric field distribution of HSC cavity by perturbation method

根據HSC 的低功率測試結果，可算出HSC腔體的分路阻抗為104 MΩ／m，遠高于同能量領域的RFQ 腔，但低于同能量領域的IH型腔［4］。

3 HSC腔的初步大功率測試結果

圖3為HSC 腔的實驗平臺。該實驗平臺于2014年5月底搭建完成，并完成了腔體烤機和初步的大功率測試。實驗平臺使用近代物理研究所現有的250kW 功率源，一周之內完成了165kW、1ms的脈沖烤機，滿足了大功率實驗的要求。實驗采用的激光離子源使用的是3J激光器，激光轟擊碳靶時的能量為1.9J，為HSC提供了足量C6＋粒子。測量束流流強的法拉第筒（FC）是普通的法拉第筒，不具備精確測量束流時間以及攔阻電子、其他離子和噪聲的能力。

圖3 HSC腔大功率實驗平臺Fig.3 High RF power test platform of HSC cavity

圖4為在27kW 和107kW 的饋入功率時由腔體出口的FC1 上測得的加速后的H＋和C6＋束流信號。從圖4可看出，加速后的C6＋束流信號和H＋束流信號到達FC1 的時間均為4.6ms，這與設計以及計算出的2keV／u的等離子速度一致。圖4 中，加速后的H＋束較加速后的C6＋束的脈寬窄，說明C6＋束的發散度較H＋束的發散度大，而且，加速H＋束時未被加速的粒子較加速C6＋束時未被加速的粒子多，這與理論一致。從圖4還可看出，被加速的C6＋束只有4.2mA，這是因為加引出高壓和高頻時，腔體和等離子體管道之間的放電使等離子體的注入管道后退了12mm，降低了C6＋粒子的注入強度，實際注入的C6＋粒子束流流強要小于設計值的20mA。從加速后的H＋束有3.4mA 的事實來看，HSC腔體有加速6.8mA C6＋束流的能力。

圖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 結束語

目前HSC 實驗平臺有相當于1mA 束流大的噪聲，加上HSC 加速器出口的橫向發散設計，使得分析磁鐵后的束流分析變得極為困難。接下來會考慮在目前的實驗平臺上加聚束束流的電磁鐵，或測量微束流的半導體檢出器等元件，以期得到更多更好的實驗結果。

［1］ 錢煒.中國癌癥近年來高發：每6分鐘就有一人被確診［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.