硼中子俘獲治療加速器ECR質子源電磁場仿真設計

李 波，劉華昌，王 云，吳小磊，李阿紅，瞿培華，陳 強，樊夢旭，鞏克云，歐陽華甫，吳叢鳳

(1.散裂中子源科學中心，廣東 東莞 523803；2.中國科學院 高能物理研究所，北京 100049；3.中國科學技術大學 國家同步輻射實驗室，安徽 合肥 230029)

硼中子俘獲治療(boron neutron capture therapy, BNCT)是一種具有固有安全性的生物靶向放射治療模式，通過中子與癌細胞內藥物硼的核反應來殺死癌細胞，它能做到殺死癌細胞而盡可能少損傷周圍組織[1-2]。目前，東莞中子科學中心正在研制我國首臺基于加速器的BNCT裝置(AB-BNCT)，該裝置包括8 MeV的直線加速器系統、靶站系統和治療系統。

加速器系統采用微波電子回旋共振(ECR)質子源提供質子束流。ECR質子源主體由等離子體發生器、脊波導耦合器、質子引出電極結構等部件構成[3-4]，本文對ECR質子源的主體部件進行仿真計算和優化設計。

1 等離子體發生器

AB-BNCT的結構如圖1所示。ECR質子源主體結構如圖2所示。ECR質子源采用圓柱形等離子體發生器，功率源工作頻率為2.45 GHz。在ECR條件下，電子在磁場中的角頻率與微波的電場頻率相同，發生共振，微波能量被電子有效吸收，較小的微波功率就可激發產生高密度的等離子體。等離子體發生器腔體采用TE111模，利用軟件CST的MWS子模塊計算優化圓柱形腔體的長度和半徑，使得腔體的共振頻率為2.45 GHz，產生等離子體時需要的能量較低，且能量集中在腔中心部位。經計算，圓柱形腔體的長度為101.12 mm、半徑為45.00 mm時，優化后腔體的諧振電場強度分布如圖3所示。等離子體產生的密度還需進一步調試磁場來進行優化。

2 脊波導耦合器

等離子體發生器內等離子體吸收的能量由坡印廷矢量的實部給出，因此需盡可能地提高腔內的電場強度，并把電場集中到腔的中心[5]。脊波導耦合器可滿足這樣的要求，在WR284波導的基礎上，增加了兩個對稱的階梯形雙脊[6]，如圖4所示。

利用CST對脊波導耦合器的階梯長度l和厚度b進行優化，提高等離子體發生器內的相對電場強度，表1列出優化后的脊波導耦合器的參數。優化后的脊波導耦合器等離子體發生器腔體內的峰值場強為5 870 V/m，較普通無脊波導耦合器的電場強度提高到4.5倍，增強了等離子體的吸收能量，其電場強度分布如圖5所示。

圖1 AB-BNCT的結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of AB-BNCT

圖2 ECR質子源主體結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of main part of ECR proton source

圖3 腔體的諧振電場強度分布Fig.3 Resonant electric field distribution of cavity

圖4 脊波導耦合器示意圖Fig.4 Schematic diagram of ridge waveguide coupler

表1 脊波導耦合器的參數Table 1 Parameter of ridge waveguide coupler

圖5 脊波導耦合器電場強度分布Fig.5 Electric field distribution of ridge waveguide coupler

3 質子引出系統

ECR質子源設計采用四電極引出系統[7-8]，結構如圖6所示，包括等離子體電極、引出極、電子阻尼極和零電位極。

圖6 ECR質子源四電極引出電極結構Fig.6 Four-electrode extraction electrode structure for ECR proton source

利用Opera-3D對100 mA流強引出結構電極孔徑、電極間隙及電壓進行模擬計算，優化結果列于表2。為降低束流發散性，增大空間電荷補償，引出極孔徑設為3.3 mm，小于其他3個極的孔徑半徑4.4 mm，等離子體電極與引出極間的引出間隙設為14.5 mm，電子阻尼極長度設為8 mm，電子阻尼極電壓設為-2 kV。束流模擬三維結果如圖6所示。

表2 引出電極結構的參數Table 2 Parameter of extraction structure

4 磁鐵系統

利用CST的Magnet Design設計了ECR質子源的磁鐵系統，磁鐵系統由3個螺線管線圈組成，呈對稱結構，兩端的兩個線圈可獨立沿軸向移動，3個線圈分別由獨立的電源供電。根據Sakudo[9]的公式BECR

圖7 ECR質子源等離子體發生器腔體磁場分布Fig.7 Magnetic field distribution of plasma generator chamber for ECR proton source

5 結論

本文設計了2.45 GHz ECR質子源的主要結構部件，設計出共振頻率為2.45 GHz的等離子體發生器腔體的尺寸，優化了階梯型脊波導耦合器的雙脊尺寸，腔內峰值電場強度提高為普通波導的4.5倍。設計優化了四電極引出結構，增加了電子阻尼極，優化孔徑和電壓使束流橫向發散很小。另外初步設計了質子源的磁鐵系統，優化了磁場分布。本文結果為正在研制的東莞AB-BNCT加速器質子源提供了重要的參數依據。