用于重离子癌症治疗的高强度射频四极加速器的物理设计

《IEEE Transactions on Nuclear Science》：Physical Design of a High-Intensity Radio Frequency Quadrupole Accelerator for Heavy-Ion Cancer Therapy

中国自主研发的200MHz射频四极群加速器实现重离子能量10-600 keV/u加速，通过束流动力学优化（低间隙电压、缩小平均孔径补偿高频弱聚焦）和电磁结构协同设计，结合多物理场仿真验证了100% duty-factor运行可行性，并提供了不同负载下零频偏移的冷却系统参考参数。冷测试及束流初步测量证实设计目标达成。

　　

摘要：

中国科学院离子医学科技有限公司（CAS Ion Medical Technology Company Ltd.）开发了一种用于重离子癌症治疗的射频四极杆（RFQ）加速器，以推动中国国内重离子癌症治疗技术的发展。该RFQ加速器的设计目的是将质量电荷比为3的粒子从10 keV/u加速到600 keV/u，工作频率为200 MHz。本文系统地介绍了其详细的物理设计过程，包括束流动力学设计、射频电磁设计以及多物理场分析。在束流动力学设计中，采用了较低的叶片间电压方案以减少功率损耗，并通过减小平均孔径来补偿高频低电压导致的横向聚焦能力减弱问题。同时进行了束流模拟，以分析束流误差对传输效率以及输出横向和纵向发射度的影响。射频电磁结构经过优化，以提高性能并满足束流动力学设计所需的场分布要求。束流传输模拟验证了电磁结构中产生的场与束流动力学设计要求的场分布高度一致。此外，还针对未来的高负载运行情况进行了多物理场分析，结果表明在该RFQ中实现100%负载因数的运行是可行的。此外，本文还提供了在不同负载因数条件下实现零频率偏移所需的冷却剂温度范围，为实际操作提供了参考。文章最后简要介绍了RFQ的冷试结果、高功率调节情况以及初步的束流测量结果，测量结果表明RFQ达到了设计目标。

引言

强子治疗是目前癌症治疗领域的一种有前景的方法[1],[2]，因为加速后的重离子束（如碳、氦和氧）比质子或光子能更有效地将能量沉积在目标组织上[3],[4]。然而，用于癌症治疗的重离子能量通常约为400 MeV/u，这样的高能量通常需要通过同步加速器来实现，而这需要使用注入器对离子进行预加速。作为中国首台医用加速器，重离子医疗设备（HIMM）[5]已经取得了显著的成功，至今已治疗了1820名患者。然而，回旋加速器的束流强度较低，限制了其治疗效率的进一步提升。因此，中国科学院离子医学科技有限公司（CASHIM）开发了一种新型的高强度碳离子直线注入器，旨在推动重离子癌症治疗的商业化应用。该直线注入器由电子回旋共振（ECR）离子源、射频四极杆（RFQ）加速器和漂移管直线加速器（DTL）组成。注入器的布局如图1所示。该注入器使用14.5 GHz的高电荷态ECR离子源生成四价碳离子和三氢阳离子。从离子源中提取出的离子束会经过分析磁铁的弯曲处理，然后与RFQ相匹配。RFQ部分长度约为2.8米，能够提供600 keV/u的束流能量。DTL部分由两个采用交变相聚焦（APF）[6],[7]技术的H型DTL组成，可将离子束加速至7 MeV/u。整个直线注入器的总长度约为13米，预计将于2025年完成建设。图1. 医用重离子加速器的注入器布局。

医用重离子加速器的注入器布局。