上海質(zhì)子治療裝置同步環(huán)真空布局及真空室設(shè)計

湯啟升，王志山，李雪軍

（中國科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800）

質(zhì)子治癌的顯著優(yōu)點是束流能進入到深層病區(qū)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(zhì)子加速器裝置［1］。上海質(zhì)子治療裝置將成為首臺國產(chǎn)質(zhì)子束治療腫瘤癌醫(yī)用加速器。此裝置由注入器、低能輸運線、同步加速環(huán)、高能輸運線以及兩個固定支架治療室和一個旋轉(zhuǎn)支架治療室組成。裝置的機械特點是全線系統(tǒng)器件繁多，尤其是同步加速環(huán)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(jié)構(gòu)設(shè)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(tǒng)元件的接口問題。本文對上海質(zhì)子治療裝置同步環(huán)真空布局及真空室設(shè)計進行研究。

1 同步環(huán)真空系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

同步環(huán)是質(zhì)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(zhì)子加速至70～250 MeV，然后通過環(huán)上的引出系統(tǒng)將高能質(zhì)子束輸送到高能輸運線上。根據(jù)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(qū)岔口真空室。同步環(huán)主要束流清晰區(qū)及磁鐵孔徑列于表1。

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

2 同步環(huán)真空器件布局

同步環(huán)全環(huán)周長約24.6m，分為8個彎轉(zhuǎn)段和6個直線段，環(huán)上分布著8塊偏轉(zhuǎn)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(huán)的對稱位置安裝2個超高真空閥門，將全環(huán)真空分為2部分?？拷鳝h(huán)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(huán)、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(qū)域真空，這樣利于真空的快速恢復(fù)。

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

圖1 同步環(huán)真空布局Fig.1 Vacuum layout in synchrotron ring

全環(huán)的真空度要求取決于束流壽命的要求，質(zhì)子在注入時的空間電荷效應(yīng)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(jù)物理計算，全環(huán)真空度要求好于1.33×10-6Pa。在每個直線節(jié)分別配置100L／s的離子泵（有效抽速88L／s）。由于環(huán)上2臺靜電切割磁鐵內(nèi)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(nèi)部外全環(huán)氣載較均勻，取同步環(huán)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(zhì)子，真空室內(nèi)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(huán)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(huán)真空室設(shè)計

同步環(huán)上的二極鐵工作在交變狀態(tài)，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(qū)段外的真空室材料均采用低磁導(dǎo)率的316L不銹鋼。

3.1 BM 鐵區(qū)段、Q 鐵區(qū)段、S鐵區(qū)段真空室

考慮到磁鐵間隙的限制及束流清晰區(qū)的要求，BM 鐵區(qū)段內(nèi)的真空室橫截面形狀采用矩形結(jié)構(gòu)。與BM 鐵緊臨的QF 鐵、S 鐵區(qū)段內(nèi)束流清晰區(qū)與BM 鐵區(qū)段內(nèi)相同，其真空室橫截面形狀與BM 鐵區(qū)段內(nèi)的相同。因此除特殊位置外，將BM 鐵、QF鐵、S鐵區(qū)段的真空室作為連續(xù)同一截面。與BM 鐵緊臨的上游四極QD 鐵區(qū)段內(nèi)，真空室橫截面為圓形管道。同步環(huán)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(huán)真空室的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 同步環(huán)真空室的典型結(jié)構(gòu)Fig.3 Typical structure of chamber in synchrotron ring

對真空室的結(jié)構(gòu)進行變形核算，在1×105Pa下最大變形發(fā)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(nèi)。

3.2 引出區(qū)磁鐵段真空室

束流在靜電切割鐵內(nèi)被切割成循環(huán)束和引出束兩部分，兩條束流進入引出區(qū)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(jù)束流、真空室、磁鐵孔三者的空間關(guān)系，QD-3 鐵區(qū)段的真空室截面為扁長六邊形，壁厚3mm；BM-4鐵區(qū)段的真空室截面為矩形，壁厚3 mm，其中心線與環(huán)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(xiàn)安裝和保證束流區(qū)，矩形室下游端的法蘭中心、真空室中心及環(huán)束流中心均不重合。QF-3 鐵區(qū)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(huán)束繞主環(huán)旋轉(zhuǎn)。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(nèi)，循環(huán)束真空室在切割鐵外，將此段的真空室形狀設(shè)定為一岔口結(jié)構(gòu)，引出束真空室與循環(huán)束真空室均焊接在一雙孔CF200法蘭上。引出束和循環(huán)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(nèi)外側(cè)面板壁厚為1.5mm。從引出區(qū)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(nèi)，才能保障安裝的順利進行。引出區(qū)器件布局與岔口真空室的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

此段真空室在大氣壓下變形的最大位置發(fā)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(nèi)。

3.3 注入系統(tǒng)沖擊磁鐵段真空室

同步環(huán)上有兩個直線節(jié)裝置了2臺注入系統(tǒng)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(yīng)，BP鐵內(nèi)采用陶瓷真空室。陶瓷真空室的內(nèi)、外表面粗糙度應(yīng)好于0.4μm和1.6μm。為減小管道內(nèi)二次電子或多次電子發(fā)射影響質(zhì)子束的穩(wěn)定性，在陶瓷真空室內(nèi)壁鍍一層導(dǎo)電膜（TiN）［3］。兩臺BP 鐵區(qū)段器件布局及陶瓷真空室結(jié)構(gòu)如圖5所示。

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

圖5 BP鐵區(qū)段器件布局（a）及陶瓷真空室結(jié)構(gòu)（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?？煞コ杀ＷC陶瓷與金屬封接的牢固外，還必須與陶瓷真空室內(nèi)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(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 結(jié)語

針對上海質(zhì)子治療裝置同步環(huán)物理布局緊湊的特點，設(shè)計了主環(huán)上的真空器件布局，針對不同段的束流清晰區(qū)要求、磁鐵孔尺寸設(shè)計出相應(yīng)的真空室結(jié)構(gòu)。設(shè)計滿足了同步加速環(huán)的真空、安裝及維護要求。

［1］ 劉世耀.質(zhì)子治療設(shè)備的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)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(shè)計手冊［M］.北京：國防工業(yè)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(xué)技術(shù)，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）.