醫(yī)用重離子加速器薄壁真空室研制

羅 成，楊偉順，謝文君，李長春，柴 振，朱小榮，劉建龍，焦紀(jì)強(qiáng)，萬亞鵬，藺曉建，馬向利，張喜平，蒙 峻,*，陳叔平

(1.蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.惠州離子科學(xué)研究中心，廣東 惠州 516003)

目前質(zhì)子或重離子治癌已成為全球放射治療領(lǐng)域中研究的前沿和熱點(diǎn)?？蒲谐晒团R床試驗(yàn)表明：重離子束具有獨(dú)特的深度劑量分布(Bragg峰)和高相對生物學(xué)效應(yīng)，與常規(guī)放療射線相比，用于治癌時(shí)具有對健康組織損傷最小、對癌細(xì)胞殺傷效果最佳、可在線監(jiān)控照射位置及劑量等優(yōu)勢，被譽(yù)為當(dāng)代最理想的放療用射線[1-2]。由中國科學(xué)院近代物理研究所研制的醫(yī)用重離子加速器裝置(HIMM)是我國第1臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用重離子加速器，該加速器由ECR離子源產(chǎn)生C5+束[3]，經(jīng)低能束運(yùn)線注入到回旋加速器[4-6]，由回旋加速器引出能量為6.23 MeV/u的束流，經(jīng)中能線注入到同步加速器，同步加速器將C5+粒子通過剝離膜轉(zhuǎn)化為C6+，其引出能量為120～400 MeV/u[7-8]。最后，束流經(jīng)高能線傳輸至治療終端。

根據(jù)束流儲(chǔ)存壽命對真空環(huán)境的要求，同步加速器真空度在非烘烤狀態(tài)下為2×10-7Pa，中能及高能束運(yùn)線真空度為1×10-5Pa。由于同步加速器中的高頻脈沖二極磁鐵采用RAMPING工作模式且磁場上升速率為1.6 T/s[9]，所以安裝在高頻脈沖二極磁鐵氣隙中的真空室通常采用薄壁低磁或無磁不銹鋼或陶瓷材料制作以減少加速器真空室渦流對離子束穩(wěn)定性的影響。對此，德國GSI的Kraemer等[10-14]提出了薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)想，并將總長3.45 m、壁厚0.3 mm的3.33°不銹鋼真空室成功應(yīng)用于SIS100低溫真空系統(tǒng)中；中國科學(xué)院高能物理研究所的董海義等[15]采用玻璃粘結(jié)方法，制造了長約3 m、壁厚8.5 mm的15°氧化鋁陶瓷真空室。然而采用玻璃粘結(jié)方式制作的陶瓷真空室因壁太厚，導(dǎo)致磁鐵之間的氣隙大，且廢品率高、造價(jià)昂貴。本文借鑒薄壁加筋結(jié)構(gòu)思想，并根據(jù)同步加速器高頻脈沖磁鐵自身物理特點(diǎn)，采用5段拼接方式，制造總長3.3 m、筋高5 mm、壁厚1 mm的45°薄壁加筋不銹鋼真空室，并應(yīng)用于武威重離子治癌裝置中；針對在實(shí)際運(yùn)行過程中由于薄壁加筋不銹鋼真空室占用磁鐵氣隙尺寸偏大，造成的磁鐵造價(jià)成本偏高，磁鐵電源運(yùn)維成本過大等問題，提出陶瓷內(nèi)襯薄壁(0.3 mm)真空室，并制作原理樣機(jī)。

1 薄壁加筋結(jié)構(gòu)二極磁鐵真空室

為滿足HIMM裝置束流包絡(luò)要求，高頻脈沖二極磁鐵真空室有效孔徑有兩種截面尺寸，其中，常規(guī)二極磁鐵真空室截面尺寸為140 mm×60 mm；特殊二極磁鐵真空室尺寸為(70+120) mm×60 mm，截面形狀為跑道形，弧長為3.3 m，與此同時(shí)，考慮到磁鐵工作模式為脈沖形式，磁場上升速率為1.6 T/s，二極磁鐵真空室采用壁厚1 mm 316L不銹鋼和2 mm筋板的薄壁加筋結(jié)構(gòu)。為減小加工制造難度，將45°彎段真空室用5個(gè)直段拼焊成，同時(shí)加大截面尺寸彌補(bǔ)弦弧差異，常規(guī)二極磁鐵真空室的截面變?yōu)?53 mm×60 mm，特殊二極磁鐵真空室的截面變?yōu)?03 mm×60 mm。運(yùn)用有限元分析的方法，分別對兩種截面的真空室進(jìn)行真空狀態(tài)時(shí)應(yīng)力和變形模擬計(jì)算。圖1a為常規(guī)二極磁鐵真空室的應(yīng)力和變形，筋板高5 mm、間距30 mm，最大變形為0.14 mm，最大應(yīng)力為112 MPa；圖1b為特殊二極磁鐵真空室的應(yīng)力和變形，筋板高5 mm、間距19 mm，最大變形為0.38 mm，最大應(yīng)力為168 MPa，均在316L不銹鋼彈性變形范圍內(nèi)且最大變形也滿足工程應(yīng)用中真空室變形不超過0.5 mm的技術(shù)要求。

a——常規(guī)二極磁鐵；b——特殊二極磁鐵圖1 薄壁加筋結(jié)構(gòu)不銹鋼真空室應(yīng)力分析Fig.1 Stress analysis of thin-wall vacuum chamber with reinforcing rib

圖2為薄壁加筋結(jié)構(gòu)不銹鋼真空室示意圖，目前，該類型真空室整體平面度可控制在0.5 mm以下，各項(xiàng)真空性能在武威HIMM運(yùn)行過程中表現(xiàn)非常穩(wěn)定。

圖2 薄壁加筋結(jié)構(gòu)不銹鋼真空室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural sketch of thin-wall vacuum chamber with reinforcing rib

對于高頻脈沖二極磁鐵，磁鐵勵(lì)磁安匝數(shù)及功率損耗與磁極氣隙gap有關(guān)[16]，即勵(lì)磁電流I∝gap，功率損耗P∝gap2。因此在磁鐵設(shè)計(jì)時(shí)，磁鐵的工作氣隙在滿足加速器工作要求的前提下應(yīng)盡可能小，以使磁鐵尺寸減小，且使勵(lì)磁功率呈指數(shù)減小。由于薄壁加筋結(jié)構(gòu)不銹鋼真空室壁厚和筋高共占二極磁鐵氣隙12 mm，在實(shí)際運(yùn)行過程中造成了磁鐵造價(jià)成本偏高，且提高了運(yùn)維成本?；谝陨显颍谖磥碇伟┭b置中，提出陶瓷內(nèi)襯薄壁(0.3 mm)真空室。

2 陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室

2.1 陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural sketch of thin-wall vacuum chamber with ceramic lining

陶瓷內(nèi)襯薄壁(0.3 mm)真空室結(jié)構(gòu)如圖3所示，將跑道型陶瓷管(釔穩(wěn)定氧化鋯)襯于薄壁真空室內(nèi)，利用陶瓷大的抗壓能力抵抗大氣壓強(qiáng)，以確保薄壁真空室的最大變形滿足物理要求。與此同時(shí)，在真空室內(nèi)壁上加工定位壓痕，以確保陶瓷在管道內(nèi)不產(chǎn)生偏移。陶瓷截面尺寸為195 mm×46.2 mm，陶瓷厚2 mm，不銹鋼壁厚0.3～0.4 mm，陶瓷和不銹鋼壁的厚度共占用二極磁鐵氣隙4.8 mm，較薄壁加筋結(jié)構(gòu)節(jié)約了7.2 mm的空間。陶瓷側(cè)面單邊厚度8 mm，同時(shí)側(cè)面各開直徑2 mm的抽氣孔。所有面與面之間的接觸處均需光滑過渡，以避免應(yīng)力集中。

圖4為陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室力學(xué)分析圖，不銹鋼和陶瓷的最大應(yīng)力分別約為129 MPa和141 MPa，遠(yuǎn)低于不銹鋼的屈服強(qiáng)度和陶瓷的抗彎強(qiáng)度，另外，不銹鋼和陶瓷的最大變形分別約為0.27 mm和0.25 mm，滿足工程應(yīng)用中真空室變形不超過0.5 mm的技術(shù)要求。所以陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室的穩(wěn)定性和安全性可得到保障。表1列出陶瓷材料在20 ℃下的力學(xué)性能[17]。

a——不銹鋼應(yīng)力；b——陶瓷應(yīng)力；c——不銹鋼變形；d——陶瓷變形圖4 陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室力學(xué)分析Fig.4 Mechanics analysis of thin-wall vacuum chamber with ceramic lining

表1 陶瓷材料在20 ℃下的力學(xué)性能Table 1 Mechanical propertyof ceramic material at 20 ℃

2.2 陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室制作

1) 釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷燒結(jié)工藝[18]

將氧氯化鋯、硝酸釔加入聚乙烯醇溶液(黏合劑)中，攪拌均勻后，加入戊二醛溶液，在溫度45 ℃左右條件下攪拌9～14 min，得到凝膠，其中，氧氯化鋯與硝酸釔的摩爾比為97∶3；將凝膠取出，置于氨水中浸泡15～20 h后烘干水分，烘燥溫度90～110 ℃，得到氧化釔穩(wěn)定的氧

化鋯粉體。將獲得的干燥粉體置于合金模具中，壓制成型，獲得燒結(jié)前驅(qū)物。將燒結(jié)前驅(qū)物裝入容器進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1 460～1 480 ℃，保溫2 h。將所得的釔穩(wěn)定氧化鋯粉體取樣分別做掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)晶體結(jié)構(gòu)分析，其結(jié)果如圖5所示。從圖5a可看出，粉體樣品顆粒結(jié)合較好，均勻致密，無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。從圖5b可看出，晶體結(jié)構(gòu)以最為穩(wěn)定的立方相為主，是較為理想的氧化鋯粉體(分別對應(yīng)于國際標(biāo)準(zhǔn)PDF卡、27-0997和07-0337卡)。

2) 陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室焊接

將45°薄壁(0.3 mm)真空室分成兩段(每段22.5°)，每段分割為上、下各一半，采用特殊工裝對不銹鋼真空室整形完成后，再加工定位壓痕；將已燒結(jié)完成的陶瓷管放置于真空室中。每段的上、下各半真空室采用氬弧焊進(jìn)行焊接，兩段22.5°真空室采用電子束焊進(jìn)行對焊。千分表置于已制作完成的陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室中心進(jìn)行抽空變形值測試，經(jīng)過多次抽空、放氣，陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室在真空狀態(tài)下的最大變形為0.2 mm，與理論計(jì)算值基本相符。

a——SEM照片；b——XRD圖譜圖5 釔穩(wěn)定氧化鋯粉體物相分析Fig.5 Phase analysis of yttrium stabilized zirconia powder

3 陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室真空性能測試

3.1 跑道型陶瓷管真空出氣率測量

采用雙通道氣路轉(zhuǎn)換法[19-20]對跑道型陶瓷管樣品進(jìn)行材料放氣率測量。首先對樣品進(jìn)行300 ℃真空烘烤，烘烤時(shí)間48 h，當(dāng)烘烤結(jié)束樣品溫度降至室溫后，開始進(jìn)行出氣率測試，測試時(shí)間為48 h。圖6為釔穩(wěn)定氧化鋯材料真空出氣率測試結(jié)果。從圖6可看出，氧化鋯陶瓷材料降至室溫48 h后的出氣率為4.08×10-10Pa·L·s-1·cm-2，滿足大型加速器超高和極高真空系統(tǒng)的使用要求。

圖6 氧化鋯陶瓷材料常溫下的真空出氣率Fig.6 Outgassing rate of zirconia ceramic material at room temperature

3.2 陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室極限真空測試

陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室極限真空測試裝置如圖7所示，陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室兩側(cè)均配置抽氣泵室，與HIMM或強(qiáng)流重離子加速器(HIAF)[21-22]實(shí)際真空排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案一致。采用鈦升華泵(抽速3 000 L/s)和濺射離子泵(PST-400AXII)作為主抽泵。升華泵主要用于抽除殘余氣體中的H2、CO等，三極型濺射離子泵抽除殘存的少量Ar及CH4，兩者配合使系統(tǒng)達(dá)到極高真空；粗抽系統(tǒng)選用渦輪分子泵+無油干泵機(jī)組來獲得高真空系統(tǒng)，并用于系統(tǒng)的烘烤排氣及檢漏；真空度測量采用CM52真空計(jì)，配用IE514規(guī)管(測量范圍為2×10-10～1×10-2Pa)。對測試裝置進(jìn)行300 ℃×48 h在線真空烘烤，當(dāng)烘烤結(jié)束，測試系統(tǒng)冷卻至室溫48 h后，測得規(guī)管A、B真空度pA=6.9×10-10Pa，pB=5.65×10-10Pa，兩者規(guī)管讀數(shù)的不同可能是由規(guī)管個(gè)體差異導(dǎo)致的。然而在加速器真空系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中兩個(gè)真空泵站還附帶另一側(cè)的真空系統(tǒng)排氣，實(shí)際真空系統(tǒng)真空度結(jié)果較測試結(jié)果差。采用MOLFlow+[23]軟件，將不銹鋼材料出氣率設(shè)置為5×10-11Pa·L·s-1·cm-2 [22]，對陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室壓力分布進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。從計(jì)算結(jié)果可知，陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室中間真空度最高約3.3×10-9Pa。導(dǎo)致中間真空度有偏差的原因可能是由于真空室內(nèi)一定數(shù)量的陶瓷管，相比于薄壁加筋結(jié)構(gòu)不銹鋼真空室，真空室內(nèi)的材料放氣量明顯會(huì)增大。為讓二極磁鐵真空室內(nèi)任意點(diǎn)真空度小于1×10-9Pa，以滿足HIAF極高真空系統(tǒng)的使用要求，目前正在開展陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室內(nèi)表面吸氣劑成膜技術(shù)研究。

圖7 陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室極限真空測試裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of ultimate vacuum testing device for thin-wall vacuum chamber with ceramic lining

圖8 陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室壓力分布Fig.8 Pressure distribution of thin-wall vacuum chamber with ceramic lining

4 結(jié)論

本文利用釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷高強(qiáng)度、良好韌性的特點(diǎn)，提出了陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室的新方法，并制造了原理性樣機(jī)，其中陶瓷壁厚2 mm，不銹鋼壁厚0.3 mm，陶瓷和不銹鋼壁的厚度共占用二極磁鐵氣隙4.8 mm，相比于薄壁加筋結(jié)構(gòu)，節(jié)約了7.2 mm的空間。對釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷進(jìn)行了真空出氣率測量，該材料室溫48 h后的真空出氣率為4.08×10-10Pa·L·s-1·cm-2，滿足大型加速器超高和極高真空系統(tǒng)的使用要求，原理樣機(jī)極限真空度可進(jìn)入10-10Pa量級(jí)范圍。然而陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室內(nèi)部還包括陶瓷材料的出氣量，相較于薄壁加筋結(jié)構(gòu)，真空壓力梯度會(huì)增大。與此同時(shí)，陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室在應(yīng)用于強(qiáng)流重離子加速器超高和極高真空系統(tǒng)過程中，還需考慮陶瓷真空室?guī)硎髯杩沟膯栴}，因此，后期將開展陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室內(nèi)吸氣劑成膜和釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷鍍金技術(shù)研究以降低真空室束流阻抗。