230 MeV束流输运系统研制进展

<正>中国原子能科学研究院回旋加速器研究设计中心正研制一套质子治疗加速器及后端系统,其中后端系统主要由质子束流输运系统、治疗头、旋转机架、治疗床及病人定位系统等构成。质子束流输运系统的主要功能是根据病灶的尺寸和位置,利用降能器和能量选择系统调整加速器引出的质子能量,并通过四极透镜等元器件控制束斑     

上海质子治疗装置束流输运系统物理设计

介绍上海质子治疗装置束流输运系统的设计.输运系统将主环引出的能量为70-250 MeV的质子束送入不同治疗室,并实现所需的束斑形状.匹配主要考虑共振慢引出造成的相空间畸形和治疗计划对束流形态的要求,通过TRANSPORT程序进行匹配,得到了输运系统的磁聚焦结构和线性光学参数曲线图.通过模拟发现,该设计有较大的灵活性,能...     

重离子束治癌装置及技术发展

首先简要回顾了重离子束治癌在我国的兴起与发展的情况.随后着重介绍了重离子束治癌装置及部分关键技术:总体布局方案、束流引出模式、束流配送系统、束流旋转机架、辐照门控系统、PET成像等.     

回旋加速器束流输运系统离子光学特性分析

为了提高束流在输运系统中的传输效率,改善靶点的束斑特性,本文用TRANSPORT程序对四川大学回旋加速器束流传输系统的光学特性进行了计算和分析。 TRANSPORT是采用矩阵方法计算带电粒子束在输运系统中光学特性的通用计算机程序,并能利用非线性最小二乘法和耦合系数方法对系统参数实行优化,广泛用于束流传输系     

13 100MeV回旋加速器剥离引出系统研制

100MeV回旋加速器加速H^-离子，要求引出束流能量为75～100MeV、束流强度为200μA的质子束流，因此决定采用剥离引出。本工作依据100MeV主磁场数据和平衡轨道数据，通过理论研究，计算100MeV回旋加速器不同能量束流引出剥离点的位置；着重计算分析70～100MeV能量的束流剥离引出的光学特性；通过理论计算确定剥离膜各项参数；完成剥离靶及其伺服驱动装置的设计；对真空系统、控制系统等相关专业提出明确的工艺流程和技术要求。最终确定100MeV强流质子回旋加速器双向引出系统初步设计。     

100 MeV回旋加速器的高功率质子束流线研制

为调试100 MeV回旋加速器高功率束流及放射性同位素研制，设计了一条高功率质子束流线及可插拔式高功率束流调试靶。研究了100 MeV回旋加速器引出区色散效应及剥离膜的散射效应，从而优化了光学模拟的初始参数，使得模拟结果更加精确。高功率束流调试靶设计为可插拔式以代替常用固定式调试靶，该靶插入束流管道中时可进行高功率质子束流调试，在拔出时，质子束流可直接轰击束流线终端的靶站以生产放射性同位素。优化了高功率束流调试靶的水冷结构，确保调试靶可承受500 μA以上的质子束流。经调试，该束流线可传输最高流强520 μA的质子束流。     

上海质子治疗示范装置旋转机架电机谐响应分析

质子治疗装置是国际上新型治愈肿瘤的大型医疗装置,其旋转机架(Gantry)有结构大、精度高的特点。中国科学院上海应用物理研究所为上海质子治疗示范装置研发了一种新型半回转的旋转机架。本文根据装置设计方西门子公司提供的电机参数,通过ANSYS的谐响应分析模块,进行电机振动对旋转机架治疗等中心点的谐响应分析,采用POST26与ORIGIN进行后处理与数据处理,找出两种典型工况下等中心点处的最大谐响应峰值以及出现最大峰值时对应的电机频率,为了解旋转机架结构在电机振动影响以及振动对旋转机架治疗精度的影响提供数据参考。     

100 MeV质子回旋加速器二期辐照效应管道设计

针对中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器上的单粒子效应辐照装置进行了二期管道设计，采用八极磁铁校正法对束流进行了扩束及均匀化，最终在靶上得到了一个30 cm×30 cm、均匀性好于92%的均匀分布的束斑，满足了单粒子效应实验的需求。为降低靶站处的束流能散及中子本底，采用两级降能的方案，在偏转磁铁前放置1个降能片，将能量分为100 MeV和40 MeV两档，并分别针对这两个能量点进行方案设计，束流利用率均在42%以上。公差分析结果表明，四极磁铁对靶上束斑均匀性的影响大于八极磁铁，安装过程中应优先保证四极磁铁的安装公差。     

100 MeV质子回旋加速器二期辐照效应管道设计

针对中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器上的单粒子效应辐照装置进行了二期管道设计,采用八极磁铁校正法对束流进行了扩束及均匀化,最终在靶上得到了一个30 cm×30 cm、均匀性好于92%的均匀分布的束斑,满足了单粒子效应实验的需求。为降低靶站处的束流能散及中子本底,采用两级降能的方案,在偏转磁铁前放置1个降能片,将能量分为100 MeV和40 MeV两档,并分别针对这两个能量点进行方案设计,束流利用率均在42%以上。公差分析结果表明,四极磁铁对靶上束斑均匀性的影响大于八极磁铁,安装过程中应优先保证四极磁铁的安装公差。     

采用辐射变色薄膜的束流位置诊断研究

依据SC200超导质子回旋加速器的束流特性及调试需求,在质子束加速及引出的过程中需精确测量主机束流的位置信息。提出了采用辐射薄膜进行加速器束流位置诊断的方法,通过剂量计算得到了不同测量位置的薄膜最佳使用类型,借助测试平台对所有选型的薄膜进行实验验证。为优化薄膜的辐照变色效果,结合剂量及实验分析给出了不同测量位置的最佳照射时间。完成了所测位置的薄膜固定装置设计,并提出将薄膜变色区域可视化得束流位置信息的处理方案。     

基于加速器的硼中子俘获治疗装置束流整形体的设计及其临床参数研究

在硼中子俘获治疗（BNCT）中,束流整形体是BNCT装置产生高品质中子束的关键部件之一,其设计至关重要。本文基于25 MeV质子打锂靶产生中子的过程,对加速器驱动的BNCT中子源的束流整形体进行了可行性方案设计,研究了慢化体厚度差异对出口束流品质、头部模型中的剂量分布和临床参数等方面的影响。研究表明,可行性方案设计在30 mA质子束流驱动下,可达到IAEA对束流品质的要求;在本文3种慢化体厚度设计下,随着慢化体厚度的增加,出口超热中子束流强度减小,快中子份额减小,进一步导致优势深度变浅,正常组织最大剂量率减小,治疗时间变长。     

基于加速器的硼中子俘获治疗装置束流整形体的设计及其临床参数研究

在硼中子俘获治疗(BNCT)中,束流整形体是BNCT装置产生高品质中子束的关键部件之一,其设计至关重要。本文基于2.5 MeV质子打锂靶产生中子的过程,对加速器驱动的BNCT中子源的束流整形体进行了可行性方案设计,研究了慢化体厚度差异对出口束流品质、头部模型中的剂量分布和临床参数等方面的影响。研究表明,可行性方案设计在30 mA质子束流驱动下,可达到IAEA对束流品质的要求;在本文3种慢化体厚度设计下,随着慢化体厚度的增加,出口超热中子束流强度减小,快中子份额减小,进一步导致优势深度变浅,正常组织最大剂量率减小,治疗时间变长。     

集装箱检测系统中射线束流中心测量方法的研究

在集装箱检测系统中，射线的实际束流中心可能与光学法测量的束流中心存在差异。试图探讨一种新的实验方法来解决测量实际的束流中心问题。在假设加速器射出的束流横截面，其强度呈高斯分布的条件下，讨论分析了一种精细测量系统柬流横截面强度分布的方法，并用实验对这种方法的正确性做了验证。这种方法对监测、调试射线成像系统的性能，具有重要的意义。     

EicC束团缺失时的束束效应研究

EicC（the highly polarized electronion collider in China）是由中国科学院近代物理研究所提出的极化电子-离子对撞机装置。在电子-质子对撞模式中,EicC的电子环（eRing）内有256个电子束团,质子环（pRing）内有448个质子束团。由于两个环内的束团数不同,当束流中的束团出现缺失时,束团缺失带来的影响会通过束束相互作用传递给多个电子与质子束团,进而可能会使束流不稳定。为研究束团缺失对束流稳定性的影响,本文使用束束相互作用模拟程序AthenaGPU进行了自洽的模拟研究。模拟结果显示,缺失电子束团不会使束流出现相干不稳定,但缺失一定数目的质子束团时会引起偶极或四极不稳定,且使对撞亮度迅速衰减。调节名义工作点后可使束流避开共振区,不再出现偶极或四极不稳定。     

透射电离室作为低能质子束流监测器的研究与应用

为有效监测低能质子的束流强度,研制了一种透射型电离室,用于HI-13串列加速器上低能质子束流的监测。研究了它的基本计量学性能,结果表明,各项性能均满足工作级电离室的要求。与传统的侧向束流监测用金硅面垒探测器测量结果相比,基于同向测量的透射电离室作为监测探测器明显优于金硅面垒探测器,提高了测量结果的准确度。     

120MeV电子直线加速器束流准直研究

120 MeV电子直线加速器对于束流发射度有较高的要求,传统的光学准直难以满足需求。本文研究采用基于在线束流准直方法(Beam Based Alignment,BBA)以实现精度更高的准直,获得更好的束流性能。根据加速器结构配置情况,使用消色散校正法(Dispersion-free Steering Algorithm,DFS),对加速器束流匹配传输段在不同束流抖动情况下进行模拟计算。计算结果表明,DFS算法对于120 MeV电子直线加速器装置的束流准直应用效果良好。     

RFQ冷却聚束器束流冷却后的性质模拟

介绍了RFQ冷却聚束器的基本工作原理和束流在其中被约束和冷却的过程。采用真实相互作用势（RIP）模型进行蒙特卡罗模拟,得出束流在RFQ冷却聚束器中完全冷却后的性质。结果表明：束流冷却后的束斑和能量分散随时间一直保持平衡;束流冷却后束斑和能量分散不随缓冲气体气压、入射离子能量的变化而变化;冷却后束斑半径与射频（RF）四极电场频率呈反比,而冷却后束流的能量分散仅与温度有关。     

同步加速器慢引出束流频谱定量分析及其应用

引出束流的时间均匀性是同步加速器慢引出研究领域中的重要研究方向,优化时间均匀性需先判断引出束流不均匀性即束流纹波的主要来源。引出束流频谱在分析束流纹波时起关键作用,但常规的引出束流频谱分析仅通过频谱幅度判断主要的束流纹波来源,遇到宽频束流纹波时常规方法无法正确反映宽频纹波对时间均匀性的影响。为此,本文提出引出束流频谱定量分析方法,并将该方法应用于西安200 MeV质子应用装置同步加速器引出束流的时间均匀性的分析及优化中。该方法可正确反映宽频纹波对时间均匀性的影响,根据该方法可对不同来源的束流纹波进行分类,定量计算不同类型的束流纹波对不均匀性的贡献,实现量化比较不同类型纹波影响,明确需优化的目标。     

电子能量损失谱仪用中高能电子枪的研制

研制了一台电子能量损失谱仪用的中高能电子枪。其产生的电子与原子、分子发生碰撞,通过谱仪收集、分析散射电子的动量和能量,可以获得靶的电子结构和碰撞动力学信息。该电子枪结构简单,由热阴极、栅极、阳极、聚焦极和偏转板组成;电子能量可调范围大(1-3 keV),操作简单。为了获得最优的束流条件,利用SIMION电子光学软件模拟了电子发射源大小和初始发散角对靶点处的束斑大小和束流发散角的影响。在电子能量为1.5 keV条件下,实验检验给出在离电子枪出口27 mm处可获得束径约为0.95 mm、束流发散角约0.93°和束流强度6.27mA的电子束,满足电子能量损失谱仪的使用要求。     

固体径迹探测器测量束流装置内的中子通量密度

在微型反应堆零功率装置上搭建了硼中子俘获治疗拟采用的热中子束流装置。利用固体径迹探测器(SSNTD)测量了束流装置中心轴线上不同位置处的中子通量密度。结果显示,在束流装置入口处中子通量密度为5.39×107cm–2·s–1时,出口处热中子通量密度为5.63×104cm–2·s–1,热中子通量密度衰减到入口处的1/957。而利用热释光(TLD)方法和MCNP/4B程序测量和计算结果分别为1/1032和1/972。