上海质子治疗装置同步环真空布局及真空室设计

汤启升，王志山，李雪军

（中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201800）

质子治癌的显著优点是束流能进入到深层病区后瞬间释放能量杀死癌细胞而不损伤正常细胞，副作用小。目前美国、日本已有多台用于治癌的质子加速器装置［1］。上海质子治疗装置将成为首台国产质子束治疗肿瘤癌医用加速器。此装置由注入器、低能输运线、同步加速环、高能输运线以及两个固定支架治疗室和一个旋转支架治疗室组成。装置的机械特点是全线系统器件繁多，尤其是同步加速环的物理布局紧凑、器件繁多、安装空间紧张。因此，在真空器件布局和真空室结构设计过程中需考虑在满足束流顺利通过的情况下真空室的安装以及与其他系统元件的接口问题。本文对上海质子治疗装置同步环真空布局及真空室设计进行研究。

1 同步环真空系统设计参数

同步环是质子治疗装置的加速主体，它的功能是将从低能输运线注入的7 MeV 能量的质子加速至70～250 MeV，然后通过环上的引出系统将高能质子束输送到高能输运线上。根据8个二极铁将真空室分成8段焊有波纹管接头的弯铁真空室和3段带抽口的直段真空室以及1段引出区岔口真空室。同步环主要束流清晰区及磁铁孔径列于表1。

表1 同步环主要束流清晰区及磁铁孔径Table 1 Beam profile and magnet hole size in synchrotron ring

2 同步环真空器件布局

同步环全环周长约24.6m，分为8个弯转段和6个直线段，环上分布着8块偏转二极铁、若干四极铁、六极铁、BP 铁、束流截面探测器（PROF）、束流位置探测器（BPM）以及高频腔等器件。从安装、维护便利的角度考虑，在环的对称位置安装2个超高真空阀门，将全环真空分为2部分。靠近主环的注入位置和引出位置也分别安装1 个超高真空阀门，将低能线、主环、高能线3部分分开，可将故障段的影响范围减小，维护时只需破坏局部区域真空，这样利于真空的快速恢复。

因同步环的周长较短，在全环配置4个高真空规管（2个用于测量静电切割磁铁内真空度，2个用于测量环内真空度）和2个低真空规管（用于测量同步环的低真空状态），这样便可满足全环真空测量及保护的需求。同步环真空布局如图1所示。

图1 同步环真空布局Fig.1 Vacuum layout in synchrotron ring

全环的真空度要求取决于束流寿命的要求，质子在注入时的空间电荷效应较强，主要问题之一是束流势阱俘获残余气体中的电子，从而造成束流被中和。根据物理计算，全环真空度要求好于1.33×10-6Pa。在每个直线节分别配置100L／s的离子泵（有效抽速88L／s）。由于环上2台静电切割磁铁内气载大，分别配置2台和1台抽速为400L／s的离子泵。除注入引出静电切割铁内部外全环气载较均匀，取同步环上两泵间距最长段真空室进行核算，真空度计算模型如图2所示。

由于加速的粒子是质子，真空室内主要是热解吸气载。真空室材料为316L 不锈钢，通过计算得到该段的气载Q 为2.52×10-5Pa·L／s，利用长管道计算公式［2］计算得到平均压强¯p、最高压强pL、最低压强p0分别为5.45×10-7、6.78×10-7、2.8×10-7Pa。可见，泵的分布满足全环真空度要求。

图2 真空度计算模型Fig.2 Calcuation model of vacuum degree

3 同步环真空室设计

同步环上的二极铁工作在交变状态，考虑真空盒上涡流对磁场的影响，除铁氧体冲击磁铁（BP铁）区段外的真空室材料均采用低磁导率的316L不锈钢。

3.1 BM 铁区段、Q 铁区段、S铁区段真空室

考虑到磁铁间隙的限制及束流清晰区的要求，BM 铁区段内的真空室横截面形状采用矩形结构。与BM 铁紧临的QF 铁、S 铁区段内束流清晰区与BM 铁区段内相同，其真空室横截面形状与BM 铁区段内的相同。因此除特殊位置外，将BM 铁、QF铁、S铁区段的真空室作为连续同一截面。与BM 铁紧临的上游四极QD 铁区段内，真空室横截面为圆形管道。同步环上除2处QD 铁与BM 铁间距可满足安装阀门的空间外，其余4处QD 铁与BM 铁间距很小，没有法兰连接的安装空间，因此将圆管与矩形室直接通过一过渡片焊接成一整体，真空室2端直接焊上波纹管接头。同步环真空室的典型结构如图3所示。

图3 同步环真空室的典型结构Fig.3 Typical structure of chamber in synchrotron ring

对真空室的结构进行变形核算，在1×105Pa下最大变形发生在矩形真空室与磁芯块平行的上、下面的中间处，小于0.4 mm，变形在允许范围内。

3.2 引出区磁铁段真空室

束流在静电切割铁内被切割成循环束和引出束两部分，两条束流进入引出区的相对位置、截面形状均在逐渐变化，又因为不同磁铁孔空间不同，因此真空室的截面形状无法做成一致。

根据束流、真空室、磁铁孔三者的空间关系，QD-3 铁区段的真空室截面为扁长六边形，壁厚3mm；BM-4铁区段的真空室截面为矩形，壁厚3 mm，其中心线与环束流中心偏17mm。这两段的真空室用过渡片焊接成一整体。为实现安装和保证束流区，矩形室下游端的法兰中心、真空室中心及环束流中心均不重合。QF-3 铁区段真空室截面为六边形，其下游端通过过渡片焊接一波纹管法兰接头。

在QF-3铁下游，引出束进入高能输运线，循环束绕主环旋转。此处放置了1台静磁切割铁（MS-1），引出束真空室在切割铁孔内，循环束真空室在切割铁外，将此段的真空室形状设定为一岔口结构，引出束真空室与循环束真空室均焊接在一双孔CF200法兰上。引出束和循环束的真空室截面均为矩形。真空室的上、下面壁厚均为3 mm，因引出静磁切割铁（MS-1）与束流轮廓的间距很小，真空室的内外侧面板壁厚为1.5mm。从引出区的器件布局图可看出，束流、真空室及磁铁间的位置非常紧凑，因此该段真空室的加工需很高的形位公差精度，加工及安装误差共要控制在0.5 mm 以内，才能保障安装的顺利进行。引出区器件布局与岔口真空室的结构如图4所示。

此段真空室在大气压下变形的最大位置发生在矩形真空室与磁芯块平行的上下面的中间处，约为0.75mm，变形在允许范围内。

3.3 注入系统冲击磁铁段真空室

同步环上有两个直线节装置了2台注入系统铁氧体冲击磁铁（BP 铁），该磁铁频率很高，为避免真空室的涡流效应，BP铁内采用陶瓷真空室。陶瓷真空室的内、外表面粗糙度应好于0.4μm和1.6μm。为减小管道内二次电子或多次电子发射影响质子束的稳定性，在陶瓷真空室内壁镀一层导电膜（TiN）［3］。两台BP 铁区段器件布局及陶瓷真空室结构如图5所示。

图4 引出区器件布局（a）与岔口真空室的结构（b）Fig.4 Components layout（a）and fork chamber structure（b）in beam splitting region

图5 BP铁区段器件布局（a）及陶瓷真空室结构（b）Fig.5 Component layout（a）and ceramic chamber structure（b）in BP region

从图5可看出，BP-1铁上下游有BM 铁和QD 铁，BP-2铁上下游有高频腔和BPM，相互之间距离很近，空间位置紧张。同样基于安装考虑，将陶瓷真空室与带抽口的不锈钢圆管真空室通过过渡片焊接成一整体段。陶瓷段与其两端的法兰、过渡片通过可伐过渡焊接成一体。可伐除可保证陶瓷与金属封接的牢固外，还必须与陶瓷真空室内表面的金属镀层有良好均匀的电接触，以确保束流的镜像电流光滑通过。两段陶瓷真空室结构如图5所示。

4 结语

针对上海质子治疗装置同步环物理布局紧凑的特点，设计了主环上的真空器件布局，针对不同段的束流清晰区要求、磁铁孔尺寸设计出相应的真空室结构。设计满足了同步加速环的真空、安装及维护要求。

［1］ 刘世耀.质子治疗设备的现状和发展［J］.基础医学与临床，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］ 达道安.真空设计手册［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［3］ 王梨兵，董海义，裴国玺，等.CSNS 四极陶瓷真空盒磁控溅射镀TiN 膜研究［J］.原子能科学技术，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）.