李 波，劉華昌，王 云，吳小磊，李阿紅，瞿培華，陳 強(qiáng)，樊夢(mèng)旭，鞏克云，歐陽(yáng)華甫，吳叢鳳

(1.散裂中子源科學(xué)中心，廣東 東莞 523803；2.中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230029)

硼中子俘獲治療(boron neutron capture therapy, BNCT)是一種具有固有安全性的生物靶向放射治療模式，通過(guò)中子與癌細(xì)胞內(nèi)藥物硼的核反應(yīng)來(lái)殺死癌細(xì)胞，它能做到殺死癌細(xì)胞而盡可能少損傷周圍組織[1-2]。目前，東莞中子科學(xué)中心正在研制我國(guó)首臺(tái)基于加速器的BNCT裝置(AB-BNCT)，該裝置包括8 MeV的直線加速器系統(tǒng)、靶站系統(tǒng)和治療系統(tǒng)。

加速器系統(tǒng)采用微波電子回旋共振(ECR)質(zhì)子源提供質(zhì)子束流。ECR質(zhì)子源主體由等離子體發(fā)生器、脊波導(dǎo)耦合器、質(zhì)子引出電極結(jié)構(gòu)等部件構(gòu)成[3-4]，本文對(duì)ECR質(zhì)子源的主體部件進(jìn)行仿真計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 等離子體發(fā)生器

AB-BNCT的結(jié)構(gòu)如圖1所示。ECR質(zhì)子源主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。ECR質(zhì)子源采用圓柱形等離子體發(fā)生器，功率源工作頻率為2.45 GHz。在ECR條件下，電子在磁場(chǎng)中的角頻率與微波的電場(chǎng)頻率相同，發(fā)生共振，微波能量被電子有效吸收，較小的微波功率就可激發(fā)產(chǎn)生高密度的等離子體。等離子體發(fā)生器腔體采用TE111模，利用軟件CST的MWS子模塊計(jì)算優(yōu)化圓柱形腔體的長(zhǎng)度和半徑，使得腔體的共振頻率為2.45 GHz，產(chǎn)生等離子體時(shí)需要的能量較低，且能量集中在腔中心部位。經(jīng)計(jì)算，圓柱形腔體的長(zhǎng)度為101.12 mm、半徑為45.00 mm時(shí)，優(yōu)化后腔體的諧振電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖3所示。等離子體產(chǎn)生的密度還需進(jìn)一步調(diào)試磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

2 脊波導(dǎo)耦合器

等離子體發(fā)生器內(nèi)等離子體吸收的能量由坡印廷矢量的實(shí)部給出，因此需盡可能地提高腔內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，并把電場(chǎng)集中到腔的中心[5]。脊波導(dǎo)耦合器可滿足這樣的要求，在WR284波導(dǎo)的基礎(chǔ)上，增加了兩個(gè)對(duì)稱的階梯形雙脊[6]，如圖4所示。

利用CST對(duì)脊波導(dǎo)耦合器的階梯長(zhǎng)度l和厚度b進(jìn)行優(yōu)化，提高等離子體發(fā)生器內(nèi)的相對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度，表1列出優(yōu)化后的脊波導(dǎo)耦合器的參數(shù)。優(yōu)化后的脊波導(dǎo)耦合器等離子體發(fā)生器腔體內(nèi)的峰值場(chǎng)強(qiáng)為5 870 V/m，較普通無(wú)脊波導(dǎo)耦合器的電場(chǎng)強(qiáng)度提高到4.5倍，增強(qiáng)了等離子體的吸收能量，其電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖5所示。

圖1 AB-BNCT的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of AB-BNCT

圖2 ECR質(zhì)子源主體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of main part of ECR proton source

圖3 腔體的諧振電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.3 Resonant electric field distribution of cavity

圖4 脊波導(dǎo)耦合器示意圖Fig.4 Schematic diagram of ridge waveguide coupler

表1 脊波導(dǎo)耦合器的參數(shù)Table 1 Parameter of ridge waveguide coupler

圖5 脊波導(dǎo)耦合器電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.5 Electric field distribution of ridge waveguide coupler

3 質(zhì)子引出系統(tǒng)

ECR質(zhì)子源設(shè)計(jì)采用四電極引出系統(tǒng)[7-8]，結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括等離子體電極、引出極、電子阻尼極和零電位極。

圖6 ECR質(zhì)子源四電極引出電極結(jié)構(gòu)Fig.6 Four-electrode extraction electrode structure for ECR proton source

利用Opera-3D對(duì)100 mA流強(qiáng)引出結(jié)構(gòu)電極孔徑、電極間隙及電壓進(jìn)行模擬計(jì)算，優(yōu)化結(jié)果列于表2。為降低束流發(fā)散性，增大空間電荷補(bǔ)償，引出極孔徑設(shè)為3.3 mm，小于其他3個(gè)極的孔徑半徑4.4 mm，等離子體電極與引出極間的引出間隙設(shè)為14.5 mm，電子阻尼極長(zhǎng)度設(shè)為8 mm，電子阻尼極電壓設(shè)為-2 kV。束流模擬三維結(jié)果如圖6所示。

表2 引出電極結(jié)構(gòu)的參數(shù)Table 2 Parameter of extraction structure

4 磁鐵系統(tǒng)

利用CST的Magnet Design設(shè)計(jì)了ECR質(zhì)子源的磁鐵系統(tǒng)，磁鐵系統(tǒng)由3個(gè)螺線管線圈組成，呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩端的兩個(gè)線圈可獨(dú)立沿軸向移動(dòng)，3個(gè)線圈分別由獨(dú)立的電源供電。根據(jù)Sakudo[9]的公式BECR

圖7 ECR質(zhì)子源等離子體發(fā)生器腔體磁場(chǎng)分布Fig.7 Magnetic field distribution of plasma generator chamber for ECR proton source

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了2.45 GHz ECR質(zhì)子源的主要結(jié)構(gòu)部件，設(shè)計(jì)出共振頻率為2.45 GHz的等離子體發(fā)生器腔體的尺寸，優(yōu)化了階梯型脊波導(dǎo)耦合器的雙脊尺寸，腔內(nèi)峰值電場(chǎng)強(qiáng)度提高為普通波導(dǎo)的4.5倍。設(shè)計(jì)優(yōu)化了四電極引出結(jié)構(gòu)，增加了電子阻尼極，優(yōu)化孔徑和電壓使束流橫向發(fā)散很小。另外初步設(shè)計(jì)了質(zhì)子源的磁鐵系統(tǒng)，優(yōu)化了磁場(chǎng)分布。本文結(jié)果為正在研制的東莞AB-BNCT加速器質(zhì)子源提供了重要的參數(shù)依據(jù)。