中国物理学会咨询委员会关于支持质子治癌的倡议

中国科学院高能物理研究所利用北京35MeV质子直线加速器开展了快中子治癌临床研究,近来已取得初步成效,说明中子对于腮腺癌、前列腺癌、骨肉瘤及肺尖癌等有显著疗效.但由于中子束在体内的剂量分布不佳,因而严重影响了对更多病种的疗效.近十年来,国际上兴起的质子束治癌研究及上万病例的治疗效果表明,质子束治癌较现用的一切射线束具有特显著的疗效.对多种癌症(如眼、头颈部、肺、胃、肝、肠、子宫、前列腺,……)的平均局部控制率可达75%,原因是质子束不但具有很好的放射生物效应,而且在体内的剂量分布极好(即不致过多地破坏正常组织).中国…     

国产首台交变相位聚焦漂移管加速器的冷测与试运行

质子直线注入器是质子治癌系统的重要组成部分。出于项目进度的考虑,上海先进质子治癌示范装置APTRON采用了进口自美国的直线注入器。为了加快质子治癌产业进程,掌握质子放疗关键技术,保证产业链安全可控,注入器团队研发了国产医用质子直线注入器。该直线注入器采用了电子回旋共振（ECR）离子源和四翼型射频四极加速器（RFQ）的技术方案,并在漂移管加速器（DTL）段创新性地采用了交变相位聚焦（APF）结构。在这个过程中,通过研究APF DTL的束流运动规律和设计思想,自主开发了APF DTL的底层物理设计软件,相继完成了物理设计、电磁设计、机械设计、加工建造、腔体冷测、高频老练和载束实验等多个阶段的工作,最终成功引出了7 MeV、7 mA的质子束流。经过束诊系统的测量分析,认定束流中心能量为6.975 MeV,动量分散在±0.35%以内的束流流强为6.07 mA。成为国产首台医用质子直线注入器和首个实现成功载束的APF加速腔。     

100 MeV质子束流品质诊断及剂量测量准确性评估方法研究

质子辐射生物学效应是太空放射生物学和质子束放疗研究的重要基础,可为空间环境下人员的危险性评估以及质子治疗优化设计提供科学依据。依托加速器建立相应的生物样本辐照技术是开展此类研究的前提条件。中国原子能科学研究院最近建立的100 MeV强流质子回旋加速器提供的中能质子束流为目前国内能量最高,特别适合用于太空放射生物学和质子治疗相关研究。本研究中,利用在束和离线等多种手段建立了中能质子束流诊断和剂量测量方法,对加速器引出的100 MeV质子照射野大小、均匀性等束流品质以及剂量测量系统准确性进行了分析和评估。结果表明,对光子剂量响应好的LiF(Mg, Ti)热释光探测器,对90 MeV质子同样具有良好的剂量响应关系,可作为中能质子剂量准确性评估的手段之一。在5.0 cm×5.0 cm照射野范围内,加速器引出的100 MeV质子束流的均匀性好于90%,在线剂量测量系统准确性好于93%,束流品质和剂量测量条件基本满足辐射生物学的要求,可为质子辐射生物学效应研究的开展提供可靠保障。     

医用质子直线加速器的设计研究

讨论用于治癌的低束流高能量质子直线加速器的初步物理设计.采用短脉冲和高重复频率的S波段的加速结构,类似于医用电子直线加速器.总长26m,由离子源、RFQ、DTL、SCDTL及SCL组成,能量经70—200MeV有八档可调,平均束流强度10—40nA.     

快点火中质子的能量沉积和神光Ⅱ升级装置上的质子束的产生

基于神光Ⅱ升级装置激光条件,利用流体程序、粒子模拟程序和Fokker-Placnck程序,模拟研究质子快点火中所需质子束的品质以及产生所需质子束的激光条件.首先根据快点火靶的条件,利用Fokker-Planck方程模拟快点火所需的质子束的能量范围,模拟表明当背景等离子密度为300 g/cm³时,能量为7—12 MeV的质子束适合点火;当背景等离子体密度为400 g/cm³时,能量为8—18 MeV的质子束适合点火.再根据神光Ⅱ升级装置实验条件研究质子束所需的激光参数,通过利用粒子模拟程序,结合流体程序给出的预等离子体,分别模拟研究了加预等离子体和不加预等离子体两种情况下的质子加速,在有预等离子体时得到的质子束最大能量约为22 MeV,没有预等离子体时得到的质子束最大能量为17.5 MeV,具体分析了两种情况下质子加速的物理机制,其结果跟等离子体自由膨胀模型结果符合得很好.     

北京质子直线加速器及其应用研究装置建成

 北京质子直线加速器及其应用研究装置,包括35兆电子伏质子直线加速器、快中子治癌研究装置、医用短寿命同位素制备装置和正电子断层照象(PET)试验装置.这些装置的建成,是在中央的关怀下,在国家计委、国家科委和中国科学院的领导下,由全国上百个厂家、研究所大力协作、奋战攻关的结果.北京质子直线加速器,是我国自行设计和建造的第一台质子直线加速器,也是我国目前最高能量的质子加速器.这台大型科研装置,综合了许多门类的尖端技术,如超高频无线电、高电压、高真空、精密机械、高精度的光测和电磁测量、计算机自动控制技术等.     

医用质子加速器注入器7 MeV漂移管直线加速器的设计

针对质子治癌直线加速器功耗少、长度短的要求,设计了一台工作频率为324 MHz的漂移管型质子直线加速器(DTL)。该DTL把粒子从2.5 MeV加速到7 MeV,功耗为265 kW, 总长1.9 m。横向聚焦采用FODO结构,漂移管内放置永磁铁。提出一种新的束流匹配方案,在射频四极场加速器(RFQ)与DTL之间不设束运线,而是以 DTL入口处的4个单元为匹配段,把RFQ出口处相椭圆匹配到DTL周期结构入口处的相椭圆。 用PARMILA程序对该DTL进行了动力学模拟,结果表明该方案的束流发射度增长很小。     

鞘场加速机理中质子束的特性与其初始尺寸的关系

为了研究激光鞘场中质子层的尺寸对质子束特性的影响,本文应用中国工程物理研究院 激光聚变研究中心的二维Particle-In-Cell (2D-PIC)数值模拟程序Flips2D进行了相关数值模拟研究. 研究了质子束总能量随时间的变化,得出了加速持续过程与激光脉冲持续时间的关系; 研究了质子层的宽度对加速后质子束发散角和能谱的影响;研究了质子层的厚与加速后质子束 发散角和能谱的关系;得出了质子层的初始尺寸对加速后质子特性的影响规律.     

医用质子加速器注入器7MeV漂移管直线加速器的设计

 针对质子治癌直线加速器功耗少、长度短的要求,设计了一台工作频率为324 MHz的漂移管型质子直线加速器(DTL)。该DTL把粒子从2.5 MeV加速到7 MeV,功耗为265 kW, 总长1.9 m。横向聚焦采用FODO结构,漂移管内放置永磁铁。提出一种新的束流匹配方案,在射频四极场加速器(RFQ)与DTL之间不设束运线,而是以 DTL入口处的4个单元为匹配段,把RFQ出口处相椭圆匹配到DTL周期结构入口处的相椭圆。 用PARMILA程序对该DTL进行了动力学模拟,结果表明该方案的束流发射度增长很小。     

低能质子束产生感生放射性的蒙特卡罗模拟

质子束轰击探测器产生的感生放射性核素,将使探测器成为一个典型的外照射辐射源,针对感生放射性核素种类、活度的计算有利于辐射防护工作的开展。使用FLUKA蒙特卡罗程序,研究了低能质子束（20 MeV以内）轰击三种探头材料（铜、钽、钨）产生的感生放射性问题,得到探头材料在一定照射时间下的放射性核素活度及指定冷却时间后的剂量水平。研究结果表明,质子束轰击铜探头产生感生放射性的能量阈值最低（4~5 MeV）,而钨、钽探头与质子束产生感生放射性的能量阈值较高。相同照射时间下的钨、钽探头产生感生放射性总活度远低于铜探头,在冷却1 h后其放射性总活度降至最低。     

IH型永磁漂移管加速腔初步设计

设计了一个用于加速低能质子的永磁聚焦IH型漂移管加速腔。通过迭代设计,使得束流通过每个漂移管中心的束流相位与预设值一致。设计的永磁聚焦IH型漂移管加速腔将质子束从0.75 MeV加速到2.5 MeV,长度0.96 m,分流阻抗约90 M/m。不考虑束晕和误差因素,50 mA流强下该漂移管加速腔中的束流损失可以控制在0.1%量级。     

扫描质子微探针质子束刻写

质子束刻写技术利用MeV能量的聚焦质子束对抗蚀剂材料直接刻写m甚至nm尺度微结构。研究了质子束刻写中抗蚀剂胶层样品厚度与涂层机旋转速度的关系以及曝光对抗蚀剂的影响,解决了质子束刻写中抗蚀剂厚胶层样品的制备、固化、显影等技术问题,利用扫描质子微探针系统,在正型抗蚀剂胶层上刻写出m尺度的海宝图形、 双矩形结构,在负型抗蚀剂上刻写出m尺度的平行线条、十字形微结构。     

扫描质子微探针质子束刻写

质子束刻写技术利用MeV能量的聚焦质子束对抗蚀剂材料直接刻写m甚至nm尺度微结构。研究了质子束刻写中抗蚀剂胶层样品厚度与涂层机旋转速度的关系以及曝光对抗蚀剂的影响,解决了质子束刻写中抗蚀剂厚胶层样品的制备、固化、显影等技术问题,利用扫描质子微探针系统,在正型抗蚀剂胶层上刻写出m尺度的海宝图形、 双矩形结构,在负型抗蚀剂上刻写出m尺度的平行线条、十字形微结构。     

IH型永磁漂移管加速腔初步设计

设计了一个用于加速低能质子的永磁聚焦IH型漂移管加速腔。通过迭代设计,使得束流通过每个漂移管中心的束流相位与预设值一致。设计的永磁聚焦IH型漂移管加速腔将质子束从0.75 MeV加速到2.5 MeV,长度0.96m,分流阻抗约90 MΩ/m。不考虑束晕和误差因素,50mA流强下该漂移管加速腔中的束流损失可以控制在0.1%量级。     

V2质子静电加速器的改进与现状

V2质子静电加速器(简称V2)在1958年建成,已运行40年.现在最高运行能量为2.4MeV;质子束流强度为微安量级(0.6—2.5μA).磁分析器磁铁励磁电流电源稳定度为±0.01%,加速器能量分辨率可达1‰.改变了输电带的分压装置,使更换输电带更为方便.添加了三岔管道,增加了外束.从70年代以来,V2主要用于核分析工作.最近开展了用离子感生发光法对外长石中铁的不同化学价态Fe²⁺和Fe³⁺进行了分析,Fe²⁺和Fe³⁺光谱峰分离,清晰可辨.     

质子束治疗中非均匀组织的等效水厚度修正研究

非均匀组织等效水厚度修正是研究质子放射治疗的重要组成部分, 利用蒙特卡罗Fluka2011.2程序模拟了不同能量(50–250 MeV)的质子束入射到不同介质中的输运过程, 总结出了在不同介质中质子束初始能量与质子束Bragg峰深度关系, 并拟合出质子束在介质中的等效水厚度修正公式. 结果表明, 对不同能量的质子束入射到非均匀组织中, 通过拟合公式计算出Bragg峰深度值与Fluka模拟的质子束Bragg峰的位置相差在1 mm 之内. 如果建立起介质和水的Bragg峰比与电子密度比关系的数据库, 该公式有可能用于临床上的质子放射治疗的剂量计算中. 关键词： 蒙特卡罗 质子治疗 等效水厚度 Bragg 峰     

APTR质子同步加速器RFQ直线注入器的优化设计

为实现质子治疗装置的国产化和小型化,基于已完成安装调试的上海先进质子治疗装置（APTR）,开展质子治疗注入器系统的升级设计研究,利用PARMTEQM设计软件和快聚束策略,针对APTR同步加速器RFQ直线注入器进行动力学设计模拟。RFQ工作频率为325 MHz,流强18 mA,对从离子源引出的低能质子束流进行匹配俘获、横向聚焦、纵向聚束和预加速,引出能量为3.0 MeV。通过优化预注入器RFQ动力学设计方案和极头参数,有效避免参数共振,减小束流损失,使其整体传输效率达到98.0%,在水平和垂直方向上的发射度增长分别为1.2%和3.3%,出口束流满足下一级腔体的注入需求,开展设计模拟验证和相关冗余度分析,为质子同步加速器的治疗设备和直线注入系统提供参照依据。     

100MeV质子双环双散射体扩束方案设计

为满足质子单粒子效应实验对大面积、均匀化质子束流的需求,针对中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器提供的100 MeV质子进行了双环双散射体扩束方案设计.Geant4模拟表明该方案可在2.4 m位置产生一个均匀性为±1.89%、半径为8 cm的照射野,在5 m位置产生一个均匀性为±5.32%、半径为20 cm的照射野.此外,利用Geant4对双环双散射体扩束方法的基本原理进行了进一步探索,并对第二散射体后加速器管道、初始束斑尺寸、照射野形成距离、改变入射质子能量等实际中各种可能因素对该方案扩束效果的影响进行了讨论.     

通道靶对超强激光加速质子束的聚焦效应

发散角过大是制约超强激光与固体靶相互作用加速产生高能质子束应用的一个重大物理难题.本文提出了一种结构化的通道靶型,与超强激光相互作用可提高质子束的发散特性,通道壁上产生的横向电荷分离静电场可对质子有效聚焦.采用二维particle-in-cell粒子模拟程序对激光通道靶相互作用过程进行了研究,分析了加速质子束的性能特点.模拟结果表明,与传统平面靶相比,通道靶可以在不过多损失能量的情况下产生具有更好准直性的质子束,尤其当通道靶的直径与激光焦斑尺寸和质子源尺寸相当时,横向静电场能够有效聚焦质子束,并且可保证相对较高的激光能量利用率.     

SESRI 300 MeV同步加速器注入线的传输效率与接受效率

为了完成SESRI300MeV同步加速器的束流调试,使用Tracewin软件和加速腔电磁场分布文件建立了该加速器注入线从离子源出口到注入点的全尺寸模型,在多粒子模式下计算了两种典型粒子束(质子、²⁰⁹Bi³²⁺)在不同状态下的加速传输,得到了注入线上束流相空间的变化过程和注入线的传输效率与接受效率.研究结果表明,300 MeV同步加速器注入线在加速不同荷质比的离子束流时,电磁场参数设置基本与荷质比成反比.束流的接受效率主要由射频四极加速腔出口发射度决定,质子束和重离子束的接受效率差别较大.在射频四极加速腔出口发射度为0.1πmm·mrad时,²⁰⁹Bi³²⁺束接收效率达到92.13%,质子束的接收效率为68.18%.分析束流传输过程表明,当横向发射度过大时,束流会因为纵向能散展宽和相位展宽而无法被最终接受.在现有配置下,质子束存在横向聚焦力不够、接受效率较低的问题.通过额外增加2个四极铁能够将质子束的接受效率由68.18%提升至83.61%.