微精选

摘要：硼中子俘获治疗（BNCT）装置由一台 ECR 离子源、一条低能传输线（LEBT）、一台 3.5MeV 射频四极加速器（RFQ）、一条高能传输线（HEBT）和一个靶站组成。本文首先介绍了 BNCT 真空系统的组成，对比了 BNCT 与 CSNS 离子源真空系统的差异，给出了 HEBT 真空系统设计方案和气载计算方法。利用 Molflow 软件模拟计算了 HEBT 真空系统的静态压力分布和打靶时的动态压力分布，并与目前运行的真空状态进行比对。

 关键词： 硼中子俘获治疗  真空系统组成  高能传输线  Molflow  压力分布 

硼中子俘获治疗（Boron Neutron Capture Therapy，BNCT）概念首先由美国生物物理学家Locher 于1936年提出，其基本原理是：将某种亲肿瘤的硼药注入患者体内，硼便会聚集于肿瘤细胞内，而血液里和其他正常组织内的硼比较少。此时用热中子或超热中子从患者体外进行照射，中子被硼俘获后发生 ¹⁰B（n，α）⁷ Li 反应，利用反应产物 α 粒子和 ⁷Li 粒子的来杀伤肿瘤细胞^[1]。限于当时技术条件和对治疗原理的理解尚不透彻，临床进展十分缓慢。

70 年代，由于改进了硼药物的性能以及解决了热中子源的问题，BNCT 治疗效果有了显著提高，使其进入临床试治阶段；80 年代后期，日本医学界采用外科手术和 BNCT 相结合的方法治疗恶性脑肿瘤，5年存活率高达 40%^[2]；90年代，美国的 Coderre 等人用 BPA 药物治疗9例神经胶质瘤患鼠取得非常理想的效果^[3]。

当前，世界上有美国、日本、芬兰、荷兰、澳大利亚等国的学者在开展 BNCT 的研究，其中美国和日本的研究开展最有成效，相继做过上百例的临床试验^[4]。据 Nomoto T 2020年1月22日报道，日本东京理工大学、京都大学和纳米医学创新中心（iCONM）的研究人员通过将对 – 硼烷苯丙氨酸 （BPA）与聚乙烯醇（PVA）结合生产 PVA-BPA 复合物，改善了目前的硼中子俘获疗法（BNCT）治疗效果，该复合物在细胞中保留的时间更长，增强了其杀癌潜力^[5]。

目前，用于 BNCT 的中子源主要有以下两种：核反应堆中子源和基于加速器的中子源。随着加速器技术的发展，BNCT 从利用反应堆中子源的研究模式，向基于加速器驱动中子源的硼中子俘获治疗（AB-BNCT）应用模式发展^[6-7]。与反应堆中子源相比，基于加速器的中子源具有造价低、运行维护简单、可治疗深部肿瘤、易于在人口稠密地区医院普及使用等优点。

目前，我们已建成国内首台基于一台 3.5MeV 强流质子加速器的 BNCT 装置，所需的中子通过质子束轰击锂靶产生。该装置包括一台 75kV 的 ECR 离子源、一段长度约 2.5m 的低能束流传输线（LEBT）、一台能量为 3.5MeV 的 RFQ 加速器和一条长度约为 10m 的高能束流传输线（HEBT）^[8]。BNCT 设计打靶功率是 35kW，已于2020年年初打靶产生第一束中子束流，目前加速器可稳定运行在 5kW 左右，计划2020下半年完成加速器 15kW 功率调试和打靶实验研究。

 BNCT 真空系统 

1.1 BNCT 直线加速器真空技术指标

根据 BNCT 直线加速器的物理需求，真空系统各区段工作压强为：

ECR 离子源区段：≤4.0×10^-3 Pa；

LEBT 区段：≤1.0×10^-3 Pa；

RFQ 区段：≤1.0×10^-5 Pa；

HEBT 区段：≤5.0×10^-5 Pa。

1.2 BNCT 真空系统组成

BNCT 真空系统布局如图1所示，分为 ECR 离子源、LEBT、RFQ、HEBT 和靶站。因为该BNCT 是实验研究装置，为了节约成本，加速器从 ECR 离子源至 RFQ 区段都是采用原已退库的真空腔室。

▲ 图1 BNCT 真空系统布局图：1.机械泵；2.电磁阀；3、9皮拉尼规；4.分子泵；5、8电离规；6.插板阀；7.溅射离子泵；10.充气阀

ECR 离子源区段：由于 ECR 离子源腔体的真空抽气口为2个 φ400mm 法兰，为此，我们采用2套 3500L/s 油润滑分子泵 +25L/s 油机械泵的真空机组，腔体与分子泵之间由 DN400 的插板阀隔开。ECR 离子源工作气体为氢气，气体流量约为 10sccm，气载Q=10×1.01×10⁵×10^-6/60=1.69×10^-2Pa·m³/s。

由于抽气管道内径为 φ400mm，同时管道较短，因此可不考虑管道流导的限制，2套分子泵 机组的有效抽速约为 S=7000L/s，可获得的真空度为P=Q/S=2.4×10^-3Pa。实际获得的真空度约为 4.0×10^-3Pa，真空度差异较大。原因是，目前我们使用的这款国产分子泵虽然对氮气的抽速为 3500L/s，但对氢标称抽速仅为 1280L/s，实际上对氢抽速介于两者之间。

中国散裂中子源（CSNS）离子源工作过程中同样需要使用 10sccm 的氢气，但是我们采用了2套进口磁悬浮分子泵，抽气口径为 φ250mm，对氮气的抽速为 1800L/s，对氢气的抽速高达 1930L/s，可以获得约为 3.0×10^-3Pa 的真空度^[9]。可见，分子泵对氢气的有效抽速是限制离子源真空度的主要因素。

● LEBT 区段：LEBT 出口位置的第三腔配置了一台 620L/s 分子泵机组，其对氢气的标称抽速为 240L/s，可获得的真空度约为 5.0×10^-4Pa。

● RFQ 区段：RFQ 是位于 ECR 离子源与 HEBT 间唯一的重要低能加速结构，用于加速由离子源产生的质子束，将质子束的能量从 75keV 加速至 3.5MeV。为了减小 LEBT 的气体负载对 RFQ 真空系统产生的影响，利用差分法，将 RFQ 端板的束流孔径设计为 11mm 的小孔。RFQ 区段共配置了3套 1200L/s 的分子泵机组和3台 1000L/s 的离子泵，可以获得 1.0×10^-5Pa 的动态真空。

● HEBT 区段：从 RFQ 引出的脉冲束流，能量为 3.5MeV，设计的平均功率为 35kW。整个输运线长度 9.953m，共配置了5台离子泵作为主抽泵，其中3台抽速为 70L/s、2台抽速为 100L/s；两套 700L/s 的临时分子泵机组作预抽泵，当打靶功率进一步提高后，出气量会增大，因此，这两套分子泵机组也可以在线使用，进一步降低靶出气对加速器一侧真空度的影响。

 HEBT 真空系统设计 

2.1 HEBT 真空管道设计

HEBT 布局如图2所示，主要由18块四极磁铁和2块八极磁铁组成。其中前13块四极磁铁的真空盒内径设计为 φ36mm，在离子泵抽气口处，为了尽量减小管道流导对离子泵有效抽速的影响，真空盒口径扩大为 φ100mm。后5块四极铁的真空盒内径设计为 φ75mm；2块八极磁铁的孔径比较复杂，考虑到束流包络形状及管道流导的限制，将此处真空盒设计成椭圆形。

▲ 图2 HEBT 布局图

由于从第13块四极磁铁至第18块四极磁铁之间的磁铁间隔很小，没有足够的安装空间，因此，将位于此区间长度约为 2.67m 的异形真空盒（孔径大小及截面形状不同）设计成一个整体，通过焊接而成。为了尽量增大束流所需的真空盒内径，设计的磁铁与真空盒之间安装间隙只有 1mm，这对管道的同轴度和直线度都有极高要求。为避免焊接引起形变，专门为此段真空盒的研制设计了焊接工装，用于真空盒的焊接。真空盒两端法兰分别为 KF40 和 KF80。另外，两端位于 φ75mm 的管道上还设计有 CF100 和 CF63 真空法兰，用于真空获得和测量。整个异形真空盒的设计如图3所示。

▲ 图3 异形真空盒设计

加速器和治疗端之间有屏蔽墙，为了尽量减少打靶产生的中子返回加速器一侧，降低辐射剂量（中子和 γ 射线）^[10]，在满足束流包络正常通过的情况下，真空盒内径尽量做小，以减小打靶出气对加速器一侧真空度的影响。

真空盒之间通过焊接波纹管连接，用来补偿加工、安装误差以及吸收温度变化时管路产生的热膨胀。真空法兰之间的连接大多采用快卸链条的方式，拆卸方便快捷^[11]。

2.2 真空气载计算

加速器出束过程中气载来源主要有以下四个方面：真空管道自身出气、真空管道因束流损失产生的放气、靶出气以及漏气。由于 BNCT 束流能量较低，仅为 3.5MeV，束流打锂靶后，因束流产生的气体沉积在靶材的表层，深度约为几百微米，随着后续束流的不断轰击，气体将逐步释放出来，束流除约 2%损失到 HEBT 真空管道内壁外，其余 98%均打到靶表面。因此，束流沉积管道内壁产生的气体量以及沉积靶表面产生的气体量是 HEBT 及治疗端真空系统设计的关键。为了满足直线加速器的真空度需求，需要先计算这两项气载。

2.2.1 束流沉积管道内壁产生的气体量

HEBT 束流脉冲流强为 33.3mA，束流占空比为30%，因此，平均流强 I_ave=33.3mA×30%=10mA=0.01A。

❶ 假设束流损失最大比例为 2%，因此，损失的束流为 I_lose=10mA×2%=0.2mA；

❷ 每秒损失的质子个数，即氢原子数为N=2×10^-4A·s/1.602×10^-19C =1.25×10¹⁵ 个；

❸ 每秒损失的氢气分子的摩尔数为 n=N/2N_A=1.04×10^-9 mol；

❹ 在标准状态下，由损失束流产生的每秒氢气放气量为 Q_beam=PV=nRT=2.4×10^-6 Pa·m³/s。

2.2.2 束流沉积靶表面产生的气体量

束流除2%损失到管道内壁上外，其余98%皆打到靶上，假设全部转化为气载：

❶ 打靶束流流强为 I=10mA×98%=9.8mA=0.0098A；

❷ 每秒损失的质子个数，即氢原子数为 N=0.0098A·s/1.602×10^-19C=6.12×10¹⁶ 个；

❸ 每秒损失的氢气分子的摩尔数为 n=N/2N_A =5.08×10^-8 mol；

❹ 在标准状态下，打靶引起的每秒氢气放气量为 Q′ _beam=PV=nRT=1.176×10^-4Pa·m³/s。

从 2.2.2 的计算结果可以看出，靶的出气量非常大，是主要的气载。如果要获得 1×10^-4 Pa 的真空度，需要分子泵的有效抽速约为 1176L/s，考虑到管道流导的限制（经计算，流导为 758L/s^[12]），计划配2套分子泵机组，每套分子泵机组的有效抽速需大于 588L/s，因此每套分子泵的标称抽速需要达到 2621L/s 以上，这样分子泵的抽气口需要扩大到 CF250 以上。

以上计算是基于 BNCT 靶的寿命无限长，所有束流产生的气载都从靶材释放出来。但在实际中，BNCT 使用锂靶，靶寿命约为30天左右，考虑到中子产额及换热需求，锂层厚度小于 1mm，质子绝大部分沉积在铜基底上。靶体气体原子的产生估算采用蒙特卡洛粒子输运程序和燃耗计算程序进行。靶体气体原子来源主要有以下两个途径^[13]：1.入射质子在射程末端堆积，形成氢原子；2.质子与锂作用产生的中子经慢化后，在锂层中发生 6Li（n，3H）4He 反应，生成氚原子和氦原子。随着辐照时间的增长，气体原子浓度增大，变成气体分子，在一定条件下可扩散进入真空管道。不同材料气体原子产生量与束流辐照时间的关系，如图4所示。

▲ 图4 不同材料气体原子产生量与束流辐照时间的关系

束流打靶面积为 100cm²，打靶深度约为 400μm，30天的气载约为 8.6 ×10^-5Pa·m³/s，远小于我们的理论计算结果，因此，综合考虑，我们取束流沉积靶表面产生气体量的 50%（5.88×10^-5Pa·m³/s）进行真空系统设计，分子泵的有效抽速仅需 588L/s。因此，在靶站一侧配备了2套 1300L/s 的分子泵机组，考虑到安装和更换方便，分子泵竖直安装且位于屏蔽块的外面，2套分子泵的总有效抽速约为 950L/s，可以获得约 6.2×10^-5Pa 的真空度。同时，两套分子泵机组也互为备件，如果其中一台出现故障，另一台还可以继续工作，为采购和更换节省时间。

 HEBT 及治疗端压力分布模拟计算 

Monte Carlo 方法是一种随机模拟方法，它是以概率论为理论指导的数值计算方法，可应用于气体分子输运问题的研究^[14]。Molflow 是一款基于 Monte Carlo 方法，可以在分子流的状态下计算并分析气体流动特性的软件^[15]。

根据真空管道的实际几何尺寸，设计三维模型图并导入 Molflow 中，将 HEBT 及治疗端真空系统划分成614个平面，可以观察到每个平面气体分子碰撞的数量以及在该平面的吸附和解吸情况。不锈钢放气率按照 q=3.3×10^-12Pa·m³（/ s·cm²）计算^[16]，束流沉积管道内壁产生的气体量按照 2.4×10^-6Pa·m³/s 计算，束流沉积靶表面产生的气体量按照 5.88×10^-5Pa·m³/s 计算，取束流中心面为计算曲面，分别计算了沿束流输运方向的静态压力分布和动态压力分布，结果如图5所示。

▲ 图5 沿束流输运方向的压力分布

从图5可以看出，HEBT 动态真空比静态真空增加了近2个量级，治疗端动态真空比静态真空增加了近3个量级，说明靶出气是主要的气载，真空系统设计时要重点考虑。目前 HEBT 共配备了3套冷规，治疗端配备了1套冷规，依次命名为 CCG01、CCG02、CCG03、CCG04，真空规位置如图6所示。

▲ 图6 HEBT 及治疗端真空系统

目前最大打靶功率约为设计值的14%，表1列出了 HEBT 及治疗端4个真空规在不同打靶功率下的模拟值/实测值，单位为 10^-6Pa。

从表1可以看出：当束流打靶功率为 0kW 时，CCG01 和 CCG02 的模拟值和实测值基本一致，而 CCG03 和 CCG04 的模拟值远小于实测值，这主要是由于模拟值没有考虑分子泵的极限真空导致的，我们采用的这一款脂润滑分子泵的极限真空约为 6×10^-7Pa，随着打靶功率的提升，靶出气量较大，可以忽略分子泵极限真空的影响。

▲ 表1 HEBT 及治疗端压力分布

当束流打靶功率为 2.42kW 和 4.37kW 时，由于打靶时间不足1小时，因此表面出气是主要的气载，所以实测值远大于模拟值，越靠近靶表面，表面出气的影响越大；当束流打靶功率为 3.65kW 时（打靶时间约为 3 小时），虽然实测值略大于模拟值，但是两者已经在同一个数量级，说明靶表面出气的影响在逐渐减小。随着束流打靶时间的进一步延长，表面出气将逐渐减小，可以忽略不计，束流沉积靶表面产生的气体将成为主要的气载。

目前 BNCT 加速器束流功率还较小，只是初步验证了理论计算的结果，随着束流功率和打靶时间的进一步提升，理论计算结果还有待进一步的验证。