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硼中子俘获疗法(boron neutron capture therapy, BNCT)具有细胞级别上的精准靶向性。特别适用于浸润、复发、扩散的难治肿瘤，对脑胶质瘤、黑色素瘤、复发性头颈部瘤有特效[1-4]。2020年前，该疗法一直处于实验室研究和临床试验阶段，主要原因是其对中子源和载硼药物特性有很高的技术要求。加速器技术的发展使BNCT从反应堆中子源的研究模式向加速器驱动中子源的研究模式转变[5-7]。文献[8]介绍了不同类型的低能中子加速器，包括低能量静电加速器，直线射频加速器以及高能量回旋加速器。世界上第一个用于BNCT临床的回旋加速器超热中子源，由住友重工与京都大学综合辐射与核科学研究所合作[9]。2020年3月，日本在放化疗或放疗后不可切除的局部复发头颈部鳞状细胞癌患者中完成了BNCT试验，结果表明BNCT有望治疗任何标准治疗都难以治疗的局部病变[10]。日本筑波大学的iBNCT项目开发了基于直线加速器的硼中子辐照设施示范装置[11]。2020年，中国科学院高能物理研究所完成了国内首台基于直线加速器的BNCT实验装置（BNCT01）。目前该实验装置已经面向用户开放，取得了不错的实验效果[12]。BNCT02是由国科中子医疗科技有限公司和中国科学院高能物理研究所共建的硼中子俘获治疗装置，该装置坐落于东莞市人民医院。BNCT02由两套加速器和5个治疗端组成，可实现2组癌症患者同时治疗。目前开工建设的是其中一套加速器和2个治疗终端。BNCT一般采用一器二终端/三终端的方案，以提升加速器运行效率。目前装置的建设内容包括：一台ECR源，一条LEBT（1.3 m）、一台能量为2.8 MeV的RFQ和两条HEBT（各8.475 m）、两个治疗端和一条临时调束线。由于BNCT装置是基于强流质子加速器的中子源装置，其真空需求与强流质子加速器前端的真空要求一致，例如：加速器驱动次临界系统（ADS[13]）、中国散裂中子源（CSNS[14]）等。LEBT必须考虑空间电荷中和效应，需要真空度一般在10−3 Pa量级；10−6~10−5 Pa满足RFQ加速器的真空需求，但物理上真空度越高越好，综合考虑氢气气载、真空获得成本、安装空间等因素，提出<2.0×10−5 Pa的真空需求；HEBT区段无加速结构，无需考虑真空引起的电场打火问题，因此主要考虑残余气体碰撞对束流的影响，除治疗端外（打靶出气影响，真空度在10−4 Pa量级），其余HEBT区段均在10−5 Pa量级及以上，分子数密度达到109/cm3量级，气体分子平均自由程达到百米量级，残余气体碰撞对束流的影响可以忽略。目前BNCT02已经完成机器调试，预计2024年下半年进行相关动物实验研究。
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根据BNCT02加速器的物理要求，真空系统各区段工作压力要求如下：
ECR源&LEBT区段：≤3.0×10−3 Pa；
RFQ 区段：≤2.0×10−5 Pa；
HEBT及治疗端：≤5.0×10−4 Pa。
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BNCT02真空布局见图1，由ECR源&LEBT、RFQ、HEBT、一期2个治疗端和1个临时调束线组成。临时调束线和2个治疗端的真空由HEBT真空获得。
ECR源&LEBT区段：ECR源用于产生质子束， LEBT的任务是将来自ECR源的束流匹配引入到 RFQ 加速器中。ECR源&LEBT的真空获得系统由3套分子泵机组组成，由于氢气为放电气体，是主要气载，因此，分子泵选型时主要考虑氢气抽速。LEBT第一、二、三腔分子泵氢气抽速分别为2700 L/s、755 L/s和350 L/s。机械泵也采用抽氢性能较佳的涡旋干泵，第一、二腔分子泵共用1台16.7 L/s的涡旋干泵作为前级泵，第三腔分子泵与RFQ的4台分子泵共用2台16.7 L/s的涡旋干泵作为前级泵。各区段及分子泵口皆配备插板阀，用于真空联锁保护。此区段共配备5个冷阴极电离规和2个皮拉尼规，用于真空测量。LEBT第一、二、三腔本底极限真空分别为9.6×10−5 Pa、8.0×10−5 Pa和5.0×10−6 Pa，当ECR源进10 mL/min 氢气时，LEBT第一、二、三腔动态真空为2.0×10−3 Pa、1.5×10−3 Pa和5.0×10−4 Pa，均满足真空需求。
RFQ区段：RFQ是BNCT02项目中唯一的加速结构，其满足该项目对加速器质子束输出能量2.8 MeV、脉冲流强25 mA及平均流强20 mA的要求。RFQ真空系统共配备4套1300 L/s脂润滑分子泵机组和4台1000 L/s离子泵，4套分子泵机组可以快速获得离子泵启动所需的高真空。同时，真空管道上设计了与耦合器连接的抽气口，极大降低了老炼期间出气的影响。分子泵机组都配备闸板阀，用于真空联锁保护。同时，RFQ与HEBT之间配备快阀，响应时间<10 ms，用于保护RFQ腔体免受治疗端真空泄漏（漏气、漏水等突发状况）的影响。
HEBT区段：HEBT将RFQ引出束流传输到锂靶，打靶产生中子。HEBT采用一块双向二极磁铁，可以将质子束流分别传输到不同的终端，实现一加速器二终端的方案，提升加速器的运行效率。HEBT真空系统采用分子泵机组为主抽泵，同时配备2台离子泵，便于停机期间真空维持。由于治疗端气载较大，HEBT每条束线均配备3套分子泵机组，用于真空获得。HEBT入口采用分子泵+离子泵的抽气方案，可以降低治疗端气载对RFQ腔压力的影响。临时束线配备1套分子泵机组，供调束期间使用。由于涡旋干泵是易损件，若分子泵与涡旋干泵一一对应，首先会增加设备成本；其次，涡旋干泵故障会导致对应分子泵停用，降低系统的可靠性。因此，BNCT02均采用多台分子泵共用几台涡旋干泵的方案：整个HEBT共配备4台16.7 L/s的涡旋干泵，每4台分子泵共用2台涡旋干泵。
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RFQ气载的来源主要有以下几个方面：LEBT第三腔气载、管道内壁出气、治疗端打靶气载、系统漏气等。治疗端气载通过HEBT真空系统设计已经基本避免，LEBT第三腔的气载成为影响RFQ腔压力的主要因素，因此，需要分别计算ECR源有、无氢气注入时，LEBT第三腔的压力对RFQ腔压力的影响。
RFQ入口端板束流孔径为D=15 mm，端板中心处厚度L=10 mm，L/D=0.67，为短管，克劳辛系数α取0.6，管道对20℃空气的流导为Cair=α·116A=0.0123 m3/s[15]（A为圆孔面积），管道流导一定程度上降低了气载对RFQ腔压力的影响。利用Molflow软件对RFQ腔压力分布进行模拟计算，静态极限真空（无氢气注入）计算参数如下：LEBT第三腔静态极限真空p=5.0×10−6 Pa，气载Q1=Cairp=6.2×10−8 Pa·m3/s，无氧铜材料放气率取1.0×10−13 Pa·m3/(s·cm2) [16]，参考真空技术常用数据表，不锈钢材料放气率应取3.3×10−12 Pa·m3/(s·cm2) [17]，综合考虑氟橡胶圈放气（共10处氟橡胶密封）、系统漏气（共160多处密封接口）等因素，不锈钢材料放气率取5.0×10−11 Pa·m3/(s·cm2) ，离子泵抽速取750 L/s，分子泵抽速取800 L/s。
RFQ腔动态真空（有氢气注入）计算参数如下：管道对氢气的流导
$ \mathit{\mathrm{\mathit{C}}}_{\mathrm{H}_2} $ = Cair×(Mair/$ \mathrm{\mathit{M}}_{\mathrm{H}_2} $ )1/2=3.8Cair=0.047 m3/s；LEBT第三腔动态压力p=5.0×10−4 Pa（相对于氢气），冷规相对于空气的修正系数为2.4，因此，LEBT第三腔压力修正为p修正=1.2×10−3 Pa[18]，氢气气载Q2=$ \mathrm{\mathit{C}}_{\mathrm{H}_2} $ p修正=5.6×10−5 Pa·m3/s。分子泵氢气抽速取500 L/s（参考设备说明书），离子泵氢气抽速取1000 L/s，其它参数与静态极限真空计算参数一致，计算模型及结果如图2所示。从图2模拟结果可以看出：1.静态极限真空比动态真空高约半个量级以上，说明LEBT第三腔氢气气载对RFQ腔压力有较大的影响，但RFQ腔真空仍满足<2.0×10−5 Pa的真空需求；2.是否开启后面2套分子泵机组对RFQ腔整体动态真空影响不显著，因此，后续这2套分子泵机组暂不开启，仅作备件使用。
RFQ腔共配备8个冷阴极电离规和3个皮拉尼规，用于真空测量。将RFQ腔不同状态下冷规处模拟值和实测值进行比对，结果如表1所示（单位：×10−6 Pa）：模拟1/实测1为静态极限真空，模拟2/实测2为只开前2套分子泵机组时的动态真空，模拟3/实测3为开4套分子泵机组时的动态真空。
从表1可以看出，除CCG02和CCG04两处模拟值和实测值存在较大差异外，其余模拟值与实测值基本吻合。这两处可能存在较大泄漏，后期会针对这些区域进行重点检漏。
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BNCT02 HEBT根据整体布局考虑，两条对称水平束线的夹角为110°，每条束线长度约8.475 m，包括1块二极磁铁、6块四极磁铁、1块八极磁铁和2块校正磁铁。二极磁铁（B1）及之前的3块四极磁铁（LR-80Q）、1块校正磁铁（CHV1）由2条束线共用，二极磁铁之后的2条束线设备基本采取对称分布，每条束线由1块八极磁铁、3块四极磁铁（LR-100Q）和1块校正磁铁（CHV2）组成。具体分布如列表2所示。
HEBT多数真空盒采用圆形管道，壁厚1.5 mm~2 mm，真空盒外壁和磁铁极头间距1 mm，便于安装。考虑二极磁铁间隙（孔径60 mm）以及三条束线的物理设计，二极铁真空盒横向跨度很大，最大处约为340 mm，此处的束流包络纵向尺寸约为50 mm，因此，异型真空盒采用横截面为矩形的结构设计，内径尺寸为120 mm×52 mm，上、下面厚度3 mm，真空盒接口为CF160方孔法兰。抽真空后，大气压力会导致真空盒发生形变，中心处形变过大可能会与束流包络产生干涉，因此，要求最大形变量<0.5 mm（留一倍余量）。同时，最大应力一般要求<205 Mpa，在不锈钢可塑形变范围内。利用Ansys Workbench对不同壁厚真空盒进行仿真分析，来确定真空盒最终尺寸。模拟过程中，假设四个法兰端面固定，只考虑重力和大气压力。计算结果表明，最大形变量为0.27 mm，最大应力92.98 Mpa，保证了2倍以上的安全系数，满足设计要求，计算结果如图3所示。
BNCT02束流能量低，相较于高能量束流会有更大的动量分散，且通常存在一个长的束流尾巴。正常情况下该束流尾巴的粒子数占比较小，而当RFQ高频功率不够或束流中心能量出现较大波动时，会产生较大比例的束流损失，此时需要束流准直器来控制束损，减少其对硬件设备的破坏。束损位置主要集中在Q5附近，考虑安装空间问题，在Q4和Q5之间添加内径56 mm的束流准直器，该束流准直器可以准直掉不正常状态下的绝大部分非理想粒子。不正常状态下，束流损失在束流准直器最大功率为2500 W，该功率条件下，束流准直器需要设计水冷，目前束流准直器为铜制圆环结构，厚度22 mm，圆环上设计水冷槽，水流速1.5 m/s，真空盒与束流准直器之间的密封材料为氟橡胶（使用温度要求<250℃）。经计算，束流准直器内表面最高温度为111.34℃，氟橡胶密封圈处的温度在85℃以下，该温度下，氟橡胶圈性能基本不受影响，计算结果如图4所示。
正常束流状态下，束流损失小于100 W，束损集中分布在二极磁铁和Q5之间的真空盒外侧，尺寸约为608 mm×0.26 mm。这部分粒子难以通过束流准直的方法一次性集中处理。因此，为避免束损造成真空盒及氟橡胶密封圈泄漏，真空盒束损一侧增加水冷。采用ANSYS workbench对这部分真空盒自然冷却和冷却水冷却的温升情况进行模拟计算。自然冷却条件下，真空盒外侧自然对流系数取5 W/m2，冷却水冷却条件下，水流速设定1.5 m/s, 真空盒上的温度分布如图5所示。
从图5中可以看出，100 W功率集中损失在真空盒外侧面，空气自然冷却条件下，真空盒外侧面最高温度为263.05℃，氟橡胶密封圈处的温度约为180℃，接近氟橡胶使用温度的上限，极大可能造成真空盒局部及氟橡胶密封圈处出现真空泄漏。真空盒外侧增加水冷后，真空盒外侧面最高温度为59.08℃，有效避免了束流损失导致真空盒及氟橡胶圈泄漏的可能。
同时，为避免异常情况下束流位置偏差造成真空盒泄漏，在二极磁铁（B1）及最后一块四极磁铁（Q6）出口真空盒上均设计了四个温度探头孔，通过监测温度变化来反馈束流位置。真空盒具体设计如图6所示。将此处的温度变化纳入机器联锁保护系统，温度超过100℃时会触发停束。
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BNCT02 HEBT气载与BNCT01[19] HEBT类似，主要气载为打靶出气以及束损引起的真空管道放气，计算方法也基本一致，这里不再赘述。
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HEBT平均流强为20 mA，束损最大比例为2%，由束损引起的每秒氢气放气量为Q1= 3.54×10−5 Torr·l/s =4.7×10−6 Pa·m3/s。束损按照沿束线均布计算，经计算，放气率取1.175×10−10 Pa· m3/(s·cm2)，其中不锈钢放气率按照q=3.3×10−12 Pa· m3/( s· cm2)计算。打靶出气量若按照98%计算：Q2=2.3×10−4 Pa·m3/s，根据BNCT01经验，放气率取一半，Q2’=1.15×10−4 Pa·m3/s。由于旋转锂靶采用磁流体密封，磁流体材料放气以及密封泄漏等都会导致极限真空下降，经实验装置验证，磁流体密封装置气载约为Q3=1.72×10−5 Pa·m3/s。因此，治疗端1（打靶一侧）总气载Q1总= Q2’+ Q3=1.322×10−4 Pa·m3/s，治疗端2（未打靶一侧）总气载Q2总= Q3=1.72×10−5 Pa·m3/s。
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根据BNCT02加速器的物理要求，HEBT 及治疗端工作压力要求≤5.0×10−4 Pa，因此需要对该区段的压力分布进行模拟计算，并根据模拟计算的结果优化真空系统设计。经过多次模拟计算，最终确定HEBT每条束线配备3套分子泵机组用于真空获得，抽速分别为2000 L/s、1300 L/s和700 L/s，HEBT入口至治疗端1、2的束线压力分布曲线及计算模型如图7所示。同时，每条束线预留一套2000 L/s的分子泵备件，方便故障后替换，若真空度不达标，也可以同时开启。冷规处模拟值和实测值比对结果如表3所示（单位：×10−5 Pa）。
从图7中可以看出，治疗端1末端的压力约为3.3×10−4 Pa，治疗端2末端的压力约为4.6×10−5 Pa，均满足真空需求。RFQ和HEBT之间采用700 L/s分子泵+400 L/s离子泵的抽气方案，将HEBT入口的压力降低至1.0×10−5 Pa以下，避免了治疗端气载对RFQ腔压力的影响。
由于目前还处于实验阶段，白天打靶，晚上真空维持，因此，CCG08明显小于模拟值。随着后续打靶时间的延长，沉积在靶材表层的氢气将逐步释放出来，CCG08的数值会逐步接近模拟值。其余实测值略大于模拟值，可能与真空盒长时间暴漏大气、分子泵氢气抽速与其标称氢气抽速相比略小等一系列因素有关。设备运行一段时间后，真空盒表面放气率会明显下降，腔体的真空度会进一步提高。
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本文首先介绍了目前BNCT02装置建设的主要内容及真空设计，利用Molflow软件计算了RFQ不同状态下的压力分布，并与实测情况进行对比，结果表明：除CCG02和CCG04两处模拟值和实测值存在较大差异外（可能存在较大泄漏），其余模拟值与实测值基本吻合。然后，对HEBT区段的异型真空盒的形变、水冷真空盒的温升进行模拟计算，计算结果表明水冷真空盒的水冷是必要的。最后，计算了HEBT区段的气载及动态压力分布，计算结果与模拟结果目前存在一定的差异，有待后续实验进一步验证。
BNCT02真空设计及仿真
The Vacuum Design and Simulation of BNCT02
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摘要: BNCT02由两套加速器和5个治疗端组成，可实现2组癌症患者同时治疗。目前开工建设的是其中一套装置，由一台ECR离子源，一条低能传输线（LEBT），一台2.8 MeV射频四极加速器（RFQ），两条高能传输线（HEBT）、两个治疗端和一条临时调束线组成。文章首先介绍了BNCT02真空设计，利用Molflow软件计算了RFQ及HEBT不同状态下的压力分布，并与实测情况进行比对。然后，对HEBT区段异型真空盒形变、水冷真空盒温升进行模拟计算，并优化对应真空盒设计。目前整个装置已经稳定运行，真空系统满足设计要求。Abstract: BNCT02 consists of two sets of accelerators and five treatment terminals, enabling simultaneous treatment of two groups of cancer patients. Currently under construction is one of the units, consisting of an ECR ion source, a low energy beam transport (LEBT) line, a 2.8 MeV radio frequency quadrupole accelerator (RFQ), two high energy beam transport (HEBT) lines, two treatment terminals, and a temporary line with beam dump. Firstly, the vacuum design of BNCT02 is introduced. The pressure distribution of RFQ and HEBT under different states is simulated and calculated by using Molflow software, and compared with the measured results. Then, the deformation and temperature rise of the irregular chamber and the water-cooled chamber in HEBT are simulated, and the chamber design is optimized. Currently, the entire device is running stably, and the vacuum system meets the design requirements.
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图 2 RFQ束线压力分布模拟计算模型（a）和计算结果（b）
Figure 2. The simulation model(a) and calculation results(b) of RFQ pressure distribution
图 3 HEBT异型真空盒抽真空后的形变（a）及应力（b）变化
Figure 3. Deformation (a) and stress (b) of HEBT irregular chamber after pumping
图 5 HEBT真空盒自然冷却（a）和冷却水冷却（b）条件下的温度分布
Figure 5. The temperature distribution of HEBT vacuum chamber under natural cooling condition(a) and water-cooling condition(b)
图 7 HEBT束线压力分布模拟计算模型（a）和计算结果（b）
Figure 7. The simulation model(a) and calculation results(b) of HEBT pressure distribution
表 1 RFQ腔压力模拟值和实测值比对
Table 1. Comparison of simulated and measured pressure in RFQ
冷规
编号CCG1 CCG2 CCG3 CCG4 CCG5 CCG6 CCG7 CCG8 模拟1 1.5 1.4 1.4 1.3 0.84 0.80 0.75 0.76 实测1 1.8 2.4 1.9 2.9 0.83 0.96 0.77 0.76 模拟2 8.1 4.8 6.6 5.5 5.8 5.4 / / 实测2 8.2 6.0 7.0 7.9 5.6 5.2 / / 模拟3 7.6 4.5 6.0 4.3 5.4 4.8 3.8 3.8 实测3 7.9 5.7 6.6 7.2 5.5 5.0 3.8 3.6 
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表 2 HEBT磁铁列表
Table 2. List of magnets in HEBT
元件名称 类型 Q1 四极磁铁 Q2 四极磁铁 Q3 四极磁铁 CHV1 校正磁铁 B1 二极磁铁 OCTH 八极磁铁 Q4 四极磁铁 Q5 四极磁铁 CHV2 校正磁铁 Q6 四极磁铁 TARGET
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表 3 HEBT压力模拟值和实测值比对
Table 3. Comparison of simulated and measured pressure in HEBT
真空规编号 CCG1 CCG2 CCG4 CCG6 CCG8 模拟值 0.85 0.4 1.6 1.2 13 实测值 0.96 0.6 2.5 3.0 3.7
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