利用hirfl-csr主環(huán)進(jìn)行重離子深層治癌

利用hirfl-csr主環(huán)進(jìn)行重離子深層治癌

癌癥是危害人類(lèi)健康最危險(xiǎn)的疾病之一，癌癥死亡率在中國(guó)增加了第一。利用重離子治癌,其能量主要通過(guò)電離而損失在射程末端,分布為一尖銳的Bragg峰,對(duì)正常組織的損傷小而對(duì)目標(biāo)靶組織細(xì)胞造成不可修復(fù)的損傷,因此重離子治癌是一種高精度高治愈率的先進(jìn)放療方法。中科院近代物理研究所在用重離子束進(jìn)行淺層治癌獲得成功的基礎(chǔ)上,利用近期建成的蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)(HIRFL-CSR)提供的能量為100MeV/u～430MeV/u的碳離子束,開(kāi)展治療體內(nèi)各種癌癥的深層治癌研究。深層治癌束流線是CSR主環(huán)(CSRm)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)終端。束流從CSRm引出,通過(guò)治癌束流線,經(jīng)束流線下游高頻率掃描磁鐵導(dǎo)向,在束流線末端穿過(guò)膜窗,在空氣中飛行一段距離后直抵病人體內(nèi)腫瘤,按腫瘤斷層的形狀精確地進(jìn)行照射。束流在深層治癌線中只是一次性通過(guò),真空度為10-5Pa～10-6Pa即可滿足使用要求。但由于深層治癌線真空系統(tǒng)與保持在極高真空狀態(tài)(10-10Pa)下的CSRm真空系統(tǒng)相連,為了保證CSRm的真空度不受影響,在距CSRm約15m的部分完全按照極高真空的獲得方案進(jìn)行設(shè)計(jì);從極高真空段末端到膜窗為超高真空系統(tǒng);而膜窗的一邊是超高真空,另一邊是大氣。本文介紹該跨越極高真空—超高真空—大氣的真空系統(tǒng)的布局和設(shè)計(jì)方案,同時(shí)介紹置于高頻率掃描磁鐵中的真空管道的研制及大尺寸膜窗材料的選擇和膜窗設(shè)計(jì)方案,最后介紹系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果。1真空室和真空設(shè)備安裝重離子深層治癌束流線全長(zhǎng)38m,真空內(nèi)表面積約46m2,分為極高真空段(烘烤段)和超高真空段(非烘烤段),在超高真空段末端和大氣之間設(shè)計(jì)有雙層膜窗。極高真空段真空度為10-9Pa～10-10Pa,超高真空段真空度為10-6Pa左右,雙層膜窗中間保持1Pa左右的低真空。束流線上的磁元件包括3臺(tái)彎曲磁鐵(二極鐵),2臺(tái)掃描磁鐵,10臺(tái)聚焦透鏡(四極鐵),二極鐵、四極鐵真空室置于磁鐵間隙中。為了降低制造和運(yùn)行經(jīng)費(fèi),磁鐵間隙一般都設(shè)計(jì)得很小。因此,真空室壁厚、真空烘烤所需的加熱及隔熱元件的厚度都受到限制。用ANSIS程序?qū)匦谓孛娴亩O鐵真空室和四極鐵真空室進(jìn)行受力計(jì)算,在變形許可的情況下盡量采用較薄的壁厚;沿線的真空室除安裝各種真空設(shè)備外,為熒光靶、法拉第筒、氣體探測(cè)器等多種束流探測(cè)元件提供安裝接口。真空室材料選用不銹鋼。采取超高真空清洗、真空爐高溫除氣及在線烘烤(烘烤段)相結(jié)合的措施大幅度降低材料的出氣率,從而降低系統(tǒng)氣載;膜窗需要選擇即能讓束流通過(guò),又不會(huì)產(chǎn)生危害人體的中子,并能夠有足夠的強(qiáng)度抵御大氣壓力的材料;而用于束流線上的兩臺(tái)高頻率掃描磁鐵中的真空室材料必須能夠消除渦流的影響。在真空設(shè)備的配置方面,超高真空段主泵采用濺射離子泵(400L/s),大約5m～6m放置一臺(tái);極高真空段主泵采用濺射離子泵(330L/s)+鈦升華泵(1500L/s)的組合,大約3m～4m放置一臺(tái);粗抽機(jī)組由渦輪分子泵和干式機(jī)械泵組成,以避免油蒸汽對(duì)系統(tǒng)的污染。機(jī)組可將系統(tǒng)抽到10-5Pa左右,用于濺射離子泵的啟動(dòng),并用于系統(tǒng)的烘烤排氣及檢漏;全金屬密封插板閥用于烘烤段的隔斷閥,非烘烤段采用橡膠密封插板閥。為防止終端膜窗破裂事故沖擊CSRm極高真空系統(tǒng),在治癌線中部安裝1臺(tái)關(guān)閉速度為20ms的快關(guān)閥;系統(tǒng)烘烤段真空度測(cè)量配置2個(gè)測(cè)量范圍為2×10-10Pa～1×10-2Pa的真空規(guī)管,非烘烤段配置2個(gè)測(cè)量范圍為1×10-7Pa～1×10-1Pa的真空規(guī)管;另外在烘烤段安裝1個(gè)四極質(zhì)譜計(jì)探頭監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分壓及殘余氣體成分,并用于系統(tǒng)烘烤后的檢漏。深層治癌束流線真空系統(tǒng)設(shè)備布局見(jiàn)圖1。烘烤段上所有零部件配備永久性烘烤外套以承受250℃的在線均勻烘烤。同時(shí)在接近CSRm的部位連續(xù)安裝2～3臺(tái)主泵,用局部增大抽速與約15m烘烤段相配合,實(shí)現(xiàn)10-6Pa～10-10Pa真空度的順利過(guò)渡。2關(guān)于磁體內(nèi)部真空管的開(kāi)發(fā)2.1超薄不銹鋼管道束流線中用于束流導(dǎo)向的兩臺(tái)掃描磁鐵的頻率為300Hz,約是CSR儲(chǔ)存環(huán)上二極鐵頻率的1000倍,如果采用常規(guī)壁厚的不銹鋼真空室,將會(huì)產(chǎn)生巨大的渦流,嚴(yán)重干擾磁場(chǎng),以至于不能工作。可采用0.2mm～0.4mm壁厚的超薄管道克服渦流的影響。對(duì)于超薄壁管道,目前國(guó)內(nèi)外通常采用常規(guī)波紋管和薄壁上焊加強(qiáng)筋等方法。常規(guī)波紋管撓度大,管道較長(zhǎng)時(shí)定位困難;焊加強(qiáng)筋的方法需要用特殊絕緣金屬材料做筋板,價(jià)格昂貴,工藝復(fù)雜,焊接變形大。鑒于上述情況,我們研制出一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的超薄壁不銹鋼管道:利用拱橋的原理,將薄壁管道設(shè)計(jì)成一個(gè)由許多拱形組成的類(lèi)似波紋管結(jié)構(gòu)的管道。但由于這種管道只有波高,沒(méi)有波谷,所以有足夠的剛性,不會(huì)像普通波紋管那樣產(chǎn)生壓縮變形或下垂。管道長(zhǎng)1410mm,外徑為126mm。采用0.4mm的316L不銹鋼超薄板,用模具壓制成均勻的大波距、低波高的連續(xù)拱形(波紋)。波距為35mm,波高為6mm。圖2是這種真空管道的力學(xué)分析圖,分析結(jié)果表明,管道抽空時(shí)的最大變形只有0.18mm,最大應(yīng)力為18MPa,能夠安全使用。安裝在現(xiàn)場(chǎng)并處于真空狀態(tài)下的管道見(jiàn)圖3。2.2陶瓷—陶瓷真空管道如果要完全消除渦流的影響,最好的方案是采用陶瓷管道做真空室。由于管道尺寸較長(zhǎng),陶瓷制造和封接都比較困難。我們將管道分為兩節(jié),每節(jié)705mm,外徑仍為126mm,壁厚6mm。陶瓷管內(nèi)壁涂敷50微米的金屬化層以消除由束流引起的電荷積累。采用陶瓷—鈦—不銹鋼法蘭的過(guò)渡焊接模式,用我所自備的真空釬焊爐在真空氣氛中釬焊,實(shí)現(xiàn)非金屬—不銹鋼超高真空氣密要求的順利過(guò)渡。根據(jù)以往試制大尺寸陶瓷管摸索的經(jīng)驗(yàn),成功完成了系統(tǒng)所需陶瓷管道的研制,漏率≤10-8Pa.L/s。2.3陶瓷管道的畸變兩種管道在掃描磁鐵測(cè)磁時(shí)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)量。脈沖狀態(tài)下,如果有渦流存在,磁鐵氣隙中的磁場(chǎng)波形和電流波形相比,會(huì)有一個(gè)畸變,使束流的掃描均勻性變差,通常以百分比表示其影響程度。經(jīng)檢測(cè),超薄不銹鋼拱形管道的畸變約為5%,而陶瓷管道基本為零。兩種管道都可以使用,使用陶瓷管會(huì)使掃描均勻性更好一些,而使用超薄不銹鋼拱形管道則更安全。3膜窗3.1材料選擇的影響深層治癌線上的膜窗尺寸較大,為210mmm×210mm的正方形。如果膜在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生破裂,除了對(duì)真空系統(tǒng)造成損失外,大氣產(chǎn)生的沖擊波將發(fā)出巨大的爆裂聲,會(huì)對(duì)在場(chǎng)人員的耳膜構(gòu)成威脅。因此膜窗材料的選擇對(duì)于其安全運(yùn)行至關(guān)重要。金屬薄膜強(qiáng)度較高,但材料中含質(zhì)量數(shù)大的元素也較多,束流通過(guò)時(shí)會(huì)打出一些中子,妨礙治療效果,而且產(chǎn)生的同位素衰減也很慢,污染治療環(huán)境。我們參照德國(guó)GSI的經(jīng)驗(yàn),選用由德國(guó)赫斯特公司研制出的Hostaphan雙向拉伸聚酯薄膜作為膜窗材料(膜的彈性模量為4.4GPa,抗拉強(qiáng)度為130MPa),同時(shí)輔以由美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的Kevlar49纖維材料作為加固層(其彈性模量為134GPa,抗拉強(qiáng)度達(dá)到3620MPa),既可滿足真空密封的要求,又不會(huì)對(duì)治療和環(huán)境產(chǎn)生影響。3.2apman膜的力學(xué)分析膜材料滲氣較嚴(yán)重,因此在膜窗的設(shè)計(jì)上采用了雙層結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)。兩層膜窗之間用1臺(tái)機(jī)械泵抽真空,可以保持1Pa左右的壓力,從而減小膜材料滲氣對(duì)超高真空獲得的影響。兩層膜都由Hostaphan(75μ)膜和Kevlar49纖維布組成,膜和纖維布之間相距10mm。抽真空時(shí),大氣壓力使膜向內(nèi)凹進(jìn),漸漸貼近Kevlar纖維布。纖維布的抗拉強(qiáng)度比膜大得多,可以減緩膜的變形。根據(jù)GSI對(duì)Hostaphan膜做的破壞性試驗(yàn),75μ的膜在破裂前可以拉伸(凹陷)110mm。圖5是膜窗的力學(xué)分析圖,從圖中可以看到膜窗所受到的最大應(yīng)力為11.5MPa,小于其拉伸強(qiáng)度130MPa;Hostaphan膜變形時(shí)被Kevlar纖維布阻擋,使膜窗的最大變形(凹陷)為26.148mm,遠(yuǎn)小于膜撐破時(shí)的伸長(zhǎng)變形量,因此膜窗的設(shè)計(jì)是安全可靠的。4系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果4.1試驗(yàn)系統(tǒng)過(guò)程設(shè)備安裝在線后,用全無(wú)油渦輪分子泵機(jī)組進(jìn)行粗抽,同時(shí)用高靈敏度檢漏儀進(jìn)行檢漏。確認(rèn)無(wú)漏后,給各真空室包裹烘烤外套,安裝溫度傳感器,并將傳感器及加熱套與控制系統(tǒng)連接,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行烘烤。烘烤程序?yàn)?30℃/h升溫至250℃,保溫40h,3℃/h降至室溫。烘烤過(guò)程中由渦輪分子泵機(jī)組排氣。烘烤進(jìn)行約24h后,啟動(dòng)5臺(tái)濺射離子泵。在烘烤過(guò)程中,多次對(duì)規(guī)管燈絲除氣,同時(shí)用27A～28A的電流對(duì)鈦升華泵的鈦絲長(zhǎng)時(shí)間輪流除氣,使吸附在設(shè)備本身的氣體能夠徹底排出。保溫結(jié)束開(kāi)始降溫后,系統(tǒng)真空度逐漸上升,當(dāng)溫度降至200℃左右時(shí),關(guān)閉全金屬密封插板閥,切斷粗抽系統(tǒng)。當(dāng)溫度降至室溫時(shí),系統(tǒng)真空度好于1×10-8Pa。觀察四極質(zhì)譜計(jì)譜圖,根據(jù)譜圖判斷系統(tǒng)是否需要檢漏并排除漏點(diǎn)。然后將5臺(tái)鈦升華泵電流調(diào)到48A,對(duì)應(yīng)電壓約5V,分別升華3min。鈦絲升華48h后,P1、P2兩只規(guī)管的真空度讀數(shù)分別為7.5×10-10Pa和1.4×10-9Pa。4.2離子泵設(shè)備安裝就位后,同時(shí)啟動(dòng)兩層膜窗之間的機(jī)械泵和該段上的渦輪分子泵機(jī)組,由于膜窗纖維材料的出氣率較大,第一次抽空時(shí)需要用渦輪分子泵多抽一段時(shí)間,然后再啟動(dòng)濺射離子泵。待濺射離子泵達(dá)到工作電壓值后,關(guān)閉分子泵口插板閥,粗抽機(jī)組與主系統(tǒng)斷開(kāi)。48h后,P3、P4兩只規(guī)管的真空度讀數(shù)分別為1.3×10-6Pa和6×10-6Pa。為減少膜窗所承受的沖擊力,在膜窗兩端的機(jī)械泵上都安裝了手動(dòng)閥,啟動(dòng)機(jī)械泵時(shí)緩慢開(kāi)啟閥門(mén),使膜逐漸變形。膜穩(wěn)定后的最大變形(凹陷)量約為27mm,與計(jì)算值26.148mm基本吻合。4.3連接兩段結(jié)束將兩段中間的隔斷閥門(mén)打開(kāi),P1和P4的真空度讀數(shù)基本沒(méi)有變化,P2為5.4×10-9Pa,P3為6×10-7Pa。5雙層膜結(jié)構(gòu)的