基于等离子直接注入法的癌症治疗用实用型强流重离子注入器的研发

This proposal of the hybrid single cavity (HSC) linac, which is formed by combining a radio frequency quadrupole (RFQ) structure and a drift tube (DT) structure into one power-efficiency-conformation interdigital-H (IH) cavity, is proposed as a new type injector for cancer therapy synchrotron facilities. The initial designs of HSC linac could accelerate C6+ ions up to 4 MeV/u in 3 meter with over 80% transmission, and the accelerated ion numbers will meet requirement of the needed particle number for cancer therapy use (108~9 ions/pulse) The injection method of the HSC linac adopt a direct plasma injection scheme (DPIS), which is considered to be the only method for accelerating a intense current heavy ion beam produced by a laser ion source. Thus, the injection system adopted HSC injector with the method of DPIS can make the existing multi-turn injection system and the stripping system unnecessary. And the HSC linac has an amazing space effect because of compact size by coupled complex acceleration electrode and integrated the peripheral device which would make operation easy to handle.

本研究决定采用把RFQ（Radio Frequency Quadrupole）和DT（Drift Tube）两种加速结构混合到一个IH（Interdigital-H）型腔的混合型加速器，设计目标是设计一个3米长的腔能把C6+束流加速到4MeV/u，加速后能注入到同步加速器的粒子数能满足现有的癌症治疗所需，可以取代现有的注入器。申请人决定从腔体的三维电磁场模拟计算和优化、以及整个腔体的束流动力学计算（RFQ束流动力学和DT束流动力学的统一）入手，设计出符合重离子癌症治疗设施要求的C6+混合型直线加速器。束流注入采用的是使用激光离子源打靶产生的等离子直接注入法（DPIS: Direct Direct Plasma Injection Scheme）。DPIS能注入数十毫安量级C6+粒子。本研究的加速器因为只有一个腔体，能节省大量的电源和真空等辅助系统，更实用化、易操作以及节省后期运行维护成本。

针对现有混合型癌症注入器的不足，项目组按预定的研究目标完成了实用型3米长混合型癌症注入器的设计，并着重针传输效率、不同结构之间的匹配、以及核心部件的加工工艺进行了研究。项目组通过在RFQ和DT两种加速结构部分的梁上设计场耦合结构，并对整腔进行优化计算，解决了局部场集中问题和匹配问题，最终设计表面混合型癌症注入器实现了非常好的不同加速结构的电磁匹配、能在3米内把91.6%的C6+离子（18.32mA）加速到4MeV/u，完全满足癌症注入器需求。项目组也通过设计一款结构复杂的漂移管加速器，并对该加速器的核心部件进行了一体切割成型的试加工，验证了国内完全可以进行大型加速器核心部件的一体切割工艺。.综上，项目组按照计划、安装进度完成了预定的研究目标。