利用hirfl-csr主环进行重离子深层治癌

利用hirfl-csr主环进行重离子深层治癌

癌症是危害人类健康最危险的疾病之一，癌症死亡率在中国增加了第一。利用重离子治癌,其能量主要通过电离而损失在射程末端,分布为一尖锐的Bragg峰,对正常组织的损伤小而对目标靶组织细胞造成不可修复的损伤,因此重离子治癌是一种高精度高治愈率的先进放疗方法。中科院近代物理研究所在用重离子束进行浅层治癌获得成功的基础上,利用近期建成的兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)提供的能量为100MeV/u～430MeV/u的碳离子束,开展治疗体内各种癌症的深层治癌研究。深层治癌束流线是CSR主环(CSRm)的一个实验终端。束流从CSRm引出,通过治癌束流线,经束流线下游高频率扫描磁铁导向,在束流线末端穿过膜窗,在空气中飞行一段距离后直抵病人体内肿瘤,按肿瘤断层的形状精确地进行照射。束流在深层治癌线中只是一次性通过,真空度为10-5Pa～10-6Pa即可满足使用要求。但由于深层治癌线真空系统与保持在极高真空状态(10-10Pa)下的CSRm真空系统相连,为了保证CSRm的真空度不受影响,在距CSRm约15m的部分完全按照极高真空的获得方案进行设计;从极高真空段末端到膜窗为超高真空系统;而膜窗的一边是超高真空,另一边是大气。本文介绍该跨越极高真空—超高真空—大气的真空系统的布局和设计方案,同时介绍置于高频率扫描磁铁中的真空管道的研制及大尺寸膜窗材料的选择和膜窗设计方案,最后介绍系统的调试结果。1真空室和真空设备安装重离子深层治癌束流线全长38m,真空内表面积约46m2,分为极高真空段(烘烤段)和超高真空段(非烘烤段),在超高真空段末端和大气之间设计有双层膜窗。极高真空段真空度为10-9Pa～10-10Pa,超高真空段真空度为10-6Pa左右,双层膜窗中间保持1Pa左右的低真空。束流线上的磁元件包括3台弯曲磁铁(二极铁),2台扫描磁铁,10台聚焦透镜(四极铁),二极铁、四极铁真空室置于磁铁间隙中。为了降低制造和运行经费,磁铁间隙一般都设计得很小。因此,真空室壁厚、真空烘烤所需的加热及隔热元件的厚度都受到限制。用ANSIS程序对矩形截面的二极铁真空室和四极铁真空室进行受力计算,在变形许可的情况下尽量采用较薄的壁厚;沿线的真空室除安装各种真空设备外,为荧光靶、法拉第筒、气体探测器等多种束流探测元件提供安装接口。真空室材料选用不锈钢。采取超高真空清洗、真空炉高温除气及在线烘烤(烘烤段)相结合的措施大幅度降低材料的出气率,从而降低系统气载;膜窗需要选择即能让束流通过,又不会产生危害人体的中子,并能够有足够的强度抵御大气压力的材料;而用于束流线上的两台高频率扫描磁铁中的真空室材料必须能够消除涡流的影响。在真空设备的配置方面,超高真空段主泵采用溅射离子泵(400L/s),大约5m～6m放置一台;极高真空段主泵采用溅射离子泵(330L/s)+钛升华泵(1500L/s)的组合,大约3m～4m放置一台;粗抽机组由涡轮分子泵和干式机械泵组成,以避免油蒸汽对系统的污染。机组可将系统抽到10-5Pa左右,用于溅射离子泵的启动,并用于系统的烘烤排气及检漏;全金属密封插板阀用于烘烤段的隔断阀,非烘烤段采用橡胶密封插板阀。为防止终端膜窗破裂事故冲击CSRm极高真空系统,在治癌线中部安装1台关闭速度为20ms的快关阀;系统烘烤段真空度测量配置2个测量范围为2×10-10Pa～1×10-2Pa的真空规管,非烘烤段配置2个测量范围为1×10-7Pa～1×10-1Pa的真空规管;另外在烘烤段安装1个四极质谱计探头监测系统分压及残余气体成分,并用于系统烘烤后的检漏。深层治癌束流线真空系统设备布局见图1。烘烤段上所有零部件配备永久性烘烤外套以承受250℃的在线均匀烘烤。同时在接近CSRm的部位连续安装2～3台主泵,用局部增大抽速与约15m烘烤段相配合,实现10-6Pa～10-10Pa真空度的顺利过渡。2关于磁体内部真空管的开发2.1超薄不锈钢管道束流线中用于束流导向的两台扫描磁铁的频率为300Hz,约是CSR储存环上二极铁频率的1000倍,如果采用常规壁厚的不锈钢真空室,将会产生巨大的涡流,严重干扰磁场,以至于不能工作。可采用0.2mm～0.4mm壁厚的超薄管道克服涡流的影响。对于超薄壁管道,目前国内外通常采用常规波纹管和薄壁上焊加强筋等方法。常规波纹管挠度大,管道较长时定位困难;焊加强筋的方法需要用特殊绝缘金属材料做筋板,价格昂贵,工艺复杂,焊接变形大。鉴于上述情况,我们研制出一种经济实用的超薄壁不锈钢管道:利用拱桥的原理,将薄壁管道设计成一个由许多拱形组成的类似波纹管结构的管道。但由于这种管道只有波高,没有波谷,所以有足够的刚性,不会像普通波纹管那样产生压缩变形或下垂。管道长1410mm,外径为126mm。采用0.4mm的316L不锈钢超薄板,用模具压制成均匀的大波距、低波高的连续拱形(波纹)。波距为35mm,波高为6mm。图2是这种真空管道的力学分析图,分析结果表明,管道抽空时的最大变形只有0.18mm,最大应力为18MPa,能够安全使用。安装在现场并处于真空状态下的管道见图3。2.2陶瓷—陶瓷真空管道如果要完全消除涡流的影响,最好的方案是采用陶瓷管道做真空室。由于管道尺寸较长,陶瓷制造和封接都比较困难。我们将管道分为两节,每节705mm,外径仍为126mm,壁厚6mm。陶瓷管内壁涂敷50微米的金属化层以消除由束流引起的电荷积累。采用陶瓷—钛—不锈钢法兰的过渡焊接模式,用我所自备的真空钎焊炉在真空气氛中钎焊,实现非金属—不锈钢超高真空气密要求的顺利过渡。根据以往试制大尺寸陶瓷管摸索的经验,成功完成了系统所需陶瓷管道的研制,漏率≤10-8Pa.L/s。2.3陶瓷管道的畸变两种管道在扫描磁铁测磁时进行了动态测量。脉冲状态下,如果有涡流存在,磁铁气隙中的磁场波形和电流波形相比,会有一个畸变,使束流的扫描均匀性变差,通常以百分比表示其影响程度。经检测,超薄不锈钢拱形管道的畸变约为5%,而陶瓷管道基本为零。两种管道都可以使用,使用陶瓷管会使扫描均匀性更好一些,而使用超薄不锈钢拱形管道则更安全。3膜窗3.1材料选择的影响深层治癌线上的膜窗尺寸较大,为210mmm×210mm的正方形。如果膜在系统运行时发生破裂,除了对真空系统造成损失外,大气产生的冲击波将发出巨大的爆裂声,会对在场人员的耳膜构成威胁。因此膜窗材料的选择对于其安全运行至关重要。金属薄膜强度较高,但材料中含质量数大的元素也较多,束流通过时会打出一些中子,妨碍治疗效果,而且产生的同位素衰减也很慢,污染治疗环境。我们参照德国GSI的经验,选用由德国赫斯特公司研制出的Hostaphan双向拉伸聚酯薄膜作为膜窗材料(膜的弹性模量为4.4GPa,抗拉强度为130MPa),同时辅以由美国杜邦公司生产的Kevlar49纤维材料作为加固层(其弹性模量为134GPa,抗拉强度达到3620MPa),既可满足真空密封的要求,又不会对治疗和环境产生影响。3.2apman膜的力学分析膜材料渗气较严重,因此在膜窗的设计上采用了双层结构(见图4)。两层膜窗之间用1台机械泵抽真空,可以保持1Pa左右的压力,从而减小膜材料渗气对超高真空获得的影响。两层膜都由Hostaphan(75μ)膜和Kevlar49纤维布组成,膜和纤维布之间相距10mm。抽真空时,大气压力使膜向内凹进,渐渐贴近Kevlar纤维布。纤维布的抗拉强度比膜大得多,可以减缓膜的变形。根据GSI对Hostaphan膜做的破坏性试验,75μ的膜在破裂前可以拉伸(凹陷)110mm。图5是膜窗的力学分析图,从图中可以看到膜窗所受到的最大应力为11.5MPa,小于其拉伸强度130MPa;Hostaphan膜变形时被Kevlar纤维布阻挡,使膜窗的最大变形(凹陷)为26.148mm,远小于膜撑破时的伸长变形量,因此膜窗的设计是安全可靠的。4系统调试结果4.1试验系统过程设备安装在线后,用全无油涡轮分子泵机组进行粗抽,同时用高灵敏度检漏仪进行检漏。确认无漏后,给各真空室包裹烘烤外套,安装温度传感器,并将传感器及加热套与控制系统连接,对系统进行烘烤。烘烤程序为:30℃/h升温至250℃,保温40h,3℃/h降至室温。烘烤过程中由涡轮分子泵机组排气。烘烤进行约24h后,启动5台溅射离子泵。在烘烤过程中,多次对规管灯丝除气,同时用27A～28A的电流对钛升华泵的钛丝长时间轮流除气,使吸附在设备本身的气体能够彻底排出。保温结束开始降温后,系统真空度逐渐上升,当温度降至200℃左右时,关闭全金属密封插板阀,切断粗抽系统。当温度降至室温时,系统真空度好于1×10-8Pa。观察四极质谱计谱图,根据谱图判断系统是否需要检漏并排除漏点。然后将5台钛升华泵电流调到48A,对应电压约5V,分别升华3min。钛丝升华48h后,P1、P2两只规管的真空度读数分别为7.5×10-10Pa和1.4×10-9Pa。4.2离子泵设备安装就位后,同时启动两层膜窗之间的机械泵和该段上的涡轮分子泵机组,由于膜窗纤维材料的出气率较大,第一次抽空时需要用涡轮分子泵多抽一段时间,然后再启动溅射离子泵。待溅射离子泵达到工作电压值后,关闭分子泵口插板阀,粗抽机组与主系统断开。48h后,P3、P4两只规管的真空度读数分别为1.3×10-6Pa和6×10-6Pa。为减少膜窗所承受的冲击力,在膜窗两端的机械泵上都安装了手动阀,启动机械泵时缓慢开启阀门,使膜逐渐变形。膜稳定后的最大变形(凹陷)量约为27mm,与计算值26.148mm基本吻合。4.3连接两段结束将两段中间的隔断阀门打开,P1和P4的真空度读数基本没有变化,P2为5.4×10-9Pa,P3为6×10-7Pa。5双层膜结构的