质子治疗用超导回旋加速器SCC250中心区物理设计与研究

摘要

当前中国，癌症新增病例和死亡人数世界第一，且数值在不停地攀升。癌症治疗装置的需求量急剧增加，成为我国医疗体系的刚性需求。放疗是治疗癌症的三种主要方法之一。质子治疗的剂量分布具有布拉格峰特性，相比于光子放疗，质子治疗能更精准地杀死癌细胞。 华中科技大学在国家科技部和政府的大力支持下，与多个机构共同承担“基于超导回旋加速器的质子放疗装备研发”项目，研发用于癌症治疗的质子放疗系统。该系统中，回旋加速器使用冷阴极PIG内离子源并且采用超导线圈进行励磁，从而减小尺寸以实现紧凑型设计，最终引出能量250MeV、流强500nA的质子束流。但是这种紧凑型设计压缩了中心区尺寸，增加了中心区设计的难度。本文围绕中心区物理设计以及相关束流动力学问题展开研究。 本文首先对超导回旋加速器SCC250中的束流动力学问题进行了简单介绍和讨论。介绍了回旋加速器中的径向和轴向运动稳定性问题，研究了磁场的等时性，揭示了一次谐波对静态平衡轨道中心的影响。为比较和验证束流跟踪代码的可靠性，并为后续中心区结构设计提供参考，编写了MATLAB程序，用于计算静磁场与高频加速电场共同作用下的束流轨迹。然后对不同束流跟踪程序进行了对比，发现计算结果的一致性较好。之后研究了不同初始条件对束流参数的影响。 本文重点在于对超导回旋加速器SCC250中心区的设计与研究，在设计过程中主要考虑束流对中、径向和轴向聚焦等问题。针对初步设计的中心区结构，利用有限元分析软件OPERA/TOSCA计算电磁场分布，然后利用Z3CYCLONE进行束流动力学计算。根据束流跟踪结果，迭代优化中心区电极与磁极结构，得到最终优化的中心区结构，并利用相关软件研究其束流对中、径向振荡、轴向振荡、径纵向耦合等问题，完成了超导回旋加速器SCC250中心区的初步设计与优化。

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