医用回旋高频腔的初步设计

田瑞霞，王贤武，许 哲，金 鹏，冯 勇

（中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000）

医用回旋加速器在核医学领域有着广泛的应用［1］，在肿瘤治疗等领域做出了巨大贡献。由中国科学院近代物理研究所自主设计研发的重离子肿瘤治疗示范装置注入器，工作过程是12C5＋经过回旋加速器高频系统加速，最终形成的碳离子束能量达7 MeV。对于回旋加速器中碳离子束的形成，回旋高频系统起到了至关重要的作用，即高频腔的结构设计非常重要也很关键。本文利用Microwave Studio CST三维数值仿真软件对设计的31.02 MHz医用回旋高频腔的相关高频参数进行模拟仿真计算，并与实际测量参数值进行对比，对产生的误差进行进一步的分析。

1 医用回旋高频腔的物理设计要求

根据医用回旋高频腔物理设计要求，腔体放置在磁铁的谷区。由于空间紧张，故采用λ／2竖腔结构。高频加速部件为两个张角为33°的Dee盒，两腔在整个系统中用中心区隔离。物理设计要求高频腔的谐振频率为31.02 MHz，Dee电压为70kV，匹配阻抗为50Ω。为了减小高频腔的功率损耗，要求其制作材料为无氧铜。

从上述高频参数可看出，虽然高频腔的谐振频率为点频，但加速电压较高，这要求高频腔有较高的储能条件，即高的品质因数Q0，同时医用回旋加速器的结构设计为紧凑型，所以高频腔的设计所能利用的空间比较有限。

基于以上考虑，医用回旋高频腔的结构设计为λ／2，即由两个λ／4 结构并联构成。由于谐振频率较低，同时结构为半波长，故整个腔体较长，所以有一部分高频腔的罩筒处于磁铁外部。为提高腔体品质因数，设计时这部分罩筒较处于磁铁之间的罩筒粗些，其结构参数列于表1。

表1 医用回旋高频腔结构参数Table 1 Structural parameters of medical cyclotron RF cavity

医用回旋高频腔的机械模型如图1所示。

图1 医用回旋高频腔模型Fig.1 Model of medical cyclotron RF cavity

2 医用回旋高频腔设计仿真

在医用回旋高频腔的模拟计算中，采用目前最常用的三维场计算程序Microwave Studio CST［2］。Microwave Studio CST 程 序 是 高 频三维电磁场仿真软件，能为用户的高频设计提供直观的电磁特性。本文利用Microwave Studio CST 软件进行建模仿真计算，最终得到其谐振频率为31.02 MHz，Q0可达7 400。高频腔的电磁场分布与电流密度分布如图2所示。

从图2可看出，电流密度较集中区域主要包括内杆、Dee盒与短路片等部位，所以内杆、Dee盒与短路片均会设计有相应的冷却水路。但外罩筒与覆面均是由2mm 厚的铜皮制成，考虑到腔体发热导致变形引起的频率稳定性问题，因此罩筒与覆面部分同样设计有冷却水路。

耦合系统［3-4］是连接高频系统两大子系统发射机和腔体的关键设备，同时担负着阻抗变换的重要作用。由于受束流引出元件机械位置和其他空间位置的影响，故医用回旋加速器高频腔功率耦合采用电耦合方式。本次设计的医用回旋加速器高频腔的耦合电容位于Dee盒大半径与外壳大半径之间，并在Dee盒对称线下7°位置。对耦合电容的反射系数（S11）进行了计算，通过扫描耦合电容与Dee盒间的距离，得出间隙为30mm 时S11为0.055，如图3所示。

图2 电磁场分布与电流密度分布Fig.2 Distribution of electromagnetic field and current density

图3 反射系数S11 Fig.3 S11parameter

在回旋高频腔实际运行的过程中，频率稳定度是非常重要的关注点［5-6］。高频腔的谐振点是31.02 MHz，实际运行中高频腔可能会因热变形导致谐振频率偏移谐振点。虽然前文中已对高频腔的冷却系统作了初步设计，但调谐系统还是必不可少的。回旋高频腔的调谐系统由传统的短路片与微调环（图4）构成，运行过程中只有对微调环进行实时调谐，短路片仅在每次安装结束后进行静态调谐以调整高频腔的谐振频率。短路片在调节范围内对频率与Q0的影响如图5所示。

图4 微调环结构Fig.4 Structure of fine-tuning ring

图5 短路片对谐振频率与品质因数的影响Fig.5 Impact of short-circuit plate on resonance frequency and quality factor

回旋系统的特点之一就是空间紧张，故微调环放置在下短路片处，由电机带动传动机构进行调谐。本文利用Microwave Studio CST程序对设计的微调环进行仿真计算，得到其调谐曲线如图6所示。由图6可看出其调谐范围约为50kHz。

图6 微调环调谐曲线Fig.6 Tuning curve of fine-tuning ring

3 医用回旋高频腔的实际测试

31.02 MHz医用回旋高频腔于2013年5月加工完成，同时进行了腔体高频参数的相关测试［7-10］。用安捷伦E5061B 网络分析仪测试两腔，谐振频率均在设计值31.02 MHz左右，两腔有载QL分别为3 000与3 010，调节耦合匹配阻抗均在50Ω 左右。相关测试参数列于表2。

表2 回旋加速器的高频测试参数Table 2 Test RF parameters of cyclotron

从表2可看出，静态测试数据与前文的仿真计算结果较接近，但还存在着一定的差距。这主要是由加工工艺引起的。在安装与测试高频腔的过程中可发现，整个腔体活动连接部位太多，从而导致腔体组件间接触阻抗太大，这会严重影响腔体的高频性能。因此，在满足电性能指标的前提条件下，可适当提高装配连接质量。

4 结论

本文利用三维场计算程序 Microwave Studio CST 仿真计算了相关高频腔的结构参数。考虑腔体实际较长的情况，充分利用空间提高高频腔的品质因数。同时合理地利用高频腔电磁场分布，对耦合电容与微调环的结构进行了合理设计与仿真计算。根据Microwave Studio CST 软件仿真计算获得的电流密度分布确定了整个高频腔的水冷分布，并对已加工好的高频腔进行了静态测试。从测试结果可看出，测量数据与仿真计算结果较吻合，所以医用回旋高频腔的结构设计比较合理。

下一步工作就是对整个医用回旋加速器高频系统进行长时间稳定度的测试，包括频率稳定度、相位稳定度与幅值稳定度。同时还要在测试过程中发现隐患，保证及时发现、及时解决。

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