1 中国科学院上海应用物理研究所上海 201800
2 中国科学院大学北京 100049
3 北京烁科中科信电子装备有限公司北京 101111
4 四川大学 华西医院医学装备创新研究中心成都 610041
5 湖南省肿瘤医院放射物理技术部长沙 410013
6 RaySearch中国上海 200120
为了系统研究FLASH效应的放射生物学机制，需要一个可以进行超高剂量率细胞辐照实验的平台，该实验平台应具有稳定、大小合适且大范围可调的剂量和平均剂量率。基于国产7 MeV医用质子直线注入器，使用蒙特卡罗程序FLUKA设计并优化了一个单散射照射头。该照射头的材料为40 μm厚度的钽箔，它既充当真空窗又充当散射体，源皮距为26 cm。经过模拟验证，该平台可提供直径为2 cm的照射野，剂量均匀度为4.9%。通过调整单质子脉冲的流强（0.1~1 mA）和脉宽（20~200 μs），该实验平台的平均剂量和平均剂量率可以在6~667 Gy和3.3×105~3.3×106 Gy·s-1之间调节。基于此，设计了使用单脉冲穿透模式辐照单层细胞的实验，剂量率为3.3×105 Gy·s-1，剂量在7~40 Gy范围内变化。该实验平台可以探究细胞FLASH效应的总剂量依赖关系，为揭示FLASH效应的机制提供支持。
FLASH 质子治疗 蒙特卡罗 实验平台设计 医用直线注入器 FLASH Proton therapy Monte Carlo Design of experimental platform Medical linear injector
1 中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201800
2 上海艾普强粒子设备有限公司，上海 201800
3 中国科学院 上海高等研究院，上海 201204
质子直线注入器是质子治癌系统的重要组成部分。出于项目进度的考虑，上海先进质子治癌示范装置APTRON采用了进口自美国的直线注入器。为了加快质子治癌产业进程，掌握质子放疗关键技术，保证产业链安全可控，注入器团队研发了国产医用质子直线注入器。该直线注入器采用了电子回旋共振（ECR）离子源和四翼型射频四极加速器（RFQ）的技术方案，并在漂移管加速器（DTL）段创新性地采用了交变相位聚焦（APF）结构。在这个过程中，通过研究APF DTL的束流运动规律和设计思想，自主开发了APF DTL的底层物理设计软件，相继完成了物理设计、电磁设计、机械设计、加工建造、腔体冷测、高频老练和载束实验等多个阶段的工作，最终成功引出了7 MeV、7 mA的质子束流。经过束诊系统的测量分析，认定束流中心能量为6.975 MeV，动量分散在±0.35%以内的束流流强为6.07 mA。成为国产首台医用质子直线注入器和首个实现成功载束的APF加速腔。
质子治癌 直线注入器 交变相位聚焦 漂移管加速器 腔体冷测 proton therapy linac injector alternating phase focusing drift tube linac cavity cold test 强激光与粒子束
2022, 34(8): 084007
强激光与粒子束
2020, 32(6): 064004
1 中国科学院 上海应用物理研究所 嘉定园区，上海 201800；中国科学院大学，北京 100049
2 中国科学院 上海应用物理研究所 嘉定园区，上海 201800
针对质子治疗装置中主环动态电源多平台能量的引出需求，研制了基于开源平台的高速实时动态电源控制系统，该控制系统以开源平台Beaglebone作为顶层硬件接口，以现场可编程逻辑门阵列（FPGA）为核心的控制器作为底层硬件接口，采用分布式的实验物理及工业控制系统（EPICS）进行远程控制。该系统可实时传输任意动态电源的输出参考电流波形数据，并结合定时系统与联锁系统，控制动态电源按预设电流波形进行输出，并实现多平台能量的引出。实验结果显示该控制系统能实现每秒最高十万条指令传输，百万次数据传输零误码率。同时，该系统结构灵活、扩展性强，可作为通用控制平台。
质子治疗 电源控制 Beaglebone GPMC FPGA proton therapy power supply control Beaglebone GPMC FPGA 强激光与粒子束
2020, 32(4): 045108
1 南京航空航天大学 核科学与工程系, 南京 210016
2 哈尔滨医科大学附属肿瘤医院 放射物理科, 哈尔滨 150081
提出一种基于磁场调制的质子放射治疗新方法, 探索肿瘤剂量、正常器官剂量与磁场调制方法之间的关联机制, 研究磁场调制质子放疗在器官环绕型肿瘤(肿瘤被正常器官环绕或包围)治疗中的应用。基于蒙特卡罗粒子输运程序Geant4, 分别建立了理想器官环绕结构（由若干平行六面体结构组成）和含胰腺肿瘤人体腹部解剖结构两种几何构型。分别对两种几何构型内部施加磁场, 通过改变磁场强度和方向,调制质子束布拉格峰几何位置, 利用质子径迹的磁致偏转效应使质子束绕开正常器官对肿瘤进行照射。 对于理想器官环绕型构型, 磁场调制质子放疗可在保证95%剂量覆盖肿瘤情况下将受质子照射正常器官体积控制在接近于零的极低水平。对于胰腺肿瘤解剖构型, 磁场调制方法可使质子束在调制磁场作用下, 绕过脊髓和肾脏照射肿瘤, 并使肿瘤被95%剂量较好地覆盖。通过磁场调制, 可对质子束布拉格峰几何位置和质子径迹弯曲程度进行调制, 绕过正常器官对肿瘤进行照射, 从而最大限度地减少正常器官的受照体积和剂量。
蒙特卡罗方法 粒子输运 质子放疗 磁场调制 布拉格峰 器官保护 Monte Carlo method particle transport Geant4 Geant4 proton therapy magnetic modulation Bragg peak organ protection 强激光与粒子束
2017, 29(12): 126015
