随着对质子更重的离子（尤其是碳离子和氦离子）在癌症治疗中需求的不断增长，开发先进的加速器技术变得至关重要。与质子相比，重离子因其更高的线性能量转移（LET）和更强的生物有效性，在对特定肿瘤类型的治疗上展现出优势。然而，现有离子治疗设施的广泛普及受限于其占地面积大、成本高和基础设施复杂等挑战。本研究提出了一种创新的阿尔瓦雷兹型直线加速器配置，旨在为未来的离子治疗设施提供一个多功能、高效且紧凑的解决方案。
本研究提出的加速器配置在352.2 MHz频率下运行，由一个准阿尔瓦雷兹漂移管直线加速器（Quasi-Alvarez Drift Tube Linac, QA-DTL）和两个传统的阿尔瓦雷兹漂移管直线加速器（DTL）组成。该设计服务于双重目的：一是将碳离子（C4+，0.6 mA）或氦离子（He2+，5 mA）加速至5 MeV/u的能量，注入用于癌症治疗的同步加速器；二是利用同一套系统加速高流强的氦离子束（高达30 mA），用于并行生产放射性同位素。这种一体化设计源于两个主要的国际研究项目框架：欧盟“地平线2020”计划资助的HITRIplus项目和欧洲核子研究中心（CERN）发起的NIMMS研究。
为什么选择这种结构配置？ 在低能量范围（约3 MeV/u以下），传统的DTL结构在几何和聚焦方面面临限制，其漂移管内难以集成足够长的四极磁铁来应对强空间电荷力。为此，研究引入了QA-DTL。与DTL不同，QA-DTL并非每个漂移管都包含一个四极磁铁，这允许了无磁铁漂移管的直径更小，从而减少了高电场区域，在3-5 MeV/u的能量区间内，其单位长度有效并联阻抗（effective shunt impedance per unit length）相比传统DTL提升了约20%。当离子能量提升至5 MeV/u以上时，DTL的效率与QA-DTL相当，因此后续的加速采用DTL结构。对于横向聚焦，两种配置均选择使用钐钴（Sm2Co17）永磁四极子（Permanent Magnet Quadrupoles, PMQs），其最大磁通密度限制在1 T，以消除对电磁铁电源和布线的需求，降低了建造和运营成本。
两种加速器配置的具体设计目标是什么？ 研究发展出两种专门的配置：碳离子直线加速器和氦离子直线加速器。
碳离子直线加速器的设计孔径半径为7.5 mm，足以在不损失束流的情况下加速高达0.6 mA的C4+离子和5 mA的He2+离子。其结构包括一个QA-DTL和两个DTL腔体（DTL1和DTL2），以及一个位于两个DTL之间的散束腔（Debunching Cavity, DEB）。QA-DTL（为荷质比1/3设计）可将C4+或He2+（需降低电压以保持同步性）从0.7 MeV/u加速至5 MeV/u。C4+束在5 MeV/u时将直接通过未通电的DTL腔传输至治疗同步加速器。而用于放射性同位素生产的He2+束则继续在后续的DTL1和DTL2中被加速，分别达到7.1 MeV/u和10 MeV/u的能量。选择7.1 MeV/u是因为它代表了211At（靶向α治疗中最有前景的α发射体之一）的生产阈值，而10 MeV/u的能量可用于生产应用最广泛的PET示踪剂18F。散束腔能将碳离子束的能量散度（±2σ）从±1.62%显著降低至±0.38%，使其更符合同步加速器注入的要求。
氦离子直线加速器专门用于加速氦离子，其设计孔径半径增大至10 mm，以承受更高的束流强度——高达30 mA（占空比10%），从而最大化放射性同位素产量。其结构与碳离子加速器类似，但包含一个创新的设计：DTL1的第一个单元可作为能量斜坡腔（Energy Ramping Cavity, ERC）运行，DTL2的第一个单元可作为散束腔运行。在同步加速器注入模式下，这些单元分别执行能量调制和散束功能；在放射性同位素生产模式下，它们则作为标准的加速单元工作，实现了结构的紧凑性和功能性集成。
射频与束流动力学设计结果如何？ 通过电磁模拟软件Poisson/SUPERFISH对腔体进行优化设计。在碳离子加速器中，QA-DTL和DTL的平均轴向电场分别设定为3.5 MV/m和3.1 MV/m，最大表面电场分别为33.1 MV/m和23.9 MV/m，处于安全的基尔帕特里克（Kilpatrick）限值以下。使用TraceWin进行的束流动力学模拟表明，对于碳离子和氦离子混合加速的情况，由于PMQ梯度固定，设计时以优化碳离子传输为主，并调整氦离子束的输入Twiss参数以保证其无损失传输。模拟结果证实了在设定的发射度和流强下，两种离子束在各自加速结构中均能实现无损失传输，束流包络得到良好控制，相空间分布符合要求。对于氦离子加速器，高流强（30 mA）束在通过DTL结构时，其纵向相空间分布虽稍有偏离理想椭球形，但仍处于可接受范围，且因直接用于轰击同位素生产靶，不会造成束流损失。能量斜坡腔可将氦束能量在4.9至5.1 MeV/u之间调制，散束腔则能将5 mA氦束的能量散度从±1.1%减少到±0.3%。
这项研究的核心贡献与未来方向是什么？ 本研究成功设计并优化了两种基于QA-DTL和DTL的直线加速器配置，证明了它们作为未来碳、氦离子治疗同步加速器高效、紧凑注入器的技术可行性。更重要的是，该方案创造性地将放射性同位素生产功能整合到治疗加速器注入器中，为未来粒子治疗中心实现多功能、一体化临床项目（结合粒子治疗与先进的核医学）铺平了道路，且增加的额外成本主要限于两个额外的DTL腔和一个更高流强的离子源。
未来研究工作将包括：基于机械分析定义的误差，利用多粒子追踪代码进行详细的误差研究；设计和建造一个全尺寸的QA-DTL原型机，以通过实验验证结构的射频性能、场平坦度及调谐策略；以及针对高流强氦离子源和射频四极子（RFQ）的进一步研发和集成设计。这些工作将推动该创新加速器配置最终在诸如计划的波罗的海国家先进粒子治疗中心等下一代粒子治疗设施中得以实施。
