2023年11月24日，由上海艾普强粒子设备有限公司、中国科学院上海应用物理研究所、中国科学院上海高等研究院与上海交通大学医学院附属瑞金医院(下文简称“上海瑞金医院”)联合研发的国产首台质子治疗系统(SAPT-PS-01)正式开启临床治疗。中国科学院上海应用物理研究所的研究人员发表在NuclearScience and Techniques的一篇文章描述了加速器和治疗系统的特点。

质子治疗主要使用两种加速器类型：回旋加速器和同步加速器。前者的引出束流连续且高，从而提供高剂量率。然而，所需束流能量是固定的，需要使用降能器和能量选择系统来获得所需的束流能量。因此，束流穿过材料会产生更多的辐射和放射性。同步加速器则恰恰相反，可以直接提供所需的束流能量，但具有脉冲束流。由于同步加速器的最大能量可能非常高，因此碳粒子治疗都基于同步加速器。
图1所示是位于上海瑞金医院质子治疗中心的同步加速器质子治疗系统(SAPT)。该中心的建设可分为两个阶段。一期三个治疗室共建4条束流线：目镜束流线、实验束流线、固定束流线、180°旋转机架束流线。第二阶段开发了360°旋转机架和新型治疗头。SAPT一期项目于2012年立项，加速器设备安装于2016年底开始，历时4个月。随后，束流试运行于2017年4月底开始。固定束治疗系统和180°旋转机架治疗系统的设备安装分别于2017年10月和2018年7月完成。经过三年的调试、优化和第三方检验，首个由加速器系统和固定束、180°旋转机架治疗系统组成的治疗系统通过了上海瑞金医院的验收。随后，从2021年11月至2022年6月对47例患者进行临床试验。最终，该中心于2022年9月获得了国家药品监督管理局(NMPA)的注册证书。

图1.SAPT布局图

表1.SAPT规格

加速器
SAPT加速器系统包括一个7 MeV质子直线加速器、一个同步加速器、两个不同的机架、一个低能传输束线(LTB)和一个高能传输束线(HTB)。

直线加速器
LINAC(AccSys，美国)由双离子源、3.5 MeV射频四极LINAC(RFQ)和漂移管LINAC(DTL)组成。LINAC结构紧凑，长度小于5.5 m。离子源和RFQ之间只有一个单透镜。RFQ直接安装在DTL上。LINAC的最大束流电流大于10 mA。

同步加速器
同步加速器是加速器系统的核心部分，其输出能量范围为70~235 MeV，最大加速质子数超过1011。

Magnetic lattice
SAPT同步加速器将质子束从7 MeV加速到几百万转所需的能量，周长为24.6 m，设计最大提取束流能量为250 MeV，但日常运行的最大提取束流能量为235 MeV。同步加速器必须实现高存储束流强度，以增加靶区的最终剂量率。由于调频和束流损耗，空间电荷效应

限制了最大存储束流强度。调频与束流发射度成反比。在强子同步加速器中，束流发射度由注入和接收决定。更大的接受度意味着更大的磁隙或更小的β函数。因此，为了抑制β功能，SAPT同步加速器的magnetic lattice结构是从数十种不同的候选物中精心挑选的，有8个偶极子和12个四极子，如图 2所示。在该配置中，多个四极子及其短焦距使得偶极子中的β函数小于5 m，这意味着该同步加速器具有良好的接受度。图 3显示了Twiss参数。调试中，每次泄漏的70 MeV下的最大加速粒子数达到1.3×1011。四个长部分和四个短部分用于容纳注入和提取、射频腔、束流诊断和真空元件。

图2.SAPT同步加速器的magnetic lattice结构(QF：聚焦四极杆，QD：散焦四极杆，FQD：快速散焦四极杆，SD：散焦六极杆，RFK：射频踢脚器，BEND：偶极磁铁，

BUMP：碰撞磁铁，BPM：光束位置监视器，PROF：轮廓监测器，NPCT：电流互感器，IES：注射静电隔垫，IMS：注射磁隔垫，EES：提取静电隔垫，EMS：提取磁隔垫)

图3.Twiss参数

SAPT同步加速器的主要参数如表2所示。对于慢速提取方案，选择的曲调接近2/3共振。为了减少静电提取隔膜处的束流损失，在lattice上满足排列不同动量的分离线的Hardt条件。在整个过程中，质子为了避免头尾不稳定，保持在跃迁能以下，色度应为负。这意味着水平色散及其导数应该具有不同的符号。使用两个六极杆来校正色度。这两个六极子的相位超前接近360°，如果强度相同，对共振驱动项的影响很小。使用具有不同符号的两个六极子来驱动共振并且不会引起色度变化。

表2.SAPT同步加速器主要参数