用于硼中子俘获治疗的强流质子回旋加速器中心区结构优化设计

中国原子能科学研究院目前正在研制用于硼中子俘获治疗（BNCT）的强流质子回旋加速器,该加速器设计引出能量14 MeV、质子束流强大于1 mA。相比引出流强为400 μA的PET回旋加速器,BNCT强流质子回旋加速器对中心区相位接收度和轴向聚焦的要求更高。为实现mA量级的束流的加速和引出,BNCT强流质子回旋加速器采取了增加负氢束流注入能量、增大磁铁镶条孔径、使用用于增大Dee盒头部张角的阶梯状结构及调整加速间隙的入口和出口高度等一系列中心区结构优化设计,有效地提高了中心区的相位接收度,改善了轴向电聚焦。在新的离子源注入能量下通过数值计算得到实测场下的轴向电聚焦和间隙高度的关系,选取合适的间隙高度获得最佳的轴向聚焦,从而确定了mA量级束流的注入和加速的中心区结构。同时在设计中考虑空间电荷效应的影响,计算了不同流强下的束流尺寸变化。中心区结构在实测磁场下的优化设计计算结果表明,BNCT强流质子回旋加速器中心区的束流对中好于0.5 mm,相位接收度大于40°,中心区最高可接收流强3 mA。目前,新的中心区结构已进入机械加工阶段。     

13 100MeV回旋加速器剥离引出系统研制

100MeV回旋加速器加速H^-离子，要求引出束流能量为75～100MeV、束流强度为200μA的质子束流，因此决定采用剥离引出。本工作依据100MeV主磁场数据和平衡轨道数据，通过理论研究，计算100MeV回旋加速器不同能量束流引出剥离点的位置；着重计算分析70～100MeV能量的束流剥离引出的光学特性；通过理论计算确定剥离膜各项参数；完成剥离靶及其伺服驱动装置的设计；对真空系统、控制系统等相关专业提出明确的工艺流程和技术要求。最终确定100MeV强流质子回旋加速器双向引出系统初步设计。     

100 MeV强流质子回旋加速器超高真空系统研制

中国原子能科学研究院建成了一台强流质子回旋加速器，其引出能量为100 MeV，流强为200 μA。为减小粒子加速时束流损失的目的，其粒子加速腔内工作真空度要求为6.7×10^-6 Pa。由于是紧凑型加速器结构，该加速器能提供给真空系统利用的通路有限，为此主真空系统设计为内置式低温冷板结合商业低温泵的排气方案以增加系统整体的抽气能力。设计、加工完成的真空系统已成功应用于100 MeV强流质子回旋加速器上，为加速器的束流调试和正常供束提供了有利的保障。     

强流回旋加速器综合实验装置的剥离引出实验

CYCIAE一100中心区试验台架为中国原子能科学研究院串列升级技术部建成的1台10MeV紧凑型强流回旋加速器，加速H-离子，剥离引出质子束。目前，该加速器正在进行束流调试工作。在束流调试阶段，安装了剥离膜，进行了束流的引出调试实验。     

CYCIAE-100剥离靶换靶试验

串列加速器升级工程正在研制的100MeV强流负氢回旋加速器采用剥离引出的方式引出能量为75～100MeV的强流质子束。剥离引出系统采用双内杆对称剥离引出方式，可在对称两个方向分别为各终端引出束流。剥离靶作为剥离引出系统的最为关键的设备，也是最为复杂的设备。     

100 MeV强流质子回旋加速器剥离靶驱动控制系统研制

100 MeV强流质子回旋加速器(CYCIAE-100)加速负氢离子，引出系统为电荷交换方式的双向剥离引出系统，剥离靶是引出系统的核心装置。剥离靶系统四维联动定位精度要求高。为满足剥离靶驱动控制系统要求，采用了PLC控制驱动电路，读取位置反馈信号，对运动控制形成负反馈闭环的控制方法，实现了引出系统的各项运动控制要求并达到了设计指标。经调试，该加速器于2014年7月首次成功引出75~100 MeV质子束流，引出效率达99%以上。剥离靶驱动控制系统经加工调试，满足引出系统的各项技术要求，目前已投入运行2 a，可靠性得到了验证。     

100 MeV回旋加速器工程的设计和建造进展

100MeV强流回旋加速器及束流管道系统（CYCIAE-100）工程计划建设1台能量为75-100MeV、质子束流强度200μA的回旋加速器，7条质子束流管道和2条中子束流管道。2006年，重点完成了初步设计，并开展施工设计工作；开始工程重大设备的制造工作；基本完成了研究试验项目。     

中国原子能科学研究院回旋加速器创新与发展60年

中国原子能科学研究院（CIAE）自1958年首台回旋加速器成功出束以来，已经历了60余年的回旋加速器创新与发展，并由此带动了我国核科学技术基础研究和应用技术的发展。本文在简要回顾回旋加速器前30年发展历程的基础上，重点阐述后30年围绕紧凑型回旋加速器的科技创新和应用，主要包括100 MeV强流质子回旋加速器、医用小型回旋加速器、质子治疗超导回旋加速器及高功率等时性圆型加速器等多种先进的质子加速器研发。     

100 MeV回旋加速器实现双向同时引出质子束流

正中国原子能科学研究院研制的100 MeV强流质子回旋加速器(CYCIAE-100)引出的质子能量范围为75～100 MeV、质子束流的最高流强为200μA。CYCIAE-100在南北对称的两个方向各安装了一套剥离靶引出系统,引出方式为双向剥离引出。2014年,完成了第一套北向剥离靶系统的安装调试,首次获得100 MeV引出质子束流。2015年,完成了第二套剥离靶系统的安装调试。目前,CYCIAE-100在两个方向均可连续引出75～100 MeV的质子束流,并且完成了单粒子效应和中子物理等许多实验任务。2017年,工程部技术人员经过反复尝试和实验,CYCIAE-100成     

回旋加速器中心区实验装置剥离引出计算分析

改进了30 MeV回旋加速器剥离引出程序CYCTRS,计算了10 MeV回旋加速器不同能量束流引出剥离点的位置,着重计算分析了10 MeV能量点的束流剥离引出的光学特性,为设计加工束流引出系统提供了重要的参数依据。 10 MeV回旋加速器加速H-离子,采用剥离引出。该加速器将主要用于强流加速     

The cyclotron development activities at CIAE

The cyclotron has an obvious advantage in offering high average current and beam power. Cyclotron development for various applications, e.g. radioactive ion-beam (RIB) generation, clean nuclear energy systems, medical diagnostics and isotope production, were performed at China Institute of Atomic Energy (CIAE) for over 50 years. At the moment two cyclotrons are being built at CIAE, the 100 MeV, CYCIAE-100, and a 14 MeV, the CYCIAE-14. Meanwhile, we are designing and proposing to build a number of cyclotrons with different energies, among them are the CYCIAE-70, the CYCIAE-800, and the upgrading of CYCIAE-CRM, which is going to increase its beam current to mA level. The contribution will present an overall introduction to the cyclotron development activities conducted at CIAE, with different emphasis to each project in order to demonstrate the design and construction highlights.     

Overall design of CYCIAE-14, a 14 MeV PET cyclotron

Based on a 10 MeV CRM cyclotron developed at China Institute of Atomic Energy (CIAE) with an achieved beam intensity of up to 430 μA, a 14 MeV high intensity compact cyclotron, CYCIAE-14, was designed and being built at CIAE. It is planned that the first machine would be in place with a span of 2 years. CYCIAE-14 is delicately designed to realize strong vertical focusing by adopting a 4-sector, variable hill-gap structure with an external ion source to achieve high intensity. A special design applied to the stripping extraction gives access to dual extraction with four beams. The adoption of sophisticated industrial technology will give the cyclotron advantages, e.g. low power consumption and high reliability. This paper is aimed to present the overall design of the machine, including the basic technical specifications, main magnet and coils, RF, ion source and axial injection, and stripping extraction, etc. It will also give an introduction to its construction schedule as well as the up-to-date progress.     

Physics design of a 70 MeV high intensity cyclotron, CYCIAE-70

This paper introduces the physics design of a 70 MeV high intensity cyclotron at China Institute of Atomic Energy (CIAE), which is aimed for multiple uses including radioactive ion-beam (RIB) production. The machine adopts a compact structure of four straight sectors, capable of accelerating two kinds of beams, i.e. H⁻ and D⁻ . The proton and deuteron beam will be extracted in dual opposite directions by charge exchange stripping devices. The energy of the extracted proton beam is in the range 35-70 MeV with an intensity up to 700 μA. The corresponding values for the deuteron beam are 18-33 MeV and 40 μA. This paper will present the main characteristics and parameters in the design of the 70 MeV cyclotron, the results of the basic beam dynamics study, as well as the physics in the design of the different systems, including the main magnet, RF, injection and extraction systems, etc.     

基于100 MeV紧凑型强流质子回旋加速器的束流切割器研制

通过理论分析和仿真模拟对中国原子能科学研究院一台100 MeV强流质子回旋加速器的束流切割器进行了优化设计,并同时研制出两套束流切割器进行实测对比,选定最佳方案。该切割器波形选择为回旋加速器高频频率的16分频28 MHz正弦波,具有结构紧凑体积小、螺旋谐振器Q相对较高、加载切割电压较高且功率损耗低、无需水冷等特点,同时配套研制了一套开口形状为正方形的选束狭缝装置。最后在实验终端成功获得了能量为100 MeV、重复频率为56 MHz的脉冲质子束。该切束器的成功研制不仅满足了核数据测量的应用需求,还极大地推动了回旋加速器束流脉冲化技术的发展。     

10MeV强流回旋加速器的束流调试

10MeV强流回旋加速器在中国原子能科学研究院研制成功,并取得了先进的束流指标。它是国内自主研发的首台紧凑型强流回旋加速器,具有多项技术特点。在其建造、调试过程中解决了诸多技术问题,作为一个回旋加速器综合实验装置,它不但为在建的100MeV回旋加速器提供了设计验证手段,而且也是强流回旋加速器关键部件的综合实验平台。它的建造成功,为小型回旋加速器的国产化提供了技术保证,为推广加速器在我国核医学领域的应用创造了条件。本文将重点介绍它的调试过程、解决的关键问题及调试结果。     

100 MeV强流质子回旋加速器的调试

〗中国原子能科学研究院研制的100 MeV强流质子回旋加速器是国际上最大的紧凑型强流质子回旋加速器，取得了多项先进束流指标。截至2018年底，该加速器完成了分系统、整机调试，开展了多项物理实验，已稳定运行2 000 h以上。本文将重点介绍100 MeV强流质子回旋加速器的调试过程以及调试中所解决的关键技术问题和调试结果。