HI-13串列加速器升级工程：1 用于放射性核束设施驱动加速器的100MeV强流质子回旋加速器

北京放射性核束装置（BRIF）于2004年已在中国原子能科学研究院正式启动。该装置将提供强流质子束和放射性核束（RIB）用于基础和应用研究，如中子物理、核结构、材料科学与生命科学、医用同位素生产等。在该工程中，100MeV强流质子回旋加速器（CYCIAE-100）被选为驱动加速器，它提供能量为75～100MeV、流强为200LIA的质子束。2005年100MeV回旋加速器各系统的初步设计，包括束流动力学、磁铁、高频等都已完成。与回旋加速器设计相关的实验验证工作也已深入展开。     

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。     

20～100 MeV紧凑型回旋加速器轴向注入系统实验台架的物理设计

建立 2 0～ 1 0 0MeV紧凑型回旋加速器轴向注入系统实验台架 ,用以进行提高回旋加速器的注入流强与效率的实验研究。在该实验台架的物理设计与元件设计中 ,主要考虑H- 束从离子源引出后传输到回旋加速器中心区的输运线元件选用、物理参数匹配计算、物理元件设计等问题。设计对象是2 2MeV和 70MeV回旋加速器的轴向注入系统 ,并将两者的布局、元件及几何尺寸、物理参数的选取统一 ,以便于实验台架的建立 ,从而形成适应性强的强流回旋加速器轴向注入系统。整个系统只需做少量调整就可满足能量为 2 0～ 1 0 0MeV的回旋加速器注入要求。     

100MeV回旋加速器强流负氢束轴向注入系统数值模拟研究

串列加速器升级工程中的100 MeV紧凑型回旋加速器,设计用于产生强流质子束,在这样的紧凑型机器中,高亮度离子源和高效率注入系统成为产生强流束的瓶颈问题之一。从我们的30 MeV回旋加速器的运行经验可知,ES(静电透镜和螺线管透镜)注入系统能够有效地控制注入过程中的束包络。然     

70MHz异形回旋加速器高频腔体的设计计算

在某些紧凑型的回旋加速器设计中,由于空间的限制等因素,对谐振腔的设计提出了更高的要求。本工作研究具有普遍意义的70 MHz异形回旋加速器高频腔体设计方法,对强流回旋加速器中心区模型和100 MeV回旋加速器的腔体设计有直接的参考价值。     

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     

中国原子能科学研究院强流回旋加速器若干先进技术研究进展

本文主要介绍了中国原子能科学研究院自2000年以来在强流回旋加速器领域的研究工作进展和到目前为止所掌握的一些强流回旋加速器的关键技术,内容涉及强流回旋加速器物理,强流负氢束的产生、调节、控制与诊断技术,先进磁工艺技术,大功率高稳定度高频技术,真空技术,回旋加速器综合试验技术等。     

100MeV强流负氢回旋加速器中心区模型设计

在中国原子能科学研究院提议的串列加速器升级工程中,将建造一台100 MeV强流负氢回旋加速器。作为必要的预先研究,我们计划研制其中心区模型,磁钢度为0.455 T·m。该中心区模型可将负氢离子加速到10 MeV,除了作为强流回旋加速器的先进技术研究外,还可用于生产PET常用的超短寿命放射性核素:~(11)C、~(13)N、~(15)O和~(18)F,由于它的高流强,将会有更高的放射性核素产额,预计一台这样的加速器,将能满足国内任何一个城市对~(18)F的需求。     

100 MeV紧凑型回旋加速器中洛伦兹剥离引起的束流损失

TRIUMF的加速器设施ISAC成功地展示了基于ISOL方法的放射性核束装置的驱动加速器,强流H回旋加速器是一个非常合理的选择。因此,中国原子能科学研究院根据自身的技术特点和国防核技术需求背景分析,建议研制一台75～100 MeV、200～500μA H~-回旋加速器做为驱动加速器,建设北京串列加速器升级工程,这将是一个由多台加速器灵活组合而成的、包括放射性核束靶站的多用途核科学研究设施。     

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。     

中国原子能科学研究院紧凑型强流质子回旋加速器剥离引出技术研究

中国原子能科学研究院(CIAE)在20世纪90年代建造了一台30 MeV紧凑型强流质子回旋加速器后,经过近30年的发展,先后自主研发成功了基于剥离引出技术的能量为10 MeV、14 MeV、100 MeV、硼中子俘获治疗用14 MeV/1 mA等系列能量的紧凑型强流质子回旋加速器。建成的100 MeV紧凑型强流质子回旋加速器(CYCIAE-100),是目前国际上能量较高的一台紧凑型强流质子回旋加速器,最高流强达到520 μA,束流功率达到52 kW。建成的硼中子俘获治疗用的质子回旋加速器,也是我国首次自主研发成功的引出质子束流强达到mA量级的强流质子回旋加速器。在系列能量的紧凑型强流质子回旋加速器研发过程中,CIAE对剥离引出后的束流色散效应、剥离膜与束流夹角对引出后的束流品质的影响、单圈剥离引出技术等紧凑型强流质子回旋加速器剥离引出技术等方面展开了研究,且自主开发出了剥离引出计算程序,为紧凑型强流质子回旋加速器的应用作出了贡献。     

100MeV回旋加速器中心区结构设计

中国原子能科学研究院建成了100 MeV紧凑型强流质子回旋加速器,其引出能量为75~100 MeV,流强为200μA。安装在回旋加速器狭小磁极气隙的中心区与螺旋静电偏转板是关键部件,其结构设计涉及磁场、高频电场、高压静电场、真空、传热等方面。本文介绍了中心区与螺旋静电偏转板的结构设计及使用情况。在设计过程中,采取加大绝缘距离、优化高频连接结构、增加杂散束流阻拦装置等措施,解决了中心区与螺旋静电偏转板在强流注入时可靠工作的问题。本文对螺旋偏转板进行了传热分析,得出了该螺旋偏转板在强流束注入时的温度分布。设计的中心区和螺旋偏转板已安装在加速器上,20μA/100 MeV的引出束流通过了12h稳定性测试,在加速器测试过程中,中心区工作稳定可靠。     

2 用于放射性核束设施驱动加速器的100MeV强流H^-回旋加速器

北京放射性核束装置，简称为BRIF，是一个新的基于放射性核束装置的加速器工程。该工程由以下几个部分组成：100MeV回旋加速器、在线同位素分离系统、现有的串列加速器注入器改造、超导直线增能器、各种不同的物理实验终端和一个同位素生产研究靶站。作为驱动加速器，100MeV的H^-回旋加速器能够提供75～100MeV、200～500μA以上的质子束流。对于最终能量不高于100MeV，束流强度低于lmA的回旋加速器，选择紧凑型磁铁，采用加速H^-、剥离引出的技术路径，将使得加速器结构更小，也更便宜。     

100 MeV回旋加速器主磁铁的方案比选和选厂定点

100MeV回旋加速器（CYCIAE-100）是自主创新、自主设计、拥有自主知识产权的先进加速器工程。主磁铁是100MeV回旋加速器工程建设的重中之重，技术部一直采取十分慎重的态度对待其设计工作。2004年至2005年，我们详细调研了加拿大TRIUMF、法国GANIL、     

100MeV回旋加速器主磁铁的施工设计和工程进展

作为100MeV回旋加速器的主体部件，主磁铁在CYCIAE-100工程中有着举足轻重的地位。因此，主磁铁被列为串列加速器升级工程技术部的重点工作着力推进。在2007年，主要开展了设计和工程施工。     

14 100MeV强流回旋加速器质子束流管道的初步设计

作为中国原子能科学研究院四大工程之一的串列加速器升级工程，将成为在我国核科学技术领域开展国防、基础和应用的创新性与先导研究的平台。作为其中的重要组成部分，100MeV强流质子回旋加速器建成后能够提供75～100MeV的质子束流。此回旋加速器建成后，首先利用束流调试管道和束流收集器进行加速器调试，然后根据不同应用的要求，将调试好的束流通过ISOL系统质子管道、同位素研制质子管道、准单能中子源质子管道、白光中子源质子管道、生物医学研究质子管道、单粒子效应质子管道等将质子束传输到各终端用户使用。     

30MeV(P)扇形聚焦回旋加速器

为改进这台加速器的性能,以适应核物理、核技术实验工作的需要,1978年制定技术改造方案,确定把它改造为扇形聚焦可变能量回旋加速器。经过物理设计与模拟试验、技术设计及工程准备,1982年夏停机拆装调试,1983年按计划出束。改造后的回旋加速器,其能量常数K=40,能把质子加速到30MeV,能区在10～30MeV内可调,并可采用三倍频加速H_2~ 离子,提供2～2.5MeV和6～9MeV的质子。每次换能时间较快,可在2小时以内改变一个能量。     

100 MeV强流回旋加速器中残留气体引起的束流损失研究

在回旋加速器加速负氢离子的过程中,由于磁场的洛伦兹力剥离以及真空条件引起的束流损失,是制约加速器最终束流强度的关键因素。束流损失除了导致引出流强降低外,在强流情况下更严重的是加速器内部放射性剂量的增加,给机器的运行维修带来困难,同时,损失的束流轰击加速器内部的某些部件,将导致机器的稳定运行问题。对回旋加速器中残留气体引起的束流损失的机理研究,在理论上解决强流负氢回旋加速器中残留气体引起的束流损失问题,从而对回旋加速器的真     

紧凑型医用回旋加速器的物理设计

介绍了能量11 MeV、流强50μA的紧凑型质子医用回旋加速器的物理设计方案,并较详细报告了各主要分系统(包括离子源、磁铁、高频、中心区、引出系统)的设计方法及结果。该加速器已经完成调试,成功引出平均流强50μA、能量11 MeV的质子束流,验证了整机物理设计的正确性。     

回旋加速器脉冲化实验系统的物理设计

利用现有强流负氢离子源实验台架，充分考虑现有注入线和中心区的设计，建立强流脉冲化实验装置，将几十至百keV量级的强流束进行脉冲化，将70MHz（中心实验台架10MeV紧凑式回旋加速器的高频频率）连续波负氢束脉冲化为重复频率1～8MHz，脉冲宽度约为10ns。