300MeV/A H_2~+可变能量超导回旋加速器束流引出物理设计研究

针对单粒子效应测试对质子束能量的要求,中国原子能科学研究院设计了一台300 MeV/A H_2~+超导回旋加速器,该加速器使用超导线圈实现主磁铁小型化,剥离引出H_2~+离子获得可变能量的质子束。通过调节剥离点位置和分析剥离后质子的轨迹与束流包络,对该加速器引出过程的束流动力学进行了研究,完成了引出过程的物理设计。结果表明,此台加速器可在205~240 MeV、265~300 MeV内连续变能量引出质子,在更低能量范围内有单能量点引出质子的能力。     

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。     

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。     

用于质子直线加速器的强流电子回旋共振离子源

研制了一台用于加速器驱动次临界系统 (ADS)的强流电子回旋共振离子源。在 30keV能量下 ,引出的氢离子最大束流达到 1 0 0mA ,质子比好于 85 % ,引出束流密度最高可达 34 0mA/cm2 。初步测定的发射度约为 0 1 1πmm·mrad。已通过了 1 0 0h的连续运行考验。     

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。     

230MeV超导质子回旋加速器超导磁体的预冷与降温

正230MeV超导质子回旋加速器主要由主磁铁、超导磁体、高频系统、离子源系统、引出系统等多个子系统组成,旨在制造一台能用于临床质子治疗的高性能超导回旋加速器。超导磁体的结构示于图1,由超导线圈组件、冷屏、阀箱、低温恒温器、低温传输管线、线圈支撑杆和失超保护系统等组成。     

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。     

15-20mA负氢离子源的设计

制约强流质子回旋加速器技术发展的一个主要因素是离子源的束流强度以及束流品质，为提高引出流强、改善束流品质，中国原子能科学研究院一直致力于离子源的发展。2000年建成了平均流强5．2mA的负氢离子源，束流发射度达到了0．65πnm-mrad，2004年建成了高于10mA的负氢离子源。为进一步提高束流流强，满足中国原子能科学研究院串列加速器升级工程的需求，在原有10mA负氢离子源基础上设计1台新的离子源，将平均引出束流提高到15-20mA。     

CYCIAE-100引出束流色散效应的研究

CYCIAE-100是一台紧凑式回旋加速器，加速负氢粒子束，引出方式为双向剥离引出。在回旋加速器内部的加速平衡轨道上，由于磁场的对称性，束流是消色差的。加速的H^-束流经过剥离膜剥离转换成质子后，将沿着引出轨道而被引出。由于磁场的非对称性和边缘场的存在，将会给引出的质子束流引入色散，造成水平的横向发射度增长。     

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     

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。     

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。     

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。     

HI-13串列加速器升级工程进展与现状

中国原子能科学研究院的"HI-13串列加速器升级工程"是在现有的HI-13串列加速器的基础上,前端新建一台100 MeV、200 μA紧凑型质子回旋加速器(CYCIAE-100)和质量分辨为20000的在线同位素分离器(ISOL),后端新建一台能量增益为2 MeV/q的超导直线增能器(SCB),形成一加速器组合装置.各加速器可单独使用,也可联合使用.回旋加速器单独使用时主要用于中子物理、辐射物理、生物医学的研究及同位素研发.联合使用时,回旋加速器的质子束将用于轰击靶源,产生放射性同位素束,经在线同位素分离器后注入串列加速器加速,为用户提供放射性核素束流.     

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剥离效率的研究

CYCIAE-100是一台紧凑式回旋加速器，加速负氢粒子束，通过剥离引出方式来引出质子束流。H^-经过碳剥离膜剥离掉两个电子后转化为质子，质子的产额由电子的损失截面来决定，而电子的损失截面紧紧依赖于能量。H^-能量越高，电子损失截面就越小。因此，在同样的剥离效率下，能量越高，所需碳膜就越厚。     

负氢离子的产生机制及注入技术的研究

为了推动强流回旋加速器技术的发展,强流负氢离子的产生与高效率的注入是应首先解决的关键问题。此课题从2001年开始,在原有轴向注入试验台架的基础上进行技术改造,包括系统的束流动力学计算、关键结构的重新设计、供电系统更新改造、束流测量设备的完善及加艳条件的出束试验等,计划用两年的时间使负氢离子束流达到10mA以上,并使束流品质有明显改善。 2001年,回旋加速器工程组围绕这一任务,有计划地完成了如下工作。 1）在不同弧状态下,对引出电极的结构、引出束流的特性进行了研究,并进行了优化,基本确定了合理的结构方案;     

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。     

12 100MeV强流质子回旋加速器轴向注入系统设计

100MeV强流回旋加速器要求引出质子束流强达到200μA，并计划提供脉冲束流。为达到高的平均流强，并具有提供脉冲束的能力，轴向注入系统的设计有两种方案，即对应于1#和2#注入线，如图1所示。     

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