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。     

100 MeV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。电荷力的光学计算程序TRANSOPTR,匹配不同中性化程度的注入束流光学特性。从离子源出口到螺旋型静电偏转板出口的连续匹配计算结果表明:所设计的注入系统可有效地控制束流包络,减少束流损失,将束流注入到100MeV回旋加速器的中心区;还完成了1#线上x-y导向磁铁、螺线管透镜、聚束器和四极透镜的设计。100 MeV强流质子回旋加速器轴向注入系统设计@姚红…     

100 MeV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     

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。     

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。     

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。     

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强流质子回旋加速器中的一次谐波研究

在回旋加速器中对应不同的能量束流具有固定的静态平衡轨道,轨道中心为机器中心。在粒子实际加速过程中,不可能严格的按照平衡轨道运动,而是围绕平衡轨道作betatron振荡。当磁场存在非理想分量时轨道中心将出现偏移,一次谐波引起的轨道偏移量为:()eo1r21R Bd=Bυ?(1)式中:B1为一次谐波场的幅值;Reo为静态平衡轨道半径;υr为径向betatron振荡频率。在一次谐波场的影响下束流将围绕偏移后的轨道中心振荡,导致束流径向尺寸变大,经过N圈后束流将偏移:x=2πN d(υr?1)=2Bπ(NυRre o B11)(2)本文采用轨道跟踪程序GOBLIN对该影响进行数值分…     

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。     

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。     

100MeV强流质子回旋加速器主磁铁电磁力的数值模拟

本工作研究计算中国原子能科学研究院目前正在设计、建造中的100MeV强流质子回旋加速器CYCIAE-100主磁铁电磁力。计算中选用虚位移法和麦克斯韦应力张量法两种方法。在利用电磁场三维有限元分析程序计算得到紧凑型等时性回旋加速器主磁铁电磁场的基础上,先采用虚位移法估算电磁吸力,然后基于麦克斯韦应力张量法在MATLAB环境下编写数值计算程序,详细研究磁极和磁轭受到的电磁吸力。两种方法的计算结果接近。计算得到的主磁铁磁极间吸力大于磁极与盖板间吸力,二者之差由磁极和盖板间的螺栓承担。电磁力的计算结果为主磁铁结构变形计算和结构方案选取提供了依据。     

100 MeV强流质子回旋加速器中心区横向接收度的计算

中心区的设计在完成对中轨道后需考虑一定相宽内的横向接收度问题。一方面可检验中心区设计的合理性，因为实际加速器中加速的是束流而不是单个粒子：另一方面可为注入线的设计提供拟合条件，使注入系统设计更易于匹配计算，也避免以往采用注入线计算的结果旁轴粒子跟踪的盲目性。     

用于放射性核束设施驱动加速器的100 MeV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200μA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。选择紧凑型磁铁结构,采用加速H-、剥离引出的技术路线,将使得加速器体积小、造价…     

100MeV回旋加速器质子剂量测量方法

<正>中国原子能科学研究院的100 MeV质子回旋加速器是目前国内唯一一个可用于空间质子辐射损伤效应研究用的加速器,其建立的S3束流线上已在质子辐射生物效应方面开展了相关的工作。在中能质子辐射生物效应研究过程中,其质子剂量的准确性测量是研究其生物效应和照射剂量的量效关系的关键。目前采用的束流诊断方法是利用SEEM探测器和法拉第筒对标的方法对束流注量率以及质子注量进行诊断,然后通过换算     

7 100MeV强流质子回旋加速器中的一次谐波研究

在回旋加速器中对应不同的能量束流具有固定的静态平衡轨道，轨道中心为机器中心。在粒子实际加速过程中，不可能严格的按照平衡轨道运动，而是围绕平衡轨道作betatron振荡。当磁场存在非理想分量时轨道中心将出现偏移，一次谐波引起的轨道偏移量为：     

100MeV强流质子回旋加速器主真空室辐射剂量的数值研究

中国原子能科学研究院正在设计研究的100MeV强流质子回旋加速器中真空室内的残余气体和磁场中的洛仑兹剥离将导致部分负氢离子束流损失，并在真空室内产生辐射剂量。本工作采用蒙特卡罗方法模拟计算该加速器运行时真空室外壁上沿圆周方向的辐射剂量分布，计算得出其最大值约为143Sv/h。同时，研究了在加速器停机后真空室内部的剩余辐射剂量场分布及其随时间的衰减规律。      

100MeV强流回旋加速器径向靶的研制

在100MeV强流回旋加速器调试过程中,需对束流在加速器内的轴向和径向参数进行测量。径向靶系统是束流诊断系统中用于获取上述参数的主要部件,本文研制了3套阻挡式径向靶系统,并安装到加速器主体,获得了束流在连续加速过程中的轴向和径向分布,为加速器运行提供了相应束流参数,并为后续加速器升级工作提供了必要的条件。     

100MeV强流回旋加速器辐射剂量场计算

在负氢回旋加速器中，残留气体和洛仑兹力会引起负氢离子的剥离损失。加速器运行时，束流损失在真空室外产生很大的辐射剂量场，其计算结果将用于决定加速器局部屏蔽、吸收体等的设计。加速器停机后，活化将导致真空室内部的剩余剂量场，其计算对于加速器真空室内部的维修及组件设计具有重要意义。     

100MeV强流质子回旋加速器中心区磁场和电场轴向聚焦的研究

在回旋加速器中心区的设计中,轴向运动关心的主要问题和径向运动非常不同。这基本上源于在回旋加速器中心处轴向聚焦频率几乎为零的事实,然而径向振荡频率值约为1。回旋加速器中,在起始的几圈内等时性磁场提供的轴向聚焦接近于0,为加强磁场聚焦在等时场上设计一小的凸起磁场,可提供正的磁场梯度即轴向聚焦,属于弱聚焦,且该磁场带来的另一不利的效应是造成滑相。     

100MeV强流质子回旋加速器主磁铁关键质量因素分析及对策

主磁铁是串列加速器升级工程100MeV回旋加速器的关键系统,属大型、重型、高精度设备,研制难度大,对质量控制提出了较高要求。论文对主磁铁的技术难点及关键质量影响因素进行了详细地分析、提出了质量控制的对策,对实施情况进行了介绍。