10 CYCIAE-100 MeV回旋加速器机械工程介绍

CYCIAE-100MeV回旋加速器非标机械结构主要包括离子源、轴向注入、中心区、高频腔体、频率自动微调、高频功率馈入、剥离靶引出、磁场调谐系统、对中线圈、径向束流探针、真空系统、相位探测系统、磁场测量系统、主线圈、束流诊断系统、束流调试靶、质子管道及传输元件、举升系统、运输安装与调节系统等。     

CYCIAE-100 MeV回旋加速器机械工程介绍

CYCIAE-100MeV回旋加速器非标机械结构主要包括离子源、轴向注入、中心区、高频腔体、频率自动微调、高频功率馈入、剥离靶引出、磁场调谐系统、对中线圈、径向束流探针、真空系统、相位探测系统、磁场测量系统、主线圈、束流诊断系统、束流调试靶、质子管道及传输元件、举升系统、运输安装与调节系统等。初步机械工程设计工作涉及到回旋加速器研制的各个方面,包括各系统为实现其功能所进行的结构设计、工艺设计、相关专业调研、加工方法、厂家选择、技术交流、采购、监造、分系统安装、分系统调试、验收、整体安装、整机调试、检修、运…     

加速器束流发射度测量

一、引言加速器束流发射度是束流本身的一个重要特性参量,它完整地描述了束流的径向性能。发射度的测量,为加速器输出束流的使用提供了确切的依据,特别是对于束流的传输来说,有效发射度及其σ矩阵是计算传输过程中束流包络所必不可少的初始条件。     

100MeV强流质子回旋加速器中心区轴向接收度的三种计算方法及比较

中心区的设计中束流发射度的匹配非常重要，因束流匹配将直接影响其在机器内加速过程中的损失情况及引出束流的品质。加速器中心区的聚焦与相位相关，即依赖于相位。因此，要求束流在加速器内的轴向包络最小化的初始发射度是相位的函数。计算中心区的接收度为轴向注入线和偏转板的设计提供匹配条件。对CYCIAE-100回旋加速器的中心区进行轴向接收度的计算研究，分别采用数值和半解析的方法，并对这三种方法进行比较。     

100 MeV回旋加速器的高功率质子束流线研制

为调试100 MeV回旋加速器高功率束流及放射性同位素研制,设计了一条高功率质子束流线及可插拔式高功率束流调试靶。研究了100 MeV回旋加速器引出区色散效应及剥离膜的散射效应,从而优化了光学模拟的初始参数,使得模拟结果更加精确。高功率束流调试靶设计为可插拔式以代替常用固定式调试靶,该靶插入束流管道中时可进行高功率质子束流调试,在拔出时,质子束流可直接轰击束流线终端的靶站以生产放射性同位素。优化了高功率束流调试靶的水冷结构,确保调试靶可承受500 μA以上的质子束流。经调试,该束流线可传输最高流强520 μA的质子束流。     

100 MeV回旋加速器的高功率质子束流线研制

为调试100 MeV回旋加速器高功率束流及放射性同位素研制,设计了一条高功率质子束流线及可插拔式高功率束流调试靶。研究了100 MeV回旋加速器引出区色散效应及剥离膜的散射效应,从而优化了光学模拟的初始参数,使得模拟结果更加精确。高功率束流调试靶设计为可插拔式以代替常用固定式调试靶,该靶插入束流管道中时可进行高功率质子束流调试,在拔出时,质子束流可直接轰击束流线终端的靶站以生产放射性同位素。优化了高功率束流调试靶的水冷结构,确保调试靶可承受500μA以上的质子束流。经调试,该束流线可传输最高流强520μA的质子束流。     

束流相位靶系统鉴相器设计

束流相位靶系统是回旋加速器重要的束流诊断系统之一。在等时性回旋加速器中,保持粒子与高频同步十分重要。实际运行中,由于机械变形、电源不稳定等的影响,实际磁场与理想等时场仍存在偏差。束流相位靶系统可测量束流的相位信息,判断不同半径上磁场与等时场的偏差并由此决定如何利用调谐线圈进行补偿。     

50 MeV负氢回旋加速器主磁铁设计研究

本文介绍了50 MeV负氢回旋加速器（CYCIAE-50）的总体设计考虑和主磁铁系统的优化设计过程及结果。确定了CYCIAE-50主磁铁的主要尺寸参数,建模计算出满足等时性的主磁铁中心平面磁场。通过调整参数,优化了主磁铁的峰值磁场、局部饱和等,以控制建造及运行成本。优化了磁极张角与磁气隙高度等参数,使负氢离子满足轴向和径向的聚焦要求,避免穿越有害共振。最后对主磁铁的结构进行形变校核,并估计了形变对束流动力学的影响。设计结果表明,CYCIAE-50的主磁铁设计符合要求,可为后续其他系统的设计和建造提供重要参考。     

50 MeV负氢回旋加速器主磁铁设计研究

本文介绍了50 MeV负氢回旋加速器(CYCIAE-50)的总体设计考虑和主磁铁系统的优化设计过程及结果。确定了CYCIAE-50主磁铁的主要尺寸参数,建模计算出满足等时性的主磁铁中心平面磁场。通过调整参数,优化了主磁铁的峰值磁场、局部饱和等,以控制建造及运行成本。优化了磁极张角与磁气隙高度等参数,使负氢离子满足轴向和径向的聚焦要求,避免穿越有害共振。最后对主磁铁的结构进行形变校核,并估计了形变对束流动力学的影响。设计结果表明,CYCIAE-50的主磁铁设计符合要求,可为后续其他系统的设计和建造提供重要参考。     

放疗加速器束流剂量实时成像系统

介绍了一种放疗加速器束流剂量实时成像系统，采用数字化脉冲X射线成像技术获取放疗加速器的束流强度分布图像，并利用数字图像处理技术生成实时3D剂量图。利用该系统可以实时、直观地获得加速器束流强度的相对分布曲面，给出任意剖面的束流强度分布曲线和FWHM、半影、峰值、对称度、均整度等参数。利用本系统的实时性，在国内首次实现了放疗加速器动态楔形剂量分布和束流过渡过程的测量。给出了系统配置和实测的放疗加速器束流强度分布图像。     

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。     

CYCIAE-100回旋加速器测磁仪自动控制系统的研制

为满足100 MeV回旋加速器磁场测量要求,设计研制了一套测磁仪自动化控制装置。该装置采用周向与径向相结合的运动方式,对目标点磁场进行测量。周向运动采用开环控制,在软件上通过算法实现间接闭环控制,整个测磁过程,只需完成1次周向运动,缓解了由硬件原因带来的周向定位震荡问题。径向运动基于光栅位置反馈,由运动控制器实现自动闭环控制,该方案使角度精度达到±5″以内,径向精度达±5 μm,达到并优于理论设计要求,解决了中能回旋加速器磁场测量时间较长、精度低的难题,对100 MeV回旋加速器的束流强度及品质的提高有重要意义。     

强流负氢离子源发射度测量仪研制

在加速器技术研究中,束流发射度是反映束流品质的重要物理参数,也是加速器和束流传输线设计的重要依据。100 MeV回旋加速器采用18 mA强流负氢离子源来产生负氢束,为了准确测量离子源的发射度,研制了一台强流负氢离子源发射度测量仪,介绍了其基本原理、机械设计和实验结果,得到了离子源的发射度信息,为100 MeV回旋加速器的设计提供了发射度参数。     

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。     

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.     

用于回旋加速器射频低电平系统的通用DSP固件程序设计

针对回旋加速器射频系统幅度、相位、启动逻辑、联锁保护、在线参数修改等控制需求,编写了一种基于有限状态机的通用DSP固件程序。该固件程序将射频系统启动过程划分为5个状态:封锁RF信号、搜索腔体谐振点、提升射频功率、匹配相位、幅相闭环控制。该固件程序通过串口与本地上位机和远程控制机进行实时通信,支持在线修改射频系统启动参数;采用异步事件驱动方式,实现对打火和反射功率过大等异常情况快速响应。该固件程序成功应用于CYCIAE-100回旋加速器射频低电平系统中,在CYCIAE-100回旋加速器调束过程中,完成了射频系统的启动控制和设备保护,满足加速器控制系统的需求。     

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。     

Numerical Simulation of Main Magnet Electromagnetic Force and Deformation for CYCIAE-100 Project

The achievement of magnetic field plays a crucial part in the design of CYCIAE-100 cyclotron, which is assumed to satisfy various beam dynamics requirements. In the compact cyclotron, magnet deformation caused by gravity, electromagnetic force and atmospheric pressure, impacts the distribution of the field on the middle plane and the space nearby. If the deformation caused by gravity and electromagnetic force is small enough, the field change can be compensated in the field mapping and shimming phase. Otherwise,     

Conceptual design of an 800 MeV high power proton driver

This paper outlines the conceptual design work of a high power proton cyclotron proposed by the China Institute of Atomic Energy (CIAE) for a spallation neutron source, accelerator driven systems, production of radioactive ion beams, and other applications. For this cyclotron the 100 MeV injection proton beam is currently considered to be provided by the CYCIAE-100 cyclotron, which is under construction at CIAE and will be later replaced by a dedicated injector for beam upgrading. In order to minimize beam losses for high intensity operation, large turn separation at the extraction has first priority. After analyzing of different scenarios, including super conducting designs, a warm magnet solution was chosen. The conceptual design, field calculations, RF cavity simulations, etc. will be presented in the paper.