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。     

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。     

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。     

CYCIAE-100剥离膜上能量沉积研究及程序开发

由于在军事、医学、工农业等领域内的广泛用途,强流质子加速器在当今社会得到了快速发展。目前,国际上许多强流质子回旋加速器均采用剥离H-的方法得到质子束。因此,剥离膜寿命的研究逐渐成为强流质子加速器研究的重要内容之一。     

Preliminary Beam Line Design for CYCIAE-100 Project

The Beijing Radioactive Ion-beam Facility （BRIF） is one of the main projects at China Institute of Atomic Energy （CIAE）, and will be a versatile platform for nuclear study in China. As a major part of this project, the 100 MeV cyclotron is designed to provide protons beam from 75 MeV to 100 MeV continuously. When the construction is accomplished, the beam dump system will be used to debug the machine. Then the adjusted beam is transported to the target through the ISOL proton line, isotope study proton line, single energy neutron source proton line, mix energy neutron source proton line, biomedicine study proton line, single particle effect study proton line, and etc.     

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。     

Extraction System Design for CYCIAE-100 Project

The 100 MeV H^- cyclotron is designed to produce 200 μA intense protons with the energy varying from 75 MeV to 100 MeV. The extraction system consists of two sets of stripping probes, and the beam will be extracted after stripping 2 electrons. Depending on the data of 100 MeV equilibrium orbits and magnetic field, we calculate the location of stripping points at various energies. The extraction optics is investigated by numerical tracking starting from the equilibrium orbits of various energies down to 70 MeV,     

100 MeV回旋加速器束流剥离引出的COMA模拟

利用多粒子跟踪程序COMA，来模拟CYCIAE-100的剥离引出过程，并验证由引出剥离程序所定出的剥离点，同时分析研究经剥离膜剥离后的束流参数。     

Axial Injection System Design for CYCIAE-100 Project

A 100 MeV high intensity proton cyclotron is under design at CIAE to provide proton beams more than 200 μA, and will provide pulse beams. In order to get high average intensity and have the ability of providing pulse beams, the injection system has two schemes, which corresponds to 1# and 2# injection lines respectively, shown in Fig. 1. 1# line adopts bottom-up axial injection and it is designed to solve CW     

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。     

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。     

CYCIAE-100回旋加速器质子照相束流线控制系统的研制

为了对质子照相束流线设备进行远程监测与控制,实现束流线各子系统的安全联锁功能,研制了一套采用标准控制模型结构的分布式EPICS控制系统。该控制系统通过PLC组态实现了开关逻辑设备的安全联锁及工艺流程控制。核心控制系统采用EPICS建立了多个IOC作为控制器。针对不同CPU构架下的服务器搭建了交叉编译环境。针对数字电源设备与真空仪表设备使用StreamDevice完成设备驱动及通信协议的开发,并通过建立IOC动态数据库,实现了IOC对流设备和PLC信号的监测与控制功能。使用CSS设计OPI,实现了上位机对EPICS IOC中数据的透明访问。该束流线控制系统已成功应用于CYCIAE-100回旋加速器的质子照相物理实验中。通过长时间的运行,控制系统的可靠性、安全性得到了验证。控制系统的稳定运行,为质子照相实验的开展奠定了基础,对类似的控制系统研制具有一定的参考价值。     

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。     

Wobbling Magnet Design for the Beam Line of CYCIAE-100

In most cases, the extracted beam from cyclotrons is in Gaussian distribution, while in many applications uniformly distributed beam is needed. On account of this, the wobbling magnet is designed to satisfy the need. The wobbling magnet can form a uniform rolling magnet field perpendicular to the beam transfer direction, which enables the beam through the wobbling magnet to turn with it. As a result, the uniformity of the beam will be improved. Figure 1 suggests the course of turning.     

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     

Study on the First Harmonic Bump for CYCIAE-100 Project

In cyclotrons particles have fixed static equilibrium orbits （EO） for different energies, the center of the orbit is also the center of the machine. In fact beam will not run along EO, but with betatron oscillation about EO. When the magnetic field has imperfect component, the center of the orbit will deviate from its original position. A first harmonic of amplitude B1 displaces the center of the equilibrium orbit by a distance     

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。     

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的直流流强监测器研制及实验验证

100 MeV强流质子回旋加速器（CYCIAE-100）加速H^-,引出质子束能量为75~100 MeV、最大束流强度为200 μA。为对束流输运线上的质子束流强度进行无阻挡实时监测,选择了直流流强监测器（DCCT）,其在设计上考虑了空间限制、杂散磁场和外部高频干扰信号等因素对探头的影响。探头外采用了三重磁屏蔽设计,磁屏蔽外为1层黄铜的电屏蔽。采用了绝缘垫圈隔断束流输运线的直流导电性,束流输运线管壁通有冷却水以保证探头温度稳定。在绝缘垫圈处增加电容以满足探头对电容值的要求。采用高精度PLC-AI模块对DCCT的输出电压进行了读取。通过模拟束流的实验验证表明,DCCT设计合理可行,测量结果的线性度、误差等指标符合设计要求。