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。     

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。     

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。     

100 MeV回旋加速器不同初始相宽下引出束流纵向特性的数值模拟

正中国原子能科学研究院研制成功的100 MeV紧凑型强流质子回旋加速器(CYCIAE-100),通过剥离引出的方式引出75～100 MeV、200μA的质子束。该加速器2014年首次出束,2017年实现双向同时引出。为了分析引出质子束流特征和控制强流下的束流损失,利用多粒子模拟程序COMA对CYCIAE-100的加速和剥离引出过程进行了详细的模拟研究。本工作主要是对初始束流相宽为40°、30°、20°、5°等4种不同初始相宽下的加速的束流引出特性进行了模拟。模拟结果表明,初始相     

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。     

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 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…     

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。     

100 MeV回旋加速器引出质子束的能量测试

正串列加速器升级工程100 MeV强流质子回旋加速器(CYCIAE-100)于2014年首次出束以后,目前已经进入到运行阶段。CYCIAE-100通过剥离引出的方式,引出的质子能量范围为75～100 MeV。2017年,工程部组织专家对CYCIAE-100的引出能量进行了现场测试。不同能量的质子在水中的布拉格峰(Bragg峰)位置是固定的,即通过对质子在水中不同深度的吸收剂量来确定布拉格峰位置,从而确定该能量质子束     

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。     

CYCIAE-100回旋加速器Beamdump束流线的控制系统研制

正CYCIAE-100回旋加速器Beamdump束流线在2017年实现束流强度200μA的验收调试,在Beamdump束流收集器稳定测量到束流强度204.65μA。CYCIAE-100回旋加速器Beamdump束流线控制系统为2017年CYCIAE-100回旋加速器200μA的调试运行提供了保障,并在实际运行使用中得到验证。图1为CYCIAE-100回旋加速器Beamdump束流线的控制系统界面。CYCIAE-100是一台紧凑型强流质子回旋加速器,加速负氢粒子,束流强度为200μA,能量范围为75～100MeV。Beamdump束流线为束流收集器输运线,用于强流200μA流强的调试。束流经北向     

100 MeV回旋加速器工程的设计和建造进展

100MeV强流回旋加速器及束流管道系统（CYCIAE-100）工程计划建设1台能量为75-100MeV、质子束流强度200μA的回旋加速器，7条质子束流管道和2条中子束流管道。2006年，重点完成了初步设计，并开展施工设计工作；开始工程重大设备的制造工作；基本完成了研究试验项目。     

100MeV回旋加速器中心区实验台架的调试

100MeV回旋加速器中心区实验台架工作在2007年取得了重要进展。所有设备已安装、调试完毕，通过分系统和联机调试，从离子源到注入偏转板出口的束流传输效率达到了75％，内靶已出束，取得了初步的实验成果。此实验台架的建成为100MeV强流回旋加速器的磁场、高频、注入、引出、中心区、控制、束流测量等系统的结构设计及束流动力学的验证提供了一个完整的实验平台。中心区实验台架装置示于图1。     

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。     

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。     

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…     

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。     

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。