MLFC在质子单粒子效应实验束流诊断中的应用

对宇航微电子器件进行抗质子辐射性能评估时,常利用加速器产生的质子束流来测量其质子单粒子效应截面曲线（σ-E曲线）。基于北京HI-13串列加速器重离子辐照装置,研制了适用于质子能量测量的多叶法拉第筒（MLFC）,为今后开展质子单粒子效应辐照实验奠定基础。测试结果表明,研制的MLFC既可测量质子能量和束流强度,也能测量质子束流的能量纯度,这对判定束流是否符合实验要求及调束非常实用。     

透射电离室作为低能质子束流监测器的研究与应用

为有效监测低能质子的束流强度,研制了一种透射型电离室,用于HI-13串列加速器上低能质子束流的监测。研究了它的基本计量学性能,结果表明,各项性能均满足工作级电离室的要求。与传统的侧向束流监测用金硅面垒探测器测量结果相比,基于同向测量的透射电离室作为监测探测器明显优于金硅面垒探测器,提高了测量结果的准确度。     

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。     

闪烁体薄膜在线测量质子束流强度

质子单粒子效应实验研究和质子加速器研究中,质子束流强测量关系着实验结果的可靠性和准确性。法拉第筒、金硅面垒探测器、金刚石探测器等传统探测方法均为拦截式测量,无法实现束流的在线测量。本文用闪烁体薄膜在线监测质子束流强。质子束流穿过薄膜闪烁体,沉积部分能量使其发光,用光电倍增管收集光信号,从而得到束流的强度信息。通过质子与闪烁体材料相互作用的理论计算得到闪烁体材料对质子束流的响应关系。在北大2×6 MeV串列加速器上对3–10 MeV的质子束流进行了实验测量,验证了其响应关系。     

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。     

超级质子-质子对撞机中束流热屏模型的热力学性能分析

束流热屏是高能对撞机的关键部件之一，用于转移管道内同步辐射、镜像电流和电子云引起的热负载，并通过在束流热屏壁面上的排气孔将管道内气体从管道内吸附到真空室壁，保证管道内的真空度。在低温条件下，束流热屏排气孔面积等参数的确定及不同工作温度下束流热屏的真空性能和传热性能优化是束流热屏结构设计的关键问题，也是新一代粒子加速器真空系统设计的难点之一。本文基于ANSYS模拟结果，在确保束流热屏良好传热性能的同时，优化束流热屏的排气孔面积等结构参数，提高束流热屏的排气能力，最终为超级质子 质子对撞机粒子束流的运行提供良好的真空环境。     

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。     

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。     

基于加速器的硼中子俘获治疗装置束流整形体的设计及其临床参数研究

在硼中子俘获治疗（BNCT）中,束流整形体是BNCT装置产生高品质中子束的关键部件之一,其设计至关重要。本文基于25 MeV质子打锂靶产生中子的过程,对加速器驱动的BNCT中子源的束流整形体进行了可行性方案设计,研究了慢化体厚度差异对出口束流品质、头部模型中的剂量分布和临床参数等方面的影响。研究表明,可行性方案设计在30 mA质子束流驱动下,可达到IAEA对束流品质的要求;在本文3种慢化体厚度设计下,随着慢化体厚度的增加,出口超热中子束流强度减小,快中子份额减小,进一步导致优势深度变浅,正常组织最大剂量率减小,治疗时间变长。     

基于加速器的硼中子俘获治疗装置束流整形体的设计及其临床参数研究

在硼中子俘获治疗(BNCT)中,束流整形体是BNCT装置产生高品质中子束的关键部件之一,其设计至关重要。本文基于2.5 MeV质子打锂靶产生中子的过程,对加速器驱动的BNCT中子源的束流整形体进行了可行性方案设计,研究了慢化体厚度差异对出口束流品质、头部模型中的剂量分布和临床参数等方面的影响。研究表明,可行性方案设计在30 mA质子束流驱动下,可达到IAEA对束流品质的要求;在本文3种慢化体厚度设计下,随着慢化体厚度的增加,出口超热中子束流强度减小,快中子份额减小,进一步导致优势深度变浅,正常组织最大剂量率减小,治疗时间变长。     

射频四极场加速器低能强束流传输注入系统的实验研究

对加速器驱动的次临界系统（ADS）的射频四极场（RFQ）加速器的低能强流束流传输系统进行实验研究,给出了在强流离子束束腰附近测量束流参数的方法,并测量了强流质子注入系统在RFQ入口处的束流参数。目前,该系统已成功地应用于强流射频四极场质子加速器中。     

基于Geant4模拟的质子治疗束配系统的束流光学设计

质子治疗中为减小对肿瘤周围正常组织的损伤而对病人进行多角度照射时,通常采用旋转机架传输质子束流并且要求束流在旋转机架等中心处形成圆束斑。而同步加速器引出束流具有明显的不对称特点给等中心处圆束斑的实现带来困难。分别针对在旋转机架入口的真空窗处满足"圆束流法"、等中心处满足"圆束流法"和不采用"圆束流法"等三种方案进行了束流光学设计,并利用蒙特卡罗软件Geant4模拟分析不同方案下束流经过旋转机架、治疗头和人体在等中心处形成的束斑。结果表明,三种束流光学设计方案中束流在旋转不同角度情况下在等中心处的束斑均接近圆形,在采用"圆束流法"的两种方案中实际束流分布与圆束斑的差异相对较小。     

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。     

束流监测用透射电离室的研制

为有效监测低能质子束流强度,研制了1种无窗透射型电离室,用于H1—13串列加速器上10-30MeV质子束流的监测。该透射电离室主要由电极、工作气体和绝缘体3部分组成。电极由收集电极和高压电极两部分构成,两极板间充有空气。图1示出透射电离室结构示意图。电离室特性列于表1。     

静态随机存取存储器质子单粒子效应实验研究

描述了测量静态随机存取存储器质子单粒子翻转截面的实验方法。采用金箔散射法可以降低加速器质子束流五六个量级,从而满足半导体器件质子单粒子效应的要求。研制的弱流质子束流测量系统和建立的注量均匀性测量方法解决了质子注量的准确测量问题。提高了存储器单粒子效应长线测量系统的性能,保证了翻转数的准确测量。实验测得静态随机存取存储器质子单粒子翻转截面为１０＾－１４ｃｍ＾２／ｂｉｔ量级,随质子能量的增大略有增大。     

双漂移谐波聚束器的物理设计

为了满足北京放射性核束装置计划中超导直线助能器对ＨＩ－１３串列加速器束流脉冲化系统的要求，同时兼顾目前快中子飞行时间测量实验的需要，进行了双漂移谐波聚束器的物理设计。聚束器基频为６ＭＨｚ，可以对质子、氘直至铯等所有离子束进行脉冲聚束，束流利用效率可达５０％—６０％，质子等轻离子脉冲束的脉冲时间宽度小于１ｎｓ。设计中分析了串列加速器束流传输系统中影响脉冲束流性能的各主要因素，通过束流纵向相空间的传输模拟计算，获得了满意的结果。     

EicC束团缺失时的束束效应研究

EicC（the highly polarized electronion collider in China）是由中国科学院近代物理研究所提出的极化电子-离子对撞机装置。在电子-质子对撞模式中,EicC的电子环（eRing）内有256个电子束团,质子环（pRing）内有448个质子束团。由于两个环内的束团数不同,当束流中的束团出现缺失时,束团缺失带来的影响会通过束束相互作用传递给多个电子与质子束团,进而可能会使束流不稳定。为研究束团缺失对束流稳定性的影响,本文使用束束相互作用模拟程序AthenaGPU进行了自洽的模拟研究。模拟结果显示,缺失电子束团不会使束流出现相干不稳定,但缺失一定数目的质子束团时会引起偶极或四极不稳定,且使对撞亮度迅速衰减。调节名义工作点后可使束流避开共振区,不再出现偶极或四极不稳定。     

BRIF—ISOL系统束流剖面仪（BPM）实验研究

在串列升级工程中，放射性核束束流强度很弱，一般强度为10^4-10^10s^-1，束流参数和束流品质无法用常规的电子学方法测量，需要特别的方法测量。为了解决这个问题进行顺利的调束工作，设计了一种利用闪烁晶体受激发射荧光获取束流信息的剖面仪（BPM），其工作原理示于图1。     

北京质子直线加速器的束流测量探头

本文介绍了北京质子直线加速器的束流测量探头如荧光靶探头,束流变压器,发射度测量探头,束流截面测量探头,能散度测量探头,法拉第筒,减能器等的作用,机械结构及加工工艺。     

法拉第筒负高压环的改进

在用法拉第筒校准丙氨酸剂量计对质子的吸收剂量研究中，把法拉第筒置于丙氨酸剂量计之后，以法拉第筒为绝对测量标准来校准剂量计的吸收剂量，这就要求法拉第筒测量束流的准确性非常高。为了更加准确测量质子的吸收剂量，对法拉第筒经行了改进，并在10MeV质子束流下测试改进后的法拉第筒性能。