强流回旋加速器静电注入偏转板设计方法研究

从离子在回旋加速器静电注入偏转板中的运动方程出发，对注入偏转板完成了了计算机辅助设计，并给出辅助加工数据。计算设计和束流仿真过程全部在ＰＣ－４８６微机上完成，形成一个注入偏转板设计软件包，并且可以与已开发的“智能化回旋加速器主磁铁ＣＡＥ系统”配套使用，使回旋加速器的整机开发前进了一步。     

100MeV强流负氢回旋加速器中心区模型设计

在中国原子能科学研究院提议的串列加速器升级工程中,将建造一台100 MeV强流负氢回旋加速器。作为必要的预先研究,我们计划研制其中心区模型,磁钢度为0.455 T·m。该中心区模型可将负氢离子加速到10 MeV,除了作为强流回旋加速器的先进技术研究外,还可用于生产PET常用的超短寿命放射性核素:~(11)C、~(13)N、~(15)O和~(18)F,由于它的高流强,将会有更高的放射性核素产额,预计一台这样的加速器,将能满足国内任何一个城市对~(18)F的需求。     

100MeV回旋加速器中心区结构设计

中国原子能科学研究院建成了100 MeV紧凑型强流质子回旋加速器,其引出能量为75~100 MeV,流强为200μA。安装在回旋加速器狭小磁极气隙的中心区与螺旋静电偏转板是关键部件,其结构设计涉及磁场、高频电场、高压静电场、真空、传热等方面。本文介绍了中心区与螺旋静电偏转板的结构设计及使用情况。在设计过程中,采取加大绝缘距离、优化高频连接结构、增加杂散束流阻拦装置等措施,解决了中心区与螺旋静电偏转板在强流注入时可靠工作的问题。本文对螺旋偏转板进行了传热分析,得出了该螺旋偏转板在强流束注入时的温度分布。设计的中心区和螺旋偏转板已安装在加速器上,20μA/100 MeV的引出束流通过了12h稳定性测试,在加速器测试过程中,中心区工作稳定可靠。     

强流回旋加速器综合实验装置调试进展

强流回旋加速器综合实验装置是中国原子能科学研究院串列加速器升级工程的重要设计验证项目,设计能量为10MeV,它包括1台小型回旋加速器的全套设备,具备其全部功能。它作为一综合试验平台,对100MeV强流回旋加速器的理论设计进行工程可行性验证,同时用于强流回旋加速器的新型工艺研究和设备检测。     

用于硼中子俘获治疗的强流质子回旋加速器中心区结构优化设计

中国原子能科学研究院目前正在研制用于硼中子俘获治疗（BNCT）的强流质子回旋加速器,该加速器设计引出能量14 MeV、质子束流强大于1 mA。相比引出流强为400 μA的PET回旋加速器,BNCT强流质子回旋加速器对中心区相位接收度和轴向聚焦的要求更高。为实现mA量级的束流的加速和引出,BNCT强流质子回旋加速器采取了增加负氢束流注入能量、增大磁铁镶条孔径、使用用于增大Dee盒头部张角的阶梯状结构及调整加速间隙的入口和出口高度等一系列中心区结构优化设计,有效地提高了中心区的相位接收度,改善了轴向电聚焦。在新的离子源注入能量下通过数值计算得到实测场下的轴向电聚焦和间隙高度的关系,选取合适的间隙高度获得最佳的轴向聚焦,从而确定了mA量级束流的注入和加速的中心区结构。同时在设计中考虑空间电荷效应的影响,计算了不同流强下的束流尺寸变化。中心区结构在实测磁场下的优化设计计算结果表明,BNCT强流质子回旋加速器中心区的束流对中好于0.5 mm,相位接收度大于40°,中心区最高可接收流强3 mA。目前,新的中心区结构已进入机械加工阶段。     

强流回旋加速器综合试验装置谐振腔关键高频参数的测量方法研究

射频谐振腔体的特征参数,包括谐振频率、品质因数和并联阻抗等,对加速器的物理设计和束流调试具有重要的参考意义,是衡量射频系统性能的重要指标.其中,等效并联阻抗的准确测量,是确定加速电压的峰值与分布的有效途径,其难点在于测量方法或对局部电磁场有扰动,或信噪比较低.论文通过应用研究的方法,由二端口无源网络散射参数的定义出发,设计了先进的测量方案,采用了特殊设计的阻抗探针,获得了强流回旋加速器综合试验装置的加速电压分布.同时使用同样的方法,对100 MeV回旋加速器金属实验腔体的电压分布进行了实验研究,该结果与三维计算机仿真结果对比,相对误差小于1％.     

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。     

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。     

紧凑型强流回旋加速器CYCIAE-100高频腔Dee板水冷系统设计

作为紧凑型强流回旋加速器CYCIAE-100，为了维持安装在相对两个谷区内的1对高频腔能够提供60kV（中心区）约120kV（引出区）的加速电压，要求馈入的功率较高，腔体水冷的难度大，因此，需要对水冷系统进行详细的设计，本文以高频腔Dee板的水冷系统的设计和优化为例进行说明。     

扇聚焦等时性回旋加速器性能的改进和提高

安装了ＥＣＲ离子源及其外注入系统后，增加了离子种类、提高了束流强度。扇聚焦等时性回旋加速器（ＳＦＣ）主要工作点分布于三次谐波加速区域，为了匹配外注入系统，仔细地研究了中心区，重新设计加工了Ｄ盒及假Ｄ。为了改进ＳＦＣ性能，提高运行效率，同时进行了其它改进工作。介绍了改进后的ＳＦＣ的调束工作。     

100 MeV回旋加速器中心区实验台架上注入线设计、加工及安装

100MeV回旋加速器中心区实验台架的注入能量为30keV，采用的横向聚焦元件包括1个螺线管透镜（S：Solenoid），1对四极磁铁（Q：Quadrupole）。注入线的设计有两种考虑，分别对应于不考虑和考虑聚束器的情况。两种设计的布局如图1所示。     

100 MeV回旋加速器中心区实验台架上离子源磁铁布局设计

为逐步研究掌握强流负氢离子源技术，“十一五”期间，将完成15-20mA强流负氢多峰离子源的技术研究设计。为此目的，在原有离子源以及参考TRIUMF离子源的基础上，重新设计了1台离子源。本文主要介绍其磁铁的布局设计。     

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。     

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。     

紧凑型医用回旋加速器的物理设计

介绍了能量11 MeV、流强50μA的紧凑型质子医用回旋加速器的物理设计方案,并较详细报告了各主要分系统(包括离子源、磁铁、高频、中心区、引出系统)的设计方法及结果。该加速器已经完成调试,成功引出平均流强50μA、能量11 MeV的质子束流,验证了整机物理设计的正确性。     

强流回旋加速器射频功率源末级谐振放大器的研制

为适应强流回旋加速器综合实验装置强流束调束需求,开展了对射频系统中功率源的末级谐振放大器的研制。功率源末级谐振放大器采用阴极驱动模式的三级真空电子管作为核心放大器件,充分地考虑了输入阻抗、输出调谐和输出耦合的调节需求,通过射频电路仿真和三维电磁场仿真等手段实现了对末级谐振放大器各参数的仿真。网络分析仪对末级谐振放大器的各项参数的测量表明:制造结果与设计参数高度一致;示波器对末级谐振放大器进行实验测试表明:8h假负载考验中功率稳定度好于1%,输出效率达70%,可为强流回旋加速器综合实验装置强流束调试提供射频功率的技术支持。     

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。     

强流回旋加速器并行束流动力学程序的初步开发

粒子束自场的求解是强流束流动力学PIC（Particle-In-Cell）程序的一核心部分。PIC技术通常采用基于网格的P—M（Particle-Mesh）方法求解空间电荷场。P-M方法求解空间电荷力可分为4个主要步骤：生成离散网格、把电荷量分配到网格、求解离散的Poisson方程、从网格插值得到空间电荷场。由于求解离散的Poisson方程所需时间只与网格节点规模有关,而与粒子数目无关,所以在大规模宏粒子的模拟中,P—M方法具有很高的计算效率。     

HI-13串列加速器升级工程 100MeV回旋加速器工程的设计和建造进展

由于100MeV强流回旋加速器及束流管道系统（CYCIAE一100）工程主体部件的大部分施工设计已经完成,2008年的工作主要集中在主体部件的工程建设和关键技术的试验验证,以及包括液压举升等一些配套子系统的施工设计或技术规格书的编制工作。图1示出主体部件施工设计完成后的CYCIAE-100示意图。