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。     

回旋加速器中心区实验装置剥离引出计算分析

改进了30 MeV回旋加速器剥离引出程序CYCTRS,计算了10 MeV回旋加速器不同能量束流引出剥离点的位置,着重计算分析了10 MeV能量点的束流剥离引出的光学特性,为设计加工束流引出系统提供了重要的参数依据。 10 MeV回旋加速器加速H-离子,采用剥离引出。该加速器将主要用于强流加速     

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。     

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。     

30MeV(P)扇形聚焦回旋加速器

为改进这台加速器的性能,以适应核物理、核技术实验工作的需要,1978年制定技术改造方案,确定把它改造为扇形聚焦可变能量回旋加速器。经过物理设计与模拟试验、技术设计及工程准备,1982年夏停机拆装调试,1983年按计划出束。改造后的回旋加速器,其能量常数K=40,能把质子加速到30MeV,能区在10～30MeV内可调,并可采用三倍频加速H_2~ 离子,提供2～2.5MeV和6～9MeV的质子。每次换能时间较快,可在2小时以内改变一个能量。     

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     

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。     

在1.2米回旋加速器上加速H~+,获得3.5MeV质子束

为了开展质子激发X荧光分析和带电粒子活化分析,要求1.2米回旋加速器提供3.5MeV质子束和7MeV氚束。在工作磁场为16kGs,引出束流半径为52.5cm,D电路工作频率为12MHz时,为了加速荷质比为1/3的H_3~+离子,我们在1978年8月,采用在D电路第一耦合孔处共振丝上并接了二只CKT-150pF、40kV、170A的陶瓷真空电容器,将D电路的工作频率降到8MHz,成功地加速了H_3~+和氘氢混合气体(D~+H)离子,分解后得到3.5MeV的质子(H~+)和7MeV的氘核(D_2~+),扩展了原设计中加速粒子的能量,有效地满足了开展核技术研究工作的需要。     

Physics design of a 70 MeV high intensity cyclotron, CYCIAE-70

This paper introduces the physics design of a 70 MeV high intensity cyclotron at China Institute of Atomic Energy (CIAE), which is aimed for multiple uses including radioactive ion-beam (RIB) production. The machine adopts a compact structure of four straight sectors, capable of accelerating two kinds of beams, i.e. H⁻ and D⁻ . The proton and deuteron beam will be extracted in dual opposite directions by charge exchange stripping devices. The energy of the extracted proton beam is in the range 35-70 MeV with an intensity up to 700 μA. The corresponding values for the deuteron beam are 18-33 MeV and 40 μA. This paper will present the main characteristics and parameters in the design of the 70 MeV cyclotron, the results of the basic beam dynamics study, as well as the physics in the design of the different systems, including the main magnet, RF, injection and extraction systems, etc.     

Energy loss of degrader in SC200 proton therapy facility

The proton beam energy determines the range of particles and thus where the dose is deposited. According to the depth of tumors, an energy degrader is needed to modulate the proton beam energy in proton therapy facilities based on cyclotrons, because the energy of beam extracted from the cyclotron is fixed. The energy loss was simulated for the graphite degrader used in the beamline at the superconducting cyclotron of 200 MeV in Hefei(SC200). After adjusting the mean excitation energy of the graphite used in the degrader to 76 eV, we observed an accurate match between the simulations and measurements.We also simulated the energy spread of the degraded beam and the transmission of the degrader using theoretical formulae. The results agree well with the Monte Carlo simulation.     

Overall design of CYCIAE-14, a 14 MeV PET cyclotron

Based on a 10 MeV CRM cyclotron developed at China Institute of Atomic Energy (CIAE) with an achieved beam intensity of up to 430 μA, a 14 MeV high intensity compact cyclotron, CYCIAE-14, was designed and being built at CIAE. It is planned that the first machine would be in place with a span of 2 years. CYCIAE-14 is delicately designed to realize strong vertical focusing by adopting a 4-sector, variable hill-gap structure with an external ion source to achieve high intensity. A special design applied to the stripping extraction gives access to dual extraction with four beams. The adoption of sophisticated industrial technology will give the cyclotron advantages, e.g. low power consumption and high reliability. This paper is aimed to present the overall design of the machine, including the basic technical specifications, main magnet and coils, RF, ion source and axial injection, and stripping extraction, etc. It will also give an introduction to its construction schedule as well as the up-to-date progress.     

千兆电子伏重离子加速器——兰州冷却储存环

能量达千兆电子伏的兰州重离子加速器冷却储存环HIRFL-CSR,是一个集加速、累积、电子冷却及内外靶实验于一体的多功能双冷却储存环同步加速器系统,由主环CSRm和实验环CSRe构成,并以兰州重离子回旋加速器系统HIRFL作注入器。CSR将重离子束的能量从兆电子伏提高到千兆电子伏,同时利用空心电子束冷却技术将束流的动量分散及发射度降低1~2个数量级,并提供多种类的高电荷态重离子束以及放射性次级束(RIBs),以开展更高精度的物理实验及更广范围的应用研究。兰州冷却储存环于2006年建成并投入运行,实现了剥离注入与多圈注入、空心电子束对重离子束的冷却与累积、变谐波宽能区同步加速、等时性环型谱仪、RIBs的产生与收集以及重离子束的快慢引出,并实现了高能重离子束的空心电子束冷却,使得重离子束的动量分散降低到10^-5量级,而发射度收缩到0.1πmm•mrad以下。同时,完成了短寿命近滴线核素的高分辨质量测量物理实验及高能重离子束深层治癌的临床应用实验。     

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。     

北京放射性核束装置在线同位素分离器的研制

北京放射性核束装置在线同位素分离器（BRISOL）采用100 MeV、200 μA回旋加速器提供的质子束打靶产生中、短寿命放射性核束,进行在线分析后供物理用户使用,其质量分辨率好于20 000。BRISOL装置现已建成,并开展了氧化镁、氧化钙靶的在线实验,在线产生了³⁷K⁺、³⁸K⁺、²⁰Na⁺、²¹Na⁺等多种放射性核束。本文详细介绍该装置的研制及运行情况。     

基于100 MeV紧凑型强流质子回旋加速器的束流切割器研制

通过理论分析和仿真模拟对中国原子能科学研究院一台100 MeV强流质子回旋加速器的束流切割器进行了优化设计,并同时研制出两套束流切割器进行实测对比,选定最佳方案。该切割器波形选择为回旋加速器高频频率的16分频28 MHz正弦波,具有结构紧凑体积小、螺旋谐振器Q相对较高、加载切割电压较高且功率损耗低、无需水冷等特点,同时配套研制了一套开口形状为正方形的选束狭缝装置。最后在实验终端成功获得了能量为100 MeV、重复频率为56 MHz的脉冲质子束。该切束器的成功研制不仅满足了核数据测量的应用需求,还极大地推动了回旋加速器束流脉冲化技术的发展。     

A Small "Cold-Cathode" High-Intensity Cyclotron Ion Source

High beam currents have been achieved with a radial source which fits into the 2-inch gap of a 30-inch cyclotron. The geometry is that of a cold-cathode or P. I. G. source. However, the cathodes are heated to thermionic temperatures by ion bombardment rather than a conventional high-current heated filament. The source is now in use and produces intense beams of H+, D+, He3, and alpha particles. Internal beams of H+ or D+ of more than one mA are obtained routinely at extraction radius. In addition, 30 ?A of H- or D- are obtained at a stripping foil by merely reversing the magnetic field of the cyclotron.