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。     

230 MeV超导回旋加速器高频腔体的研制

中国原子能科学研究院目前正在研制一台用于质子治疗的230 MeV超导回旋加速器。本文设计用于230 MeV超导回旋加速器的高频腔体,其采用螺旋结构,由4个腔体组成,高频系统采用二次谐波加速,高频腔体工作频率约71.25 MHz。4个半波长的电容加载型谐振腔工作于Push-Pull模式,其中两个腔体在中心平面直连,另外两个腔体在中心区下方使用过桥连接,两组腔体之间存在电容耦合,相差180°。在腔体的设计过程中,采用计算机对4腔体进行联合仿真,经优化后,腔体加速电压分布在中心区部分的为75 kV,大半径部分的提升至110 kV,腔体的无载品质因数仿真结果约8 800。为保证腔体的高频性能,腔体主体材料采用无氧铜材料,其加工难度在于上、下外壳需分别焊接成一个整体,同时要控制其形变量。目前,腔体已完成加工,单个腔体的无载品质因数的测试表明,腔体的无载品质因数均好于7 000,满足要求。     

CYCIAE-100回旋加速器射频低电平系统嵌入式IOC设计

为对CYCIAE-100回旋加速器射频系统进行远程监测与控制,实现与CYCIAE-100回旋加速器主控制系统的联锁,研制了一种基于ARM9系列处理器的嵌入式IOC。该嵌入式IOC运行Linux操作系统,使用EPICS建立了IOC作为控制软件。通过软、硬件协同设计,扩展了ARM9系列处理器的SPI从设备数量,开发了ADC和DAC设备的Linux驱动程序和EPICS设备驱动程序。使用Python语言开发了EPICS串口设备支持程序。经过长期运行考验,该嵌入式IOC稳定可靠,满足远程监测和控制的需求。     

230 MeV超导回旋加速器高频低电平系统设计与桌面实验研究

中国原子能科学研究院正在研发一台230 MeV医用超导回旋加速器,用于天津肿瘤医院的质子治疗项目。为满足加速器高频系统的腔体负载Dee电压稳定度、高频频率稳定度及加速电压幅度平衡度的要求,本文研制一套包含模拟数字混合型幅度环、数字型调谐环和数字型电压平衡环3个环路的低电平控制系统。该低电平系统通过串口与上位机进行通信,以实现本地调试;利用Profibus-DP通信协议,实现低电平系统和PLC组网的交互通信。在1个缩比例无氧铜实验腔体上完成了低电平系统低功率桌面实验与联合调试,验证了电压调平衡算法的有效性,并实现了低电平控制系统的一键启动,无需人工干预,满足了加速器高频系统对低电平控制系统的需求。     

100MeV强流质子回旋加速器主磁铁电磁力的数值模拟

本工作研究计算中国原子能科学研究院目前正在设计、建造中的100MeV强流质子回旋加速器CYCIAE-100主磁铁电磁力。计算中选用虚位移法和麦克斯韦应力张量法两种方法。在利用电磁场三维有限元分析程序计算得到紧凑型等时性回旋加速器主磁铁电磁场的基础上,先采用虚位移法估算电磁吸力,然后基于麦克斯韦应力张量法在MATLAB环境下编写数值计算程序,详细研究磁极和磁轭受到的电磁吸力。两种方法的计算结果接近。计算得到的主磁铁磁极间吸力大于磁极与盖板间吸力,二者之差由磁极和盖板间的螺栓承担。电磁力的计算结果为主磁铁结构变形计算和结构方案选取提供了依据。     

100 MeV强流质子回旋加速器的调试

〗中国原子能科学研究院研制的100 MeV强流质子回旋加速器是国际上最大的紧凑型强流质子回旋加速器,取得了多项先进束流指标。截至2018年底,该加速器完成了分系统、整机调试,开展了多项物理实验,已稳定运行2 000 h以上。本文将重点介绍100 MeV强流质子回旋加速器的调试过程以及调试中所解决的关键技术问题和调试结果。     

100 MeV Cyclotron Achieves the First Physical Experiment

正On November 17,the CIAE,together with five other partners including the China Aerospace Science and Industry Corporation,carried out the first physical experiment on the 100 MeV cyclotron,the mediumenergy proton single-event-effect experiment,bridging     

Annual Report of 100 MeV Cyclotron in 2019

<正>In 2019,the annual operating target of cyclotron was successfully completed.In the whole year,except for shut-down maintenance in August,September and early October,other time is in operation.Accumulated stable operation time is over 4 000 h.It provides users with more than 1 500 h of effective beam time.A single maximum continuous beam time is about300 h.This year saw the longest annual run of the 100 MeV cyclotron since it was built.     

新型加速器数字低电平系统射频前端设计

本文介绍了基于MicroTCA.4标准的新型宽带射频前端的设计。该射频前端可以实现300MHz~6 GHz频率范围内的下变频及50 MHz~6 GHz范围内的矢量调制上变频。同时射频前端具有可调衰减、温度监测、功率检波、IQ校准、板卡管理等功能。通过测试,板卡下变频端口间隔离度大于70d B,下变频线性区间大于35 d B,幅度误差小于0.03%,相位误差小于±0.03°;上变频载波泄露小于-45 d Bm,边带抑制大于50 d B。     

100 MeV紧凑型回旋加速器主磁铁的三维磁场有限元分析技术

100 MeV紧凑型回旋加速器主磁铁的几何结构十分复杂,但为了形成加速器束流动力学所要求的磁场分布,本文对初步设计的磁铁进行必要的简化。综合采用各种适当的三维有限元网格剖分技术,对该磁铁的磁场进行数值分析,计算精度满足加速器物理设计的要求。     

100 MeV质子回旋加速器二期辐照效应管道设计

针对中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器上的单粒子效应辐照装置进行了二期管道设计,采用八极磁铁校正法对束流进行了扩束及均匀化,最终在靶上得到了一个30 cm×30 cm、均匀性好于92%的均匀分布的束斑,满足了单粒子效应实验的需求。为降低靶站处的束流能散及中子本底,采用两级降能的方案,在偏转磁铁前放置1个降能片,将能量分为100 MeV和40 MeV两档,并分别针对这两个能量点进行方案设计,束流利用率均在42%以上。公差分析结果表明,四极磁铁对靶上束斑均匀性的影响大于八极磁铁,安装过程中应优先保证四极磁铁的安装公差。     

100 MeV强流质子回旋加速器超高真空系统研制

中国原子能科学研究院建成了一台强流质子回旋加速器,其引出能量为100 MeV,流强为200 μA。为减小粒子加速时束流损失的目的,其粒子加速腔内工作真空度要求为6.7×10^-6 Pa。由于是紧凑型加速器结构,该加速器能提供给真空系统利用的通路有限,为此主真空系统设计为内置式低温冷板结合商业低温泵的排气方案以增加系统整体的抽气能力。设计、加工完成的真空系统已成功应用于100 MeV强流质子回旋加速器上,为加速器的束流调试和正常供束提供了有利的保障。     

Diagnostics of Beam Uniformity of 100 MeV Proton Cyclotron

<正>Beam uniformity is an important parameter in the study of radiobiological effects.In present study,using 100 MeV of proton generated by cyclotron at the dose of 1Gy,the EBT3dose film and thermo luminescent CTLD-100(LiF:Mg,Ti)detectors array were irradiated,and the radiation field uniformity was diagnosed at the exper-     

Dose Measurement of Proton Beams on 100 MeV Cyclotron

<正>The 100 MeV Proton Cyclotron of China Institute of Atomic Energy is the only one that can be used in biological effects of space proton radiation in China.There has done a lot of research for biological effects of proton radiation on S3 beam line of the cyclotron.The accuracy measurement of proton dose is very important in dose-effect research.The SEEM detector and Faraday cup were usually used to diagnose theproton fluence and fluence rate,and then convert to biologically equivalent dose.However,this method ignores the effect of surrounding scattered particles,which brings trouble to the analysis of biological effect.In present study,EBT3film was used to establish a method of proton dose measurement evaluation.     

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。     

Annual Report of 100MeV Proton Cyclotron in 2018

正A 100 MeV high intensity proton cyclotron,hereinafter referred to as CYCIAE-100,developed by the China Institute of Atomic Energy(CIAE)is the largest compact high intensity proton cyclotron.According to the operation of the     

Installation and Debugging of Energy Measuring Equipment of 100 MeV Cyclotron

<正>In order to measure the energy of the 100 MeV cyclotron to actually output the proton beam,the water phantom dosimetry system(Hereinafter referred to as water tank)produced by Physikalisch-Technische Werksttten(PTW)is adopted by Cyclotron research and design center.We use the tank to measure the depth dose curve of the     

20～100 MeV紧凑型回旋加速器轴向注入系统实验台架的物理设计

建立 2 0～ 1 0 0MeV紧凑型回旋加速器轴向注入系统实验台架 ,用以进行提高回旋加速器的注入流强与效率的实验研究。在该实验台架的物理设计与元件设计中 ,主要考虑H- 束从离子源引出后传输到回旋加速器中心区的输运线元件选用、物理参数匹配计算、物理元件设计等问题。设计对象是2 2MeV和 70MeV回旋加速器的轴向注入系统 ,并将两者的布局、元件及几何尺寸、物理参数的选取统一 ,以便于实验台架的建立 ,从而形成适应性强的强流回旋加速器轴向注入系统。整个系统只需做少量调整就可满足能量为 2 0～ 1 0 0MeV的回旋加速器注入要求。     

Diagnosis of Proton Beam with Different Energy on 100MeV Cyclotron

正The uniform state of beam and the accuracy of beam measurement are important physical parameters in radiobiological research,which will directly affect the experimental results,resulting in an increase in uncertainty of dose-effect relationship between dose and radiobiological effects.In present study,using 90 MeV protons pro-     

Digital LLRF controller for SSRF booster RF system upgrade

The low level radio frequency(LLRF) system for booster accelerator at Shanghai Synchrotron Radiation Facility(SSRF) was upgraded by a digital controller based on field programmable gate array(FPGA) technology.Parameters of voltage, frequency and field flatness in the two 5-cell cavities are controlled to meet the requirements of booster. In this article, the ramping curve of cavity voltage, amplitude and phase control loop with vector sum of the two 5-cell cavities, tuning loop and field flatness loop are analyzed and discussed in detail.A different method in tuning loop is adopted due to the limitations of ADC channels. The function realizes energy ramping of electron beam from 150 Me V to 3.5 Ge V with a repetition rate of 2 Hz. With the new LLRF controller, the phase stability at ramping mode in 10 hours long operation is improved from ±1.5°(RMS) with open loop to ±0.15°(RMS) with close loop, while the detuning phase and field flatness are maintained to within ±2°and ±1%, respectively.