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。     

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。     

100MeV强流质子回旋加速器中心区轴向接收度的三种计算方法及比较

中心区的设计中束流发射度的匹配非常重要，因束流匹配将直接影响其在机器内加速过程中的损失情况及引出束流的品质。加速器中心区的聚焦与相位相关，即依赖于相位。因此，要求束流在加速器内的轴向包络最小化的初始发射度是相位的函数。计算中心区的接收度为轴向注入线和偏转板的设计提供匹配条件。对CYCIAE-100回旋加速器的中心区进行轴向接收度的计算研究，分别采用数值和半解析的方法，并对这三种方法进行比较。     

15 100MeV强流质子回旋加速器束流输运线上旋转扫描磁铁设计

加速器引出束流分布一般都是高斯分布，而在很多束流应用中都需要均匀分布的束流，为此目的设计了旋转扫描磁铁。旋转扫描磁铁形成一垂直于束流传输轴向均匀旋转磁场，在该磁场作用下，通过旋转扫描磁铁的束流也会随磁场的旋转而旋转，从而提高束流的均匀度。其旋转过程如图1所示。     

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。     

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。     

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。     

7 100MeV强流质子回旋加速器中的一次谐波研究

在回旋加速器中对应不同的能量束流具有固定的静态平衡轨道，轨道中心为机器中心。在粒子实际加速过程中，不可能严格的按照平衡轨道运动，而是围绕平衡轨道作betatron振荡。当磁场存在非理想分量时轨道中心将出现偏移，一次谐波引起的轨道偏移量为：     

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。     

100MeV回旋加速器强流负氢束轴向注入系统数值模拟研究

串列加速器升级工程中的100 MeV紧凑型回旋加速器,设计用于产生强流质子束,在这样的紧凑型机器中,高亮度离子源和高效率注入系统成为产生强流束的瓶颈问题之一。从我们的30 MeV回旋加速器的运行经验可知,ES(静电透镜和螺线管透镜)注入系统能够有效地控制注入过程中的束包络。然     

100 MeV强流回旋加速器中残留气体引起的束流损失研究

在回旋加速器加速负氢离子的过程中,由于磁场的洛伦兹力剥离以及真空条件引起的束流损失,是制约加速器最终束流强度的关键因素。束流损失除了导致引出流强降低外,在强流情况下更严重的是加速器内部放射性剂量的增加,给机器的运行维修带来困难,同时,损失的束流轰击加速器内部的某些部件,将导致机器的稳定运行问题。对回旋加速器中残留气体引起的束流损失的机理研究,在理论上解决强流负氢回旋加速器中残留气体引起的束流损失问题,从而对回旋加速器的真     

100MeV强流回旋加速器径向靶的研制

在100MeV强流回旋加速器调试过程中,需对束流在加速器内的轴向和径向参数进行测量。径向靶系统是束流诊断系统中用于获取上述参数的主要部件,本文研制了3套阻挡式径向靶系统,并安装到加速器主体,获得了束流在连续加速过程中的轴向和径向分布,为加速器运行提供了相应束流参数,并为后续加速器升级工作提供了必要的条件。     

HI-13串列加速器升级工程：1 用于放射性核束设施驱动加速器的100MeV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200LIA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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

100MeV强流回旋加速器辐射剂量场计算

在负氢回旋加速器中，残留气体和洛仑兹力会引起负氢离子的剥离损失。加速器运行时，束流损失在真空室外产生很大的辐射剂量场，其计算结果将用于决定加速器局部屏蔽、吸收体等的设计。加速器停机后，活化将导致真空室内部的剩余剂量场，其计算对于加速器真空室内部的维修及组件设计具有重要意义。     

100 MeV强流质子回旋加速器轴向注入系统设计

100MeV强流回旋加速器要求引出质子束流强达到200μA,并计划提供脉冲束流。为达到高的平均流强,并具有提供脉冲束的能力,轴向注入系统的设计有两种方案,即对应于1#和2#注入线,如图1所示。电荷力的光学计算程序TRANSOPTR,匹配不同中性化程度的注入束流光学特性。从离子源出口到螺旋型静电偏转板出口的连续匹配计算结果表明:所设计的注入系统可有效地控制束流包络,减少束流损失,将束流注入到100MeV回旋加速器的中心区;还完成了1#线上x-y导向磁铁、螺线管透镜、聚束器和四极透镜的设计。100 MeV强流质子回旋加速器轴向注入系统设计@姚红…