中国散裂中子源加速器注入束流损失调节研究

注入系统是中国散裂中子源（CSNS）加速器的核心组成部分,对束流功率提升和稳定供束运行具有重要意义。注入束流损失是快循环同步加速器（RCS）能否在高功率下运行的决定因素之一。本文首先研究CSNS加速器注入束流损失的主要来源,包括注入参数不匹配、注入方式选择、剥离膜散射粒子损失、未被剥离的粒子损失等。其次,根据加速器的束流调节进程,对不同来源的束流损失进行调节和优化,降低注入束流损失,提高注入效率。最后,总结注入束流损失调节结果,初步测量得到注入效率约99%,并对进一步降低注入束流损失、提高注入效率提出改进方法和意见。     

CSNS/RCS中主要阻抗元件的仿真计算研究

中国散裂中子源（CSNS）快循环同步加速器（RCS）是强流质子加速器,对环中真空元件的阻抗研究是判断束流能否稳定运行的重要依据。通过正确估算环中元件阻抗,可及时对元件的阻抗进行有效控制和防止束流不稳定性发生,从而减小束流损失。本文利用CST电磁场仿真软件给出了RCS环中高频腔及准直器的耦合阻抗,并探讨了bus-bar结构对高频腔本身及束流稳定的影响,发现需重新设计bus-bar结构使腔固有频率大于10 MHz才能彻底解决因共振可能引起的丢束。此外,计算表明,主准直器屏蔽有利于减小耦合阻抗及损失功率,在安装代价较小的情况下需对主准直器进行屏蔽。     

重离子同步加速器中剥离累积时碳膜对束流的影响研究

治癌专用重离子加速器HITFiL中同步加速器的注入系统采用了剥离注入方式。剥离膜的存在使束流克服了刘维定理的限制从而累积达到较高流强,但粒子多次穿越剥离膜也会造成束流损失并使得束流品质变坏,其中包括:1)粒子从膜原子中俘获电子使粒子电荷态发生改变而导致束流损失;2)剥离膜对束流的多重库仑散射导致束流发射度增长;3)束流在剥离膜中的能损及能量岐离导致束流中心动量减少并使得动量分散增长。本文通过研究剥离注入过程中粒子与物质的相互作用规律,用蒙特卡罗方法建立了剥离膜与粒子的作用模型,在对ACCSIM程序改进的基础上研究了剥离膜对束流的影响。     

100 MeV回旋加速器不同初始相宽下引出束流纵向特性的数值模拟

正中国原子能科学研究院研制成功的100 MeV紧凑型强流质子回旋加速器(CYCIAE-100),通过剥离引出的方式引出75～100 MeV、200μA的质子束。该加速器2014年首次出束,2017年实现双向同时引出。为了分析引出质子束流特征和控制强流下的束流损失,利用多粒子模拟程序COMA对CYCIAE-100的加速和剥离引出过程进行了详细的模拟研究。本工作主要是对初始束流相宽为40°、30°、20°、5°等4种不同初始相宽下的加速的束流引出特性进行了模拟。模拟结果表明,初始相     

CSNS/LRBT优化设计及空间电荷效应影响研究

中国散裂中子源（CSNS）直线加速器至快循环同步加速器（RCS）的束流输运线（LRBT）传输80 MeV H^-束流至RCS注入点,由于较小的束流发射度和较高的峰值流强,空间电荷效应在LRBT中的影响非常显著,是引起LRBT中发射度增长和束流损失的主要因素,也是LRBT优化设计中的重要问题。文章利用TRACE 3-D程序进行带有空间电荷效应的twiss参量和消色散匹配,比较研究LRBT不同聚焦结构和不同初始束流分布条件下发射度的增长情况。对于采用Triplet结构作为标准单元的结构,研究发现,通过优化LRBT前端匹配段能有效控制发射度的增长。多粒子模拟跟踪结果表明,峰值流强为15 mA时,现有物理孔径下基本无束流损失发生。对LRBT上散束器的参数和位置进行了优化设计,可减少动量散度和中心能量抖动,优化RCS注入束流参数。     

100 MeV回旋加速器束流剥离引出的COMA模拟

利用多粒子跟踪程序COMA，来模拟CYCIAE-100的剥离引出过程，并验证由引出剥离程序所定出的剥离点，同时分析研究经剥离膜剥离后的束流参数。     

壁电流探测器在中国散裂中子源快循环同步加速器调束中的应用

快循环同步加速器（RCS）是中国散裂中子源（CSNS）的重要组成部分。负氢粒子束经直线加速器加速至80 MeV,剥离成质子束注入至RCS环并加速累积至1.6 GeV引出打靶。束流通过安装在RCS环的壁电流探测器（WCM）感应得到束流的强度信息,环高频与环主二极磁铁的失配会导致束流的实际振荡偏离理论预测。本文通过对WCM的数据进行分析得到了纵向工作点、束流的实际振荡频率、束团的电荷量、束团的形状变化等信息,方便了加速器的调束,并对参数测量中的测量误差进行了分析。     

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。     

CYCIAE-100剥离效率的研究

CYCIAE-100是一台紧凑式回旋加速器，加速负氢粒子束，通过剥离引出方式来引出质子束流。H^-经过碳剥离膜剥离掉两个电子后转化为质子，质子的产额由电子的损失截面来决定，而电子的损失截面紧紧依赖于能量。H^-能量越高，电子损失截面就越小。因此，在同样的剥离效率下，能量越高，所需碳膜就越厚。     

碳剥离膜的厚度对电荷态分布的影响

在SSC加速器的前束流输运线上探索碳剥离膜的厚度对被剥离后束流电荷态分布的影响,是本实验的目的。因为作为SSC的注入器,我们回旋加速器束流的引出能量较高,因此碳剥离膜的平衡厚度要求大大超过一般用在串列静电加速器头部所使用的碳膜厚度,有人曾用公式x(μg/cm~2)=5.9285+22.386w-1.1292w~2来估计碳膜的平衡厚度与能量之间的关系,误差范围为100％。式中,w以MeV/A为单位。为了研究碳剥离膜的厚度对束流电荷分布的影响我们进行了如下实验。     

Enhanced beam quality for proton microprobes using ultrathin stripper foils in tandem accelerators

Ultrathin carbon foils (0.5 μ/cm².+) have been used as stripper foils in a tandem accelerator. The spread in the ion beam caused by scattering in ultrathin foils has been compared with the spread due to thicker carbon foils and a gas stripper. A proton beam was used at a terminal voltage of 1.3 MV. The results show a significantly smaller beam spread due to the thinnest foils, even compared with the gas stripping. The smaller beam spread and the more stable terminal voltage compared with gas stripping make the ultrathin carbon foil strippers preferable, especially for proton microprobe applications.     

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。     

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。     

Stripping Extraction Simulation With COMA for CYCIAE-100

With multi-particle tracking code COMA, the process of stripping extraction for CYCIAE-100 is simulated and the position of stripping foil, which is got from the code CYCTR, is tested by COMA. Beam dynamics are studied in detail and the beam parameters after stripping are analyzed.     

U形靶框-双层结构碳剥离膜制备

本研究涉及用于兰州重离子加速器冷却储存环上的碳剥离膜的制备方法。该剥离膜采用特殊的U形靶框和双层结构，使膜的强度大为加强，以提高高真空条件下剥离膜使用寿命。采用碳弧法制备的剥离膜的有效面积较大，为10cm²，质量厚度约为150μg/cm²。碳剥离膜的X衍射谱测试结果表明，膜上的碳以非晶体石墨形式存在。     

Effect of Incident Energy and Foil Thickness on Foil Stripping and Scattering Efficiency in Charge Exchange Analyzer Detector

Compact neutral particle analyzer (CNPA) is used to measure ion temperature in tokamaks. Calculating of stripping efficiency and scattering efficiency are most important parameters affecting on CNPA performance. We studied the dependent of these parameters with the thickness of carbon foil and incident energy of neutral hydrogen atoms. In low carbon foil thickness variation of the carbon foil stripping efficiency (η_i) and scattering efficiency of the ions (η_sc) with incident energy is very salient. For foil thickness between 200 and 600 angestrom, scattering efficiency of the chamber will be smaller than 0.11.     

Monte-Carlo study of induced radioactivity in probe for low-energy proton beam

Induced radionuclides generated from the probe which is bombarded by proton beam will turn the detector into a typical external irradiation radiation source. Thus, it is beneficial for developing radiation protection to calculate the types and the activities of radionuclides. Here we applied both a theoretical analysis and a Monte-Carlo method to compute the induced radioactivity in a copper probe irradiated by proton beam. Various kinds of radionuclides saturation activity obtained by these two different methods were compared. The comparisons of the results cast by the two methods show the similar saturation activities for ⁶³Zn and ⁶⁵Zn. However, the Monte-Carlo method conducted by the software FLUKA is able to provide a more complete consideration on nuclear reaction, and to calculate both the direct and indirect radioactivity under different irradiation time. Furthermore, by employing the FLUKA Monte-Carlo program, the induced radioactivity of three types of probe materials (Cu, Ta and W) under low-energy (below 20 MeV) proton beam irradiated were also separately simulated and tantalum is considered as the best material for low-energy proton interceptive diagnostics probe due to the higher energy threshold of nuclear reaction and the lower radioactivity.     

300MeV/A H_2~+可变能量超导回旋加速器束流引出物理设计研究

针对单粒子效应测试对质子束能量的要求,中国原子能科学研究院设计了一台300 MeV/A H_2~+超导回旋加速器,该加速器使用超导线圈实现主磁铁小型化,剥离引出H_2~+离子获得可变能量的质子束。通过调节剥离点位置和分析剥离后质子的轨迹与束流包络,对该加速器引出过程的束流动力学进行了研究,完成了引出过程的物理设计。结果表明,此台加速器可在205~240 MeV、265~300 MeV内连续变能量引出质子,在更低能量范围内有单能量点引出质子的能力。     

上海质子治疗装置慢引出RFKO研究

分析了医用质子加速器慢引出RFKO方法的基本原理,解析了RFKO方法的振幅增长机制;分析了使束流幅度达到一定均匀性的幅度调制(AM)函数模型,导出不同RFKO踢角和引出束流的关系以及为使束流均匀引出,踢角随时间变化的关系。运用软件WinAGILE模拟初始粒子动量分布与引出束流分布的关系,tune值偏差及共振驱动六极磁铁与引出束流的关系。