17 热应变引起CYCIAE-100回旋加速器磁场变化的初步计算

在紧凑型强流回旋加速器长时间运行过程中，由于需给位于真空室内部的高频谐振腔馈入高的高频功率，其中部分高频功率用于加速束流，部分由冷却水带走，但仍由于高频泄漏、冷却效率等原因，会导致磁极温度的慢漂移，在1994年建成的30MeV回旋加速器的运行过程中已注意到这样的效应，磁铁温度的变化大约为25℃。磁极温度的慢漂移所产生的热应力，使磁极热膨胀，磁极间隙变小，磁场发生变化，所以需定量研究温升变化对磁场的影响。     

100 MeV回旋加速器的磁铁设计和建造准备

由于高频谐振腔、对中线圈和束流诊断装置的安装需要,要求磁极的间隙增加约1cm,显然在中心区和加速区的磁场分布都将改变,因此,为满足加速器的束流动力学的需要,必须在改变励磁安匝数的同时,重新设计磁极的间隙、镶条、芯柱等磁铁参数。在2005年,除了设计确定磁铁的几何参数、磁场分布外,许多工程方面的工作得到了推进,其中包括机械结构设计和建造的前期准备工作。1磁铁的基本几何结构和磁场分布100MeV回旋加速器的主磁铁为紧凑型磁铁、有四个直边扇形磁极,主磁铁的直径为6.16m,高2.31m,磁极的半径为2.0m,主磁铁的主要尺寸见参考文献[1],二…     

14 MeV医用小型回旋加速器磁场测量

<正>为满足恶性肿瘤、心脑血管等医疗行业重大疾病早期诊断的需求,回旋加速器研究设计中心正研制一台用于硼中子治疗(BNCT)的14 MeV医用回旋加速器。加速器主磁铁采用紧凑型结构,选择4叶片直边扇形磁极,引出束流强度为1mA,针对BNCT医用小型回旋加速器结构特点,采用一套全自动化的磁场测量系统对其进行磁场测量与垫补。     

100 MeV回旋加速器中心区实验台架主磁铁的测磁仪和磁场测量与垫补

100MeV回旋加速器中心区实验台架是用于加速负氢离子的紧凑型回旋加速器装置，它的中心平面磁场分布范围跨度较大，要求作为检测磁场分布和磁场垫补惟一手段的磁场测量应具有很高的精度、稳定性和重复性。     

CYCIAE-100中心平面的Br对束流发射度的影响计算

在回旋加速器中，如果磁极的镜像对称被破坏，将在加速器的中心平面上产生一水平分量的场Br，在粒子相应轴向共振的作用下，这样的场将使中心粒子的运动偏离中心平面，进而使束流发射度发生变化。在回旋加速器中粒子由于径向磁场作用偏离中心平面运动的方程可表示为：     

紧凑型回旋加速器中一种等时性磁场垫补算法

结合中国原子能科学研究院100 MeV回旋加速器中心区实验台架主磁铁镶条的垫补,发展了一种改进的多元线性回归磁场垫补算法.基于磁场测量系统实测的实验台架中心平面上的磁场分布以及有限元软件模拟数值计算的磁场,实现了这种改进的多元线性回归磁场垫补算法.该算法可适用于紧凑型回旋加速器中等时性磁场的垫补,以使所垫补的磁场满足回旋加速器束流动力学设计的要求.     

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。     

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。     

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。     

2 100MeV回旋加速器的磁铁设计和建造准备

由于高频谐振腔、对中线圈和束流诊断装置的安装需要，要求磁极的间隙增加约1cm，显然在中心区和加速区的磁场分布都将改变，因此，为满足加速器的束流动力学的需要，必须在改变励磁安匝数的同时，重新设计磁极的间隙、镶条、芯柱等磁铁参数。在2005年，除了设计确定磁铁的几何参数、磁场分布外，许多工程方面的工作得到了推进，其中包括机械结构设计和建造的前期准备工作。     

CYCIAE-50轴向注入系统和中心区研究

<正>中国原子能科学研究院正为中国科学院空间科学与应用研究中心建造一台50 MeV紧凑型回旋加速器CYCIAE-50。CYCIAE-50通过螺旋偏转板轴向注入30keV的负氢离子束,剥离引出可得到能量30～50 MeV、流强10μA的质子束。CYCIAE-50主磁铁采用直边扇结构,包括4对磁极,中心区磁场为0.9T。加速模式为四次谐波加     

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。     

70MHz异形回旋加速器高频腔体的设计计算

在某些紧凑型的回旋加速器设计中,由于空间的限制等因素,对谐振腔的设计提出了更高的要求。本工作研究具有普遍意义的70 MHz异形回旋加速器高频腔体设计方法,对强流回旋加速器中心区模型和100 MeV回旋加速器的腔体设计有直接的参考价值。     

基于台阶垫补的磁场优化算法研究

在回旋加速器磁铁设计过程中,磁场优化是非常重要的一个环节。由于加速器磁铁的磁场响应随着磁极台阶高度变化呈现非线性的特点,使得在优化复杂的磁场时,计算过程复杂、时间成本高且需要手动迭代。以1台圆形轴对称磁铁垫补为例,发展了磁场优化算法。利用三维电磁场仿真软件CST和数据分析软件MATLAB,研究了单个台阶垫补块对中心平面上不同半径处磁场幅值的影响,实现了一种自动优化磁场的算法,并以磁场降落指数为0.2的磁场为优化模拟实例,最终求得了对应的磁极台阶高度,证明了本算法的可行性和便捷性。     

小回旋加速器中磁场一,二,三次谐波影响的研究

研究了小回旋加速器中磁场一、二、三次谐波对粒子运动的影响，由此得出其所能允许的最大幅值，为磁场的垫补提供理论依据。     

18 CYCIAE-100回旋加速器主磁铁电磁力和形变的数值模拟

在CYCIAE-100回旋加速器的整体设计中，满足各种束流动力学要求的磁场分布的实现是最为关键的环节之一。在紧凑型回旋加速器中，磁铁的形变将严重影响中心平面及其附近的磁场分布。导致磁铁变形的主要因素有磁铁自身的重力、电磁力和外界的大气压力。其中对于重力和电磁力引起的磁铁形变，如果变形足够小，可留待磁场测量和垫补阶段处理；如果变形较大，则需在设计阶段对气隙的结构尺寸加以补偿。而对于大气压力引起的磁铁变形，由于磁场测量是在非真空条件下进行，因此需详细分析这样的变形对磁场的影响，为大气下测磁数据的真空校正处理提供依据。总之，主磁铁的结构力学研究对于CYCIAE-100最终磁场达到高的精度有重要意义。     

CYCIAE-100紧凑型回旋加速器低温板排气系统理论和实验研究

根据CYCIAE-100紧凑型回旋加速器的结构特点,设计了一套大抽速低温板排气系统,插入到CYCIAE-100紧凑型回旋加速器主磁铁谷区中,该套排气系统将使CYCIAE-100紧凑型回旋加速器加速腔内真空度好于5×10^-6 Pa。目前该套低温板排气系统已设计完成,用Monte-Carlo方法对其进行了优化,并进行了加工、安装和初步调试,调试时低温冷板上温度达19 K,CYCIAE-100紧凑型回旋加速器加速腔内真空度达到8×10^-6 Pa。     

中国原子能科学研究院回旋加速器创新与发展60年

中国原子能科学研究院(CIAE)自1958年首台回旋加速器成功出束以来,已经历了60余年的回旋加速器创新与发展,并由此带动了我国核科学技术基础研究和应用技术的发展。本文在简要回顾回旋加速器前30年发展历程的基础上,重点阐述后30年围绕紧凑型回旋加速器的科技创新和应用,主要包括100 MeV强流质子回旋加速器、医用小型回旋加速器、质子治疗超导回旋加速器及高功率等时性圆型加速器等多种先进的质子加速器研发。     

19 100MeV紧凑型回旋加速器主磁铁的磁场测量系统方案设计

紧凑型的回旋加速器的磁场分布范围跨度较大，且对磁场测量的精度要求较高，磁场的测量误差直接影响到后续主磁铁的镶条垫补。磁场测量系统主要用于主磁铁中心平面上磁场分布的测量，对主磁场的测量精度及测量点相对位置精度要求极高，磁场偏离理想场的微小误差对粒子束流的运动有相当大的影响。磁场测量点的选取采用极坐标，最后给出磁场值的极坐标点分布结果。     

中国原子能科学研究院回旋加速器创新与发展60年

中国原子能科学研究院（CIAE）自1958年首台回旋加速器成功出束以来,已经历了60余年的回旋加速器创新与发展,并由此带动了我国核科学技术基础研究和应用技术的发展。本文在简要回顾回旋加速器前30年发展历程的基础上,重点阐述后30年围绕紧凑型回旋加速器的科技创新和应用,主要包括100 MeV强流质子回旋加速器、医用小型回旋加速器、质子治疗超导回旋加速器及高功率等时性圆型加速器等多种先进的质子加速器研发。