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。     

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。     

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。     

Numerical Simulation of Main Magnet Electromagnetic Force and Deformation for CYCIAE-100 Project

The achievement of magnetic field plays a crucial part in the design of CYCIAE-100 cyclotron, which is assumed to satisfy various beam dynamics requirements. In the compact cyclotron, magnet deformation caused by gravity, electromagnetic force and atmospheric pressure, impacts the distribution of the field on the middle plane and the space nearby. If the deformation caused by gravity and electromagnetic force is small enough, the field change can be compensated in the field mapping and shimming phase. Otherwise,     

CYCIAE-100回旋加速器质子照相束流线控制系统的研制

为了对质子照相束流线设备进行远程监测与控制,实现束流线各子系统的安全联锁功能,研制了一套采用标准控制模型结构的分布式EPICS控制系统。该控制系统通过PLC组态实现了开关逻辑设备的安全联锁及工艺流程控制。核心控制系统采用EPICS建立了多个IOC作为控制器。针对不同CPU构架下的服务器搭建了交叉编译环境。针对数字电源设备与真空仪表设备使用StreamDevice完成设备驱动及通信协议的开发,并通过建立IOC动态数据库,实现了IOC对流设备和PLC信号的监测与控制功能。使用CSS设计OPI,实现了上位机对EPICS IOC中数据的透明访问。该束流线控制系统已成功应用于CYCIAE-100回旋加速器的质子照相物理实验中。通过长时间的运行,控制系统的可靠性、安全性得到了验证。控制系统的稳定运行,为质子照相实验的开展奠定了基础,对类似的控制系统研制具有一定的参考价值。     

CYCIAE-100回旋加速器测磁仪自动控制系统的研制

为满足100 MeV回旋加速器磁场测量要求,设计研制了一套测磁仪自动化控制装置。该装置采用周向与径向相结合的运动方式,对目标点磁场进行测量。周向运动采用开环控制,在软件上通过算法实现间接闭环控制,整个测磁过程,只需完成1次周向运动,缓解了由硬件原因带来的周向定位震荡问题。径向运动基于光栅位置反馈,由运动控制器实现自动闭环控制,该方案使角度精度达到±5″以内,径向精度达±5 μm,达到并优于理论设计要求,解决了中能回旋加速器磁场测量时间较长、精度低的难题,对100 MeV回旋加速器的束流强度及品质的提高有重要意义。     

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。     

An automatic phase-matching technique of CYCIAE-100 cyclotron

The RF system of CYCIAE-100 cyclotron has two cavities,which are driven separately by two identical 100-kW RF amplifiers.Due to the power on sequence issue of the three DDSs in the LLRF systems,each time when the system is individually switched on,the phase relationship may not satisfy the requirements of beam acceleration.Instead of adding an extra reset logic to the system,a search and validation algorithm based on the decision tree has been carried out to make sure the phase of the two cavities is correct right after applying power to the cavities,taking advantage of existing hardware resources.In the first year of operation,there are more than 20 times of scheduled shutdown of the cyclotron system.For each time when the cyclotron RF system is completely shutdown and powered on again,the operator confirmed that the phase matching of the two cavities can be done automatically within 30 s.The related work,including the optimization of the phase detector and the development and validation of the algorithm,is reported in this paper.     

CYCIAE-100的直流流强监测器研制及实验验证

100 MeV强流质子回旋加速器（CYCIAE-100）加速H^-,引出质子束能量为75~100 MeV、最大束流强度为200 μA。为对束流输运线上的质子束流强度进行无阻挡实时监测,选择了直流流强监测器（DCCT）,其在设计上考虑了空间限制、杂散磁场和外部高频干扰信号等因素对探头的影响。探头外采用了三重磁屏蔽设计,磁屏蔽外为1层黄铜的电屏蔽。采用了绝缘垫圈隔断束流输运线的直流导电性,束流输运线管壁通有冷却水以保证探头温度稳定。在绝缘垫圈处增加电容以满足探头对电容值的要求。采用高精度PLC-AI模块对DCCT的输出电压进行了读取。通过模拟束流的实验验证表明,DCCT设计合理可行,测量结果的线性度、误差等指标符合设计要求。     

小型医用回旋加速器工程化、标准化技术研究

目前,中国原子能科学研究院已研发出适用于PET的小型回旋加速器CYCIAE-14,为适应医院单独使用及即时药物配送中心的需求,本文对CYCIAE-14加速器开展了工程化、标准化研究：将离子源和注入线由安装于加速器上方改为下方,使加速器实现自屏蔽结构;主励磁线圈由原来几十路水电接头改为两路,提高可靠性;所有电源采用工程化设计,减小电源体积,实现紧凑、使用便捷、信号控制快速传输的功能;主真空统一采用冷泵,保证真空室的洁净度;所有线缆布置规范化、工程化;水路管道标准化、接头快捷、统一;生产靶采用大体积、高效率结构,实现国产化。并在上述工程化、标准化技术研究与实践的基础上,制定、颁布了国标GB/T 34127-2017,为我国核医学“一县一科”的普及发展起助推作用。     

100MeV强流质子回旋加速器主真空室辐射剂量的数值研究

中国原子能科学研究院正在设计研究的100MeV强流质子回旋加速器中真空室内的残余气体和磁场中的洛仑兹剥离将导致部分负氢离子束流损失，并在真空室内产生辐射剂量。本工作采用蒙特卡罗方法模拟计算该加速器运行时真空室外壁上沿圆周方向的辐射剂量分布，计算得出其最大值约为143Sv/h。同时，研究了在加速器停机后真空室内部的剩余辐射剂量场分布及其随时间的衰减规律。      

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。