大功率花瓣加速器X射线闪光放射治疗设备设计研究

目的:研究设计一种用于超高剂量率的闪光放射治疗(Flash-RT)设备,用于超高剂量率Flash-RT的机制研究。方法:Flash-RT设备的设计基于大功率花瓣加速器技术路线,可实现Flash-RT对超高剂量率及多照射角度的需求。从设备总体设计、主要组件及特点、束流动力学设计、移动及初步实验平台搭建等方面开展相应设计与研究。结果:设计的Flash-RT设备剂量率在距离靶点0.8 m处可达到100 Gy/s,并且容易实现多角度的放射治疗方式。结论:基于大功率花瓣加速器技术路线设计的X射线设备,可实现超高剂量率的医用Flash-RT设备机制的研究。

一种小尺寸轫致辐射转换靶设计

以减小直线感应加速器X射线光源横向尺寸为目标,开展轫致辐射转换靶的设计。对聚焦打靶过程中电子束运动轨迹进行分析,指出同一个电子束轨迹分布,既可以描述为电子束在某纵向位置处具有一定的横向展宽,也可以描述为电子束保持较小横向尺寸时的轴向分布展宽,由此提出在束腰附近放置多个小靶片实现聚焦电子束有效阻挡的小尺寸多层靶概念设计。采用EGS4程序对X射线产额进行计算,发现靶厚度在一定范围内改变时X射线产额变化较小,基于这一规律完成了小尺寸多层靶的结构设计。进一步考察了一个设计应用实例,当聚焦电子束最小包络直径3 mm、会聚角100 mrad时,对比大尺寸靶,采用小尺寸多层靶可以获得等效直径减小约50%、产额减小约10%的X射线光源。该设计方法有望在相同的电子束品质和聚焦条件下,获得横向尺寸小于电子束最小束包络直径的X射线光源,具有一定的应用价值。

X射线闪光放射治疗临床应用设备研究进展

自2014年发现超高剂量率闪光放射治疗(Flash-RT)对正常组织的保护效应以来,得到了放射治疗学科的广泛关注。超高剂量率Flash-RT的研究需求对现有的放射治疗设备提出了新的挑战。本综述从X射线Flash-RT的研究和临床应用需求出发,分析Flash-RT对设备提出的新需求,介绍目前具备X射线Flash-RT实验能力的科研设施,以及正在开发的专用Flash-RT设备的情况。Flash-RT机制的研究需要现有高能X射线源设备向大功率方向发展,而Flash-RT的临床应用要求这些瞬态大功率装置具备多角度照射、适形放射治疗等放射治疗技术。目前,我国对X射线Flash-RT装置的研究处于世界前列,有望在X射线Flash-RT领域实现高端医疗设备的率先突破。

神龙二号加速器及其关键技术

神龙二号加速器是一台以M H z 猝发率猝发工作的三脉冲直线感应电子加速器.该加速器输出的三脉冲电子束,相邻两脉冲间最小时间间隔300 n s ,而且可调,每个脉冲电子束的电子能量1 8 -20 M e V 、束流强度大于等于2 k A .当电子束与轫致辐射转换靶相互作用时,可产生三个强X 光脉冲,X 光斑点尺寸小于等于2 m m （ F W H M ）,距靶1 m 处照射量大于等于7 . 7 4 × 1 0^- 2C /k g （ 0 0 R ）.该加速器涉及的主要关键技术包括三脉冲功率源设计、三脉冲强流高品质电子束源的产生、加速场建造、束流传输线设计、轫致辐射转换靶设计、测量与诊断技术等.

12MeV直线感应电子加速器

１２ＭｅＶ直线感应电子加速器（ＬＩＡ）是经１０ＭｅＶＬＩＡ能量升级和系统改进而来，该机通过在１０ＭｅＶＬＩＡ加速末端续接四个加速组元并调整脉冲功率系统，将输出的电子束的能量升级至１２ＭｅＶ；同时，重新设计的输运磁场分布及聚焦系统更趋于合理，使经１０ＭｅＶＬＩＡ升级和改进后的１２ＭｅＶＬＩＡ，打靶电子束能量达到１２ＭｅＶ，束流约２．６ｋＡ，脉冲半高宽约８９ｎｓ，焦斑约４ｍｍ。

12MeV LIA X射线斑点测试及其调制传递函数

介绍了测试１２ＭｅＶＬＩＡＸ光斑点的测试系统，利用刀口法和大孔成像法测出所成像的黑密度分布，获得Ｘ光斑点大小结果；根据该光源的近乎轴对称特点和大孔所成像的密度分布，经数值处理拟合出斑点强度的空间分布；利用该系统。

交变极性聚焦磁场抑制Corkscrew运动的机理

分析了对强流相对论电子束采用交变极性聚焦磁场聚焦存在稳定解的条件 ,提出了采用交变极性聚焦磁场抑制 Corkscrew运动的机理。数值计算结果表明 ,在采用交变周期为 1 m、峰值磁场设为 0 .2 T的情况下 ,对于能量为 1 2 Me V的电子束 ,当聚焦布局长度为 2 .8m时 ,束质心位移可从 5mm(始端 )被抑制至近似 0 (终端 ) ;对于能量为 2 0 Me V的电子束 ,当聚焦布局长度为 4 .5m时 ,束质心位移可从 5mm(始端 )被抑制至近似 0 (终端 )。

螺线管场下强流相对论电子束焦斑尺寸的限制

分析了螺线管场下影响强流相对论电子束聚焦的主要因素 ,并给出了各影响因素所限制的最小焦斑。计算结果表明 ,当发射度和能散度的值分别控制在 0 .397mm· rad和1 %以内 ,单个螺线管磁轴的偏心不大于 0 .54mrad;初始注入束偏心不大于 1 mrad时 ,对于2 0 Me V、3k A的电子束和 1 5Me V、2 .5k A的电子束 ,最终打靶束焦斑均可小于 1 .5mm。

闪光X射线照相光源的发展

闪光X射线照相是利用加速器产生的短脉冲X射线对快速运动的致密客体进行透视照相的技术。概述了闪光X射线照相对X射线的性能要求;回顾了闪光X射线照相及其加速器的发展历程;分析了闪光X射线照相用加速器的发展方向。

利用交变极性聚焦磁场抑制束质心的Corkscrew运动

对强流相对论电子束采用交变极性聚焦磁场聚焦存在稳定解,只要电子束的能量大于一定值,且合理设置聚焦布局,可达到稳定解所要求的条件。数值计算结果表明,在采用交变周期为0.81m、峰值磁场设为0.2T的情况下,对于能量为11.2 MeV的电子束,当聚焦布局长度为2.5m时,束质心位移从5mm (始端) 被抑制至趋近于0 (终端)。实验时,采用了数值计算相近的聚焦布局,所获得的实验结果与计算结果基本一致。

场致发射阳极用钨网的寿命特性分析

通过扫描电镜分析和实验验证,分析了场致发射阳极用钨网被破坏的成因。对钨网进行淬火处理,使钨网表面形成一定厚度的氧化膜,可显著提高钨网使用寿命。不同的淬火温度,将使钨网表面形成不同厚度的氧化膜。实验结果表明,氧化膜厚度的改变,将明显影响钨网的使用寿命。当脉宽90ns、束流6kA、能量1MeV的电子束透过钨网时,钨网表面的氧化膜厚度选在0.4μm左右为宜。

利用高温超导体聚焦强流相对论电子束的研究

介绍了利用ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_(７－δ)高温超导体作为透镜聚焦强流相对论电子束，把超导透镜研制成圆锥形，两端口内径分别为 ６０ｍｍ和 ４０ｍｍ，透镜长１００ｍｍ，壁厚４ｍｍ，其陪衬样品超导特性Ｔ_ｃ≥９０Ｋ， Ｊ_ｃ≥１５０Ａ／ｃｍ~２．实验研究采用两套方案，结果表明，超导透镜具有明显的聚焦效果，并可有效控制束流强度分布，使被聚焦电子在束横截面上的强度均匀分布。

超导透镜及其聚焦行为(英文)

理论上分析了利用高温超导体作为透镜聚焦强流相对论电子束的机理。实验研究中 ,研制出的YBa2 Cu3 O7-δ高温超导体作为透镜的传输和聚焦性能得到验证。结果表明 ,超导透镜具有明显的聚焦效果 ,并可有效控制束流强度分布 ,使被聚焦电子在束横截面上的分布更为均匀。

交变极性聚焦及其效应模拟

利用交变极性聚焦磁场聚焦存在稳定解的条件,合理设置聚焦布局,可有效抑止束质心的Corkscrew运动。实验结果表明,采用交变极性聚焦场聚焦,抑制了束脉冲顶部质心横向运动的发展,同时可剔除束脉冲前后沿能散度较大的那部分束。对实验所获束质心运动结果进行了打靶效应模拟,采用交变极性聚焦场聚焦,抑制束质心横向运动的效果是显著的。

2006年直线加速器会议情况介绍

1 会议概况 2006年直线加速器会议（Linac06）于2006年8月21-25日在美国田纳西州Knoxville市召开，会议由美国能源部下属Oak Ridge实验室和Argonne实验室主办。会议期间交流论文270余篇，与会代表约300人，分别来自美国、加拿大、德国、法国、中国、俄罗斯、英国、意大利、瑞士、韩国、日本、以色列、印度等十几个国家。中国有6名代表参加，分别来自中国工程物理研究院流体物理研究所、中国科学院高能物理研究所、中国科学技术大学和北京大学。

神龙一号"直线感应加速器物理设计

介绍了"神龙一号"直线感应加速器物理设计的主要考虑。"神龙一号"加速器是一台电子直线感应加速器,由3.6MeV感应迭加型注入器、72个感应加速腔、脉冲功率系统、束流输运和聚焦系统、控制系统和真空、绝缘油、绝缘气体以及去离子水系统组成。能产生20MeV、束流大于2.5kA,脉冲宽度为60ns的强流脉冲电子束,X光焦斑均方根直径为1.5mm。

用于电子束参数测量的高速分幅相机

具有时间分辨能力的高能强流电子束束流参数测量需要高速的分幅相机,其幅间间隔时间要求达到10ns的水平,每幅曝光时间不大于5ns。针对这种难度较大的应用要求,结合快速电子技术、图像增强技术、光学分光技术等多门学科的成果,成功研制了一台可用于高能强流电子束束流参数的时间分辨测量的高速分幅相机,图像幅间间隔时间最快到达10ns,最小的曝光时间为3ns,一次可以拍摄8幅图像,图像分辨率为1376×1035,标准幅面可以达到Φ80mm,完全满足了目前的测量要求。

固态Blumlein线的初步研究

给出了用某种功能陶瓷材料作为储能介质的Blumlein型固态脉冲形成线的设计和实验结果。实验结果表明,所采用的设计方法可靠,实验获得的高压脉冲前沿<20ns,脉冲平顶波动<±1％,可以满足应用需求。

亚微秒脉冲下高梯度绝缘子的沿面闪络特性

介绍了一种由聚酰亚胺和不锈钢叠加而成的高梯度绝缘子的实验研究工作。该绝缘子样品的直径60mm,厚度8mm,在脉冲宽度120ns(FWHM)的电压脉冲加载下最高获得了接近13MV/m的绝缘强度。研究了测试方法以及绝缘层厚度与金属层厚度的比例对高梯度绝缘子绝缘强度的影响,并与相同尺寸的普通材料绝缘子的绝缘强度进行了对比。结果表明,高梯度绝缘子的绝缘强度明显高于仅由聚酰亚胺构成的普通绝缘子。

超高速高性能门控型三分幅相机

针对～10^8帧/秒或更高速度上的超高速分幅摄影，采用一种成像质量较好的基于会聚光中分光的全口径分光原理，利用具有高速快门控制功能的像增强器、冷却型科学CCD相机、基于大规模可编程集成电路的高速控制器等部件，研制成功了一种高性能的超高速三分幅相机．该分幅相机具有三幅图像的超快拍摄能力，快门速度最高可达3ns，摄影速度则达到3．3×10。帧／秒，并且在较大范围内具有单独调节的能力；图像幅间间隔同时具有任意调节的能力，从0ns到秒级；有效像面面积达到025mm，图像阵列为1024×1024；空间分辨率达到30lp／mm，同时具有较好的线性度和空间响应的均匀性，满足了超高速、大幅面的分幅摄影要求．