中国原子能科学研究院紧凑型强流质子回旋加速器的发展和应用

中国原子能科学研究院(简称原子能院)自1958年建成我国第1台回旋加速器以来,已经研发出了一系列强流回旋加速器装置,为我国核学科和核技术应用等发展发挥了极其重要的作用。原子能院在1996年建成了我国第一台专用于医用同位素生产的30 MeV/350μA强流质子回旋加速器,在2014年建成了国际上最大的紧凑型强流质子回旋加速器大科学装置(100 MeV/520μA)。在2021年,原子能院自主研发出了国内首台引出流强1 mA以上的14 MeV强流质子回旋加速器。该加速器的建成,为我国基于小型化强流质子回旋加速器的中子源应用奠定了基础。基于14 MeV强流质子回旋加速装置,先后建成了国内首台用于硼中子俘获治疗(BNCT)的治疗装置样机和用于中子成像无损检测的实验验证样机,并开展了相关实验研究。目前,原子能院正在研制用于BNCT临床等应用的18 MeV/1 mA强流质子回旋加速器,并且正在开展流强达到3~5 mA的基于H_(2)^(+)的新型强流回旋加速器的研发。原子能院的强流回旋加速器,在基于加速器中子源的BNCT和中子成像、加速器生产医用放射性同位素等应用方面将发挥重要的作用。

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。

强流负氢离子源发射度测量仪研制

在加速器技术研究中,束流发射度是反映束流品质的重要物理参数,也是加速器和束流传输线设计的重要依据。100MeV回旋加速器采用18mA强流负氢离子源来产生负氢束,为了准确测量离子源的发射度,研制了一台强流负氢离子源发射度测量仪,介绍了其基本原理、机械设计和实验结果,得到了离子源的发射度信息,为100MeV回旋加速器的设计提供了发射度参数。

中国原子能科学研究院强流回旋加速器若干先进技术研究进展

本文主要介绍了中国原子能科学研究院自2000年以来在强流回旋加速器领域的研究工作进展和到目前为止所掌握的一些强流回旋加速器的关键技术,内容涉及强流回旋加速器物理,强流负氢束的产生、调节、控制与诊断技术,先进磁工艺技术,大功率高稳定度高频技术,真空技术,回旋加速器综合试验技术等。

紧凑型回旋加速器物理问题及调束技术

介绍了紧凑型回旋加速器CYCIAE-100的特点及设计过程中重点考虑的一些物理问题,如紧凑型直边扇磁铁结构的轴向聚焦、异性高频谐振腔的设计、空间电荷效应等。研究了该加速器的调束技术,包括调束方案、诊断设备布局及径向靶测量的束流信息、物理图像。CYCIAE-100的主磁铁设计中,为降低磁铁和高频腔的加工难度而采用直边扇形磁极,为解决直边扇形磁极在大半径处的轴向聚焦力下降的问题,采用变气隙技术,从而有效提高轴向聚焦力。采用自行开发的基于PIC技术的宏离子模拟程序OPAL-CYCL进行了空间电荷效应的研究,结果表明,CYCIAE-100的极限流强为10mA。

10MeV强流回旋加速器的束流调试

10MeV强流回旋加速器在中国原子能科学研究院研制成功,并取得了先进的束流指标。它是国内自主研发的首台紧凑型强流回旋加速器,具有多项技术特点。在其建造、调试过程中解决了诸多技术问题,作为一个回旋加速器综合实验装置,它不但为在建的100MeV回旋加速器提供了设计验证手段,而且也是强流回旋加速器关键部件的综合实验平台。它的建造成功,为小型回旋加速器的国产化提供了技术保证,为推广加速器在我国核医学领域的应用创造了条件。本文将重点介绍它的调试过程、解决的关键问题及调试结果。

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520μA,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的直流流强监测器研制及实验验证

100MeV强流质子回旋加速器(CYCIAE-100)加速H-,引出质子束能量为75~100MeV、最大束流强度为200μA。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/T34127—2017,为我国核医学“一县一科”的普及发展起助推作用。

多用途高功率质子回旋加速器装置概念设计进展

在中微子CP破缺实验国际合作项目DAEδALUS中,中国原子能科学研究院参与了加速器系统的前期研发工作,提出了基于回旋加速器组合的高平均功率质子束装置方案,并开展了一台能量为800 MeV的质子回旋加速器组合装置的概念设计。本文给出了该回旋加速器的物理设计方案和束流动力学设计进展,重点阐述了制约高功率加速器流强的空间电荷效应及其引起的束流损失问题。

230MeV超导回旋加速器束流测量装置的设计研究

在230Me V超导回旋加速器调束的过程中,需要对束流的大小形状和对中情况进行测量分析,束流测量装置可以满足上述要求。本装置利用径向靶和包络靶可以测量半径150mm到850mm范围内的束流,采用了双X型圈密封结构,大大缩短了径向空间,密封性能好。直线驱动装置运动平稳可靠,靶杆带动靶头运动精度高,可为后续的束流测量装置的设计提供参考依据。

用于硼中子俘获治疗的强流质子回旋加速器中心区结构优化设计

中国原子能科学研究院目前正在研制用于硼中子俘获治疗(BNCT)的强流质子回旋加速器,该加速器设计引出能量14 MeV、质子束流强大于1 mA。相比引出流强为400μA的PET回旋加速器,BNCT强流质子回旋加速器对中心区相位接收度和轴向聚焦的要求更高。为实现mA量级的束流的加速和引出,BNCT强流质子回旋加速器采取了增加负氢束流注入能量、增大磁铁镶条孔径、使用用于增大Dee盒头部张角的阶梯状结构及调整加速间隙的入口和出口高度等一系列中心区结构优化设计,有效地提高了中心区的相位接收度,改善了轴向电聚焦。在新的离子源注入能量下通过数值计算得到实测场下的轴向电聚焦和间隙高度的关系,选取合适的间隙高度获得最佳的轴向聚焦,从而确定了mA量级束流的注入和加速的中心区结构。同时在设计中考虑空间电荷效应的影响,计算了不同流强下的束流尺寸变化。中心区结构在实测磁场下的优化设计计算结果表明,BNCT强流质子回旋加速器中心区的束流对中好于0.5 mm,相位接收度大于40°,中心区最高可接收流强3 mA。目前,新的中心区结构已进入机械加工阶段。

GeV/mA量级高功率圆形加速器中整数共振的抑制与利用

固定场交变梯度加速器(FFAG)是下一代GeV/mA量级高功率加速器的可能性方案,有潜力产生平均功率高达数个兆瓦的质子束。GeV量级等时性FFAG属于圆形加速器,目前主要面临整数共振穿越和高功率束流的高效率引出两个瓶颈问题。为了解决这两项瓶颈问题,本文提出了整数共振抑制器(IRS)的概念。IRS不仅对整数共振有显著的抑制作用,还可以利用整数共振激发可控的径向振荡,扩大引出圈间距,提高引出效率。以中国原子能科学研究院提出的等时性FFAG(CYCIAE-FFAG)方案为例,IRS不仅可有效抑制整数共振引起的束流包络增长(小于5%),还可以用作引出圈间距优化(扩大至3 cm以上)。理论分析与数值模拟表明,基于IRS的设计方案有潜力成为下一代GeV/mA量级高功率圆形加速器的解决方案。

BNCT回旋加速器磁场测量全自动控制系统研制

由于BNCT回旋加速器的磁间隙极小,为满足磁场测量要求,本文设计、研制了一套用于BNCT回旋加速器磁场自动化测量的装置。测量过程由测量臂的径向运动和角向运动来实现,径向和角向的运动均采用步进电机实现,在上位软件上实现位置上的半闭环控制,最终,通过相应的控制算法,将实际径向精度稳定在±110μm以内、实际角向精度稳定在±20″以内。同时,为了缩短测磁时间,优化了运动控制算法,编写了相关控制程序和上位机操作软件,最终解决了回旋加速器测磁过程中定位精度低、耗费时间长等问题。经过多次测磁过程的验证,该系统能够进行磁场的自动测量,并且过程中也无需人工干预,工作稳定,满足测磁精度和时间的需求。

型谱化高流强质子回旋加速器自主研发及创新应用

回旋加速器是开展核装备研制、核科学和生命科学等前沿研究,以及核技术创新应用的关键科学手段和不可或缺的研究平台.强流回旋加速器研究团队研发了高流强紧凑型回旋加速器,创建了径向调变磁场梯度强聚焦理论,研发了多束团强流束流动力学并行计算算法和软件,突破了紧凑型回旋加速器的极限能量、显著提升了空间电荷制约下的束流强度;独创了奇偶三角形单元垫补函数的等时场和非理想谐波场垫补方法,有效提高了轴向聚焦力,解决了磁铁工程难题;突破了“馈管-腔体”耦合振荡抑制、动态负载变化均衡等关键技术,实现了长期稳定运行.团队自主研制了十余台不同能量强流回旋加速器,其流强、注入和引出效率等主要性能指标处于国际同类装置前列,在中国原子能科学研究院、中国科学院国家空间科学中心、国防科技工业抗辐照应用技术创新中心、北京大学等单位的相关研究项目中做出了重要贡献,为近百个单位常年供束开展空间科学、生命科学与核科学技术的研究,应用领域广泛.

LabVIEW在束流信号控制系统的应用

1OOMeV束流诊断系统中的径向靶采用美国国家仪器(NI)公司的步进电机控制卡进行运动位置控制,双丝扫描系统采用了气动控制运动方式。这两套系统同时采用数据采集卡对径向靶和双丝扫描系统捕捉到的束流信号进行采集数据采集,得到束流分布信号。为了更好地实现对径向靶和双丝扫描系统的控制和信号采集,采用了NI公司的LabVIEW图形化软件开发环境,实现了所需的功能。

强流回旋加速器综合试验装置的研制

为了实验研究强流回旋加速器的整机设计技术、主磁铁和束流诊断等关键部件的设计与加工工艺技术,完成100MeV回旋加速器的设计验证,并为今后逐步提高流强创造试验条件,目前在中国原子能科学研究院已建成一台10MeV,430μA的强流负氢回旋加速器综合试验装置,包括负氢离子源、轴向注入系统、中心区、主磁铁与主线圈、高频谐振腔、剥离引出系统等主体设备,以及配套的高频功率源、各类高压、稳流电源、电气、诊断、控制、真空、水冷、气动、安全联锁等系统.本文报告了该装置的设计与各系统研制以及整机束流调试结果等工作.

100MeV强流质子回旋加速器轴向注入系统和中心区物理设计

100MeV强流质子回旋加速器设计的引出质子束流强为大于200μA,并计划提供脉冲束流．轴向注入系统设计有两条注入线,即1#和2#注入线．1#注入线利用负氢束的中性化以解决强流连续束流的注入,为保证达到高中性化程度,横向聚焦均采用磁元件;2#注入线的设计目的主要是提供一定流强的脉冲化束流,由于脉冲化负氢束的中性化过程难以建立,因此,横向聚焦元件均为静电元件．两条线合理的结构设计使得注入系统可方便切换运行模式．采用包含空间电荷力的光学计算程序,匹配不同中性化程度的注入束流光学特性,匹配工作的重点在于高达40°的高频相位接收度．从离子源出口到粒子加速前15圈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; 中心区高的高频接收度使设计的100MeV质子回旋加速器具有加速强流负氢束的能力．

30MeV医用回旋加速器束流输运线上旋转扫描磁铁的研制

加速器引出束流分布一般都是高斯分布,而在束流应用中需要更多的是均匀分布的束流．目前国内研究已经实现了束流的均匀分布,但事实上这些束流的均匀度不够理想．因此,重点介绍了能够使束流实现高均匀分布的旋转扫描磁铁的研制过程,在理论推敲和实践检测的基础上充分证实:通过旋转扫描磁铁的作用,束流可以在目标靶上完全实现高均匀分布．这项技术在国内实属首创,其性能已经达到国际同类磁铁的先进水平．

A 70MHz Pulsing Beam System for Protons

A test beam line for pulsed beam generation for 10 MeV central region model (CRM) of a compact cyclotron is under construction at China Institute of Atomic Energy (CIAE).A 70MHz continuous H^- beam with the energy of dosens of keV or a hundred keV will be pulsed to a pulse length of less than 10ns with the repetition rate of 1—8MHz.A 70.487MHz buncher will be used to compress the DC beam into the RF phase acceptance of±30°of the CRM cyclotron. The 2.2MHz sine waveform will be used for the chopper.A pulse with the repetition rate of 4.4MHz and pulse length less than 10ns is expected after CRM cyclotron.