回旋加速器主磁铁非理想磁场垫补方法研究

回旋加速器主磁场的精密测量和误差垫补技术是回旋加速器技术研究的一个重要方向,也是设备建造的关键环节之一。由于受铁材料内部缺陷、机械加工误差等因素的影响,回旋加速器主磁铁所产生非理想磁场通常会偏离所需要的等时性磁场分布,且含有一定幅值的谐波磁场。因此,在研制回旋加速器的过程中需对非理想磁场进行多次垫补,通过修正实际磁场的分布而最终达到使用要求。与传统磁场垫补算法相比,本文提出了一种基于多元线性回归模型的垫补算法,加入对一次谐波磁场的计算,实现对磁场等时性误差与一次谐波误差同时进行定量化垫补,省去了单独针对一次谐波磁场的垫补过程。为避免增加有限元计算量,本文在新算法中使用了基于1/4磁铁模型获取平均磁场、一次谐波磁场的垫补形状函数。最后使用本文所提垫补方法,将中国原子能科学研究院16 MeV回旋加速器主磁场的等时性误差降低至10-4量级、一次谐波磁场降低至6 Gs以内。实验结果表明,本文提出的算法具有形状函数计算量小、垫补精度高、迭代次数少的特点。

中国原子能科学研究院回旋加速器束流动力学与多物理场模拟技术发展与应用

经过60年的发展,中国原子能科学研究院(CIAE)独立自主地开展了基于PIC技术的强流回旋加速器束流动力学的大规模并行计算的核心算法研究,开发了CYCPIC2D、CYCPIC3D和OPAL-CYCL等强流回旋加速器束流动力学模拟程序,搭建了专用的高性能并行化计算机群PANDA。本文以CIAE已建成及在研的不同类型的回旋加速器为例,总结了回旋加速器基本束流动力学的分析方法和主要计算结果,并介绍了CIAE在回旋加速器束流动力学与多物理场模拟技术方面的发展与应用。

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。

CIAE回旋加速器及应用综述

回旋加速器是中国原子能科学研究院(CIAE)自建院初期就开始重点发展的技术,70年来,为CIAE多学科、多应用领域取得辉煌业绩,做出了历史性的贡献。本文重点介绍CIAE已掌握、并在国际上有一定影响力的紧凑型强流加速器技术和束流动力学并行计算技术等两项关键技术,以及高温超导和高Q值谐振腔等两项目前正在攻关、决战“十四五”的前瞻性技术;总结CIAE目前回旋加速器的型谱化产品;详述回旋加速器在国家安全、健康中国、科学前沿等领域的重大应用及前景。

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。

100 MeV强流质子回旋加速器剥离靶驱动控制系统研制

100MeV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75～100MeV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2a,可靠性得到了验证。

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。

50MeV束流输运线及其电磁元件设计

中国原子能科学研究院回旋中心正在研制一套中能质子辐照装置,提供能量范围在10MeV^50MeV的质子束流, 以模拟对航天器有重要影响的空间质子辐射环境。在50MeV紧凑型回旋加速器的基础上, 设计了质子束流输运系统, 将 回旋加速器引出的质子束流,通过降能器等元器件调整到用户所需能量, 降能后的质子束经过聚焦、 偏转后传输到用户终 端。为在靶上得到均匀的大直径束斑,束流线上安装了旋转扫描磁铁, 将靶上的质子束流均匀扫开, 最终在靶上得到能量 10MeV^50MeV可调,质子流强最大10 A,尺寸20cm×20cm的束斑。

高均匀度、大束斑束流线设计

为满足放射性核素生产及科研的需求,中国原子能科学研究院设计了一台可加速H-与D-离子,双向剥离引出最高能量为70MeV的质子束或者35MeV的D束的紧凑型回旋加速器及配套束流输运系统。设计要求靶上束斑直径40mm,均匀度好于95%,靶后180mm范围内束流包络变化小于±1%以提高放射性核素的生产效率、延长靶的使用寿命。为此设计了旋转扫描磁铁,利用周期旋转的垂直于束流方向的二极场使束流在靶上进行扫描以达到均匀化。在考虑了光学匹配过程中引出区主磁铁的边缘场以及引出开关磁铁带来的色散效应的基础上研究了粒子在靶上的分布,并使束流在靶上成腰。

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500μA以上的质子束流。经调试,该束流线可传输最高流强520μA的质子束流。

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。

50 MeV负氢回旋加速器主磁铁设计研究

本文介绍了50MeV负氢回旋加速器(CYCIAE-50)的总体设计考虑和主磁铁系统的优化设计过程及结果。确定了CYCIAE-50主磁铁的主要尺寸参数,建模计算出满足等时性的主磁铁中心平面磁场。通过调整参数,优化了主磁铁的峰值磁场、局部饱和等,以控制建造及运行成本。优化了磁极张角与磁气隙高度等参数,使负氢离子满足轴向和径向的聚焦要求,避免穿越有害共振。最后对主磁铁的结构进行形变校核,并估计了形变对束流动力学的影响。设计结果表明,CYCIAE-50的主磁铁设计符合要求,可为后续其他系统的设计和建造提供重要参考。

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。

小型回旋加速器全自动化磁场测量和精密垫补平台研制

针对核医学诊疗对PET医用放射性核素的需求,中国原子能科学研究院正在开展PET医用小型回旋加速器的产业化研究。磁场测量和垫补是回旋加速器生产中的必经环节,小型回旋加速器结构紧凑实现磁场测量仪的全自动化控制是一个难点,解决常规垫补方法加工成本高和周期长的问题是产业化生产的关键。本文详细介绍小型回旋加速器全自动化磁场测量和精密垫补平台的研制,通过多台小型回旋加速器的磁场测量和垫补实践,发展一套快速磁场测量和垫补流程,实现全自动化测量方法缩短磁场测量周期,采用精密垫补算法减少垫补次数。在保证磁场测量和垫补工作高效高质量完成的条件下,极大降低了时间和加工成本,为小型回旋加速器的产业化生产打下基础。目前,中国原子能科学研究院已经完成多台小型回旋加速器的商业化落地。

基于100MeV紧凑型强流质子回旋加速器的束流切割器研制

通过理论分析和仿真模拟对中国原子能科学研究院一台100 MeV强流质子回旋加速器的束流切割器进行了优化设计,并同时研制出两套束流切割器进行实测对比,选定最佳方案。该切割器波形选择为回旋加速器高频频率的16分频2.8 MHz正弦波,具有结构紧凑体积小、螺旋谐振器Q相对较高、加载切割电压较高且功率损耗低、无需水冷等特点,同时配套研制了一套开口形状为正方形的选束狭缝装置。最后在实验终端成功获得了能量为100 MeV、重复频率为5.6 MHz的脉冲质子束。该切束器的成功研制不仅满足了核数据测量的应用需求,还极大地推动了回旋加速器束流脉冲化技术的发展。

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。

强流质子回旋加速器射频功率源级间功率稳定性研究

本文对强流质子回旋加速器射频功率源固态放大组合与电子管末级间的功率稳定性进行了研究和分析,针对实验中表现出来的不稳定现象进行了计算和仿真。结果表明,灯丝在室温和运行状态下所导致的级间电压驻波比系数(VSWR)分别为1.06和6.89;末级输入调节电容随平行板电容间距变化过于剧烈。通过阻抗匹配仿真、三维电磁场仿真及实验研究解决了由灯丝阻抗变化导致的末级输入端VSWR过大问题,并将输入调节电容的敏感度由每0.5mm改变10pF降至每5mm改变1pF。

多目标进化算法在等时性固定场交变梯度加速器物理设计中的应用研究

由于等时性固定场交变梯度加速器具有连续束、强聚焦等优点,逐渐成为研究热点。等时性固定场交变梯度加速器的物理设计问题可归结为具有多个设计目标、可调节变量与条件限制的最优化问题。多目标进化算法的发展给复杂的最优化问题提供了解决方案。将多目标进化算法应用于等时性固定场交变梯度加速器的优化中可提高设计效率。为了验证该优化方法的有效性,针对70 MeV与1 GeV等时性固定场交变梯度加速器进行了物理设计优化,并达到了预期设计目标。

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。