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。

基于14MeV回旋加速器同位素^(18)F生产的液体靶系统研制

因放射性核素^(18)F标记的氨基酸在脑肿瘤显像方面显示出独特的优势,本课题组通过14 MeV回旋加速器,以铌为靶体材料,利用^(18)O(p,n)^(18)F反应,生产^(18)F同位素,研制液体靶系统。为解决以氦气冷却的液体靶系统结构复杂的问题,本研究以直接水冷作为液体靶系统冷却方式,详细探究液体靶每个部件的结构设计及关键部件材料选择,并对其输运系统和控制系统进行稳定性测试。结果表明,在20μA的束流强度照射下,照射时间为2 h的产额为1.5 Ci。目前已经在北京大学进行实验研究,该系统具有良好的稳定性、重复性。

加速器生产重要医用放射性同位素及应用概况

随着核科学技术的快速发展,医用放射性同位素在核医学中发挥着越来越重要的作用,被广泛应用于心脑血管、肿瘤等疾病的诊断和治疗。利用加速器生产医用放射性同位素,具有灵活高效、系统安全、活度高等优势,是确保医用放射性同位素安全、稳定供应的重要生产方式之一。2021年,国家八部门联合发布《医用同位素中长期发展规划(2021-2035)》,明确了我国到2035年前需要重点发展的重要医用同位素有14种,其中9种同位素均可以由加速器生产。本文主要介绍了规划中列出的9种重要医用同位素的加速器生产和应用概况。规划中加速器生产的显像核素主要有^(123)I、^(124)I、^(64)Cu、^(68)Ga、^(89)Zr,治疗核素有^(186)Re、^(103)Pd、^(225)Ac、^(223)Ra。其中,^(225)Ac、^(68)Ge、^(223)Ra是中高能加速器进行同位素生产的重点,也是加速器生产放射性同位素主要的发展趋势。本研究分别对上述诊断和治疗核素的核性质、用途、反应截面及产额、生产方式等进行综述,以期为相关核素生产提供参考。

基于100 MeV强流质子回旋加速器生产放射性同位素的束流筛选装置

在进行放射性同位素生产实验时,有时需要100 MeV强流质子回旋加速器引出单圈束流来满足实验要求。目前100 MeV强流质子回旋加速器束流引出时存在严重圈重叠问题,因此需要设计一款束流筛选装置对引出束流品质进行改善以满足实验要求。该束流筛选装置具有基于100 MeV强流质子回旋加速器的框架结构与狭缝运动系统,以及基于PLC设计的控制系统控制步进电机并利用电子尺和按偏差的比例P、积分I和积分D(PID)控制的算法实现闭环控制。经过多次运行调试,机械装置的运动精度在±0.2 mm,且在加速器运行过程中可以实现对束流的筛选。

基于有限元的盘扣支架稳定性及影响因素研究

随着桥梁等大基建的发展,大临结构盘扣支架稳定性的分析越来越重要。依托工程背景为某现浇桥梁支架,通过对不同设计参数的变化,分析对盘扣支架承载性能的影响。基于数值模拟分析软件研究该盘扣支架的应力、变形、承载极限等变化。重点对立杆间距和立杆高度两种设计参数对盘扣支架的承载性能影响开展研究。结果表明:随着立杆间距、立杆高度的增大,支架承载性能逐渐降低;立杆间距为0.6 m时,支架的承载能力最强;在强风地带搭设支架时建议增设连墙杆件或者缩小立杆间距来增强支架稳定性。在实际工程中,若搭设高模板支架,可以通过增设斜杆或者连墙杆件增强支架的稳定性。高度大于16 m小于24 m支架顶层满布斜杆,大于24 m支架整体满布斜杆设置。

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200μA。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。

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。

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。

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。

100 MeV强流质子回旋加速器主真空室结构设计

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200~500μA。为了减小粒子加速时束流损失并满足加速器粒子对真空的要求,文中设计了一个内径为4040 mm、高度为1270 mm的主真空室来保证加速器的真空。介绍了主真空室结构设计的难点,并对应力分析情况、放射性防护方面设计进行了介绍。

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。

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。

锕在肿瘤治疗中的现状与展望

目前靶向放射性核素治疗已经成为一种治疗肿瘤的新方法。α粒子具有射线能量高、射程短、可引起DNA不可修复的断裂等优点从而受到广泛关注。其中,锕的同位素^(225)Ac因其半衰期长、毒性更强等优势被认为是最有潜力的核素之一。该文就^(225)Ac在研发及肿瘤治疗领域的发展进行综述。

230MeV超导回旋加速器磁场调节棒驱动系统研制

在230 MeV超导回旋加速器中,磁场调节棒及其驱动系统是束流调试的重要辅助装置。为满足束流对中和束流引出所需的磁场,设计并研制了16套磁场调节棒及其驱动装置。机械执行机构采用美国Thomson公司的精密直线执行器,其重复定位精度为±0.01 mm,位置传感器采用德国Novotechnik公司的直线位移电子尺,其重复精度为0.002 mm。此外,运动控制采用PLC加直线位移传感器负反馈闭环的方案。在实际工况下,系统定位精度达到0.05 mm,重复精度达到±0.02 mm,优于设计要求。此外,对该系统进行了静电放电测试、电快速瞬变脉冲群测试和浪涌抗扰度测试,结果满足医用电气设备电磁兼容标准YY 0505-2012/IEC 60601-1-2:2004的要求。该驱动系统的研制,克服了在强电离辐射、高磁场强度、狭小安装空间的特殊环境中达到高定位精度和高重复精度的难点,对优化束流的径向进动、减小加速区域的相干振荡振幅、提高引出区的束流引出效率等具有重要意义。

锦氨中字孔经编空调面料染整工艺实践

锦氨弹力织物在染整过程中容易产生擦伤、白斑、色花、耐皂洗色牢度较差等诸多染整问题。文中具体介绍锦氨中字孔经编空调面料染整生产工艺实践,分析锦氨织物常见染整问题的成因。结果表明,锦氨中字孔经编空调面料无擦伤、折痕、色花、白斑、助剂斑等质量问题;符合订单色牢度要求,满足客户的高品质需要。

锦纶与黏胶罗马布一浴法染色研究

探讨了锦纶与黏胶罗马布由传统的两浴法染色改为一浴法染色,阐述了染色工艺流程及方法,指出新工艺省去了染黏胶后排液及清洗工序,减少染整生产工艺时间,提高设备利用率及工人生产效率,降低污水排放量,对生态环境起到保护作用,具有良好的经济效益和社会效益。同时,解决织物色牢度差、织物折痕擦伤等质量问题。

阳涤复合丝高弹双色起绒面料短流程一浴染色

传统双色面料生产过程中存在染整工序长、染色时间长、手感容易变硬、回弹性不好、易出现色差、染色牢度不好等问题,文中针对阳涤复合丝高弹双色起绒面料提出了短流程一浴法染色工艺,介绍了短流程一浴法染色工艺流程和条件,通过化验室打样,对比传统多浴染整工艺与短流程一浴法染色工艺效果,探讨短流程一浴法染色工艺的可行性,并进行生产实践。结果表明,短流程一浴法染色工艺处理后织物的色差、耐皂洗色牢度、耐汗渍色牢度、拼白浮色牢度全部达到4级以上,织物回弹性及手感良好,且生产工艺流程短、具有节能减排的作用。

多功能涤氨竹炭提花面料拼白一浴法染整工艺

文中通过对涤氨竹炭提花面料进行一浴法去油染色、防紫外线及吸湿快干整理,制备了具有防紫外线、亲水功能的涤氨竹炭提花面料。测试了织物的防紫外线性能、吸湿快干性能、耐皂洗色牢度、耐摩擦色牢度及拼白沾色牢度,并进行生产实践。结果表明,所开发的多功能涤氨竹炭提花面料的UPF值大于50,且具有良好的吸湿快干性能,耐皂洗色牢度、耐摩擦色牢度、拼白沾色牢度等达到4级以上。

进化论影响下的维多利亚儿童文学书写析论

达尔文的进化论不仅消解了上帝的全能性,还打破了人类中心主义思想,给笃信基督的英国人带来身份焦虑和认同危机。这种影响甚至延伸到了文学领域。除了像哈代那样的现实主义作家以小说的形式讨论社会达尔文主义以外,金斯利、卡罗尔和吉卜林等维多利亚儿童文学作家也纷纷向进化论发起对话,他们试图借由儿童文学的幻想本质以及儿童跟动物的接近性回应困扰英国人因进化论而起的诸多焦虑和困惑。3位作家皆呼应了达尔文的学说,并认为解剖学和形态学,甚至语言都无法将人和动物进行区分,唯有道德、情感、想象力和创造力才使人进化为人,而一旦丧失德性,人类就会经受进化的逆转。唯有兼具动物的身体动力和人性,人类才能规避进化抛物线的下行曲线。

中高能回旋加速器及固体靶生产医用放射性核素技术研究

该文分析临床诊疗核素的国内外需求和发展趋势,介绍基于固体靶批量生产医用放射性核素所需的中高能回旋加速器和配套生产设施与工艺技术。重点介绍中高能回旋加速器、束流传输线、高功率辐照靶站、新型医用核素生产工艺等,阐述多年来我国部分医疗机构、科研院所所开展的研究与开发工作,并展望"十四五"期间我国医用核素有望得到发展的一些新方向。