基于高品质因数波导型缩比例船形腔的多物理场耦合仿真研究

高能强流质子加速器有着十分广泛而重要的应用,中国原子能科学研究院提出1台2 GeV连续波固定场交变梯度质子加速器,该加速器采用44.4 MHz的大功率高品质因数、高分路阻抗的船形高频腔。为掌握船形高频腔的加工工艺,研制了频率为177.6 MHz的1∶4缩比例船形高频腔样机。本文采用固热分析和流固热分析两种热分析方法对该腔体样机进行多物理场耦合仿真计算,经比较发现,流固热分析方法计算得到的腔体温度分布较固热分析方法更符合实际物理过程,但后者对模型的处理和计算速度更快,两种方法得到的温度和频率调节范围略有差异。对于缩比例腔而言,两种热分析方法得到的结果大体一致,实际应用中稳态热分析已足够满足工程设计需求。

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回旋加速器创新与发展60年

中国原子能科学研究院(CIAE)自1958年首台回旋加速器成功出束以来,已经历了60余年的回旋加速器创新与发展,并由此带动了我国核科学技术基础研究和应用技术的发展。本文在简要回顾回旋加速器前30年发展历程的基础上,重点阐述后30年围绕紧凑型回旋加速器的科技创新和应用,主要包括100MeV强流质子回旋加速器、医用小型回旋加速器、质子治疗超导回旋加速器及高功率等时性圆型加速器等多种先进的质子加速器研发。

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。

230 MeV超导回旋加速器高频腔体的研制

中国原子能科学研究院目前正在研制一台用于质子治疗的230MeV超导回旋加速器。本文设计用于230MeV超导回旋加速器的高频腔体,其采用螺旋结构,由4个腔体组成,高频系统采用二次谐波加速,高频腔体工作频率约71.25MHz。4个半波长的电容加载型谐振腔工作于Push-Pull模式,其中两个腔体在中心平面直连,另外两个腔体在中心区下方使用过桥连接,两组腔体之间存在电容耦合,相差180°。在腔体的设计过程中,采用计算机对4腔体进行联合仿真,经优化后,腔体加速电压分布在中心区部分的为75kV,大半径部分的提升至110kV,腔体的无载品质因数仿真结果约8800。为保证腔体的高频性能,腔体主体材料采用无氧铜材料,其加工难度在于上、下外壳需分别焊接成一个整体,同时要控制其形变量。目前,腔体已完成加工,单个腔体的无载品质因数的测试表明,腔体的无载品质因数均好于7000,满足要求。

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。

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的调试

中国原子能科学研究院研制的100 MeV强流质子回旋加速器是国际上最大的紧凑型强流质子回旋加速器,取得了多项先进束流指标。截至2018年底,该加速器完成了分系统、整机调试,开展了多项物理实验,已稳定运行2 000 h以上。本文将重点介绍100 MeV强流质子回旋加速器的调试过程以及调试中所解决的关键技术问题和调试结果。

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。

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。

用于2 GeV固定场交变梯度质子加速器的高品质因数、高分路阻抗波导型高频腔设计

在核工业、民用及基础研究领域,高能强流质子加速器有着十分广泛而重要的应用,中国原子能科学研究院提出了1台2 GeV连续波固定场交变梯度质子加速器的解决方案。在该方案中,工作在44.4 MHz的大功率高品质因数、高分路阻抗波导型高频腔研制极其重要。本文首先对工作在44.4 MHz的矩形、欧米伽形、跑道形及船形等4种形状的波导型高频腔进行了模拟计算研究,经比较发现,船形高频腔具有最高的品质因数和分路阻抗,是2 GeV连续波固定场交变梯度质子加速器的较好选择。在此基础上,为掌握船形高频腔的实际加工工艺,同时利用现有230 MeV超导回旋加速器的功率源设备开展高功率实验研究,设计了71.26 MHz的缩比例船形高频腔样机。

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。

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。

用于预测带电粒子非线性行为的新型神经网络层

基于加速器高阶传输映射的非线性效应解析分析,具有物理图像清晰、守辛、准确的优点,但其缺点是适用范围较窄。为了扩展非线性效应解析分析的适用范围,提出一种模拟李指数运算过程的神经网络层并构建了用于预测带电粒子非线性行为的新型神经网络。经过大量粒子跟踪数据的学习,可用于预测带电粒子复杂的非线性运动行为,并从中提取线性传输矩阵与表征非线性运动的指数因子。为了验证该新型神经网络的有效性,跟踪一段由薄透镜磁铁组成的磁聚焦结构得到大量的训练数据,并对所提出的神经网络进行训练。训练后的神经网络在测试数据集上表现良好,测试数据的损失函数方均根小于8×10^(-4),达到了预测带电粒子非线性行为的目的。

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。

利用强流ISOL束研究^(20)Na的奇异衰变模式（英文）

北京放射性离子束装置(Beijing Radioactive Ion-beam Facility,BRIF)是基于在线同位素分离器技术的国家大科学平台。在BRIF装置上利用100 MeV的质子束轰击较厚的反应靶产生放射性核素;反应产物经离子源电离和在线分离,在线同位素分离段可引出100～300 keV的放射性核束,质量分辨率达20 000。在基金委科学仪器基础研究专项的支持下,建成了多用途的衰变实验终端,包括束流传输管道、通用靶室、带电粒子和γ探测器、集成电子学和数据获取系统等。利用100 MeV的质子束轰击MgO厚靶产生了流强高达1×105pps的^(20)Na放射性核束。通过高效率地同时测量β,γ和α,第一次直接观测到^(20)Na非常稀有的β-γ-α衰变模式。

基于100MeV质子回旋加速器与固相萃取方法制备与纯化靶向放射治疗核素锕-225

锕-225可发射4个α粒子和2个β粒子,具有较高的传能线密度和局部肿瘤损伤,因此是靶向放射性核素治疗中受到最多关注的放射性核素之一。经典的锕-225是由铀-233衰变产生,或通过^(nat)Th(p,x)^(225)Ac反应生产。但目前我国无论是^(233)U来源或^(nat)Th来源的^(225)Ac均无法供应。本研究中,我们基于国产CYCIAE-100高能强流回旋加速器实现了我国首次^(225)Ac的加速器生产,获得了超过600μCi的^(225)Ac,足够2~3个病人的靶向核素治疗。同时,设计并优化了全固相萃取的^(225)Ac纯化流程,分离出的^(225)Ac的放射性纯度在99.5%以上,该流程操作简便、高效、且可自动化,可随时用于^(225)Ac的大规模生产。综上所述,我们成功地进行了^(225)Ac的生产和分离的初步研究,为我国进一步发展^(225)Ac供应链奠定基础,为我国学者和医生进行靶向α核素治疗提供了^(225)Ac的额外选择。

Research progress in high intensity cyclotron technology

This paper briefly introduces several major application fields of high intensity proton accelerators and compares the developing status of various types of proton accelerators currently available at home and abroad. Technical parameters of typical accelerators are specified. The technical features of high intensity cyclotrons are summarized and a general introduction is given to the 3 major phases of research and development on high intensity cyclotrons at CIAE. In the end, emphasis is laid on the recent research of critical technology of high intensity cyclotrons as well as its developing progress.

某质子回旋加速器治疗装备研发调试厂房的辐射屏蔽探讨

目的探讨质子回旋加速器治疗装备研发调试厂房在不同调试阶段的辐射屏蔽优化方案。方法根据不同调试阶段的最大源项,采用经验公式估算调试厂房屏蔽体外关注点的瞬时剂量率,对调试厂房各调试阶段的屏蔽进行优化。结果回旋加速器调试阶段在墙3和墙4内分别设置1.0 m、1.0 m的移动混凝土屏蔽块,束流输运线调试阶段在墙4和墙5内分别设置1.0 m、1.25 m移动混凝土屏蔽块,模拟治疗室调试阶段在墙9外设置1.0 m、屋顶设置0.4 m的移动混凝土屏蔽块,屏蔽体外关注点的剂量率可满足相关剂量率控制限值的要求。结论移动混凝土屏蔽块的设置在满足屏蔽效果的同时也考虑了经济性及厂房空间要求,符合防护最优化原则;可作为高能粒子加速器类研发或类似科研项目辐射屏蔽优化的一种解决方案。