介质壁加速器关键技术

质子放射用于放射肿瘤治疗有良好效果,需要用到质子加速器。介质壁加速器(DWA)是一种基于固态脉冲形成线、光导开关和绝缘介质壁等关键技术为一体的新概念直线加速器,可用于质子肿瘤治疗。为此,介绍了研发新型医疗加速器的必要和介质壁加速器用于肿瘤治疗的优势:质子用于肿瘤治疗时,有明确的射程,可以使辐射剂量主要沉淀在肿瘤区域,提高治疗效果,降低对非肿瘤区正常组织的伤害;介质壁加速器加速梯度最高可达100 MV/m,可以有效实现加速器的小型化、紧凑化,降低建造以及运行维护成本。此外,重点介绍了中国工程物理研究院流体物理研究所在介质壁加速器关键技术研究所取得的进展,包括固态脉冲形成线技术,高梯度绝缘介质壁技术,光导开关及其触发技术,以及一种300 k V的脉冲功率源等。

三腔介质壁质子加速器时序优化模拟及设计

采用自主研发的三维粒子模拟软件对三腔介质壁加速器进行系统仿真,在此基础上,计算三个腔质子的渡越时间并实现腔体间的时序优化设计。外加电压峰值100kV,顶宽1ns,半高宽10ns,绝缘微堆厚度2.0cm,质子初始束能40keV,加速电极添加钨网,模拟结果显示:当电压持续6.5ns时,进入高梯度绝缘微堆的H^+通过第一腔能得到最大加速效率90.84%,相应的渡越时间为5.668ns;当第二腔电压触发落后第一腔4.5ns时,H^+通过第二腔获得最大加速效率94.77%,相应的渡越时间为3.545ns;当第三腔电压触发落后第二腔3.0ns时,H^+通过第三腔获得最大加速效率97.30%,相应的渡越时间为3.018ns;最大能量H^+渡越三个腔体的总时间为12.231ns,H^+总体加速效率94.31%;当质子束中心进入第一腔时刻落后脉冲电压触发6.5ns,且一二腔和二三腔电压触发延时分别为4.5ns和3.0ns情形下,能将2.5ns长度的质子束中的H^+实现90%以上的加速,4.0ns长度的质子束中的H^+实现80%以上的加速。

绝缘微堆质子直线加速器关键技术研究进展

基于绝缘微堆技术的直线加速器由于其能够实现较高的粒子加速梯度,尤其在质子加速及肿瘤治疗领域的优势得到高度关注。目前该种加速器处于研发阶段,有一系列技术和工程问题有待解决。介绍了课题组在过去的两年里围绕建立一台1 MeV质子注入器原型样机在固态脉冲功率系统、绝缘微堆及质子束源等方面取得的研究进展。实现了耐压梯度接近20 MV/m的环形绝缘微堆样品,样品内径30 mm,外径50mm,厚度15mm,基本达到设计要求;固态脉冲功率系统实现了光导开关多路稳定工作模式,开关直流偏置耐压达到20kV,采用激光二极管触发同步系统在15路同步时实现了低于1ns的抖动,输出300kV的电压脉冲,输出电压脉冲宽度10ns;进行了低能质子加速束流动力学的初步分析和模拟工作,模拟结果表明采用微堆结构可以实现质子束的有效加速和传输。

1 MeV介质壁质子直线加速器数值模拟优化

采用自主开发的电磁粒子模拟软件对中国工程物理研究院研制的1 Me V介质壁质子加速器进行数值仿真,并对影响介质壁加速器的主要参数进行了系统分析,得到了可靠的优化方案。模拟结果显示:保持加速梯度20MV/m的情况下,HGI越厚,得到的束流能量峰值越高,束流值越大,需综合考虑加速器尺寸和所需的束流和束能,以选取合适的HGI厚度;峰值电流随加速梯度的减小而增大,即在特定要求,可以通过损失部分加速梯度得到更大的输出电流;输出束流峰值随输入电流大小线性增长,且输入束流每增加3 m A,对应输出峰值增加0.12 A,增长比率为1:40;输出束流峰值随输入束流半径的增加而减少,随法兰内半径的增大而增加;随着延时间距的增大,束流先增大后减小,最佳延时为21,21.5,21.7 ns,且电流值为不考虑延时的1.73倍。