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520 μA,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。     

中国散裂中子源强流质子加速器设计、研制及调试运行

中国散裂中子源（CSNS）是基于强流质子加速器的大科学装置,通过高功率质子束流轰击重金属靶产生高通量中子用于开展中子散射研究,CSNS是世界上第四台、发展中国家第一台脉冲型散裂中子源。CSNS包括高功率强流质子加速器、中子靶站和中子谱仪以及相应的配套设施等。加速器由80 MeV负氢直线加速器、1.6 GeV快循环同步加速器及相应的束流输运线组成。CSNS加速器是我国第一台中高能强流高功率质子加速器,本文将介绍CSNS加速器的设计、关键技术、设备研制以及束流调试过程和其中关键问题。     

BPL 750 keV束流输运线上四极磁铁的设计

一、引言自从北京质子直线加速器的10 MeV段1982年底出束以来,于1985年已将其能量扩展到35 MeV,脉冲流强达到70 mA,作为从高压倍加器至质子直线加速器之间的750 keV束流输运线,经历了10 MeV和35 MeV两个阶段的调试和运行。它有效地将质子束流从高压倍加器输运到直线加速器,传输效率达到设计指标。本文介绍安装在这一束流输运线上的四极磁铁的设计、磁场测量结果及实际运行情况。     

100 MeV中心区试验台架中5kW法拉第筒的研制

法拉第筒是加速器束流诊断系统中的重要诊断装置，采用拦截法测量束流，可用来精确监测束流流强，是最常用的束流流强诊断装置。100MeV中心区试验台架束流的最高引出能量为10MeV，设计最大引出束流流强为500μA，因此，需功率为5kW的法拉第筒进行束流拦截和监测。     

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200 μA。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。     

13 100MeV回旋加速器剥离引出系统研制

100MeV回旋加速器加速H^-离子，要求引出束流能量为75～100MeV、束流强度为200μA的质子束流，因此决定采用剥离引出。本工作依据100MeV主磁场数据和平衡轨道数据，通过理论研究，计算100MeV回旋加速器不同能量束流引出剥离点的位置；着重计算分析70～100MeV能量的束流剥离引出的光学特性；通过理论计算确定剥离膜各项参数；完成剥离靶及其伺服驱动装置的设计；对真空系统、控制系统等相关专业提出明确的工艺流程和技术要求。最终确定100MeV强流质子回旋加速器双向引出系统初步设计。     

直流束流变压器（DCCT）的研制

直流束流变压器（DCCT）作为束流诊断的一种重要测量装置，重点测量平均束流流强，是加速器运行的一个重要参数。由于它采用无拦截束流测量原理，可长时间在线测量束流，而不会对束流产生任何影响，也不会造成放射性剂量污染，是一种非常实用的在线束流流强测量装置。     

100 MeV回旋加速器工程的设计和建造进展

100MeV强流回旋加速器及束流管道系统（CYCIAE-100）工程计划建设1台能量为75-100MeV、质子束流强度200μA的回旋加速器，7条质子束流管道和2条中子束流管道。2006年，重点完成了初步设计，并开展施工设计工作；开始工程重大设备的制造工作；基本完成了研究试验项目。     

恒流模式直流流强检测系统的优化

介绍了上海光源恒流模式下直流流强检测系统的软硬件结构。Matlab仿真比对两种束流流强算法性能,结果表明,使用整数周期算术平均算法时,2 Hz系统带宽下系统直流流强测量分辨率可望好于0.38μA。由于Top-up模式束流的特性,对束流寿命算法进行优化,进行两点曲线拟合。介绍了Top-up模式下直流流强检测系统的置信度算法,并用实测数据进行了验证,数据预测准确,收敛速度快,性能较好。对DCCT系统的软件实现给出了软件流程图,指导软件代码的实现。     

230MeV超导质子回旋加速器及治疗端研制进展

正在已建成的100 MeV强流回旋加速器技术基础上开展了230 MeV超导等时性回旋加速器关键技术研制,包括降能器设计、束流输运线技术和治疗端的前期技术研究,以研制出我国具有自主知识产权的230MeV医用超导回旋加速器及束流输运线、旋转机架、治疗头等治疗端放疗装备。     

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

100MeV回旋加速器中心区结构设计

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200μA。安装在回旋加速器狭小磁极气隙的中心区与螺旋静电偏转板是关键部件,其结构设计涉及磁场、高频电场、高压静电场、真空、传热等方面。本文介绍了中心区与螺旋静电偏转板的结构设计及使用情况。在设计过程中,采取加大绝缘距离、优化高频连接结构、增加杂散束流阻拦装置等措施,解决了中心区与螺旋静电偏转板在强流注入时可靠工作的问题。本文对螺旋偏转板进行了传热分析,得出了该螺旋偏转板在强流束注入时的温度分布。设计的中心区和螺旋偏转板已安装在加速器上,20μA/100 MeV的引出束流通过了12h稳定性测试,在加速器测试过程中,中心区工作稳定可靠。     

A beam optics study of the biomedical beam line at a proton therapy facility

A biomedical beam line has been designed for the experimental area of a proton therapy facility to deliver mm to sub-mm size beams in the energy range of 20-50 MeV using the TRANSPORT/TURTLE beam optics codes and a newly-written program. The proton therapy facility is equipped with a 230 MeV fixed-energy cyclotron and an energy selection system based on a degrader and slits, so that beam currents available for therapy decrease at lower energies in the therapeutic beam energy range of 70-230 MeV. The new beam line system is composed of an energy-degrader, two slits, and three quadrupole magnets. The minimum beam sizes achievable at the focal point are estimated for the two energies of 50 and 20 MeV. The focused FWHM beam size is approximately 0.3 mm with an expected beam current of 20 pA when the beam energy is reduced to 50 MeV from 100 MeV, and roughly 0.8 mm with a current of 10 pA for a 20 MeV beam.     

在线同位素分离器靶-源中靶材料的放射性活度

用LCS+CBURN程序计算在线同位素分离器靶-源中铅、钨、铜、铝、石墨靶材料以及结构材料水、不锈钢在100MeV、200μA强流质子束照射下所产生的放射性核素活度以及γ射线强度随时间的变化,以便为靶的设计、更换以及后期处理提供一定的设计依据。所选靶材料在照射后会产生长寿命放射性核素氚,其中,铅靶材料中还会产生¹³¹I。     

高流强RFQ质子加速器研制

在国家“973”计划洁净核能项目的支持下，中国科学院高能物理研究所与中国原子能科学研究院合作，建成了我国首台强流质子加速器。它是1台四翼型结构的射频四极（radio-frequencyqaudrupole，RFQ）加速器，这种先进加速结构可为来自离子源的低能强流束提供周期性强聚焦，并同时在纵向对束流进行聚束和加速。我国建成的这台RFQ加速器束流能量为3.5MeV，脉冲流强达46mA，束流工作比大于7%。本文将介绍这台RFQ加速器的物理设计、研制、调试和出束实验的结果。     

AB-BNCT中子靶物理设计分析

质子加速器适用于为硼中子俘获治疗提供中子源，其中子源强及能谱较反应堆中子源更具可调性。中子靶物理计算分析是加速器中子源设计的基础，为其提供粒子能量、流强等参数需求分析，并为靶体结构尺寸设计、中子慢化和屏蔽分析等提供前端参数。本文利用MCNPX蒙特卡罗程序，通过对质子打靶的中子产额和能谱、靶体能量沉积、打靶后靶材放射性活度和中子出射空间角分布等进行研究，提出能量2.5 MeV质子轰击100～200 μm锂靶的设计，并用模拟计算数据论证其合理性。该设计中子源在1 mA流强质子轰击下，源强可达9.74×10¹¹ s^-1；拟设计15 mA、2.5 MeV质子束产生的中子源，在治疗过程中靶材放射性活度累积最大值约为1.44×10¹³ Bq。     

闪烁体薄膜在线测量质子束流强度

质子单粒子效应实验研究和质子加速器研究中,质子束流强测量关系着实验结果的可靠性和准确性。法拉第筒、金硅面垒探测器、金刚石探测器等传统探测方法均为拦截式测量,无法实现束流的在线测量。本文用闪烁体薄膜在线监测质子束流强。质子束流穿过薄膜闪烁体,沉积部分能量使其发光,用光电倍增管收集光信号,从而得到束流的强度信息。通过质子与闪烁体材料相互作用的理论计算得到闪烁体材料对质子束流的响应关系。在北大2×6 MeV串列加速器上对3–10 MeV的质子束流进行了实验测量,验证了其响应关系。     

High energy X-ray computed tomography for industrial applications

A high energy X-ray computed tomography (CT) system with an electron linear accelerator was developed to image cross-sections of large-scale and high-density materials. An electron linear accelerator is used as the X-ray source. The maximum X-ray energy is 12 MeV, and the average energy is around 4 MeV. The intensity of the X-ray fan beam passing through the test object is measured by a 15-channel detector array. CWO (CdWO₄) scintillators and photodiodes are used as the X-ray detectors. The crosstalk noise due to scattering of X-ray photons by adjacent detectors is reduced to less than 1.6% by installing tungsten shields between the scintillators. Extra channels are used to compensate for base line shift of the circuits. These techniques allowed attainment of a dynamic range of more than 85 dB and a noise level comparable to the signal amplitude of X-rays transmitted in a 420-mm thick iron block. A spatial resolution of 0.8 mm was confirmed with an iron test piece 200 mm in diameter