100MeV强流回旋加速器质子束流管道的初步设计

正100mev强流质子回旋加速器是原子能院串列加速器升级工程最关键的主工艺设备,其中主磁铁镶条(简称镶条)是回旋加速器的重要部件之一,通过对镶条的垫补形成回旋加速器的等时性磁场。镶条在磁场测量与垫补过程中要反复拆装10次左右,每次都要保证安装精度。镶条安装的进

cyciae-100强流回旋加速器因为其磁极间气隙小,主磁铁的内部缺陷、机械加工的误差和安装误差等因素对中心平面的磁场分布的影响就相对明显,因此需要对主磁铁的磁场进行精确测量与垫补。磁场精确测量的基础是要设计一套高精度的磁场测量仪,本文对这套磁场测量仪的机械设计进行了简要描述。1磁场测量的要求100mev回旋加速器主磁铁磁场测量要求设计一套精密的、高度自动控制的磁场测量装置以及

本工作研究计算中国原子能科学研究院目前正在设计、建造中的100mev强流质子回旋加速器cyciae-100主磁铁电磁力。计算中选用虚位移法和麦克斯韦应力张量法两种方法。在利用电磁场三维有限元分析程序计算得到紧凑型等时性回旋加速器主磁铁电磁场的基础上,先采用虚位移法估算电磁吸力,然后基于麦克斯韦应力张量法在matlab环境下编写数值计算程序,详细研究磁极和磁轭受到的电磁吸力。两种方法的计算结果接近。计算得到的主磁铁磁极间吸力大于磁极与盖板间吸力,二者之差由磁极和盖板间的螺栓承担。电磁力的计算结果为主磁铁结构变形计算和结构方案选取提供了依据。

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。

在中国原子能科学研究院提议的串列加速器升级工程中,将建造一台100mev强流负氢回旋加速器。作为必要的预先研究,我们计划研制其中心区模型,磁钢度为0.455t·m。该中心区模型可将负氢离子加速到10mev,除了作为强流回旋加速器的先进技术研究外,还可用于生产pet常用的超短寿命放射性核素:~(11)c、~(13)n、~(15)o和~(18)f,由于它的高流强,将会有更高的放射性核素产额,预计一台这样的加速器,将能满足国内任何一个城市对~(18)f的需求。

作为100mev回旋加速器的主体部件,主磁铁在cyciae-100工程中有着举足轻重的地位。因此,主磁铁被列为串列加速器升级工程技术部的重点工作着力推进。在2007年,主要开展了设计和工程施工。

cyciae-100主磁铁主要包含4对磁极、4个磁轭和上下盖板,主磁铁成品的重量约为416t,属重型大型精密磁铁,关键部件加工和装配精度高,加工制造难度大,极具挑战性。2009年是主磁铁工程取得重要进展的一年,通过对主磁铁盖板和磁轭毛坯件的重要指标之一的磁性能进行测试,盖板和磁轭的毛坯件顺利地通过了验收;与中信重机签订了主磁铁机械加工合同;镶条和芯柱锻件毛坯采购顺利完成。主磁铁机械加工取得重要进展。

分离扇回旋加速器等时性磁场建立的通用方法是kb-kr法[1],但这种方法需要建立在磁场测量数据库的基础上,即需要建立kb-kr函数库。在缺乏这种数据库的情况下,我们在概念设计中采用经验公式近似磁极边缘场构造了1台800mev螺旋形分离扇回旋加速器的等时性磁场。

0引言pettrace回旋加速器束流准直器所用材料为金属钽,分上下2片,通过绝缘陶瓷片固定在金属真空腔壁上,真空腔壁接地。准直器开口长×宽为10mm×10mm,如图1所示,其作用主用有2个方面:(1)限定束流截面大小,刮去束流散射拖尾;(2)由于准直器对地绝缘,束流分析器检测上下2片准直器上电流大小并据此调整束流位置,以使2片准直器束流一致[1]。1故障现象

50中国原子能科学研究院年报2005 1630mev医用回旋加速器束流输运系统升级改造设计 魏素敏，张天爵，李振国，储诚节，邢建升，姚红娟，贾先禄， 钟俊晴，吴隆成，潘高峰，葛涛 中国原子能科学研究院研究建成的我国第1台强流医用回旋加速器cyciae-30是1台能量在 15～30mev范围内连续可调、加速负氢离子、双向剥离引出质子束的紧凑型回旋加速器，自建成 供束以来，已基本做到按照国内各医院需求定期批量供应医用放射性同位素。目前在原有液体靶、 固体靶生产线的基础上，需增加气体靶以满足新的同位素生产的需要。 图1cyciae-30束流输运系统升级工程布局图 利用30mev回旋加速器的西引出口束流

作为紧凑型强流回旋加速器cyciae-100,为了维持安装在相对两个谷区内的1对高频腔能够提供60kv(中心区)约120kv(引出区)的加速电压[1],要求馈入的功率较高,腔体水冷的难度大,因此,需要对水冷系统进行详细的设计,本文以高频腔dee板的水冷系统的设计和优化为例进行说明。

螺旋型偏转板的主要工作原理是电场作用力始终保持与中心粒子的运动轨道相垂直,由于中心区磁场的作用,粒子的轨迹将变成一条螺旋线,电极形状也因此变成螺旋线型,因此其加工必

强流回旋加速器综合试验装置(简称crm)的轴向注入线设计采用的是sqq(s:solenoid,螺线管透镜;q:quadrupole,四极透镜)结构。注入线实验测量采用的束流诊断元件包括法拉第筒、卡束光栏、双丝扫描仪、四扇准直器,以及辅助的石英屏和挡束靶等,实验布局如图1所示。卡束光栏是在离子源引出束流品质过差的情况下阻挡包络过大的束流的部件,用以保护后面的聚焦

强流回旋加速器综合试验装置的主体是一台紧凑型回旋加速器,加速器主磁铁材料的不均匀性,磁铁加工和安装的非理想因素将引起中心平面的磁场的非理想分布,因此有必要对其中心平面的磁场进行测量和垫补.本文主要讲述该综合试验装置的霍尔感应磁场测量系统的设计和使用;通过磁场测量数据分析进行镶条的再加工,最终实现对等时性磁场和束流的纵向聚焦的垫补;研究与实践了一种对磁场一次谐波进行垫补的方法,垫补的结果满足了设计的要求.

强流回旋加速器综合试验装置的主体是一台紧凑型回旋加速器,加速器主磁铁材料的不均匀性,磁铁加工和安装的非理想因素将引起中心平面的磁场的非理想分布,因此有必要对其中心平面的磁场进行测量和垫补.本文主要讲述该综合试验装置的霍尔感应磁场测量系统的设计和使用;通过磁场测量数据分析进行镶条的再加工,最终实现对等时性磁场和束流的纵向聚焦的垫补;研究与实践了一种对磁场一次谐波进行垫补的方法,垫补的结果满足了设计的要求.

强流回旋加速器综合试验装置上安装使用的离子源是外部多峰场负氢离子源,于2003年完成了调试,在2007年进行了电源系统和真空系统的改进并安装应用于综合试验装置上。经多年的运行,离子源引出的束流品质明显下降,在2008年对离子源放电腔壁内的永久磁铁进行了更换,期间发现多块永久磁铁块出现粉末化已失效,这是离子源运行过程中高温导致的。2008年顺利完成了所有永久磁铁块的更换,并在更换前后进行了磁场测量。

52中国原子能科学研究院年报2005 图1不同温升引起的磁极对称线磁场变化 实线——50°；虚线——20° 图2不同温升引起的平均磁场变化 实线——50°；虚线——20° 可见，由于磁铁温升慢漂移引起的磁场变化量较大，这必须通过调节线圈系统来补偿。 18cyciae-100回旋加速器主磁铁电磁力和形变的数值模拟 杨建俊,张天爵，钟俊晴 在cyciae-100回旋加速器的整体设计中，满足各种束流动力学要求的磁场分布的实现是最为 关键的环节之一。在紧凑型回旋加速器中，磁铁的形变将严重影响中心平面及其附近的磁场分布。 导致磁铁变形的主要因素有磁铁自身的重力、电磁力和外界的大气压力。其中

构建模型是物理学的一种常用方法，是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本身而对研究对象所作的一种简化描述。物理学所涉及的问题往往十分复杂，为了更加直观方便地分析和研究，而对复杂的问题进行科学化的抽象处理，用一种能反应原物质的本身特性的理想状态或理想结构来分析和解决实际的问题，这种理想状态或理想结构就是物理模型。下面我们就构建一个模型，来解决回旋加速器的问题。

cyciae-30为中国原子能科学研究院于1994年研究建成的我国第1台医用强流回旋加速器,多年来,每年开机供束时间约为5000h,基本上满足了国内各医院定期批量供应18f、201tl、68ge等[1-2]医用放射性同位素的需求。目前,中国原子能科学研究院承担核能开发科研项目"同位素与辐射应用关键技术研究",在原有配套束流输运线的基础上开展了束流输运系统的升级改造方案设计,增加了气体靶生产线以生产新品种医用同位素。

射频谐振腔体的特征参数,包括谐振频率、品质因数和并联阻抗等,对加速器的物理设计和束流调试具有重要的参考意义,是衡量射频系统性能的重要指标。其中,等效并联阻抗的准确测量,是确定加速电压的峰值与分布的有效途径,其难点在于测量方法或对局部电磁场有扰动,或信噪比较低。论文通过应用研究的方法,由二端口无源网络散射参数的定义出发,设计了先进的测量方案,采用了特殊设计的阻抗探针,获得了强流回旋加速器综合试验装置的加速电压分布。同时使用同样的方法,对100mev回旋加速器金属实验腔体的电压分布进行了实验研究,该结果与三维计算机仿真结果对比,相对误差小于1%。

简要阐述了回旋加速器机房建设中各专业系统的相关设计原则及要求,并运用实例分析的方法论述了解决特殊场地机房建设的具体办法。

在中国原子能科学研究院cyciae-30医用回旋加速器现有的束流输运系统的基础上,根据气体靶生产新品种医用同位素的技术要求,用trace-3d对束流输运系统的升级改造方案进行设计,包括束流线的总体布局和光学设计。根据束流光学设计的结果,设计了新增束流线的磁四极透镜和偏转磁铁。