100MeV強流回旋加速器質(zhì)子束流管道的初步設(shè)計

正100mev強流質(zhì)子回旋加速器是原子能院串列加速器升級工程最關(guān)鍵的主工藝設(shè)備,其中主磁鐵鑲條(簡稱鑲條)是回旋加速器的重要部件之一,通過對鑲條的墊補形成回旋加速器的等時性磁場。鑲條在磁場測量與墊補過程中要反復(fù)拆裝10次左右,每次都要保證安裝精度。鑲條安裝的進

cyciae-100強流回旋加速器因為其磁極間氣隙小,主磁鐵的內(nèi)部缺陷、機械加工的誤差和安裝誤差等因素對中心平面的磁場分布的影響就相對明顯,因此需要對主磁鐵的磁場進行精確測量與墊補。磁場精確測量的基礎(chǔ)是要設(shè)計一套高精度的磁場測量儀,本文對這套磁場測量儀的機械設(shè)計進行了簡要描述。1磁場測量的要求100mev回旋加速器主磁鐵磁場測量要求設(shè)計一套精密的、高度自動控制的磁場測量裝置以及

本工作研究計算中國原子能科學(xué)研究院目前正在設(shè)計、建造中的100mev強流質(zhì)子回旋加速器cyciae-100主磁鐵電磁力。計算中選用虛位移法和麥克斯韋應(yīng)力張量法兩種方法。在利用電磁場三維有限元分析程序計算得到緊湊型等時性回旋加速器主磁鐵電磁場的基礎(chǔ)上,先采用虛位移法估算電磁吸力,然后基于麥克斯韋應(yīng)力張量法在matlab環(huán)境下編寫數(shù)值計算程序,詳細研究磁極和磁軛受到的電磁吸力。兩種方法的計算結(jié)果接近。計算得到的主磁鐵磁極間吸力大于磁極與蓋板間吸力,二者之差由磁極和蓋板間的螺栓承擔(dān)。電磁力的計算結(jié)果為主磁鐵結(jié)構(gòu)變形計算和結(jié)構(gòu)方案選取提供了依據(jù)。

100mev強流回旋加速器及束流管道系統(tǒng)(cyciae-100)工程計劃建設(shè)1臺能量為75～100mev、質(zhì)子束流強度200μa的回旋加速器,7條質(zhì)子束流管道和2條中子束流管道。2006年,重點完成了初步設(shè)計,并開展施工設(shè)計工作;開始工程重大設(shè)備的制造工作;基本完成了研究試驗項目。

在中國原子能科學(xué)研究院提議的串列加速器升級工程中,將建造一臺100mev強流負氫回旋加速器。作為必要的預(yù)先研究,我們計劃研制其中心區(qū)模型,磁鋼度為0.455t·m。該中心區(qū)模型可將負氫離子加速到10mev,除了作為強流回旋加速器的先進技術(shù)研究外,還可用于生產(chǎn)pet常用的超短壽命放射性核素:~(11)c、~(13)n、~(15)o和~(18)f,由于它的高流強,將會有更高的放射性核素產(chǎn)額,預(yù)計一臺這樣的加速器,將能滿足國內(nèi)任何一個城市對~(18)f的需求。

作為100mev回旋加速器的主體部件,主磁鐵在cyciae-100工程中有著舉足輕重的地位。因此,主磁鐵被列為串列加速器升級工程技術(shù)部的重點工作著力推進。在2007年,主要開展了設(shè)計和工程施工。

cyciae-100主磁鐵主要包含4對磁極、4個磁軛和上下蓋板,主磁鐵成品的重量約為416t,屬重型大型精密磁鐵,關(guān)鍵部件加工和裝配精度高,加工制造難度大,極具挑戰(zhàn)性。2009年是主磁鐵工程取得重要進展的一年,通過對主磁鐵蓋板和磁軛毛坯件的重要指標(biāo)之一的磁性能進行測試,蓋板和磁軛的毛坯件順利地通過了驗收;與中信重機簽訂了主磁鐵機械加工合同;鑲條和芯柱鍛件毛坯采購順利完成。主磁鐵機械加工取得重要進展。

分離扇回旋加速器等時性磁場建立的通用方法是kb-kr法[1],但這種方法需要建立在磁場測量數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,即需要建立kb-kr函數(shù)庫。在缺乏這種數(shù)據(jù)庫的情況下,我們在概念設(shè)計中采用經(jīng)驗公式近似磁極邊緣場構(gòu)造了1臺800mev螺旋形分離扇回旋加速器的等時性磁場。

0引言pettrace回旋加速器束流準直器所用材料為金屬鉭,分上下2片,通過絕緣陶瓷片固定在金屬真空腔壁上,真空腔壁接地。準直器開口長×寬為10mm×10mm,如圖1所示,其作用主用有2個方面:(1)限定束流截面大小,刮去束流散射拖尾;(2)由于準直器對地絕緣,束流分析器檢測上下2片準直器上電流大小并據(jù)此調(diào)整束流位置,以使2片準直器束流一致[1]。1故障現(xiàn)象

50中國原子能科學(xué)研究院年報2005 1630mev醫(yī)用回旋加速器束流輸運系統(tǒng)升級改造設(shè)計 魏素敏，張?zhí)炀?，李振國，儲誠節(jié)，邢建升，姚紅娟，賈先祿， 鐘俊晴，吳隆成，潘高峰，葛濤 中國原子能科學(xué)研究院研究建成的我國第1臺強流醫(yī)用回旋加速器cyciae-30是1臺能量在 15～30mev范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)、加速負氫離子、雙向剝離引出質(zhì)子束的緊湊型回旋加速器，自建成 供束以來，已基本做到按照國內(nèi)各醫(yī)院需求定期批量供應(yīng)醫(yī)用放射性同位素。目前在原有液體靶、 固體靶生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，需增加氣體靶以滿足新的同位素生產(chǎn)的需要。 圖1cyciae-30束流輸運系統(tǒng)升級工程布局圖 利用30mev回旋加速器的西引出口束流

作為緊湊型強流回旋加速器cyciae-100,為了維持安裝在相對兩個谷區(qū)內(nèi)的1對高頻腔能夠提供60kv(中心區(qū))約120kv(引出區(qū))的加速電壓[1],要求饋入的功率較高,腔體水冷的難度大,因此,需要對水冷系統(tǒng)進行詳細的設(shè)計,本文以高頻腔dee板的水冷系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化為例進行說明。

螺旋型偏轉(zhuǎn)板的主要工作原理是電場作用力始終保持與中心粒子的運動軌道相垂直,由于中心區(qū)磁場的作用,粒子的軌跡將變成一條螺旋線,電極形狀也因此變成螺旋線型,因此其加工必

強流回旋加速器綜合試驗裝置(簡稱crm)的軸向注入線設(shè)計采用的是sqq(s:solenoid,螺線管透鏡;q:quadrupole,四極透鏡)結(jié)構(gòu)。注入線實驗測量采用的束流診斷元件包括法拉第筒、卡束光欄、雙絲掃描儀、四扇準直器,以及輔助的石英屏和擋束靶等,實驗布局如圖1所示?？ㄊ鈾谑窃陔x子源引出束流品質(zhì)過差的情況下阻擋包絡(luò)過大的束流的部件,用以保護后面的聚焦

強流回旋加速器綜合試驗裝置的主體是一臺緊湊型回旋加速器,加速器主磁鐵材料的不均勻性,磁鐵加工和安裝的非理想因素將引起中心平面的磁場的非理想分布,因此有必要對其中心平面的磁場進行測量和墊補.本文主要講述該綜合試驗裝置的霍爾感應(yīng)磁場測量系統(tǒng)的設(shè)計和使用;通過磁場測量數(shù)據(jù)分析進行鑲條的再加工,最終實現(xiàn)對等時性磁場和束流的縱向聚焦的墊補;研究與實踐了一種對磁場一次諧波進行墊補的方法,墊補的結(jié)果滿足了設(shè)計的要求.

強流回旋加速器綜合試驗裝置的主體是一臺緊湊型回旋加速器,加速器主磁鐵材料的不均勻性,磁鐵加工和安裝的非理想因素將引起中心平面的磁場的非理想分布,因此有必要對其中心平面的磁場進行測量和墊補.本文主要講述該綜合試驗裝置的霍爾感應(yīng)磁場測量系統(tǒng)的設(shè)計和使用;通過磁場測量數(shù)據(jù)分析進行鑲條的再加工,最終實現(xiàn)對等時性磁場和束流的縱向聚焦的墊補;研究與實踐了一種對磁場一次諧波進行墊補的方法,墊補的結(jié)果滿足了設(shè)計的要求.

強流回旋加速器綜合試驗裝置上安裝使用的離子源是外部多峰場負氫離子源,于2003年完成了調(diào)試,在2007年進行了電源系統(tǒng)和真空系統(tǒng)的改進并安裝應(yīng)用于綜合試驗裝置上。經(jīng)多年的運行,離子源引出的束流品質(zhì)明顯下降,在2008年對離子源放電腔壁內(nèi)的永久磁鐵進行了更換,期間發(fā)現(xiàn)多塊永久磁鐵塊出現(xiàn)粉末化已失效,這是離子源運行過程中高溫導(dǎo)致的。2008年順利完成了所有永久磁鐵塊的更換,并在更換前后進行了磁場測量。

52中國原子能科學(xué)研究院年報2005 圖1不同溫升引起的磁極對稱線磁場變化 實線——50°；虛線——20° 圖2不同溫升引起的平均磁場變化 實線——50°；虛線——20° 可見，由于磁鐵溫升慢漂移引起的磁場變化量較大，這必須通過調(diào)節(jié)線圈系統(tǒng)來補償。 18cyciae-100回旋加速器主磁鐵電磁力和形變的數(shù)值模擬 楊建俊,張?zhí)炀?，鐘俊? 在cyciae-100回旋加速器的整體設(shè)計中，滿足各種束流動力學(xué)要求的磁場分布的實現(xiàn)是最為 關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。在緊湊型回旋加速器中，磁鐵的形變將嚴重影響中心平面及其附近的磁場分布。 導(dǎo)致磁鐵變形的主要因素有磁鐵自身的重力、電磁力和外界的大氣壓力。其中

構(gòu)建模型是物理學(xué)的一種常用方法，是人們?yōu)榱搜芯课锢韱栴}的方便和探討物理事物的本身而對研究對象所作的一種簡化描述。物理學(xué)所涉及的問題往往十分復(fù)雜，為了更加直觀方便地分析和研究，而對復(fù)雜的問題進行科學(xué)化的抽象處理，用一種能反應(yīng)原物質(zhì)的本身特性的理想狀態(tài)或理想結(jié)構(gòu)來分析和解決實際的問題，這種理想狀態(tài)或理想結(jié)構(gòu)就是物理模型。下面我們就構(gòu)建一個模型，來解決回旋加速器的問題。

cyciae-30為中國原子能科學(xué)研究院于1994年研究建成的我國第1臺醫(yī)用強流回旋加速器,多年來,每年開機供束時間約為5000h,基本上滿足了國內(nèi)各醫(yī)院定期批量供應(yīng)18f、201tl、68ge等[1-2]醫(yī)用放射性同位素的需求。目前,中國原子能科學(xué)研究院承擔(dān)核能開發(fā)科研項目"同位素與輻射應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究",在原有配套束流輸運線的基礎(chǔ)上開展了束流輸運系統(tǒng)的升級改造方案設(shè)計,增加了氣體靶生產(chǎn)線以生產(chǎn)新品種醫(yī)用同位素。

射頻諧振腔體的特征參數(shù),包括諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)和并聯(lián)阻抗等,對加速器的物理設(shè)計和束流調(diào)試具有重要的參考意義,是衡量射頻系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。其中,等效并聯(lián)阻抗的準確測量,是確定加速電壓的峰值與分布的有效途徑,其難點在于測量方法或?qū)植侩姶艌鲇袛_動,或信噪比較低。論文通過應(yīng)用研究的方法,由二端口無源網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)的定義出發(fā),設(shè)計了先進的測量方案,采用了特殊設(shè)計的阻抗探針,獲得了強流回旋加速器綜合試驗裝置的加速電壓分布。同時使用同樣的方法,對100mev回旋加速器金屬實驗腔體的電壓分布進行了實驗研究,該結(jié)果與三維計算機仿真結(jié)果對比,相對誤差小于1%。

簡要闡述了回旋加速器機房建設(shè)中各專業(yè)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計原則及要求,并運用實例分析的方法論述了解決特殊場地機房建設(shè)的具體辦法。

本文介紹了pet-ct中心醫(yī)用回旋加速器結(jié)構(gòu)及原理,根據(jù)國家法律法規(guī)及設(shè)備場地安裝要求分析了機房設(shè)計建設(shè)時應(yīng)考慮的原則等,提出具體機房建設(shè)要求。