CYCIAE-100轴向注入线设计及中心区束流匹配

采用包含空间电荷效应的束流光学计算软件TRANSOPTR对CYCIAE-100回旋加速器轴向注入线进行设计,在综合考虑空间布局、元件选择、真空度、空间电荷效应、轴向磁场和造价等问题后,最终确定了轴向注入线的聚焦结构。将数值跟踪获得的真实磁场下螺旋偏转板传的输矩阵编写到TRANSOPTR程序中,从而实现了从离子源出口至偏转板出口的束流光学匹配。介绍了CYCIAE-100回旋加速器轴向注入线的设计思想、布局结构和束流光学计算结果,并给出了主要元件的设计结果。在确定中心区结构和对中轨道后,采用多粒子轨道跟踪的方法进行中心区束流匹配的研究,通过对数值模拟的结果进行椭圆拟合并结合解析公式计算得到注入点处匹配矩阵,为注入线的设计提供拟合条件。     

100MeV回旋加速器主磁铁设计与工艺技术研究

中国原子能科学研究院目前正在建造一台100MeV强流回旋加速器,它加速负氢离子,通过剥离引出质子束,能量75MeV-100MeV,流强200μA.该回旋加速器的主磁铁为紧凑型整体结构,采用4扇直边叶片,渐变气隙.将报告该磁铁的设计特点,数值模拟结果;磁性材料及成分偏析、缩孔等内部缺陷;机械结构设计、公差、变形;还将描述磁铁的工作进展.     

100MeV回旋加速器主磁铁设计与工艺技术研究

中国原子能科学研究院目前正在建造一台100MeV强流回旋加速器, 它加速负氢离子, 通过剥离引出质子束, 能量75MeV—100MeV, 流强200μA. 该回旋加速器的主磁铁为紧凑型整体结构, 采用4扇直边叶片, 渐变气隙. 将报告该磁铁的设计特点, 数值模拟结果; 磁性材料及成分偏析、缩孔等内部缺陷;机械结构设计、公差、变形;还将描述磁铁的工作进展.     

周期会切磁场聚焦强流相对论带状电子束的理论分析和粒子模拟

对低幅值、短周期、有偏置磁极的周期会切磁场中300 keV,3 kA带状电子束的传输进行了理论分析和粒子模拟。给出了将波导宽度考虑在内的轴向均匀带状电子束的空间电荷场和作用在有限厚度的带状电子束的短边和宽边上的聚焦力的表达式,并利用束匹配的方法得到了磁场的幅值和周期,以及电子束通道的宽度和高度等参数。最后根据理论计算的结果进行了3维粒子模拟验证,结果表明:束宽边上聚焦良好,而在短边上带状电子束的轴向有限长效应使得聚焦力与散焦力沿轴向不能完全匹配,在束包络上产生了Betatron振荡,但在300 mm的距离上传输效率仍能达到98%以上,说明有偏置磁极的周期会切磁场聚焦强流带状电子束在理论上是可行的。     

100MeV强流质子回旋加速器轴向注入系统和中心区物理设计

100MeV强流质子回旋加速器设计的引出质子束流强为大于200μA, 并计划提供脉冲束流. 轴向注入系统设计有两条注入线, 即1#和2#注入线. 1#注入线利用负氢束的中性化以解决强流连续束流的注入,为保证达到高中性化程度, 横向聚焦均采用磁元件; 2#注入线的设计目的主要是提供一定流强的脉冲化束流,由于脉冲化负氢束的中性化过程难以建立, 因此, 横向聚焦元件均为静电元件. 两条线合理的结构设计使得注入系统可方便切换运行模式. 采用包含空间电荷力的光学计算程序, 匹配不同中性化程度的注入束流光学特性, 匹配工作的重点在于高达40°的高频相位接收度. 从离子源出口到粒子加速前15圈的连续匹配计算结果表明: 所设计的注入系统可有效地控制束流包络, 减少束流损失; 中心区高的高频接收度使设计的100MeV质子回旋加速器具有加速强流负氢束的能力.     

利用偏置磁极周期会切磁铁产生边聚焦场

 利用理论分析和数值计算的方法,研究了偏置磁极周期会切磁铁产生的、可用于带状电子束宽边聚焦的边聚焦场。结果表明:增加偏置长度,减小电子束通道宽度,增大磁极轴向长度可以在基本不改变边聚焦场在x方向上分布特性的前提下提高幅值;增大电子束通道的高度,增大磁极厚度均可以减小边聚焦场在x方向上分布曲线的曲率,但同时其幅值也会降低,该降低可利用前述方法予以补偿。在对带状电子束宽边聚焦进行束匹配时,可以先进行曲率匹配,再进行幅值匹配。在进行参数选择时,应合理选择束通道高度和磁极厚度的取值,以避免束通道内的边聚焦场在x方向上的分布出现曲率反向。     

SFC轴向注入系统和中心区的研究和设计

介绍了在HIRFL注入器SFC上进行的中心区、聚束器系统和轴向注入束运线的设计、加工和调试结果.中心区的设计采用了两种注入半径及相应的两套螺旋式静电偏转镜,解决了高频电压在某些工作区域偏低及三次谐波加速时轴向注入线上空间电荷效应较为严重的问题.新的锯齿波聚束器系统不仅可以提高聚束效率,而且还提出了采用半频聚束模式以提高SFC与主加速器SSC?的纵向匹配效率.新设计的轴向注入束运线配备了两台在线ECR离子源,提高了电荷态分辨能力和注入相空间匹配能力,在提高注入效率的同时还改善了离子源及束运线的工作环境和调束手段.     

基于PIC方法的二维束流动力学模拟程序及其初步应用

为了深入研究强流负氢束在强流质子回旋加速器CYCIAE-100轴向注入线中的传输, 利用split-operator方法分解外场和束流自身的空间电荷场的作用. 对外 场利用单粒子跟踪技术, 采用一阶线性近似; 对空间电荷场采用PIC方法, 利用 快速傅里叶变换求解Poisson方程. 用FORTRAN95语言开发了一个基于面向对象技术的二维宏粒子传输计算程序CYCPIC2D, 本程序可以计算任意分布的强流束在输运线上的传输.最后给出了对CYCIAE-100注入线的模拟计算结果, 并和程序ORBIT, TRACE 3-D的结果进行比对验证, 结果表明: 空间电荷效应在此注入线上有较大的影响, 而且3个程序计算的不同中性化的结果基本上一致; 束流强度达到几十毫安时, 基于PIC方法的两个程序CYCPIC2D和ORBIT的计算结果完全吻合, 而线性近似程序TRACE 3-D有明显差异.     

激光加速质子束空间电荷力研究

激光加速器可以输出具有独特品质的质子束,例如μm尺寸、ps脉冲长度和高峰值电流。强流粒子束的空间电荷力效应较强,对面向应用的束流传输提出了挑战。通过二维PIC模拟研究了激光加速后与质子速度接近的电子的影响。采用椭球模型估算空间电荷力的影响,比较不同电荷分布的差异。结果表明每束团质子数超过1010后空间电荷力显著影响质子束传输,甚至严重破坏束流品质。空间电荷力的影响在20 ps后显著减弱,离开靶约1.2 mm。     

激光加速质子束空间电荷力研究（英文）

激光加速器可以输出具有独特品质的质子束,例如μm尺寸、ps脉冲长度和高峰值电流。强流粒子束的空间电荷力效应较强,对面向应用的束流传输提出了挑战。通过二维PIC模拟研究了激光加速后与质子速度接近的电子的影响。采用椭球模型估算空间电荷力的影响,比较不同电荷分布的差异。结果表明每束团质子数超过10¹⁰后空间电荷力显著影响质子束传输,甚至严重破坏束流品质。空间电荷力的影响在20 ps后显著减弱,离开靶约1.2 mm。     

Vertical focusing study in the central region of the CYCIAE-100 cyclotron

The vertical focusing is one of the primary problems in the central region of cyclotrons. This focusing effect brought about by the magnetic field is inclined to be weak near the center of the machine due to the fact that the flutter is small, while the electric focusing forces incurred from the dee gaps become very strong. Since the electric focusing effect is dependent on the RF phase, we have proceeded to carry out analytical calculations and numerical simulation about the vertical focusing in the central region of CYCIAE100, including magnetic focusing, electric focusing and the defocusing effect from the space charge effect. All the results have been used for the design of the central region for CYCIAE-100 and a good vertical focusing has been obtained.     

Physics design of CYCAIE-100

The design and construction of Beijing Radioactive Ion-beam Facility (BRIF) was started at China Institute of Atomic Energy -CIAE) in 2004. In this project, a 100 MeV high intensity cyclotron, CYCIAE100, is selected as a driving accelerator for radioactive ion beam production. It will provide a proton beam of 75—100 MeV with an intensity of 200—500 μA. The scheme adopted in this design, i.e., stripping the accelerated H-, makes the structure more compact and construction cost much lower. At present, the design for each system has been accomplished. This paper depicts the basic physics design of the machine, including its major structure and parameters, beam dynamics and each relevant system, e.g. basic structure of the main magnet, numerical simulation of the RF resonant cavity, axial injection system, central region, and study on crucial physics problems concerning the extraction and beam lines. The major problems encountered during the design of CYCIAE-100 are also summarized in this paper.     

30MeV医用回旋加速器气体靶束流线的研制

中国原子能科学研究院于1994年研究建成我国第一台医用强流回旋加速器CYCIAE-30及配套放射性同位素生产线, 目前为了增加气体靶以生产新品种医用同位素, 在原有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, 包括束流线的总体布局考虑和光学设计, 并根据束流光学设计的结果, 进行了新增束流线上电磁元件的设计. 在物理设计的基础上, 还进行了施工设计以及各分系统的加工、调试、安装, 并以物理设计得到的参数为依据进行了束流调试, 靶上得到的束斑与理论值有较好的符合, 满足设计要求.     

Stripping extraction calculation and simulation for CYCIAE-100

A 100 MeV H- compact cyclotron is under construction at China Institute of Atomic Energy (CYCIAE-100). The proton beams of 75 MeV-100 MeV at an intensity of 200 μA will be extracted in dual opposite directions by charge exchange stripping devices. The crossing point at the switching magnet center is fixed inside the magnet yoke and the stripping points for various extraction energies are calculated by the code CYCTRS. With the code GOBLIN, we can calculate the transfer matrix including the dispersion effects from the stripping point to the switch magnet. The beam distribution just after stripping foil can be obtained from the multi-particle tracking code COMA and the extracted beam parameters after the switch magnet such as emittance, envelope, dispersion, energy spread, bunch length, etc. are given by the extraction orbit simulations.     

Central region design for a 10 MeV internal ion source cyclotron

Internal ion sources are widely adopted in commercial cyclotrons used for short-life isotopes produc-tion. Without beam manipulation provided by the external beam injection line, the central region of this type of cyclotron is more sensitive and should be carefully designed. A design study and beam dynamics simulation for the central region of a 10 MeV compact cyclotron is presented. The OPERA3D/TOSCA code was used to calculate the electric field from a parameterized three dimensional (3D) central region model. With iterative structure optimizations of the central region, the beam centering and vertical focusing is well controlled, and the RF phase acceptance is around 25° A c++ code for beam simulation in the central region was developed and tested.     

100MeV强流质子回旋加速器高频腔公差研究

针对中国原子能科学研究院正在设计的100MeV强流质子回旋加速器, 研究并提出高频腔公差. 高频腔的误差包括加工安装的误差和重力引起的D板变形. 加工安装误差的存在干扰束团的径向和轴向运动, 用理论分析和数值模拟相结合的方法给出加工安装的公差; D板的重力变形引起加速间隙的轴向错位从而使束团产生轴向的相干振荡, 计算结果表明目前结构的D板变形在允许范围内.     

电子束在α-磁铁模型中传输模拟与优化

在电子直线加速器设计中,α-磁铁通常被用来压缩脉冲长度,采用热阴极微波电子枪和α-磁铁相结合的设计,可以获得皮秒或亚皮秒量级脉冲长度的电子束。电子束在α-磁铁中的传输过程较为复杂,相关文献介绍的研究成果均是基于理想模型,且有镜板开孔的α-磁铁的束流传输研究,对α-磁铁的使用具有重要的指导作用。本文首先简单介绍了用于高能电子成像装置的α-磁铁模型的设计,对电子束在理想模型与α-磁铁模型中传输模拟结果进行对比分析,验证了所构建模型可以有效地实现脉冲纵向压缩的结论。此外,对以优化角度进入α-磁铁和在空间电荷效应影响下的单束团及多束团束流动力学模拟结果进行了讨论,提出通过减小入射角度来补偿α-磁铁镜板上的束流进出孔对束流传输影响的方案。通过在α-磁铁与电子枪之间增加四极磁铁组,优化了束流发射度和束团尺寸。     

国内外加速器低温系统近况

超导腔和超导磁体是现代加速器的重要组成部分, 伴随着加速器技术的发展和更高束流能量和亮度的要求, 低温超导技术在加速器中得到了广泛的应用. 本文在对国内外几个典型的加速器上采用的低温超导技术进行了调研的基础上, 介绍了国内外加速器低温系统的近况.