用于重离子治癌回旋引出的实时流强测量系统北大核心CSCD

为满足重离子治癌加速器装置(HIMM)回旋加速器引出段束流流强的测量需求,设计了新的束流流强测量系统,该系统利用积分电流变换器(ICT)及锁相放大器等配套电子学,能够实现束流流强的非拦截实时测量。文中首先分析了中能束线(MEBT)束流流强的测量需求,并对设计方案进行了实验室系统分析和在线束流强测量。实验室结果表明,锁相放大器的幅度和相位响应一致性满足测量需求。由于ICT对束流流强的测量是相对测量,先使用法拉第筒对ICT进行在线标定;标定前先对法拉第筒(FC)(20μA档位)和ICT系统的流强分辨在线测量,分别为6.45 nA和5.163 nA。由于束流抖动的影响,测量的束流的稳定性约90 nA,其对应的相对测量误差约8%,ICT系统响应时间小于1 ms。测量结果表明,该系统满足物理测量需求。回旋加速器高频系统参数变化引起ICT标定系数变化的工作将在进一步工作中展开。     

直线加速器驻波腔中的瞬态束流负载效应

在高能加速器中, 随着单个束团和束团串中电荷量的提高, 当粒子束穿过加速腔的时候, 感应出的瞬态束流负载电压也越来越高. 但是, 在通常分析束流负载的时候, 往往对稳态束流负载研究的比较多, 而对瞬态束流负载的研究要相对少一些. 本文首先对束流负载的瞬态特性和束团穿过加速腔时高频源所看到谐振腔谐振频率的变化方式进行了分析, 然后又对两种情况下谐振腔的最优失谐条件进行了讨论, 并给出了相应的解析公式. 在第1种情况下, 当粒子束穿过加速腔的时候, 谐振腔的自然谐振频率能够及时地得到调节, 从而使高频源的电流与谐振腔的腔压同相, 以提高高频源的效率; 在第2种情况下, 当粒子束穿过加速腔的时候, 谐振腔的自然谐振频率保持不变, 不能被调节. 最后, 还对BEPCⅡ现有预注入器的预聚束腔、BEPCⅡ未来预注入器的两个次谐波聚束腔中的瞬态束流负载效应进行了分析.     

强流回旋加速器综合试验装置的设计与建造

为了试验研究强流回旋加速器的整机设计技术, 主磁铁、束流诊断等关键部件的设计与加工工艺技术, 以完成100MeV回旋的设计验证, 并为今后逐步提高流强创造试验条件, 自2004年以来, 陆续研究、设计、加工了一些关键部件, 先后实验研究达到了单项技术指标; 目前, 已集成为一套强流回旋加速器的综合试验装置. 本文报告该试验装置的设计与设备制造情况、磁场测量与垫补结果、10—15mA负氢离子源、高频腔和注入系统实验研究、内靶束流调试等工作.     

1.8 T直流磁体94 GHz连续波二次谐波回旋管

首次实现直流磁体W波段二次谐波回旋管连续波稳定运行。回旋管工作时所需1.8 T磁场由一个水冷直流线圈产生。直流线圈励磁电流为500 A,功耗28 kW,内孔直径66 mm,可直接将回旋管插入内孔中。回旋管内电子束由双阳极磁控注入电子枪产生。采用高效率内置准光模式变换器实现束波分离并输出准高斯波束。研制的回旋管工作频率为94.08 GHz,腔内工作模式为TE₀₂。实验中成功实现5 min连续稳定运行,输出功率达到12 kW。电子束电压为45 kV,电流1.7 A,对应的输出效率15.7 %。     

强流回旋加速器综合试验装置的设计与建造

为了试验研究强流回旋加速器的整机设计技术,主磁铁、束流诊断等关键部件的设计与加工工艺技术,以完成lOOMeV回旋的设计验证,并为今后逐步提高流强创造试验条件,自2004年以来,陆续研究、设计、加工了一些关键部件,先后实验研究达到了单项技术指标;目前,已集成为一套强流回旋加速器的综合试验装置.本文报告该试验装置的设计与设备制造情况、磁场测量与垫补结果、10-15mA负氢离子源、高频腔和注入系统实验研究、内靶束流调试等工作.     

10 MeV质子等时性回旋加速器的设计研究

给出10MeV质子等时性回旋加速器的等时性磁场设计,中心区的设计以及加速后最终的束流品质,该加速器可作为正电子断层扫描装置的配套设备,用于生产中短寿命放射性同位素等.它沿半径方向只用一套线圈励磁,等时性磁场的建立完全由磁极形状决定.中心区的设计满足了轨道中心化的要求,并给出较大的横向和纵向接受度,以获得足够的束流强度. 经过172圈加速后,最终的束流品质满足要求.     

波瓣波导谐振腔太赫兹回旋管的研究

以电子回旋脉塞非线性理论为基础, 结合三维电磁仿真软件, 通过导入高频场数值解替代理论解析的方法, 对波瓣波导谐振腔高次谐波太赫兹回旋管进行了理论和模拟研究. 给出了该类回旋管的起振电流、耦合系数以及注波互作用效率等重要参数, 并在此基础上设计了一只工作频率为0.4 THz, 工作模式TE₃₃模三次谐波波瓣波导谐振腔回旋管, 其电子注参数为1.0 A, 40.5 kV, 横纵速度比1.5,互作用区引导磁场为5.09 T, 输出功率达到3.3 kW.     

正电子发射成像回旋加速器磁铁设计与测试

中国工程物理研究院流体物理研究所目前正在建造一台医用11 MeV回旋加速器,该加速器磁铁采用小气隙、深谷结构以提供更高的平均磁场和更强的聚焦能力。为实现510-4的测量精度,自行研发了一套磁场点测装置,该装置可实现二维极坐标下的精确测量。经过多次磁场垫补,束流的相位偏移控制在9,一次谐波幅值控制在0.001 T以内,满足了磁铁的设计需求。在束流调试过程中,成功实现了质子束的引出,表明回旋加速器磁铁建造成功。此外,还对磁铁研制过程中出现的磁场缺陷及磁测误差进行了讨论。     

TE_(02)模式95 GHz三次谐波回旋管实验

首次实现W波段三次谐波回旋管输出功率突破10kW。谐波回旋管互作用结构采用带有光阑结构的圆柱型开放式谐振腔,工作模式为低损耗圆对称模式TE02。实验中,在脉冲宽度20μs、电子束电压45kV、电流3A、磁场1.23T时,测得工作频率为95.22GHz,输出功率13.4kW,对应效率9.9%。     

100MeV负氢回旋加速器高频冷模腔的理论与实验研究

在回旋加速器中,高频系统为带电粒子加速提供能量,高频谐振腔作为高频系统中的关键部件,它性能的好坏直接决定着粒子是否能够被加速,所以,高频谐振腔的设计非常关键.在100MeV负氢回旋加速器的设计中,在空间限制的同时,要求加速电压从中心区的60kV到出引区的120kV变化,这对谐振腔的设计提出了很高的要求.基于上述条件,本工作利用有限差分法的软件CST MICR0wAVESTUDIO设计的双内杆结构的44MHz高频谐振腔初步设计完成,根据初步设计的结论,加工与实际腔体尺寸1:1模型,模型高频参数测量的结果与CST MICROWAVE STuDIO的计算相吻合,结果是可信的.     

高灵敏度等时性回旋加速器束流相位测量系统

介绍了兰州重离子加速器（HIRFL）束流相位测量装置。该装置的研制基于双平衡混频原理，利用了高频信号混频滤波技术，具有较高的测量灵敏度。通过安装在加速器中的容性感应探针探测等时性回旋加速器束流相位历程，对于调束中获取等时场信息并对磁场进行优化,从而提高引出束流强度和束流品质是非常重要的。该装置通过等时场相位优化实验，检验了相位测量数据的可靠性，测量精度达到±0.5°。     

3 mm波段回旋速调管放大器设计与粒子模拟

设计了一支3 mm 波段基波回旋速调管,该回旋速调管工作在低损耗的TE01模式,包含四个谐振腔。首先使用线性理论确定工作参数的大致范围, 然后采用HFSS软件设计单个谐振腔,通过调整谐振腔尺寸和腔壁介质层参数使谐振腔的谐振频率和Q值符合设计要求, 最后使用粒子模拟程序优化设计了回旋速调管的互作用电路,研究了谐振腔参差调谐方案, Q值对回旋速调管性能的影响, 互作用电路的稳定性以及电子注参数变化对注-波互作用性能的影响。PIC粒子模拟结果表明,在电子注电压65 kV, 电流6 A, α(V⊥/V∥)1.5, 工作磁场3.6 T时,回旋速调管的3 dB带宽约为600 MHz,在93.7 GHz获得139 kW 的峰值输出功率,效率为35.6%,增益为28.4 dB。模拟中没有考虑电子注速度零散的影响。     

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.     

CSNS铁氧体环性能初步测试

用于中国散裂中子源CSNS的环射频铁氧体同轴谐振腔,工作频率在1.02MHz至2.42MHz.论文对决定腔性能的铁氧体环材料进行了性能测试研究.通过改变铁氧体环的偏置磁场来改变铁氧体的磁导率,使腔的等效电感发生变化,从而使得LC并联谐振回路的谐振频率改变,进而获得铁氧体环在不同频率,不同高频磁场强度下的μrqf、品质因数和功率密度值.本文比较了几种不同铁氧体环的测量结果,选择适合于CSNS的环射频铁氧体谐振腔的材料为4M2.     

Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的输出特性

 根据谐波回旋速调管放大器的注-波互作用特点,对Ka波段二次谐波三腔回旋速调管放大器的输出腔进行了数值模拟和优化设计,获得了输出腔末端高频波绕射输出孔径和腔体绕射Q值的对应关系。通过PIC粒子模拟,分析了该放大器的频率响应特点等输出特性。结果表明,在35 GHz频率,磁场0.685 T,电子注电压70 kV,电流15 A,横纵速度比为1.45,输入功率1.6 kW时,放大器可以获得超过220 kW的峰值输出功率、约22%的效率和23 dB的增益,3 dB带宽可达到110 MHz。     

28 GHz/50 kW准光输出连续波回旋管

研制出国内首支基于电子回旋加热应用的28 GHz/50 kW准光输出大功率连续波回旋管。该回旋管采用了双阳极磁控注入枪,TE₀₂模式谐振腔,内置准光模式变换器,单级降压收集极。回旋管采用无液氦制冷超导磁体提供稳态磁场。实验中成功实现54.8 kW/1 s短脉冲输出和45.8 kW/30 s的连续波输出,工作频率为28.08 GHz,总效率达到57%。     

70MHz连续波质子束脉冲化装置

为了进行强流回旋加速器关键技术研究,中国原子能科学研究院建立了一个强流回旋加速器综合试验装置.中国原子能研究院将在这个回旋加速器综合试验装置上建立强流脉冲化实验装置,目标是实现几十至百keV量级的强流束的脉冲化.具体是将70MHz连续波负氢束脉冲化为重复频率1-8MHz,脉冲宽度约为10ns的脉冲质子柬.脉冲化装置将主要包括束流切割器和聚束器两大系统.聚束器采用频率为70.487MHz的双间隙单漂移栅网结构,可以将直流束压缩到±30.的回旋加速器高频接受相宽之内.束流切割器将采用频率为2.2MHz的正弦波,切割后的脉冲宽度将小于8ns,最后得到的脉冲束的重复频率为4.4MHz.     

70MHz连续波质子束脉冲化装置

为了进行强流回旋加速器关键技术研究, 中国原子能科学研究院建立了一个强流回旋加速器综合试验装置. 中国原子能研究院将在这个回旋加速器综合试验装置上建立强流脉冲化实验装置, 目标是实现几十至百keV量级的强流束的脉冲化. 具体是将70MHz连续波负氢束脉冲化为重复频率1—8MHz, 脉冲宽度约为10ns的脉冲质子束. 脉冲化装置将主要包括束流切割器和聚束器两大系统. 聚束器采用频率为70.487MHz的双间隙单漂移栅网结构, 可以将直流束压缩到±30°的回旋加速器高频接受相宽之内. 束流切割器将采用频率为2.2MHz的正弦波, 切割后的脉冲宽度将小于8ns, 最后得到的脉冲束的重复频率为4.4MHz.     

医用重离子回旋加速器径向探针系统（英文）

武威和兰州重离子加速器使用回旋加速器作为其注入器。回旋加速器为该装置的同步加速器提供10μA的碳离子束流以满足其物理需求。而径向探针则是安装在回旋加速器内部实现束流流强和圈图测量的重要束诊元件。径向靶头上的束流信息经前端电子学拾取后会进一步进入数据采集系统,最终实现回旋加速器的束流流强和圈图测试。其中,径向探针的前端电子学采用皮安表,数据采集系统基于实时操作系统和FPGA技术。介绍了径向探针的机械结构设计,并分析了探头有无水冷结构的热结构;描述了控制系统软硬件架构,可以实现10 kHz的数据和位置信息的同步采集。最后,还介绍了探针机械和控制系统的实验室测试和验收标准以及在束测量结果。     

基于PID算法的磁场闭环控制技术研究

已有的束流磁场控制方法大多采用开环的方式,即根据磁场需求直接设置磁铁电源输出的电流或电压值.但开环状态的磁场在现场噪声以及磁铁自身涡流效应的影响下,极容易发生偏移.针对此问题,设计了基于PID算法的磁场闭环控制系统.该系统以偏转磁铁为控制对象,使用霍尔传感器获取磁场值作为反馈,磁铁电源励磁电流的输出作为控制系统的输入量...