100 MeV质子束流品质诊断及剂量测量准确性评估方法研究

质子辐射生物学效应是太空放射生物学和质子束放疗研究的重要基础,可为空间环境下人员的危险性评估以及质子治疗优化设计提供科学依据。依托加速器建立相应的生物样本辐照技术是开展此类研究的前提条件。中国原子能科学研究院最近建立的100 MeV强流质子回旋加速器提供的中能质子束流为目前国内能量最高,特别适合用于太空放射生物学和质子治疗相关研究。本研究中,利用在束和离线等多种手段建立了中能质子束流诊断和剂量测量方法,对加速器引出的100 MeV质子照射野大小、均匀性等束流品质以及剂量测量系统准确性进行了分析和评估。结果表明,对光子剂量响应好的LiF(Mg, Ti)热释光探测器,对90 MeV质子同样具有良好的剂量响应关系,可作为中能质子剂量准确性评估的手段之一。在5.0 cm×5.0 cm照射野范围内,加速器引出的100 MeV质子束流的均匀性好于90%,在线剂量测量系统准确性好于93%,束流品质和剂量测量条件基本满足辐射生物学的要求,可为质子辐射生物学效应研究的开展提供可靠保障。     

HIRFL-SFC采用平顶波加速的模拟研究

近代物理研究所针对改善兰州重离子加速装置注入器(HIRFL-SFC)引出束流的品质,将主要考虑改进高频系统以提高Dee盒的加速电压、增加一个相位狭缝和采用平顶波加速等。其中采用平顶波加速可以有效地减小扇形聚焦回旋加速器(SFC)引出束流的能散并且提高其自身的传输效率。采用回旋加速器束流模拟程序AGORA对SFC进行模拟计算,并比较有无平顶波加速系统下束流品质的变化。结果表明,采用平顶波加速后,SFC的引出束流能散明显减小,而且在引出偏转板入口处束流的径向尺寸及圈间距满足单圈引出的条件。     

SFC新引出系统的物理设计研究

兰州重离子加速器(HIRFL)是一个回旋加速器组合系统. 它的注入器是K=69的扇聚焦回旋加速器.在十多年运行过程中, 曾做过两次较大的改进, 使加速的束流种类及流强都有了显著的改善.但由于SFC的引出效率比较低, 只有30%左右, 一方面损失了大量束流, 另一方面许多束流损失在引出静电偏转板上, 造成了大量出气, 破坏了真空, 难以维持长期大束流运行. 文章重新对SFC引出系统进行了物理设计研究, 在真实磁场的基础上做了大量计算工作, 得到了一个新的引出 系统方案.     

15—20mA负氢离子源的设计与加工

离子源是强流质子回旋加速器的核心设备之一, 它的性能指标对最终束流大小和质量都有重大影响. 文章介绍了一种运用于强流质子回旋加速器上的多峰场负氢离子源的设计与加工情况, 该离子源主要是通过深入研究高密度等离子体产生技术、长寿命大直流灯丝电子发射技术、磁约束技术、虚拟过虑技术、残留气体与电子剥离的控制技术, 以及离子引出技术等, 在中国原子能科学研究院原有10mA离子源基础上建立负氢离子源, 实验研究低能、强流束的实验匹配与调试技术, 将平均引出束流提高到15—20mA.     

不同薄膜材料对α束流性能影响的模拟研究

由于回旋加速器引出的束流能量固定,为了满足不同实验对束流能量的不同需求,需要对束流的能量进行调节.为此,研究了利用薄膜材料对束流能量进行改变的可行性.用SRIM程序分析计算了30 MeVα束流(回旋加速器引出能量)穿过金刚石、铝和铜材料后的射程,确定了材料厚度与所需能量之间的关系.利用G4Beamline程序计算了束流...     

230MeV质子回旋加速器超导线圈拉杆结构研究

该院承研的230Me V质子回旋加速器是中核集团在研的质子治疗系统的核心装置。230Me V质子回旋加速器具有常温铁轭与4叶片螺旋扇磁极结构,采用超导线圈励磁,具有结构紧凑、运行功耗低的特点。230Me V质子回旋加速器的超导线圈通过拉杆在低温恒温器中进行定位和位置调节。拉杆按照周向位置分4组共12根,每组包括轴向向上、轴向向下、径向3个方向的拉杆。分析了拉杆结构以确保拉杆中各零件满足强度要求,研究了拉杆的调节方法和步骤,并在超导线圈降温过程中对拉杆进行了调节。通过对拉杆结构的研究,保证了超导线圈与常温主磁铁的相对位置关系,为回旋加速器质子束流的顺利引出提供条件。     

CYCIAE型回旋加速器负离子剥离引出的光学行为研究

为了CYCIAE型回旋加速器的剥离靶轴线及旋转角的概念设计,必须对负离子剥离后的光学特性进行研究,基于根据CYCIAE型回旋加速器剥离引出特点编制的程序CYCRS,计算了CYCIAE30加速器不同能量束流引出剥离点的位置,并与实际位置进行比较,证明计算所用的理论及方法是正确的,同时,考察了剥离后的束流空间运动的光学特性.在此基础上,确定了CYCIAE70回旋加速器能量为35—70MeV的束流引出剥离点位置.     

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。     

15——20mA负氢离子源的设计与加工

离子源是强流质子回旋加速器的核心设备之一,它的性能指标对最终束流大小和质量都有重大影响.文章介绍了一种运用于强流质子回旋加速器上的多峰场负氢离子源的设计与加工情况,该离子源主要是通过深入研究高密度等离子体产生技术、长寿命大直流灯丝电子发射技术、磁约束技术、虚拟过虑技术、残留气体与电子剥离的控制技术,以及离子引出技术等,在中国原子能科学研究院原有10mA离子源基础上建立负氢离子源,实验研究低能、强流束的实验匹配与调试技术,将平均引出柬流提高到15-20mA.     

小型医用质子同步加速器的慢引出设计

 围绕北京医用质子同步加速器的方案, 研究设计了1/3整数共振的慢引出系统。利用该系统, 可获得较高的引出效率(大于95% )、较小的引出束流发射度(在静电切割器处, 积分发射度为0.15πmm·mrad)、较窄的引出动量分散(0.12% ) 以及较均匀的引出束流。     

国产首台交变相位聚焦漂移管加速器的冷测与试运行

质子直线注入器是质子治癌系统的重要组成部分。出于项目进度的考虑,上海先进质子治癌示范装置APTRON采用了进口自美国的直线注入器。为了加快质子治癌产业进程,掌握质子放疗关键技术,保证产业链安全可控,注入器团队研发了国产医用质子直线注入器。该直线注入器采用了电子回旋共振（ECR）离子源和四翼型射频四极加速器（RFQ）的技术方案,并在漂移管加速器（DTL）段创新性地采用了交变相位聚焦（APF）结构。在这个过程中,通过研究APF DTL的束流运动规律和设计思想,自主开发了APF DTL的底层物理设计软件,相继完成了物理设计、电磁设计、机械设计、加工建造、腔体冷测、高频老练和载束实验等多个阶段的工作,最终成功引出了7 MeV、7 mA的质子束流。经过束诊系统的测量分析,认定束流中心能量为6.975 MeV,动量分散在±0.35%以内的束流流强为6.07 mA。成为国产首台医用质子直线注入器和首个实现成功载束的APF加速腔。     

100 MeV强流质子回旋加速器束流调试靶系统

中国原子能科学研究院正在建造一台100 MeV,200 A的强流质子回旋加速器,需要使用束流调试靶来调试加速器,为此设计了一套束流功率为20 kW的质子束调试系统。对该系统的束流输运线、靶材料的选取、靶结构、水冷计算、屏蔽结构等作了介绍。给出了整条束流输运线的匹配计算结果;通过对质子打靶后的中子产额、角通量、靶的活化等方面的比较,最终选用铝作为靶材料;根据加速器引出束流能量和功率,设计了分层式靶结构,同时对靶进行了水冷计算;打靶产生的出射粒子平均能量较高,导致产生的辐射剂量很大,考虑到对环境与工作人员的影响及费用,需要对其进行局部屏蔽,给出了屏蔽计算结果及屏蔽结构的设计。     

BRISOL铝同位素放射性核束的产生

北京放射性核束装置在线同位素分离器(BRISOL)采用100 MeV回旋加速器提供的最大200μA的质子束打靶在线产生放射性核束。在BRISOL上已经使用氧化钙靶、氧化镁靶产生了Na⁺、K⁺等放射性核束。为了产生铝同位素放射性核束,研发了碳化硅靶材,开展了碳化硅靶产生铝放射性核束的实验研究。在BRISOL装置上首次产生了铝同位素放射性核束,其中^26gAl⁺的束流强度为8.7×10⁷ pps,²³Al⁺的束流强度为2.2×10² pps,同时将BRISOL靶能承受的质子束流强提升至15。     

感谢费米实验室

<正>在纪念费米实验室建立50周年的时候,我在费米实验室的工作和生活历历在目,就像发生在昨天……回想起来,我的粒子物理研究生涯还是从费米实验室开始的呢!高能所刚刚成立不久的1978年,正值考虑在我国建造50Ge V质子加速器的时候,美国弗吉尼亚工业学院及州立大学(Verginina Polytechnic Institute and State University)的莫伟教授来访,提出邀请中     

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。     

兰州重离子加速器建成出束

我国第一个大型重离子加速装置——兰州重离子加速器,于1988年12月12日联调成功,引出50MeV/A的_(12)C~( 6)离子束流。 该加速器系统由注入器(SFC)、主加速器(SSC)、8个实验终端和前后束流输运线组成。注入器是一台能量常数K=69的1.7m扇聚焦回旋加速器,     

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.     

高能报国 不负此生——怀念我的老师谢家麟先生

正2016年2月20日8:12分,我的老师、中国科学院高能物理研究所谢家麟院士驾鹤西去时,我再一次深深感受到了时空流变的力量,它使人相遇,使人分离。说起我与谢先生的第一次近距离接触,还得从1978年入学后不久清华大学工程物理系加速器教研组安排学生们到中国科学院高能物理研究所的参观活动说起。那时,高能所正积极开展在昌平筹建的50 Ge V质子同步回旋加速器("八七工程")的预制研究工作。实验室参观给我留下最为深刻的印象就是办公桌上那一摞一摞、厚厚     

医用重离子回旋加速器引出系统设计

紧凑型回旋加速器作为重离子医学专用装置同步加速器的注入器,其引出系统设计所用的磁场为TOSCA模型计算磁场。通过单粒子轨道计算确定引出系统的元件类型及基本参数;通过多粒子跟踪确定最终的元件参数和束流参数。为了提高引出效率,改善引出束流品质,在引出位置磁场梯度较大的位置,安放了一块C型磁铁,以改善此处的磁场梯度。同时,为了消除此C型磁铁对主磁场的影响,在此区域安放了一对线圈。计算结果表明引出系统的设计能够保证引出束流的强度和品质符合同步加速器的要求。     

兰州重离子加速器综述

兰州重离子研究装置(HIRFL)是由离子源,注入器(扇聚焦回旋加速器,SFC)和主加速器(分离扇回旋加速器,SSC)组成的。由离子源产生的束流经过注入器SFC的预加速后,通过前束流线注入到主加速器SSC,束流在主加速器加速到最大能量后,由后束流线送到各个实验终端。本文首先介绍了HIRFL的建造过程、束流特性和主要结构。然后描述了SSC和束流线的调束过程、调束方法及运行状态。最后展望了HIRFL广泛的应用前景。