加速器驱动次临界系统注入器Ⅰ束测系统（英）

加速器驱动次临界系统注入器Ⅰ,包括ECR离子源、低能传输线、射频四极加速单元、中能传输段和超导腔,注入器Ⅰ出口能够获得能量10 MeV的强流质子束流。为了调束和运行的需要,注入器Ⅰ将安装束流位置测量、束流截面测量、束流流强测量、束流发射度和能量测量,以及束流损失测量等束流参数测量装置。介绍了这些束流测量系统设计及其他方面的一些考虑。     

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.     

中国散裂中子源直线射频功率源系统的研制

中国散裂中子源加速器质子束流加速能量为1.6 GeV,重复频率为25 Hz,撞击固体金属靶产生散射中子,一期工程的打靶束流功率为100 kW。直线加速器的设计束流流强为15 mA,输出能量为81 MeV。射频加速和聚束系统包括一台射频四极场加速器、中能束流传输线的两个聚束器、四节漂移管直线加速器加速腔和直线-环束流传输线的一个散束器,与之相对应,共有8个单元在线运行的射频功率源为其提供所需的射频功率。目前,直线射频功率源系统预研项目已全部完成,各项性能参数均已达到设计指标,当前正处在批产安装调试阶段。151013     

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。     

ADS强流质子加速器低能传输段发射度匹配研究北大核心CSCD

研制了一套强流质子源及低能传输线(LEBT)注入器用于ADS质子直线加速器。质子源产生35 ke V强流束经过低能传输段聚焦进入射频四极(RFQ)入口。低能传输段不匹配是强流RFQ中引起束流丢失的主要原因。不同加速段的束流匹配是减少束流损失与抑制发射度增长的重要手段。束流损失导致RFQ电极表面受热变形进而引起高频打火,降低RFQ长期运行的稳定性。针对以上问题,研究LEBT发射度在不同的实验条件下如何实现加速器更好的匹配。研究结果表明,LEBT出口束流在35 ke V,10 m A下,束流发射度小于0.2πmm·mrad,当LEBT螺线管电流为210和270 A时,束流在RFQ入口满足匹配条件。     

ADS强流质子加速器低能传输段发射度匹配研究

研制了一套强流质子源及低能传输线(LEBT)注入器用于ADS质子直线加速器。质子源产生35 ke V强流束经过低能传输段聚焦进入射频四极(RFQ)入口。低能传输段不匹配是强流RFQ中引起束流丢失的主要原因。不同加速段的束流匹配是减少束流损失与抑制发射度增长的重要手段。束流损失导致RFQ电极表面受热变形进而引起高频打火,降低RFQ长期运行的稳定性。针对以上问题,研究LEBT发射度在不同的实验条件下如何实现加速器更好的匹配。研究结果表明,LEBT出口束流在35 ke V,10 m A下,束流发射度小于0.2πmm·mrad,当LEBT螺线管电流为210和270 A时,束流在RFQ入口满足匹配条件。     

750 keV射频四极注入器束流动力学设计

 描述了一台750 keV,201.25 MHz的射频四极注入器束流动力学设计。在考虑与35 MeV质子直线加速器匹配、功耗小、传输效率高等原则的基础上,提出了加速器的技术要求。给出了两套设计方案的主要参数和设计结果。分析了能散度、发射度、Twiss参数、注入流强和能量等参数在非理想匹配条件下对束流传输效率的影响。比较了两套方案的异同点。模拟计算结果表明,两套设计方案均可以满足物理要求,传输效率都在99.3%以上。     

APTR质子同步加速器RFQ直线注入器的优化设计

为实现质子治疗装置的国产化和小型化,基于已完成安装调试的上海先进质子治疗装置(APTR),开展质子治疗注入器系统的升级设计研究,利用PARMTEQM设计软件和快聚束策略,针对APTR同步加速器RFQ直线注入器进行动力学设计模拟。RFQ工作频率为325 MHz,流强18 mA,对从离子源引出的低能质子束流进行匹配俘获、横向聚焦、纵向聚束和预加速,引出能量为3.0 MeV。通过优化预注入器RFQ动力学设计方案和极头参数,有效避免参数共振,减小束流损失,使其整体传输效率达到98.0%,在水平和垂直方向上的发射度增长分别为1.2%和3.3%,出口束流满足下一级腔体的注入需求,开展设计模拟验证和相关冗余度分析,为质子同步加速器的治疗设备和直线注入系统提供参照依据。     

RFQ加速器同时加速同荷质比正负离子的实验研究

阐述了利用北京大学26MHz 300keV整体分离环高频四极场(ISR RFQ)加速器同时加速同荷质比正负离子的研究结果.分别用O⁺和O^－离子的连续束以及脉冲束同时注入,均实现了RFQ加速器对同荷质比正负离子的同时加速.用快靶测得的经RFQ腔同时加速后形成的O⁺及O^－离子微脉冲束与预想的正负氧离子微脉冲束相位关系完全一致.证实了同时加速时得到的氧离子束总和明显高于单加速一种离子时得到的氧离子束.在国际上首次实现了用RFQ加速器同时加速同荷质比的正负离子.     

低能、强流质子圆形加速器共振现象的模型研究

详细讨论了低能强流质子圆形加速器中质子穿越整数及半整数共振点的现象.通过对注入能量为1MeV,加速电压分别为1kV和2kV时的模拟计算,确定了束流安全穿越整数及半整数共振点对二极铁和四极铁加工误差的要求.     

离子源注入型IH加速腔冷测与调谐

离子源注入型IH加速器有望发展成为一种紧凑型低功耗离子加速器,为有效验证该加速结构的束流俘获效率,中国工程物理研究院流体物理研究所设计了一套将质子束从0.04 MeV加速到2.0 MeV的IH加速腔。目前已经完成了该腔的腔体加工,开展了高频参数冷测及腔体调谐研究。通过漂移管调谐和电感调谐,减小了腔体的频率误差和加速电压分布误差。模拟计算实测电场下腔体的束流俘获效率,由调谐前的16%提高到调谐后的34%。冷测调谐结果表明,该加速腔的各项参数达到设计值,具备进行功率测试和束流测试的条件。     

医用质子加速器注入器7 MeV漂移管直线加速器的设计

 针对质子治癌直线加速器功耗少、长度短的要求,设计了一台工作频率为324 MHz的漂移管型质子直线加速器(DTL)。该DTL把粒子从2.5 MeV加速到7 MeV,功耗为265 kW, 总长1.9 m。横向聚焦采用FODO结构,漂移管内放置永磁铁。提出一种新的束流匹配方案,在射频四极场加速器(RFQ)与DTL之间不设束运线,而是以 DTL入口处的4个单元为匹配段,把RFQ出口处相椭圆匹配到DTL周期结构入口处的相椭圆。 用PARMILA程序对该DTL进行了动力学模拟,结果表明该方案的束流发射度增长很小。     

CIAE重离子加速器物理研究平台

中国原子能科学研究院正在规划中的重离子加速器物理研究平台的基本方案是在 现有的HI-13串列加速器的后端新建一台能量增益为18MeV/q的重离子超导直线加速器.超导直线加速器包括: 36个铜铌溅射型四分之一波长(QWR)谐振腔; 9个恒温柜, 及一系列等时性消色散束流传输系统. 同时配套建设一条与现有的HI-13串列加速器相并列的重离子四杆型射频四极加速器——RFQ和交叉手指型漂移管直线加速器IH-DTL接受来自ISOL的正离子束,然后直接注入到超导直线加速器.     

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。     

中国加速器驱动次临界系统主加速器初步物理设计

中国加速器驱动次临界系统（C-ADS）计划采用一个平均流强为10 mA的连续波质子加速器作为次临界堆的驱动器,驱动加速器的束流功率为15 MW,最终能量1.5 GeV,其中主加速器是驱动加速器的一个重要部分,完成束流能量从10 MeV到1.5 GeV的加速,所有加速腔均采用超导结构。为了避免频繁束流中断对反应堆的损坏,设计要求驱动加速器在运行过程中束流可以中断的次数非常有限,因此加速器在设计过程植入了容错机制,尝试了各种可能的方法以最大程度地满足C-ADS加速器的高可靠性和稳定性的要求。介绍了C-ADS主加速器的基本设计: 总长度306.4 m, 束流的归一化RMS发射度增长控制在5%以内。总结了各个重要参数选择过程中的考虑以及整个加速段多粒子跟踪模拟的束流动力学结果。     

EicC束流冷却方案设计与模拟

对核子内部结构的研究是当前理论和实验研究的重要前沿,高能散射实验是探索核子结构的理想工具。中国科学院近代物理研究所计划在已开建的强流重离子加速器项目(HIAF)的基础上,升级建造中国极化电子离子对撞机(EicC)。EicC将提供质心系能量为15～20 GeV的电子和质子双极化束流,对撞亮度设计指标为2×10³³ cm^-2s^-1,离子束的有效冷却是EicC实现亮度目标的关键。针对离子束流初始发射度大、能量高、流强强的特点,EicC采用两级束流冷却方案,首先在增强器(BRing)中利用常规直流电子冷却器降低离子束流发射度,其次在对撞环(pRing)中采用基于能量回收型直线加速器(ERL)的高能束团冷却系统,抑制对撞过程中的离子束发射度增长。以质子束为例,模拟研究了EicC束流冷却装置中电子束的尺寸、温度、冷却段的磁场和束流光学参数对冷却速率和冷却过程的影响,最终得到了满足亮度要求的束流冷却参数。     

带空间电荷效应的横向发射度测量（英文）

CADS注入器Ⅰ试验装置由中国科学院高能物理研究所承建。其10mA的束流由RFQ结构加速到3.2 MeV,经中能传输段匹配到超导加速结构。为了减小失匹配造成的束流损失,需要测量RFQ出口束流参数,以便调整中能传输段Lattice结构,使束流能匹配进入超导腔。CADS注入器Ⅰ采用丝靶扫四极铁参数的方式测量束流截面并计算RFQ出口Twiss参数。强流加速器在低能段空间电荷力很强,常规的基于矩阵的数据处理方法会带来误差。本文分别用常规的未考虑空间电荷效应的矩阵方法和考虑了空间电荷效应的遗传算法对数据进行处理,得到的结果显示低能强流加速器进行Twiss参数测量时,必须考虑空间电荷效应的影响。     

带空间电荷效应的横向发射度测量

CADS注入器Ⅰ试验装置由中国科学院高能物理研究所承建。其10 mA的束流由RFQ结构加速到3.2 MeV,经中能传输段匹配到超导加速结构。为了减小失匹配造成的束流损失,需要测量RFQ出口束流参数,以便调整中能传输段Lattice结构,使束流能匹配进入超导腔。CADS注入器Ⅰ采用丝靶扫四极铁参数的方式测量束流截面并计算RFQ出口Twiss参数。强流加速器在低能段空间电荷力很强,常规的基于矩阵的数据处理方法会带来误差。本文分别用常规的未考虑空间电荷效应的矩阵方法和考虑了空间电荷效应的遗传算法对数据进行处理,得到的结果显示低能强流加速器进行Twiss参数测量时,必须考虑空间电荷效应的影响。     

IH型永磁漂移管加速腔初步设计

设计了一个用于加速低能质子的永磁聚焦IH型漂移管加速腔。通过迭代设计,使得束流通过每个漂移管中心的束流相位与预设值一致。设计的永磁聚焦IH型漂移管加速腔将质子束从0.75 MeV加速到2.5 MeV,长度0.96m,分流阻抗约90 MΩ/m。不考虑束晕和误差因素,50mA流强下该漂移管加速腔中的束流损失可以控制在0.1%量级。     

分离作用射频四极场加速器的结构和工艺设计

 介绍了北京大学分离作用射频四极场(RFQ)加速器的结构特点,包括膜片式电极、支撑环式电极支撑系统、水冷系统、调谐系统及其工艺实现;介绍了基于该分离作用RFQ加速腔进行的调谐测试、高功率实验和束流实验。结果表明:调谐系统的频率调节范围及品质因数完全满足实验要求;分离作用RFQ加速腔的输入功率可以达到33 kW以上,满足高功率下稳定运行的条件;在束流实验中,把1.03 MeV的O⁺入射束流加速到1.65 MeV,半高宽能散小于3%。加速器结构满足物理设计要求,加速系统运行稳定。