100MeV強(qiáng)流回旋加速器質(zhì)子束流管道的初步設(shè)計(jì)

正100mev強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器是原子能院串列加速器升級(jí)工程最關(guān)鍵的主工藝設(shè)備,其中主磁鐵鑲條(簡(jiǎn)稱鑲條)是回旋加速器的重要部件之一,通過對(duì)鑲條的墊補(bǔ)形成回旋加速器的等時(shí)性磁場(chǎng)。鑲條在磁場(chǎng)測(cè)量與墊補(bǔ)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(jìn)

cyciae-100強(qiáng)流回旋加速器因?yàn)槠浯艠O間氣隙小,主磁鐵的內(nèi)部缺陷、機(jī)械加工的誤差和安裝誤差等因素對(duì)中心平面的磁場(chǎng)分布的影響就相對(duì)明顯,因此需要對(duì)主磁鐵的磁場(chǎng)進(jìn)行精確測(cè)量與墊補(bǔ)。磁場(chǎng)精確測(cè)量的基礎(chǔ)是要設(shè)計(jì)一套高精度的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x,本文對(duì)這套磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述。1磁場(chǎng)測(cè)量的要求100mev回旋加速器主磁鐵磁場(chǎng)測(cè)量要求設(shè)計(jì)一套精密的、高度自動(dòng)控制的磁場(chǎng)測(cè)量裝置以及

本工作研究計(jì)算中國(guó)原子能科學(xué)研究院目前正在設(shè)計(jì)、建造中的100mev強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器cyciae-100主磁鐵電磁力。計(jì)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(chǎng)三維有限元分析程序計(jì)算得到緊湊型等時(shí)性回旋加速器主磁鐵電磁場(chǎng)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(jì)算程序,詳細(xì)研究磁極和磁軛受到的電磁吸力。兩種方法的計(jì)算結(jié)果接近。計(jì)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(jì)算結(jié)果為主磁鐵結(jié)構(gòu)變形計(jì)算和結(jié)構(gòu)方案選取提供了依據(jù)。

100mev強(qiáng)流回旋加速器及束流管道系統(tǒng)(cyciae-100)工程計(jì)劃建設(shè)1臺(tái)能量為75～100mev、質(zhì)子束流強(qiáng)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(diǎn)完成了初步設(shè)計(jì),并開展施工設(shè)計(jì)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(yàn)項(xiàng)目。

在中國(guó)原子能科學(xué)研究院提議的串列加速器升級(jí)工程中,將建造一臺(tái)100mev強(qiáng)流負(fù)氫回旋加速器。作為必要的預(yù)先研究,我們計(jì)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(fù)氫離子加速到10mev,除了作為強(qiáng)流回旋加速器的先進(jìn)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(qiáng),將會(huì)有更高的放射性核素產(chǎn)額,預(yù)計(jì)一臺(tái)這樣的加速器,將能滿足國(guó)內(nèi)任何一個(gè)城市對(duì)~(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(jí)工程技術(shù)部的重點(diǎn)工作著力推進(jìn)。在2007年,主要開展了設(shè)計(jì)和工程施工。

cyciae-100主磁鐵主要包含4對(duì)磁極、4個(gè)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(jìn)展的一年,通過對(duì)主磁鐵蓋板和磁軛毛坯件的重要指標(biāo)之一的磁性能進(jìn)行測(cè)試,蓋板和磁軛的毛坯件順利地通過了驗(yàn)收;與中信重機(jī)簽訂了主磁鐵機(jī)械加工合同;鑲條和芯柱鍛件毛坯采購(gòu)順利完成。主磁鐵機(jī)械加工取得重要進(jìn)展。

分離扇回旋加速器等時(shí)性磁場(chǎng)建立的通用方法是kb-kr法[1],但這種方法需要建立在磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上,即需要建立kb-kr函數(shù)庫(kù)。在缺乏這種數(shù)據(jù)庫(kù)的情況下,我們?cè)诟拍钤O(shè)計(jì)中采用經(jīng)驗(yàn)公式近似磁極邊緣場(chǎng)構(gòu)造了1臺(tái)800mev螺旋形分離扇回旋加速器的等時(shí)性磁場(chǎng)。

0引言pettrace回旋加速器束流準(zhǔn)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(zhǔn)直器開口長(zhǎng)×寬為10mm×10mm,如圖1所示,其作用主用有2個(gè)方面:(1)限定束流截面大小,刮去束流散射拖尾;(2)由于準(zhǔn)直器對(duì)地絕緣,束流分析器檢測(cè)上下2片準(zhǔn)直器上電流大小并據(jù)此調(diào)整束流位置,以使2片準(zhǔn)直器束流一致[1]。1故障現(xiàn)象

50中國(guó)原子能科學(xué)研究院年報(bào)2005 1630mev醫(yī)用回旋加速器束流輸運(yùn)系統(tǒng)升級(jí)改造設(shè)計(jì) 魏素敏，張?zhí)炀簦钫駠?guó)，儲(chǔ)誠(chéng)節(jié)，邢建升，姚紅娟，賈先祿， 鐘俊晴，吳隆成，潘高峰，葛濤 中國(guó)原子能科學(xué)研究院研究建成的我國(guó)第1臺(tái)強(qiáng)流醫(yī)用回旋加速器cyciae-30是1臺(tái)能量在 15～30mev范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)、加速負(fù)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(guó)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(yùn)系統(tǒng)升級(jí)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(qiáng)流回旋加速器cyciae-100,為了維持安裝在相對(duì)兩個(gè)谷區(qū)內(nèi)的1對(duì)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(duì)水冷系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì),本文以高頻腔dee板的水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化為例進(jìn)行說明。

螺旋型偏轉(zhuǎn)板的主要工作原理是電場(chǎng)作用力始終保持與中心粒子的運(yùn)動(dòng)軌道相垂直,由于中心區(qū)磁場(chǎng)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(qiáng)流回旋加速器綜合試驗(yàn)裝置(簡(jiǎn)稱crm)的軸向注入線設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(zhǔn)直器,以及輔助的石英屏和擋束靶等,實(shí)驗(yàn)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(hù)后面的聚焦

強(qiáng)流回旋加速器綜合試驗(yàn)裝置的主體是一臺(tái)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(chǎng)的非理想分布,因此有必要對(duì)其中心平面的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和墊補(bǔ).本文主要講述該綜合試驗(yàn)裝置的霍爾感應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用;通過磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)分析進(jìn)行鑲條的再加工,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)等時(shí)性磁場(chǎng)和束流的縱向聚焦的墊補(bǔ);研究與實(shí)踐了一種對(duì)磁場(chǎng)一次諧波進(jìn)行墊補(bǔ)的方法,墊補(bǔ)的結(jié)果滿足了設(shè)計(jì)的要求.

強(qiáng)流回旋加速器綜合試驗(yàn)裝置的主體是一臺(tái)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(chǎng)的非理想分布,因此有必要對(duì)其中心平面的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和墊補(bǔ).本文主要講述該綜合試驗(yàn)裝置的霍爾感應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用;通過磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)分析進(jìn)行鑲條的再加工,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)等時(shí)性磁場(chǎng)和束流的縱向聚焦的墊補(bǔ);研究與實(shí)踐了一種對(duì)磁場(chǎng)一次諧波進(jìn)行墊補(bǔ)的方法,墊補(bǔ)的結(jié)果滿足了設(shè)計(jì)的要求.

強(qiáng)流回旋加速器綜合試驗(yàn)裝置上安裝使用的離子源是外部多峰場(chǎng)負(fù)氫離子源,于2003年完成了調(diào)試,在2007年進(jìn)行了電源系統(tǒng)和真空系統(tǒng)的改進(jìn)并安裝應(yīng)用于綜合試驗(yàn)裝置上。經(jīng)多年的運(yùn)行,離子源引出的束流品質(zhì)明顯下降,在2008年對(duì)離子源放電腔壁內(nèi)的永久磁鐵進(jìn)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(yùn)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(jìn)行了磁場(chǎng)測(cè)量。

52中國(guó)原子能科學(xué)研究院年報(bào)2005 圖1不同溫升引起的磁極對(duì)稱線磁場(chǎng)變化 實(shí)線——50°；虛線——20° 圖2不同溫升引起的平均磁場(chǎng)變化 實(shí)線——50°；虛線——20° 可見，由于磁鐵溫升慢漂移引起的磁場(chǎng)變化量較大，這必須通過調(diào)節(jié)線圈系統(tǒng)來補(bǔ)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)炀簦娍∏? 在cyciae-100回旋加速器的整體設(shè)計(jì)中，滿足各種束流動(dòng)力學(xué)要求的磁場(chǎng)分布的實(shí)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(yán)重影響中心平面及其附近的磁場(chǎng)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(duì)研究對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)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(duì)復(fù)雜的問題進(jìn)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(shí)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(gè)模型，來解決回旋加速器的問題。

cyciae-30為中國(guó)原子能科學(xué)研究院于1994年研究建成的我國(guó)第1臺(tái)醫(yī)用強(qiáng)流回旋加速器,多年來,每年開機(jī)供束時(shí)間約為5000h,基本上滿足了國(guó)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(guó)原子能科學(xué)研究院承擔(dān)核能開發(fā)科研項(xiàng)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(yùn)線的基礎(chǔ)上開展了束流輸運(yùn)系統(tǒng)的升級(jí)改造方案設(shè)計(jì),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(duì)加速器的物理設(shè)計(jì)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(zhǔn)確測(cè)量,是確定加速電壓的峰值與分布的有效途徑,其難點(diǎn)在于測(cè)量方法或?qū)植侩姶艌?chǎng)有擾動(dòng),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(jì)了先進(jìn)的測(cè)量方案,采用了特殊設(shè)計(jì)的阻抗探針,獲得了強(qiáng)流回旋加速器綜合試驗(yàn)裝置的加速電壓分布。同時(shí)使用同樣的方法,對(duì)100mev回旋加速器金屬實(shí)驗(yàn)腔體的電壓分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,該結(jié)果與三維計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果對(duì)比,相對(duì)誤差小于1%。

簡(jiǎn)要闡述了回旋加速器機(jī)房建設(shè)中各專業(yè)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)原則及要求,并運(yùn)用實(shí)例分析的方法論述了解決特殊場(chǎng)地機(jī)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(guó)家法律法規(guī)及設(shè)備場(chǎng)地安裝要求分析了機(jī)房設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)應(yīng)考慮的原則等,提出具體機(jī)房建設(shè)要求。