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超导回旋加速器引出束流损失研究及关键引出器件的设计

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超导回旋加速器引出束流损失研究及关键引出器件的设计

作者：胡胜伟华中科技大学

学位级别：硕士

在癌症肿瘤治疗领域,质子治疗以其独特的剂量分布优势和良好的生物临床表现正获得越来越多的关注。我国近年来也在大力发展质子治疗相关技术,并将“基于超导回旋加速器的质子治疗装备研发”项目列为十三五首批重点研发计划。引出系统是... 详细信息

在癌症肿瘤治疗领域,质子治疗以其独特的剂量分布优势和良好的生物临床表现正获得越来越多的关注。我国近年来也在大力发展质子治疗相关技术,并将“基于超导回旋加速器的质子治疗装备研发”项目列为十三五首批重点研发计划。引出系统是超导回旋加速器设计挑战性最大的子系统之一,它直接决定着引出束流的效率和品质。由于超导回旋加速器的主磁场强度很高,束流在引出区域圈距极小甚至包络重叠,因此在引出区域损失的可能性极大,带来强烈的热效应和辐射效应。热效应造成引出器件的结构变形甚至破坏;辐射效应造成器件的活化,甚至引发超导磁铁失超,影响加速器安全运行。因此,从稳定运行和降低维护成本的角度,引出束流损失的控制至关重要。本文提出了一种超导回旋加速器引出系统的设计方案,给出了谐波线圈、静电偏转板、磁通道这些关键引出部件的设计参数。对于谐波线圈,给出了空间布置方式;对于静电偏转板,提出了完整的工程设计方案,对偏转板的束流偏转电磁性能进行评估,同时设计一套高压实验平台研究其放电现象;对于磁通道,本文也完整提出了该器件的组合方式以及结构参数。针对束流损失产生的热效应,本文利用ANSYS有限元软件对因束流损失导致受热后的偏转板进行了热流固耦合分析。研究水冷流量、切割板厚度以及切割板材料几种因素对热效应的影响,确定了水冷流量0.2-0.4L/min的最佳区间,切割板材料选择钨时温度最低且形变量最小。针对束流损失产生的辐射效应,在精确定义束流参数的前提下,本文利用Geant4软件模拟束流撞击切割板产生的核反应。对比了不同切割板材料受质子束流轰击后的能量沉积,同时计算了次级粒子的产出率、能量分布以及空间角度通量分布。这些结果为引出系统的后续设计完善提供了有效参考,也为超导加速器的辐射防护设计积累了前期计算经验。

关键词：质子治疗超导回旋加速器引出束流损失热效应辐射效应

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超导回旋加速器主磁场设计及运行稳定性分析

超导回旋加速器主磁场设计及运行稳定性分析

作者：闫岩华中科技大学

学位级别：硕士

癌症作为世界上致死率最高的疾病之一,其治疗已成为医疗领域的一大难题。根据统计,大约70%的癌症需接受放射治疗。放射线的物理剂量分布和生物效应直接影响治疗的精度和效果。质子具备的“布拉格特性”可以实现对其剂量的精确控制。借... 详细信息

癌症作为世界上致死率最高的疾病之一,其治疗已成为医疗领域的一大难题。根据统计,大约70%的癌症需接受放射治疗。放射线的物理剂量分布和生物效应直接影响治疗的精度和效果。质子具备的“布拉格特性”可以实现对其剂量的精确控制。借助于良好的生物效应,质子治疗成为目前癌症治疗领域最有效的手段之一。质子治疗系统是将物理、机械、电气、医学等多学科融合的高新技术产物,而加速器作为其核心部件,性能至关重要。超导回旋加速器以其结构紧凑,运行稳定,束流连续等特点成为质子治疗领域的主流。研制超导回旋加速器需要解决粒子持续注入、稳定加速和高效率引出等问题。本文基于一台250MeV的等时性超导质子回旋加速器,借助束流动力学理论,着重研究等时性磁场设计、磁场失稳补偿策略和束流引出相位检测方法等,具体包括:(1)根据等时性磁场设计理论完成主磁铁设计。利用虚拟材料和电磁场模拟软件OPERA实现2D模型的等时性磁场验证;建立3D模型并借助等时性迭代方法完成磁场的最终设计,其中重点分析了磁极边缘切削获取等时性磁场的方法。借助束流动力学计算软件CYCLOPS、CYCLONE进行磁场等时性的验证,结果显示等时性磁场误差小于10 Gs,满足精度要求,束团积分相移被控制在10以下。采用优化的磁极结构,可以使束流快速穿越或避开危险共振线,并提高了束流的加速效率。根据进动引出理论,利用磁极切削法获得谐波磁场,将一次谐波磁场幅值调整为15 Gs,相位为135,获得约7mm的引出圈距。(2)分析磁场不稳定因素并提出相应的补偿策略。借助Solid works进行了磁体的形变分析,并使用OPERA模拟了磁特性变化和涡流效应对等时性磁场的影响。结果显示磁体形变引起的最大磁场变化为1.2×10T,而涡流效应则与电流变化率有关。利用CYCLONE进行了磁场补偿策略的分析验证,结果表明调整线圈电流的方法优于调整谐振腔参数。(3)束团相位检测是磁场反馈控制的基础。结合束流动力学理论分析了束团的运动特点,选用电容式探针,并借助电磁仿真分析软件CST模拟信号提取过程,根据信号特征解析获得了携带引出束团相位信息的信号。利用Simulink模块对信号处理系统进行了设计和仿真,并通过FIR滤波、I/Q解调等方法将相位检测误差控制在0.5以下。

关键词：超导回旋加速器主磁场设计运行稳定性相位检测

质子治疗用超导回旋加速器SCC250中心区物理设计与研究

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质子治疗用超导回旋加速器SCC250中心区物理设计与研究

作者：曾志杰华中科技大学

学位级别：硕士

当前中国,癌症新增病例和死亡人数世界第一,且数值在不停地攀升。癌症治疗装置的需求量急剧增加,成为我国医疗体系的刚性需求。放疗是治疗癌症的三种主要方法之一。质子治疗的剂量分布具有布拉格峰特性,相比于光子放疗,质子治疗能更精... 详细信息

当前中国,癌症新增病例和死亡人数世界第一,且数值在不停地攀升。癌症治疗装置的需求量急剧增加,成为我国医疗体系的刚性需求。放疗是治疗癌症的三种主要方法之一。质子治疗的剂量分布具有布拉格峰特性,相比于光子放疗,质子治疗能更精准地杀死癌细胞。华中科技大学在国家科技部和政府的大力支持下,与多个机构共同承担“基于超导回旋加速器的质子放疗装备研发”项目,研发用于癌症治疗的质子放疗系统。该系统中,回旋加速器使用冷阴极PIG内离子源并且采用超导线圈进行励磁,从而减小尺寸以实现紧凑型设计,最终引出能量250 MeV、流强500 nA的质子束流。但是这种紧凑型设计压缩了中心区尺寸,增加了中心区设计的难度。本文围绕中心区物理设计以及相关束流动力学问题展开研究。本文首先对超导回旋加速器SCC250中的束流动力学问题进行了简单介绍和讨论。介绍了回旋加速器中的径向和轴向运动稳定性问题,研究了磁场的等时性,揭示了一次谐波对静态平衡轨道中心的影响。为比较和验证束流跟踪代码的可靠性,并为后续中心区结构设计提供参考,编写了MATLAB程序,用于计算静磁场与高频加速电场共同作用下的束流轨迹。然后对不同束流跟踪程序进行了对比,发现计算结果的一致性较好。之后研究了不同初始条件对束流参数的影响。本文重点在于对超导回旋加速器SCC250中心区的设计与研究,在设计过程中主要考虑束流对中、径向和轴向聚焦等问题。针对初步设计的中心区结构,利用有限元分析软件OPERA/TOSCA计算电磁场分布,然后利用Z3CYCLONE进行束流动力学计算。根据束流跟踪结果,迭代优化中心区电极与磁极结构,得到最终优化的中心区结构,并利用相关软件研究其束流对中、径向振荡、轴向振荡、径纵向耦合等问题,完成了超导回旋加速器SCC250中心区的初步设计与优化。

关键词：超导回旋加速器中心区束流动力学

300MeV/A H_2^+可变能量超导回旋加速器束流引出物理设计研究

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原子能科学技术 2017年第2期51卷 360-365页

作者：张东昇李明张天爵王川杨建俊魏素敏安世忠中国原子能科学研究院串列加速器升级工程部北京102413

针对单粒子效应测试对质子束能量的要求,中国原子能科学研究院设计了一台300 MeV/A H_2^+超导回旋加速器,该加速器使用超导线圈实现主磁铁小型化,剥离引出H_2^+离子获得可变能量的质子束。通过调节剥离点位置和分析剥离后质子的轨迹与... 详细信息

针对单粒子效应测试对质子束能量的要求,中国原子能科学研究院设计了一台300 MeV/A H_2^+超导回旋加速器,该加速器使用超导线圈实现主磁铁小型化,剥离引出H_2^+离子获得可变能量的质子束。通过调节剥离点位置和分析剥离后质子的轨迹与束流包络,对该加速器引出过程的束流动力学进行了研究,完成了引出过程的物理设计。结果表明,此台加速器可在205~240 MeV、265~300 MeV内连续变能量引出质子,在更低能量范围内有单能量点引出质子的能力。

关键词：单粒子效应超导回旋加速器 H2^+剥离引出束流动力学

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230 MeV超导回旋加速器高频腔体的研制

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原子能科学技术 2019年第9期53卷 1552-1557页

作者：纪彬殷治国邢建升曹学龙张天爵李鹏展赵振鲁付晓亮魏俊逸宫鹏飞郭娟娟中国原子能科学研究院回旋加速器研究设计中心

中国原子能科学研究院目前正在研制一台用于质子治疗的230MeV超导回旋加速器。本文设计用于230MeV超导回旋加速器的高频腔体,其采用螺旋结构,由4个腔体组成,高频系统采用二次谐波加速,高频腔体工作频率约71.25MHz。4个半波长的电容加载... 详细信息

中国原子能科学研究院目前正在研制一台用于质子治疗的230MeV超导回旋加速器。本文设计用于230MeV超导回旋加速器的高频腔体,其采用螺旋结构,由4个腔体组成,高频系统采用二次谐波加速,高频腔体工作频率约71.25MHz。4个半波长的电容加载型谐振腔工作于Push-Pull模式,其中两个腔体在中心平面直连,另外两个腔体在中心区下方使用过桥连接,两组腔体之间存在电容耦合,相差180°。在腔体的设计过程中,采用计算机对4腔体进行联合仿真,经优化后,腔体加速电压分布在中心区部分的为75kV,大半径部分的提升至110kV,腔体的无载品质因数仿真结果约8800。为保证腔体的高频性能,腔体主体材料采用无氧铜材料,其加工难度在于上、下外壳需分别焊接成一个整体,同时要控制其形变量。目前,腔体已完成加工,单个腔体的无载品质因数的测试表明,腔体的无载品质因数均好于7000,满足要求。

关键词：超导回旋加速器高频腔体谐振频率无载品质因数

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我国自主研制超导回旋加速器达设计指标 001

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我国自主研制超导回旋加速器达设计指标

中国科学报

作者：陆琦

本报讯（记者陆琦）9月21日，记者从中国原子能科学研究院回旋加速器研究中心获悉，230MeV超导回旋加速器质子束能量首次达到231MeV，达到设计指标。这标志着我国自主研制质子治疗装备迈出关键一步。230MeV超导回旋加速器体积小、功耗... 详细信息

本报讯（记者陆琦）9月21日，记者从中国原子能科学研究院回旋加速器研究中心获悉，230MeV超导回旋加速器质子束能量首次达到231MeV，达到设计指标。这标志着我国自主研制质子治疗装备迈出关键一步。230MeV超导回旋加速器体积小、功耗低、束流强度高、引出的束流为连续束，

关键词：超导回旋加速器质子治疗设计指标自主研制

来源： cnki报纸评论

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重离子加速器的现状和发展趋势(续完)

原子核物理评论 1985年第3期 11-16页

作者： F.G.Resmini ,何易

3.3.2.作为增能器的直线加速器近年来,经过许多实验室的努力,适合于加速低β的重离子的新的加速装置,无论是室温或者是超导加速器,都得到了迅速的发展。这些基本上都是由独立的相共振腔组成,它可以不改变频率而调整宽的速度范围。其结... 详细信息

3.3.2.作为增能器的直线加速器近年来,经过许多实验室的努力,适合于加速低β的重离子的新的加速装置,无论是室温或者是超导加速器,都得到了迅速的发展。这些基本上都是由独立的相共振腔组成,它可以不改变频率而调整宽的速度范围。其结构和常规的直线加速器是有很大的差别。独立腔体对加速具有一个最佳的速度。对室温加速装置,新近发展的共振腔的类型是螺旋型(Heidelberg)和叉指型

关键词：重离子加速器核子直线加速器离子源轴向注入重子粒子源注入器分离扇回旋加速器超导回旋加速器束流电流

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重离子加速器的现状

核物理动态 1984年第1期 17-20页

作者：未宝文

1911年卢瑟福发现原子核以后的约50年中,核反应的入射粒子主要局限于质子、氘、氚、氦核和中子。在轻粒子核反应的实验基础上,发展了两种解释反应机制的理论——复合核模型和直接作用模型(壳结构)。这两种模型都基本上没有考虑核物质的... 详细信息

1911年卢瑟福发现原子核以后的约50年中,核反应的入射粒子主要局限于质子、氘、氚、氦核和中子。在轻粒子核反应的实验基础上,发展了两种解释反应机制的理论——复合核模型和直接作用模型(壳结构)。这两种模型都基本上没有考虑核物质的集体运动。重离子加速器为重离子核反应的发展提供了条件。利用重离子核反应可以研究核物质的集体性质,如粘滞性、形变和压缩性等;由于入射的重离子具有很

关键词：重离子源美国美利坚合众国北美洲重离子核反应重离子加速器束流能量超导回旋加速器超导磁铁电磁铁重离子束

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积分方程法计算超导廻旋加速器磁场

原子能科学技术 1985年第6期 656-660页

作者：王敬国李文华华北电力学院中国原子能科学研究院北京

本文从电磁场基本理论导出磁化积分方程法计算静磁场的公式,在此基础上,以美国密执安州立大学(MSU)的K 500超导迴旋加速器磁场为实例进行了计算,并与测量值比较,结果是比较满意的。

关键词：积分方程法磁场超导回旋加速器