不同能量剥离点位置列于表2

1、不同能量剥离点位置列于表2。3 剥离引出初步设计结果靶杆伸入结构示意图示于图1。靶杆深入位置为（，308 cm），伸入方向为对准主加速器中心方向，剥离靶旋转支点位置位于（，230 cm），左右最小摆动幅度分别为3.36°和3.59°，因此设计要求靶杆从（，308 cm）伸入，伸入主加速器内部长度不小于160 cm，以支点（，230 cm）旋转，摆动幅度±5°。束流引出位置真空室开孔在R=200 cm，为之间。剥离膜厚度为100150 µg/cm2，剥离膜上粒子能量损失率约为21.8 W，温升约为138500 。表2 剥离靶位置参数引出能量E/M

2、eV剥离点位置R/m/°100908070注：开关磁铁位置（R=2.75 m，=100°）图1 靶杆伸入结构示意图14 100 MeV强流回旋加速器质子束流管道的初步设计魏素敏，吕银龙，张天爵，周正和，李振国，储诚节，吴隆成，贾先禄，管峰平，潘高峰，殷治国，侯世刚，葛 涛作为中国原子能科学研究院四大工程之一的串列加速器升级工程，将成为在我国核科学技术领域开展国防、基础和应用的创新性与先导研究的平台。作为其中的重要组成部分，100 MeV强流质子回旋加速器建成后能够提供75100 MeV的质子束流。此回旋加速器建成后，首先利用束流调试管道和束流收集器进行加速器调试，然后根据不

3、同应用的要求，将调试好的束流通过ISOL系统质子管道、同位素研制质子管道、准单能中子源质子管道、白光中子源质子管道、生物医学研究质子管道、单粒子效应质子管道等将质子束传输到各终端用户使用。配合加速器的物理设计，进行了上述7条质子管道的设计，图1是各质子束流管道的整体布局图，目前设计从回旋加速器北引出口引出的束流经过1个±25°的开关磁铁将束流偏转到ISOL、同位素、束流调试3条质子管道，从南引出口引出的束流经过1个±45°的开关磁铁将束流偏转到白光中子源、准单能中子源、生物医学以及单粒子效应4条质子管道。由于每条管道的使用目的各不相同，因此各条管道对束流

4、能量、流强、束斑大小及均匀度的要求也不同，在进行束流光学匹配时需综合考虑这些因素。考虑到强流束的空间电荷效应，选择TRACE 3-D作为本次光学匹配的应用程序。针对每条质子管道对束斑、能量、流强以及束流包络的不同要求，同时考虑到空间的大小，统筹安排了各条质子管道上的各种磁元件以及真空、水冷等其他配套工艺元件。具体的元件布局见图1。图1 100 MeV回旋加速器质子管道布局图针对不同终端用户的要求，利用TRACE 3-D程序分别对这7条质子管道进行了光学匹配，合理调整各个元件的相关参数，最终匹配的大批束流的包络大小、均匀度以及束斑等可满足终端用户的要求。此外，配合质子管道的光学设计，还具体设计了

5、这些质子管道上各个电磁元件如四极透镜、导向磁铁、开关磁铁、偏转磁铁、旋转扫描磁铁以及相关电源等，设计结果可满足光学匹配对这些元件的要求。同时，为了满足工程需要，在物理设计基础上，还进行了大量相关工程工艺的设计。在综合考虑整个质子输运管道整体平面布局的基础上，同时考虑到管道上真空度、剂量等参数的要求，进行了整个质子管道上真空元件（如真空泵、阀门等）、诊断元件（如法拉第筒、截面测量系统等）、控制元件（如ET200M等）、监测元件（如瞬发辐射监测设备、残余辐射监测设备等）的布局设计以及相关配套支持设备如气动、水冷、配电等的设计。目前工程设计已基本完成，将来的施工设计将在此设计的基础上进行。15 10

6、0 MeV强流质子回旋加速器束流输运线上旋转扫描磁铁设计贾先禄，吕银龙，艾长军，张天爵，储诚节，管锋平，邢建升加速器引出束流分布一般都是高斯分布，而在很多束流应用中都需要均匀分布的束流，为此目的设计了旋转扫描磁铁。旋转扫描磁铁形成一垂直于束流传输轴向均匀旋转磁场，在该磁场作用下，通过旋转扫描磁铁的束流也会随磁场的旋转而旋转，从而提高束流的均匀度。其旋转过程如图1所示。图1 束流的旋转过程图根据旋转扫描磁铁的原理，设计了旋转扫描磁铁。旋转扫描磁铁的磁场计算利用有限元计算软件ANSYS程序设计，由于wobbling磁铁的对称结构，计算中选择二维计算磁场。考虑到漏磁的情况，在建模时，根据磁密度适当设

7、计磁轭厚度，在设计中，主要是全面调整磁极的结构与形状，设计不同相位交流电流线圈的空间布置等。同时在模型的剖分中利用四面形单元类型。根据数值计算，某一时刻旋转扫描磁铁中的磁场分布如图2所示，图3示出了已经加工完毕的旋转扫描磁铁。旋转扫描磁铁加工完毕后，对旋转扫描磁铁的磁场值进行测量。由于旋转扫描磁铁的电流为三相交流电，磁场方向不断变化，不能通过特斯拉计直接测量。为此，通过测量交流电某一特殊时刻所形成的磁场值的方法进行测量。由于旋转扫描磁铁所用电流为三相交流电，每相电流间的相位差为120°，所以测量每项电流分别为0°、120°和240°时的磁场值。在该时刻，

8、0°相位不通电流，另外两相电流都是相同的直流电，这种情况下所形成的磁场方向不会变化，可用特斯拉计进行测量，其具体结果如图4所示。由图可见，理论计算和实际测量值间的误差小于2.2 Gs，精度约1%，该旋转扫描磁铁即将在30 MeV回旋加速器的123I束流线上试用，也用于100 MeV回旋加速器的质子输运线设计中。 图2 旋转扫描磁铁中某一时刻的磁场分布图3 旋转扫描磁铁实物图图4 旋转扫描磁铁理论计算和实际测量值的比较16 30 MeV医用回旋加速器束流输运系统升级改造设计魏素敏，张天爵，李振国，储诚节，邢建升，姚红娟，贾先禄，钟俊晴，吴隆成，潘高峰，葛 涛中国原子能科学研究院研究建成

9、的我国第1台强流医用回旋加速器CYCIAE-30是1台能量在1530 MeV范围内连续可调、加速负氢离子、双向剥离引出质子束的紧凑型回旋加速器，自建成供束以来，已基本做到按照国内各医院需求定期批量供应医用放射性同位素。目前在原有液体靶、固体靶生产线的基础上，需增加气体靶以满足新的同位素生产的需要。图1 CYCIAE-30束流输运系统升级工程布局图利用30 MeV回旋加速器的西引出口束流输运线在束流经过加速器大厅西墙后可通过偏转磁铁将束流偏转74.75°，向南输运出现有厂房，进入新增的气体靶靶室。当偏转磁铁上不加磁场时束流直通输运到现有的固体靶上。升级改造的束流输运线总体布局如图1所示

10、，该方案利用现有输运线上的第1对双单元四极透镜，且实验室厂房布局规范，易于实施，仅需考虑新增靶室的屏蔽问题，现有厂房不需做任何改动。考虑到空间电荷效应，对这条束流输运管道进行光学匹配，在整个传输过程中，针对不同束流强度（01 mA），控制束流半包络不超过25 mm，同时要求束斑尺寸不大于3.5 mm3.5 mm，输运束流能量在15 30 MeV范围内连续可调，图2显示了光学匹配的1个结果。图2 TRACE-3D计算30 MeV、1 mA质子束流传输的结果此外，还完成了整个束流输运线上各光学元件如四极透镜、二极偏转磁铁、导向磁铁、旋转扫描磁铁等的设计，其中四极透镜采用极间断面为折线的结构来代替极

11、间断面为双曲线的结构，具有磁场集中、磁场梯度高、只需普通机床加工、易于安装定位、易于保证磁极对称性等优点；同时利用三维场模拟磁场以得到四极透镜的机械长度，得到的结果与理论计算得到的数值十分吻合。为提高束流的均匀度，还设计了用于旋转束流的旋转扫描磁铁，提供一垂直束流传输方向的周期性变化的力，使得束流围绕中心旋转，最后提高束斑的均匀度。最后，统筹考虑束流能量、束流强度、束斑大小、安装空间、造价等因素，还进行了必要的工程相关技术如真空、电源、水冷等的设计。目前工程施工工作正在进行中。17 热应变引起CYCIAE-100回旋加速器磁场变化的初步计算杨建俊, 张天爵在紧凑型强流回旋加速器长时间运行过程中

12、，由于需给位于真空室内部的高频谐振腔馈入高的高频功率，其中部分高频功率用于加速束流，部分由冷却水带走，但仍由于高频泄漏、冷却效率等原因，会导致磁极温度的慢漂移，在1994年建成的30 MeV回旋加速器的运行过程中已注意到这样的效应，磁铁温度的变化大约为25 °C。磁极温度的慢漂移所产生的热应力，使磁极热膨胀，磁极间隙变小，磁场发生变化，所以需定量研究温升变化对磁场的影响。100 MeV回旋加速器CYCIAE-100主磁铁计划采用ANSI 1008号钢，其热膨胀系数为a=13.8×106/K。初步的热计算结果表明，磁极的温升大于20 °C，可能会高至50 °

13、;C。因而磁极的轴向尺寸变化量在0.4 mm之间。采用三维用有限元分析软件ANSYS进行模拟计算。在温度分别变化20 °C和50 °C的情况下分析磁场的变化，引起中心平面磁极对称线上的磁场和平均磁场的变化分别示于图1和图2。数值计算结果表明：在中心区很小的区域内磁场略有下降，而在整个加速区域，随着半径的增大，由于不均匀磁极间隙的原因，磁场逐渐增高。由图1和图2易见：温升变化50 °C时，磁极对称线上磁场值增幅从内径处的约0.16%增大到外径处的0.76%，平均场值增幅从内径处的约0.16%增大到外径处的0.64%；温升变化20 °C时，磁极对称线上磁场值

14、增幅从内径处的约0.08%增大到外径处的0.3%，平均场值增幅从内径处的约0.08%增大到外径处的0.25%。图1 不同温升引起的磁极对称线磁场变化实线50°；虚线20°图2 不同温升引起的平均磁场变化实线50°；虚线20°可见，由于磁铁温升慢漂移引起的磁场变化量较大，这必须通过调节线圈系统来补偿。18 CYCIAE-100回旋加速器主磁铁电磁力和形变的数值模拟杨建俊, 张天爵，钟俊晴在CYCIAE-100回旋加速器的整体设计中，满足各种束流动力学要求的磁场分布的实现是最为关键的环节之一。在紧凑型回旋加速器中，磁铁的形变将严重影响中心平面及其附近的磁场分

15、布。导致磁铁变形的主要因素有磁铁自身的重力、电磁力和外界的大气压力。其中对于重力和电磁力引起的磁铁形变，如果变形足够小，可留待磁场测量和垫补阶段处理；如果变形较大，则需在设计阶段对气隙的结构尺寸加以补偿。而对于大气压力引起的磁铁变形，由于磁场测量是在非真空条件下进行，因此需详细分析这样的变形对磁场的影响，为大气下测磁数据的真空校正处理提供依据。总之，主磁铁的结构力学研究对于CYCIAE-100最终磁场达到高的精度有重要意义。1 电磁力计算根据CYCIAE-100主磁铁的结构特点，选用虚位移法和麦克斯韦应力法计算主磁铁的电磁力。为满足这样的计算要求，还在现有数值计算软件的基础上，开发适合于计算C

16、YCIAE-100主磁铁电磁力的程序。在磁铁结构前期设计中，利用虚位移法计算电磁力。在计算中考虑磁极的边缘漏磁效应。计算得到相对两个磁极叶片间的吸力为1.15 MN，合117.2 t；磁极和盖板间的吸力为0.99 MN，合101.0 t。磁极间吸力大于磁极和盖板间吸力，二者之差为160 kN，合16.3 t。在磁铁的精细设计阶段，利用麦克斯韦应力法数值计算电磁力。由于现有的有限元软件如ANSYS等，可用麦克斯韦应力法或虚位移法求得磁力，但只适用于邻近被空气层包围着的磁铁部件，无法直接用来计算CYCIAE-100紧密接触的磁极和盖板间的受力。为解决这一问题，从有限元程序得到场的分布中插值得到磁极

17、与盖板交界面上的磁场，编程计算电磁力，解决了麦克斯韦应力张量的面积分问题。对于目前的磁铁结构，得到的两个磁极间的吸力为1.10 MN，合 t；磁极和盖板间的吸力为0.90 MN，合 t。每个磁极受垂直方向的净电磁力大小为202 kN，合 t。2 磁铁形变计算基于电磁力计算的结果，对主磁铁形变进行结构有限元数值模拟计算。假定上盖板、磁极和磁轭为一体，利用ANSYS软件计算了主磁铁上半部分在3种不同状态下的结构形变。状态一是完成装配后，只受磁铁重力作用；状态二是在测磁阶段，受重力和磁极吸力作用；状态三是机器在抽完真空后的工作状态下，受重力、磁极吸力和大气压力作用。根据结构的对称性，建立主磁铁90&

18、#176;模型，离散单元为八节点六面体单元，模型共50万个单元。磁铁材料采用AISI 1008型钢，杨氏模量为200 GPa，泊松比为。计算得到不同状态磁极面的位移如图1和图2所示。从图1可见，磁极面下沉量随半径的增大而减小。在真空状态下，磁极面在内半径处下沉最大，为0.137 mm；在磁极外径处下沉最小，为0.045 mm。另外，不难发现，磁极间的电磁吸力对形变的贡献量远大于其余重力和大气压力。在图2中，同一半径上磁极对称面上的下沉量略小于两边缘。 CYCIAE-100回旋加速器的磁极间隙为60 mm。上述模拟结果表明，相对于磁极间隙，结构形变较小。结构形变引起的磁场变化可在磁场测量与垫补阶

19、段通过调整主线圈电流大小和垫补镶条的办法得到补偿。图1 磁极面对称线下沉曲线实线重力；虚线重力、磁极吸力；点划线重力、磁极吸力和大气压力图2 磁极面上径向80 cm沿角向下沉曲线实线重力；虚线重力、磁极吸力；点划线重力、磁极吸力和大气压力19 100 MeV紧凑型回旋加速器主磁铁的磁场测量系统方案设计邢建升，钟俊晴，殷治国，张天爵，储城节，杨建俊紧凑型的回旋加速器的磁场分布范围跨度较大，且对磁场测量的精度要求较高，磁场的测量误差直接影响到后续主磁铁的镶条垫补。磁场测量系统主要用于主磁铁中心平面上磁场分布的测量，对主磁场的测量精度及测量点相对位置精度要求极高，磁场偏离理想场的微小误差对粒子束流的

20、运动有相当大的影响。磁场测量点的选取采用极坐标，最后给出磁场值的极坐标点分布结果。测量点分布为径向间隔（10±0.5）mm，角度方向间隔（1±0.1）°，测量从加速器中心开始。测量点的相对位置误差为径向±0.15 mm，角度方向±0.003 5°，霍尔探头平面与中心平面相差±0.2 mm。磁场值测量误差±2 Gs。主磁场的测磁周期（磁场分布测量1遍所需时间）约24 h。回旋加速器的磁场测量过程工艺流程示于图1。测磁系统主要由霍尔探头、磁场测量仪、机械传动装置、步进电机、位置检测仪、自动测磁控制仪和计算机数据获取系统

21、等组成。为尽量减小测磁系统的误差，选用型号为DTM-151-DG型特斯拉计配MPT141霍尔探头，精度为万分之一，霍尔探头安放在一旋转横梁内，旋转横梁在磁极间隙内转动，霍尔探头在磁极间隙中心平面内运动。由磁场测量仪从霍尔探头中获取霍尔电压再转化为磁场值，最后由计算机数据获取系统记录下磁场值。角度位置由角度编码器获得，角度编码器选用型号RON 905，测量准确度±0.4 s，与AWE1024求值电路联用，测量准确度可达±0.2 s。编码器中心转轴固定在测磁仪中心轴上与旋转横梁同步旋转。径向位置靠光栅尺输出信号获得，光栅尺选用LS176 ML2240型，光栅尺准确度达到

22、7;3 µm，光栅尺外壳固定在旋转横梁上，光栅尺滑块与霍尔探头固定在一起。角度方向运动靠位于测磁仪侧面齿轮机构带动，动力传动方式是由直流电机通过摆线针轮减速机带动蜗轮蜗杆机构转动，与蜗轮同轴的齿轮带动整个测磁仪机构转动。径向运动采用绳轮机构驱动，位于加速器上盖板上面中心处的步进电机带动绕线滚轮转动，滚轮上绕有一细绳，细绳两端固定在霍尔探头固定座上，步进电机的转动带动霍尔探头固定座的径向运动，从而实现霍尔探头阵列的径向运动。每次完成1组径向运动，角度方向旋转1°，这样交替进行完成1个周期的测磁。图1 100 MeV紧凑型回旋加速器主磁铁测磁系统的流程图20 100 MeV回旋

23、加速器主O圈密封设计潘高峰，杨志仁，陈文奎，储诚节，李振国，张天爵1 双层密封由于要经常开启主磁铁维修加速器内部设备，100 MeV回旋加速器主真空室端头主密封只能采用橡胶密封而不能采用一次性的金属密封结构。一般情况下，单层O圈密封对较低的获得是最简单而常用的选择，特殊情况下也可采用双层密封。100 MeV回旋加速器主真空室内要求真空度达到5×106 Pa，为减小渗透和漏气气源，提高真空度，本设计决定采用双层橡胶O圈密封。设计双层密封考虑主次，其密封结构也略有不同。内层（真空侧）O圈为主要密封，密封压紧力应设计较外层O圈的大一些，以免产生虚漏，当然，对光洁度加工精度而言，内层O圈密封

24、槽的要求要比外层密封槽的高一、二级。2 O圈截面直径关于标准O圈尺寸，国标中最大的O圈截面直径尺寸为20 mm，用于直径1 8002 000 mm的法兰，国外的O圈截面直径尺寸一般不大于7 mm。我们设计的密封圈直径为4 000 mm，未找到对应的密封圈。通常使用中，小直径法兰用细O圈，大直径法兰用粗O圈。其目的是便于达到适宜的压紧力，增加密封接触面积，减小漏气。考虑到改善密封漏气的措施除增大密封圈截面直径外，提高密封槽的光洁度及增大密封圈压缩量也是可行的办法，且本设计中采用的是双层密封，减小密封圈两侧的压差，漏气量也会相应减小。用细O圈的优点是可用较小的压紧力实现可靠的密封，减小橡胶材料的表

25、面积，降低放气对系统真空的影响。由于100 MeV回旋加速器主真空室壁厚不可能做得过厚，制造大截面直径尺寸的橡胶O圈也有技术困难。如果密封槽尺寸设计合理，4 000 mm直径的法兰用截面直径为10或12 mm的密封圈也是可行的。3 O圈与O圈槽的配合尺寸O圈与O圈密封槽配合时，O圈的内径最好比O圈槽的内径略小一些（理论上相等也可）。装配时，靠材料弹性可拉伸一些。这有如下一些好处：1) 使装配O圈对O圈密封槽内侧的密封面有一定的压紧力，可起到很好的辅助密封作用；2) 由于O圈的侧压力产生的摩擦力，使O圈槽侧置或倒置时，在无润滑脂的情况下，密封圈也不会马上掉出，便于安装；3) 通常O圈受压后会有周向伸长变形，正好与预压缩量相抵消，对O圈的长期工作有一定好处；4) 可减小O圈暴露在真空侧的表面积，减小密封材料的放气影响，提高真空度。双层密封结构示意图示于图1。图1 双层密封结构示意图21 HI-13串列加速器升级工程2005年管理工作进展曹小平，孙 阳，杨丙凡HI-13串列加速器升级工程是国家的一项重要建设工程。2005年是串列升级工程初步设计工作的关键一年，初步设计工作基本完成，初步设计评审准备工作和开工前的准备工作也同期展开。1 制定进度计划，协调工程有序开展串列升级工程根据上级主管部门的要求和工程的实际进展情况，制定了5年工作计划，即到2010年年底完成工程建设。在此基础上调