中國原子能科學研究院緊湊型強流質子回旋加速器剝離引出技術研究

安世忠，魏素敏，冀魯豫，邊天劍，解懷東，溫立鵬，管鋒平，鄭 俠

(中國原子能科學研究院 核技術綜合研究所，北京 102413)

自從國際上第1臺回旋加速器于1932用于物理實驗工作以來，基于剝離引出方式的緊湊型強流質子回旋加速器獲得了長足的發展，并且獲得了巨大的應用，特別是在核醫學領域。據國際原子能機構統計，全球約1 300多臺緊湊型強流質子回旋加速器應用在核醫學領域[1]。中國原子能科學研究院(CIAE)在20世紀90年代建造一臺30 MeV/350 μA醫用回旋加速器[2]后，逐步研發出了10 MeV/430 μA強流回旋加速器綜合試驗裝置[3]、14 MeV的PET醫用回旋加速器[4]、100 MeV緊湊型強流質子回旋加速器(CYCIAE-100)[5-6]、硼中子俘獲治療(BNCT)用14 MeV/1 mA等系列能量的緊湊型強流質子回旋加速器[7]。目前正在研制質子治療專用的230/250 MeV超導回旋加速器[8]，同時也在積極發展800 MeV～2 GeV兆瓦量級的高功率圓形質子加速器技術[9-10]。建成的CYCIAE-100，是目前國際上能量較高的一臺緊湊型強流質子回旋加速器，最高流強達到了520 μA，并在束流線末端的束流收集器上獲得了最高52 kW的靶上束流功率，加速-引出束流損失小于1%；并實現了從10 pA到數百μA共計7個量級跨度的流強供束范圍。建成的BNCT用的質子回旋加速器，也是我國首次自主研發成功的引出質子束流強達到mA量級的強流質子回旋加速器。在系列能量的緊湊型強流質子回旋加速器研發過程中，CIAE對剝離引出后的束流色散效應、剝離膜與束流夾角對引出后的束流品質的影響、剝離膜單圈引出等緊湊型強流質子回旋加速器剝離引出技術方面展開了研究，且開發出了剝離引出計算程序，為緊湊型強流質子回旋加速器的應用作出了貢獻[11-17]。本文主要介紹CIAE緊湊型強流質子回旋加速器剝離引出技術的研究進展。

1 剝離引出原理

圖1為典型的H-回旋加速器的剝離引出過程。在H-回旋加速器中，加速到一定能量的H-離子經剝離膜剝離電子轉換成H+離子后被引出。在加速器內部，H-離子的軌跡在磁場的作用下向內偏轉，當H-通過剝離膜被剝離掉電子后，H+軌跡向外偏轉，而釋放的電子在磁場的作用下繞剝離膜旋轉若干次，能量最終損失在膜片中。剝離引出使回旋加速器的引出過程大為簡化。由于經過加速的H-等離子穿過剝離膜后變成H+等不同電荷的離子，在磁場中運動方向區別非常明顯，所以不需要再增加偏轉元件。從圖1可看出，剝離引出方法不需改變加速器高頻、磁場等參數，只通過改變剝離膜的位置即可引出能量范圍比較寬的束流。另外，也可用多個剝離膜同時引出多個不同能量的束流到多個不同方向的外部束流輸運管道，以同時滿足多種不同的應用需求。

圖1 典型的H-回旋加速器的剝離引出示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of classical H- cyclotron striping extraction

對于不同能量的引出束，剝離膜的精確位置由在回旋加速器主真空室外的一個公共交叉點給定，這個交叉點是引出開關磁鐵的中心。引出開關磁鐵將引導引出束進入所需的外部束流管道。引出開關磁鐵的主要作用是將不同引出能量的束流偏轉到后面固定的引出通道中。因此，開關磁鐵的位置選擇，對于引出束流的后續傳輸至關重要。

剝離引出需要研究的內容包括：1) 剝離位置的計算；2) 剝離引出過程中的路徑規劃，剝離引出可實現變能量引出，往往需要配合開關磁鐵和合適的路徑規劃，使多能量束團進入到同一條束流傳輸線；3) 引出光學匹配，剝離引出回旋加速器一般采用多圈引出方式，引出束流的能散較大，因而需要重點關注邊緣場的色散效應，研究引出束流包絡的控制方法；4) 剝離膜與束流相互作用，一方面束流經過剝離膜后，剝離膜與束流的夾角會對引出的束流品質產生影響，另一方面束流經過剝離膜后由于碰撞會發生散射，因而會有一定的發射度增長；5) 剝離效率的估算，剝離效率主要是由膜的厚度決定的，但膜的厚度與后續引出束流品質相關，同時也和膜本身的壽命相關；6) 剝離引出的束流損失考慮。

2 CIAE緊湊型強流質子回旋加速器剝離引出技術研究

2.1 剝離引出計算軟件的開發與應用

CIAE在研究剝離引出的過程中，自主開發了剝離引出計算軟件CYCTR[14]。CIAE各種能量的強流質子回旋加速器的剝離引出系統設計和引出束流動力學計算均是基于此程序完成的。CYCTR不但可計算不同能量的剝離點位置，也可計算剝離引出后的束流軌跡。CIAE還與加拿大TRIUMF實驗室合作，對TRIUMF開發出的回旋加速器技術軟件GOBLIN[18]、STRIP-UBC、COMA[19]等進行改進。GOBLIN可用于非螺旋加速間隙的計算，在加速間隙中的能量增益被近似為δ函數，計算的磁場有諧波場和離散網格點上的場兩種形式，磁場在z方向可展開到二階。COMA使用線性運動矩陣，借助平衡軌道進行計算，并包含了徑向和縱向的耦合，加速間隙的能量增益。CIAE在COMA程序加速間隙的能量增益和軸向電聚焦求解上引入了改進的分析模型，并考慮了空間電荷效應，提高了程序的計算精度。利用這些軟件，可以計算包含色散效應在內的剝離后引出束流傳輸矩陣的數值解。同時，利用多粒子模擬程序COMA可計算束流在剝離引出前后的相空間變化，且可以以膜上的束流分布作為引出計算的初始分布，進行引出后的束流多粒子模擬，從而研究剝離引出的束流特性。

2.2 束流色散效應研究

在束流經過剝離引出過程中，由于磁場的不對稱性，同時由于邊緣場作用，將產生色散。色散將導致水平方向的發射度增長，尤其在緊湊型回旋加速器中，色散效應更加嚴重?？紤]了色散效應后，束流在水平方向的發射度有較大幅度的增長。在能量較低的加速器中，色散效應不很明顯，但是在引出束流能量較高且流強非常強(如500 μA以上)的情況下，則束流在引出后的傳輸過程中必須考慮色散效應的影響。對于強流回旋加速器，束流經過剝離引出后，其引出軌跡的束流傳輸矩陣R的數值解可由程序GOBLIN直接計算得到，則色散效應(D,D′)包含在傳輸矩陣中。對于引出軌跡的計算，需要包含加速器主磁場和引出開關磁鐵的磁場。根據束流傳輸理論，任意兩個位置的束流傳輸可通過矩陣R表述為：

(x,x′,z,z′,Δl,δ)T=

R(x0,x′0,z0,z′0,Δl0,δ0)T

(1)

通常，剝離引出回旋加速器的束流能散約為±0.5%，則相對應的動量分散約為δ=Δp/p=±0.25%。如果引出質子束流能量為70 MeV，引出束流的色散為60 cm，則由于色散引起的束流的橫向偏移為Δx=Dδ=600×0.002 5=1.5 mm。

2.3 束流對中對剝離引出束流品質的影響

在描述粒子在回旋加速器中的運動時通常采用柱坐標系，以加速器中心為原點，磁對稱面為z=0平面。粒子的運動可分為半徑方向、豎直方向和粒子前進方向，即徑向、軸向和縱向。束流徑向對中的好壞對引出束流品質存在重大影響，其包括：1) 決定徑向循環發射度大小，影響引出束流的徑向發射度；2) 在穿越耦合共振(CYCIAE-100在4 MeV附近穿越Walkinshaw共振)時，徑向運動和軸向運動耦合，使軸向包絡增長；3) 徑向對中改變束流穿過加速間隙時的相位，影響束流的縱向運動。為了分析在CYCIAE-100中束流對中對引出束流品質的影響，采用多粒子跟蹤的方法，模擬不同對中條件下的引出束流分布。

圖2為初始粒子分布，其中初始粒子能量為2 MeV，徑向和軸向發射度為4 πmm·mrad，相寬為60°?；匦铀倨鳠o窮大半徑a=c/ω0，c為光速，ω0為軌道角頻率，所以動量單位為長度單位。根據加速器的靜態平衡軌道和特征橢圓的Twiss參數，確定相橢圓的參數為：

(2)

生成10 000個粒子初始坐標用于粒子跟蹤，相位服從60°相寬內的均勻分布，徑向、軸向分布為相橢圓內的均勻分布：

(3)

其中：reo和preo為徑向靜態平衡軌道坐標；x0為徑向初始不對中大小，x0=0表示束流對中；

a——徑向；b——軸向圖2 初始粒子分布Fig.2 Initial particle distribution

ξ為0～1內的隨機數。

將這些粒子跟蹤至引出區，得到剝離膜上的粒子分布，如圖3所示。圖3a為粒子在徑向相空間內的分布，不對中導致的發射度增長現象明顯。對于CIAE建造的CYCIAE-100，100 MeV能量對應的剝離靶起始半徑為187.55 cm，CYCIAE-100多圈引出的特性使徑向分布不呈橢圓形。圖3b所示的軸向上粒子分布仍接近橢圓，由于在低能區快速通過了Walkinshaw共振，不同對中情況下的分布沒有明顯差異。束流不對中使粒子徑向振蕩振幅增大，導致一部分未達到引出能量的粒子因徑向振蕩半徑增大，提前被引出；一部分已達到引出能量的粒子因徑向振蕩半徑減小，經過更多圈加速后被引出。最終導致引出束流能散增大，同時伴隨著輕微的中心相位略微偏移和相寬增長(圖3c、d)。

a——徑向相空間分布；b——軸向相空間分布；c——縱向相空間分布；d——能量分布圖3 剝離靶處粒子分布Fig.3 Particle distribution at striping foil

表1列出了引出束流的關鍵指標。束流的徑向對中對引出束流的徑向發射度和能散影響顯著，6 mm不對中較束流對中情況，徑向發射度增長了39.0%，能散增長了44.4%；軸向發射度基本不變。

表1 剝離靶處束流參數Table 1 Beam parameters at striping foil

2.4 剝離膜與束流夾角對引出后的束流品質的影響

通常來說，剝離膜總是垂直于束流方向，而當剝離膜與束流法向有一夾角α時，粒子穿過剝離膜后角度方向的增量可表示為：

(4)

其中：ρ為粒子的偏轉半徑；B為磁場；n為磁場指數。忽略高階項，則式(4)可變為：

(5)

即當剝離膜與束流法向有一定夾角時，會在x方向產生一個聚/散焦作用，該作用類似偏轉磁鐵的入口/出口角。同理，對于y方向，穿過剝離膜后角度方向的增量可表示為：

(6)

忽略高階項后，可發現Δy′=0，即y方向角度無變化，因此剝離膜與束流的夾角不影響y方向的傳輸矩陣，可近似認為y方向包絡無變化。

綜上，在忽略高階項的前提下，可將剝離膜與束流法向的夾角近似為一個x方向的聚焦/散焦透鏡，但對y方向則無影響。在CIAE 14 MeV小型回旋加速器上驗證了該理論，計算結果發現，當剝離膜與束流軌跡有一定夾角時，會影響引出束流的包絡。圖4為兩條引出束流在剝離膜垂直于束流軌跡和剝離膜有一定旋轉角時的包絡情況，其中B1和B2分別為該加速器的兩條引出束流軌跡?？煽闯?，剝離膜旋轉角對引出束流水平方向的包絡影響較大，對垂直方向的包絡幾乎沒有影響。

2.5 剝離引出單圈技術研究

剝離膜引出方式的回旋加速器雖然具有引出效率高、操作簡單等優勢，但是剝離引出均是多圈引出，圈重疊非常嚴重。以加速到100 MeV能量剝離引出質子加速器為例，剝離引出的圈重疊都在30圈以上。部分物理實驗對于引出的質子束流的品質要求很高，需要實現單圈引出以獲得很高的束流品質。剝離引出方式回旋加速器實現單圈引出的原理示意圖如圖5所示，其中剝離引出回旋加速器擁有2個相差角度為180°的正對的剝離靶裝置，剝離靶頭部安裝剝離引出質子束所需要的剝離膜，剝離膜材料主要成分為碳。

圖4 引出束流包絡隨剝離膜旋轉角的變化Fig.4 Extraction beam envelope as function of rotation angle of striping foil

對于一般的回旋加速器，其加速高頻電壓波形通常為余弦波方式，這是導致引出區域圈重疊嚴重的最根本原因。因此，為了減少引出區域的圈重疊，就需要在加速器小半徑區域(能量一般小于5 MeV)安裝有相位選擇器，實現對加速的負氫離子束流進行相位選擇(圖5所示的相位選擇位置)，嚴格限制加速的束流相寬。剝離引出回旋加速器加速的束流相寬一般在40°以上。為了實現單圈引出，通過相位選擇系統，在小半徑加速區域將加速的束流相寬控制在5°以內。這樣可將加速的束流在引出區域(位于加速器大半徑，即剝離膜伸入的位置范圍)的圈重疊控制在3圈以下[16]。

圖5 回旋加速器實現單圈引出的原理示意圖Fig.5 Diagrammatic sketch of single turn extraction

另外，為了實現束流單圈引出，也需要加速器對注入的束流有良好的對中。以CIAE建成的100 MeV剝離引出強流回旋加速器為例，CYCIAE-100的束流對中情況良好，徑向振蕩的振幅控制在0.5 mm以下。通過在小半徑方向加載束流相位選擇系統，將加速的束流相寬控制在5°以內。CYCIAE-100有兩個180°相對的引出剝離靶，即有兩個質子束流引出通道，剝離膜的位置可在剝離靶裝置的驅動下沿著半徑方向運動，最小伸入半徑為1.6 m。最后分別移動兩個剝離靶位置，通過調節兩個剝離膜在半徑方向的位置差異實現剝離引出束流的單圈引出。圖6為引出能量為100 MeV時，束流相寬為5°的束流分別打在兩個剝離膜上的分布。

根據模擬結果，第1個剝離膜放置在半徑為187.1 cm的位置，則第2個剝離膜放置在半徑為187.6～187.7 cm之間，即可實現在第1個剝離膜上單圈束流引出，在第2個膜上仍然是多圈引出。通過本方法，可實現第1個剝離靶100%的單圈束流引出。在本方法的基礎上，如果將加速的束流相寬增加到5°以上，仍然可通過調節兩個剝離靶相對位置差以獲得其中1個靶上準單圈束流引出。引出模擬結果表明，將加速的相寬增加到10°，則可實現第1個剝離靶準單圈引出。準單圈的意思是通過該剝離靶引出的全部束流圈重疊在5圈以上，但是單圈引出的束流占總引出束流的百分比為75%以上，即單圈引出束流占主導地位，顯然這不是完全意義上的單圈引出。

2.6 剝離膜厚度的選取

一方面，剝離膜的厚度直接決定了產生質子的產額；另一方面，當H-穿過剝離膜剝離成質子時，剝離形成的電子將會多次穿越剝離膜而最終沉積到剝離膜上，這將造成膜的溫度升高而降低膜的運行壽命。因此，剝離膜厚度的選取是剝離引出加速器主要關注的技術之一。

H-經過碳剝離膜剝離掉兩個電子后轉化為質子，質子的產額是由電子的損失截面決定的。H-能量越高，則電子損失截面就越小。因此，在同樣的剝離效率下，能量越高，則需要的碳膜就越厚。由不同能量下的電子剝離截面，則剝離效率η可通過式(7)估計：

圖6 100 MeV剝離引出強流回旋加速器單圈引出模擬結果Fig.6 Simulation of single turn extraction of 100 MeV high-intensity cyclotron

η=1-e-Nσs=1-e-σt

(7)

其中：N為單位體積的原子個數；s為穿過的距離；t為膜厚度，μg/cm2；σ為電子損失截面。

能量為100 MeV時H-、H0、H+的產額隨膜厚的變化如圖7所示。根據上面對剝離膜的分析估算，如果引出能量為100 MeV，則膜的厚度為150 μg/cm2時剝離效率為99.926%，膜的厚度為200 μg/cm2時剝離效率達到99.99%以上。

圖7 能量為100 MeV時H-、 H0、H+的產額隨膜厚的變化Fig.7 Output of H-, H0 and H+ as function of striping foil’s thickness at 100 MeV

當H-穿過剝離膜時，一方面由于電離和原子激發將會使粒子把能量損失在剝離膜上，即產生能量沉積，這個沉積的能量，會造成剝離膜溫度升高；另一方面，由于剝離后電子和質子的速度相同，在相同磁場下電子的回旋半徑約是質子的1/2 000，則大部分電子都會多次穿越剝離膜而最終能量沉積到剝離膜上，則電子能量將會全部損失在剝離膜上，這將是剝離膜溫度升高的主要原因。在回旋加速器的剝離引出過程中，剝離后殘余的電子將在磁場作用下繞著剝離膜旋轉，將能量全部損失在剝離膜中，這將在加速器的運行中直接造成剝離膜的溫度升高，會降低剝離膜的壽命。由于剝離后產生的電子能量不高，且質量和質子相差較大，剝離后產生的電子對產生的質子的束流品質影響不大。剝離膜的材料一般選取為碳。隨著引出束流功率的進一步提高，剝離后產生的電子數也將會越來越多。由于剝離后的電子運行在強磁場中，電子圍繞膜的旋轉半徑非常小，因此沒有辦法在膜的后面增加電子收集裝置而降低電子對膜的影響，這也是膜的溫升的主要因素。為了增加剝離膜的運行壽命，在強流加速器中，安裝剝離膜的支架一般要帶有水冷裝置。CIAE在CYCIAE-100中進行了多次剝離膜厚度的選擇和膜運行壽命的實驗，通過反復實驗得出，引出能量為100 MeV時膜的厚度選擇范圍為150～200 μg/cm2是較為適宜的。

2.7 剝離引出區束流損失的分析處理研究

剝離引出類型強流回旋加速器的剝離引出區域的束流損失，主要來源是剝離膜引起的相關束流損失，主要包括剝離膜引起的束流散射和發射度增長、剝離不完全產生的H0而導致的束流損失、束流色散效應引起的束流包絡的增加等。因為剝離引出類型加速器引出能量往往不單一，是一個能量范圍，如CYCIAE-100可引出能量范圍為75～100 MeV。剝離膜引起束流損失的最主要的地方是開關磁鐵處。為了降低剝離膜引起的束流品質變差等造成的束流損失，在引出系統設計中，需將剝離膜后的引出開關磁鐵盡可能放置在距剝離膜較近的地方，且在開關磁鐵后盡早布置聚焦四極透鏡。如在CYCIAE-100的設計中采取了體積盡可能小的開關磁鐵，將開關磁鐵放置在緊貼著真空室外面的兩個相鄰的磁軛間，且對開關磁鐵部分采取了局部屏蔽措施。

對于剝離效率不是100%產生H0粒子的情況，需在剝離膜后面H0粒子所經過范圍內的中心平面的真空室內壁上增加一定厚度的鋁襯，以吸收未剝離的H0粒子，運行一段時間后進行及時更換。如果引出的質子能量固定不變，可在膜后H0粒子所經過的路徑上再放置剝離膜進行二次剝離轉為質子后收集到束流垃圾桶中。

2.8 回旋加速器剝離靶系統

回旋加速器剝離靶系統是剝離引出加速器長期穩定運行的主要保障。本文主要介紹CIAE研制的CYCIAE-100的真空室內換靶的剝離靶系統(圖8)。

圖8 CYCIAE-100的真空室內換靶的剝離靶系統Fig.8 Striping target system of CYCIAE-100 which has function of changing striping foil in vacuum chamber

CYCIAE-100采用剝離引出的方式可連續引出能量為75～100 MeV的強流質子束，引出流強最高達到520 μA，同時具備雙向同時引出質子束的功能。剝離引出系統采用雙內桿對稱剝離引出方式，可在對稱兩個方向分別為各終端引出束流。為保證在不同束流軌道上剝離后的不同能量離子束最終都能到達開關磁鐵的中心，剝離靶需在徑向可移動，在輻角方向可轉動。剝離靶的靶頭在徑向運動精度好于0.1 mm，用以調整引出粒子能量。方位角運動可使剝離靶的探頭在不改變徑向位置的情況下只是沿方位角轉動，用以調整引出束流的引出方向，調整精度好于0.01°。為了保證加速器的長期穩定運行，CYCIAE-100采取真空室內的自動換靶結構，即整個剝離靶和換靶機構都安裝在真空室內。設計的圓盤形換靶機安裝在磁軛外面的真空室內，一次可同時安裝12個靶片。

3 總結

CIAE自從建造了30 MeV、350 μA剝離引出方式的緊湊型強流質子回旋加速器以來，經過了30多年的發展，先后建成了10～100 MeV的系列能量的剝離引出回旋加速器。剛建成的專用于BNCT的14 MeV強流質子回旋加速器，引出束流強度達到了mA量級以上。在CYCIAE-100束流線末端的束流收集器上獲得了最高52 kW的靶上束流功率。CIAE獨立完善了一套剝離引出技術理論，在束流色散效應、剝離膜與束流夾角對引出后的束流品質的影響、剝離膜單圈引出等緊湊型強流質子回旋加速器剝離引出技術方面展開了研究，且開發出了剝離引出計算程序。目前，CIAE在回旋加速器束流動力學與多物理場模擬技術方面也取得了長足的發展，為強流回旋加速器和中高能超導質子回旋加速器技術方面的發展起到了很大的推動作用。CIAE目前正在積極探索國際上最新一代高功率圓形加速器模擬技術，提出了高功率圓形加速器綜合研究設施設計方案，這對于發展我國的高功率圓形加速器具有重要的推動作用[20-21]。

來自加拿大TRIUM實驗室的Dr. Yinong Rao為本研究工作提供了許多幫助，特別提出感謝。另外，作者也多次與瑞士PSI實驗室的Dr. Werner Joho、加拿大TRIUM實驗室的Dr. R. Baartman、中國科學院高能物理研究所的唐靖宇研究員進行了多次很有價值的討論，對于他們的建議也深表感謝。