中国原子能科学研究院回旋加速器创新与发展60年

2019-10-30张天爵吕银龙贾先禄殷治国樊明武

原子能科学技术 2019年10期

张天爵，吕银龙，王川，贾先禄，葛涛，李明，殷治国，樊明武

(1.中国原子能科学研究院回旋加速器研究设计中心，北京 102413； 2.华中科技大学，湖北武汉 430074)

20世纪50年代，中国原子能科学研究院(CIAE)发展了中国的第1代回旋加速器Y-120，该加速器为原苏联援建，于1958年建成调试出束，标志着我国跨进了原子能时代，也标志着CIAE、乃至我国加速器事业发展的全面开始。从20世纪60年代末至70年代初，CIAE率先发展了中国的第2代回旋加速器，对这台1.2 m的回旋加速器进行了两次重大技术改造，在平头磁极之间引入螺旋型叶片以使磁场达到等时性要求；加入调谐线圈和谐波线圈以调节等时场、补偿非理想场，从而满足加速不同粒子的要求。另外，在束流引出、高频系统等方面均有重要的技术改进，使其成为了我国第1台可变能量等时性回旋加速器。该加速器改造后的技术指标为：氘核能量3～14 MeV，质子能量6～20 MeV，α粒子能量6～28 MeV。利用这台加速器，CIAE开展了许多核技术和核物理方面的研究工作，这台加速器为推动我国原子能事业的发展发挥了重要作用[1]。

从1988年以来，CIAE重点关注紧凑型强流回旋加速器的发展，通过加强国际合作，取得了一系列里程碑式的进展。借《原子能科学技术》创刊60周年的机会，本文就作者所经历的一些工作，阐述回旋加速器的一些科技创新成果和未来发展设想。

1 紧凑型回旋加速器科技创新

近30年来，CIAE回旋加速器的发展方向从原来的低能加速器，逐步过渡到强流加速器。1994年底建成的30 MeV医用强流回旋加速器，标志着CIAE质子加速器的发展进入了一个新时期；2014年建成的100 MeV强流质子回旋加速器，其能量、加速引出效率和靶上束流功率等性能指标均达到了国际领先水平。用约20年的时间，实现了从学习国际先进技术，到自主创新、技术出口的跨越发展。

1.1 100 MeV强流质子回旋加速器

100 MeV强流质子回旋加速器(CYCIAE-100)[2]是我国自行研制的能量最高的质子回旋加速器，也是国际上引出靶上质子束流功率最高的紧凑型回旋加速器。紧凑结构的100 MeV强流质子回旋加速器如图1所示。该加速器的建成被两院院士通过投票选为“2014年中国十大科技进展新闻”。其突出科技创新主要体现在：突破能量70 MeV以上回旋加速器均采用分离扇或螺旋扇的国际上通常的设计思路，建成了国际上最大的紧凑型强流回旋加速器；通过研究掌握了多束团强流束流动力学核心算法，被美国科学家誉为过去10年加速器计算物理的两个主要模型之一；首次实现双内杆高频腔有效调节加速电压，获得了AVF回旋加速器国际上高频腔的最高Q值；创新发展剥离靶4D调节和边缘匹配技术，实现了大型质子加速器同时双向供束；首次在真空中全场域测磁，沿半径调场梯度，建成重达400多t单体磁铁；深入研究了强流高亮度负氢离子源、中心区相空间匹配等技术，获国际上紧凑型回旋加速器靶上最高束流功率。以上创新成果表明，我国已掌握强流回旋加速器领域一系列创新技术。加拿大Sabaiduc等[3]撰文指出：由CIAE推动的强流、相对高能量的紧凑型回旋加速器复杂技术，已具有发展趋势的引领作用。基于CYCIAE-100的100 MeV质子束驱动ISOL装置，产生、加速放射性核束，这是我国第一套基于在线同位素分离器的放射性核束设施[4]，也是继欧洲ISOLDE、美洲ISAC之后，国际上为数不多的基于高分辨率在线同位素分离器的放射性核束设施。

图1 100 MeV强流质子回旋加速器Fig.1 100 MeV high intensity proton cyclotron

1.2 系列小型回旋加速器

回旋加速器虽然已有近90年的发展历史，但是由于其广泛的应用领域，至今仍保持顽强、旺盛的生命力。能量较低、朝着单一性能、设备可靠、运行方便，以面向单一应用的紧凑型回旋加速器，针对小型化、智能化目标，将出现更多的创新发展，并推动产业化。

1) 30 MeV医用强流回旋加速器

1994年，成功建造了30 MeV医用强流回旋加速器(CYCIAE-30)，鉴定专家认为该加速器具有研制起点高、束流强度高、引出效率高、智能化程度高和体积小的“四高一小”特点，结束了我国不能用加速器批量生产中、短寿命放射性同位素的局面[5]。该加速器引出的束流强度达到375 A，有关成果1996年被两院院士评为中国重大科技事件。该加速器建成试运行后，多年来保持每年供束5 000 h以上，主要用于18F、201Tl、67Ga、68Ge、123I、111In、103Pd和57Co等医用放射性同位素的生产。2017年，《15 MeV～30 MeV可变能量强流质子回旋加速器》国家标准制定并颁布执行。

2) 10～20 MeV范围内固定能量强流质子回旋加速器

2002年开始逐步研究变气隙强聚焦磁铁，提出非理想谐波场垫补新算法，掌握高频腔、中心区等创新技术；同时统筹各项目的研究内容，至2009年建成质子束引出能量10 MeV的强流回旋加速器综合试验装置(CYCIAE-CRM)[6]，如图2所示。鉴定专家认为：性能指标处于国际同类装置前列，获得中核集团公司科技进步一等奖。

2012年，建成了我国首台具有自主知识产权的PET医用回旋加速器样机(CYCIAE-14A)[7]，该加速器能量为14 MeV，内靶流强达450 A，因高频系统功率和局部屏蔽的限制，试验引出的束流强度为200 A，从中心区至引出靶上束流效率为98%。该加速器的建成，打破了国外垄断，可用于生产恶性肿瘤和心脑血管疾病早期诊断的常用核素11C、15O、13N和18F，同时，由于其高的束流强度，还适合于生产64Cu、124I，乃至99Tcm。可基于该加速器构成即时药物配送中心，为周围多家医院的PET和SPECT设备提供18F等放射性核素。由于基于国内工业能力而设计，实现100%国产化率，因而也具有价格方面的竞争力。参考CYCIAE-14A的设计，按照加拿大的技术要求，已为加拿大开展多套14 MeV PET医用回旋加速器主体部件出口技术服务；为北京大学研发14 MeV回旋加速器用于新型放射性药物研究，为中国同辐股份有限公司制造PET用回旋加速器；设计了70 MeV强流质子回旋加速器(CYCIAE-70)并对此技术出口，用于意大利INFN国家实验室70 MeV强流回旋加速器的建造，该加速器已获得最高500 A的质子束流[8]。

图2 10 MeV强流回旋加速器综合试验装置Fig.2 10 MeV high intensity cyclotron comprehensive test stand

目前正进一步改善CYCIAE-14A的离子源亮度、优化中心区结构，从而提高整体注入效率，开始自主研发用于BNCT的强流回旋加速器(CYCIAE-14B)。《10 MeV～20 MeV范围内固定能量强流质子回旋加速器》国家标准于2017年制定并颁布执行。

3) 用于空间科学研究的50 MeV质子回旋加速器

2018年CIAE中标中国科学院空间科学研究中心的中能质子辐照装置项目，是以在3年内为空间中心提供一台50 MeV紧凑型回旋加速器为核心，配套部分束流线设备的中能质子辐照装置[9]。项目建成后，将主要用于开展光电器件位移损伤及大规模集成电路质子单粒子效应的地面模拟试验，为科学卫星载荷及国产光电器件的设计研制提供技术支撑。中能质子辐照装置的实验设备主要包含：1台50 MeV紧凑型直边扇质子回旋加速器(CYCIAE-50)，提供能量30～50 MeV、流强1 nA～10 A的质子束；2套辐射效应模拟实验终端及相关的剂量监测与安全系统等。图3为中能质子辐照装置的平面布局图。目前CYCIAE-50已完成初步设计，主磁铁、离子源、真空室等主要系统设备已开始制造。

图3 中能质子辐照装置的平面布局图Fig.3 Layout of medium energy proton irradiation facility

1.3 230 MeV /250 MeV超导回旋加速器

用于癌症治疗的超导回旋加速器，自从Maughan等[10]的开创性工作以来，经由美国瓦里安公司[11]和其他厂商验证，于2009年开始第1例病人的治疗。相比常温回旋加速器，超导回旋加速器具有小型化、束流引出效率高、剂量率高等技术优势。

230 MeV/250 MeV超导回旋加速器CYCIAE-230/250是CIAE瞄准国际上最新的质子治疗小型化加速器设备，基于创新设计和我国工业基础，在我国首次自主研制的紧凑型中能超导回旋加速器。CYCIAE-230/250可分别产生230 MeV及250 MeV、约数百nA的质子束流[12]。CYCIAE-230/250系列超导回旋加速器采用低电流密度、高稳定度的NbTi低温超导线圈、液氦零挥发冷却方式，工作稳定不易失超，满足医用的高稳定度要求；其主磁铁采用4叶片螺旋扇形磁极，高频系统采用双高频机推-拉模式驱动4个高频谐振腔，质子每圈加速8次可获得更高的圈能量增益，微型PIG离子源最大可产生几十A的质子束，基于进动共振的静电偏转引出实现约80%的束流引出效率。

图4 总体安装中的230 MeV超导回旋加速器Fig.4 230 MeV superconducting cyclotron under integral assembly

目前CYCIAE-230的所有主体设备已加工完毕，在总体安装阶段(图4)，其中超导主磁铁系统已稳定运行1年，无失超[13]；高频系统初步测试表明，腔体Q值达到8 000的高性能；离子源在加速器的中心区成功出束，流强达到60 A，高于设计要求。CYCIAE-250的关键部件也已全面开展加工，预计在CYCIAE-230进行调束试验期间，开始CYCIAE-250的总体安装工作。

2 回旋加速器创新研究成果

回旋加速器研究设计中心一直致力于强流加速器的发展，围绕强流低、中、高能加速器，推动了若干重要的研究方向，主要包括紧凑型强流回旋加速器、超导等时性回旋加速器、高功率分离扇回旋加速器、等时性固定场交变梯度加速器、脉冲高功率电子加速器等。在每个研究方向上均已研究掌握了相关的核心技术，取得颇具特色的创新成果。

建成的100 MeV强流质子回旋加速器，实现了从10 pA到数百A共计7个量级跨度的流强供束范围，低流强束稳定度好于1%，在照射野为4.5 cm×4.5 cm范围内均匀性好于93%，并基于此构建的北京放射性核束装置，实现每年稳定提供质子、中子和不同品种放射性核束共约3 000 h，为CIAE、军事医学科学院、国防科技大学、中国工程物理研究院、西北核技术研究所、中国空间技术研究院、南京大学、香港科技大学等几十家单位开展实验研究，形成了一器多用、两器并用、多器合用的多领域、多学科综合性研究平台，推动了核科学技术、核物理基础研究及核技术应用的发展。加速器装置已用于电子元器件抗核加固、空间质子探测器标定、星用CCD图像传感器、航空机载电子设备试验与评估、宇航生物效应、核数据测量等核科技研究，填补了我国能量100 MeV 范围内质子辐照的空白，将建成国内唯一50 MeV以上准单能中子源和国内时间分辨率最好的白光中子源。国际上首次观察到20Na的奇异衰变模式，对用于LHC/ATLAS前端量能器的单晶金刚石、碳化硅等新型半导体材料开展质子辐照试验，进行癌细胞生物学质子辐照效应实验等基础研究，带动我国核天体物理、放射性核束物理等前沿科学研究的发展。

在回旋加速器研制过程中，CIAE形成自主的回旋加速器完整技术体系，近年获得多束团强流束流动力学并行计算软件等软件著作权6项；国家级、省部级科技进步奖15项；在国内外核心期刊和国际会议文集中发表科技论文约300篇(其中SCI收录90余篇、EI收录约80篇)；国际会议特邀报告10多次；出版专著1部、合著4部；编制国家标准2项并获颁布执行，1项国际标准经各国投票获得立项；申请国家专利180多项，是我国回旋加速器专利最多的单位，较全面地掌握了强流回旋加速器领域系统的创新技术，取得了重大创新成果并具备持续创新能力。

3 回旋加速器未来发展方向和高功率加速器技术预研进展

3.1 小型回旋加速器

能量100 MeV以下的回旋加速器，朝着单一性能、面向单一应用的紧凑型、智能化方向发展。针对核医学等重大应用领域，开展成果转化、推动产业发展；针对科研、教育等要求独特、难以确定型号的广泛需求，开展菜单式零点服务。

在技术方面，着重做好工程化、标准化工作[14]。将离子源和注入线由安装于加速器上方改为下方，并尽量缩短注入线，使得基于外源的强流回旋加速器也能实现自屏蔽，降低对安装、使用环境的要求；主励磁线圈由原来几十路水电接头改为两路，提高可靠性；所有电源采用工程化集成设计。这些工程化、标准化工作使小型回旋加速器的设计与建造模式化、规格化，将为我国核医学“一县一科”的普及发展起助推作用，为科教领域的多样式发展起到支撑作用。

3.2 超导回旋加速器

超导回旋加速器在重点推进CYCIAE-230/250两台样机研制的同时，着力通过各类项目与国内外医学机构合作，自主研发质子治疗加速器的后端设备。在等时性消色差束流线及其磁铁、束测等设备研制中发挥技术优势，在360°旋转机架等先进工业制造与集成中展现大型工程实力，在能量选择与剂量率快速调制设备研发中凸显核心竞争力，在病人定位、图像引导、软件开发中主导国际合作，并开展测试认证和临床试验工作，逐步建成质子治疗成套大型医疗装备，在健康中国的国家战略中逐渐发挥作用。

3.3 高功率质子加速器

图5 800 MeV等时性回旋加速器和2 GeV CW FFAG高功率加速器组合Fig.5 800 MeV isochronous cyclotron and 2 GeV CW FFAG high power accelerator complex

高功率质子加速器研究是1个未来有望带动多学科发展的重要方向，樊明武院士在我国“一堆一器”60周年庆祝大会上提出建设2 GeV强流质子加速器的建议。基于已完成的800 MeV回旋加速器CYCIAE-800[15]可行性研究和初步设计，CIAE提出2 GeV的CW FFAG(连续束、固定磁场交变梯度)加速器设计，该方案基于100 MeV强流质子回旋加速器的大型磁铁径向变梯度工程实践，充分吸收FFAG横向强聚焦的技术优势，重点解决FFAG调频与CW加速器等时性原理上的冲突，单粒子数值跟踪结果显示可实现等时性加速，能量高达2 GeV[16]，在国际上首次超越等时性加速器1 GeV的能量极限。该加速器组合如图5所示。参照PSI 590 MeV分离扇回旋加速器的运行经验，设计CW运行的平均流强为3 mA，即束流功率为6 MW，高于目前在建世界平均束流功率最高的ESS设计指标5 MW。等时性加速器的能量效率高，建造费用和运行功耗低[17]，且等时性加速器结构紧凑，比对几百m的加速器设计方案，2 GeV CW FFAG的直径仅为54 m，易于辐射防护与屏蔽，是高功率加速器研究领域有竞争力的解决方案。美国费米国家实验室Yakovlev报告了国际上质子束功率最高的3台加速器总运行功耗、束流功率和能量效率，等时性加速器的能量效率约是其他类型加速器的3倍[18]。

高功率圆型加速器的主要技术难点为：回旋加速器能量低于1 GeV，同步加速器及FFAG重复频率难以提高。2 GeV CW FFAG的高质子束流功率加速器组合，实现能量达到2 GeV的等时性，使FFAG可固定高频频率，达到CW运行模式，不仅提高了束流平均功率，也提高了FFAG的稳定性，回避了目前FFAG面临的基于MA腔体重复频率仍难稳定提高的技术困难，2 GeV CW FFAG的关键技术主要体现在以下几方面。

1) 高能等时性加速原理

等时性加速的基本条件包括：磁场满足加速过程的等时性条件、稳定区(接收度)满足强流束加速的要求、工作点(共振穿越)路径的规划符合束流动力学要求。

(1) 加速器物理分析。在传统等时性回旋加速器中，结合FFAG的反向磁铁带来的横向强聚焦和大接收度，吸收100 MeV直边扇回旋加速器变梯度提高轴向聚焦力的工程经验，引入大径向范围高阶梯度调变和螺旋角边缘聚焦非对称调节，在实现更高能等时性的同时，拥有更多自由度调节工作点路径，以有效应对强流空间电荷效应带来的工作点漂移，避免低阶共振穿越，实现束流稳定加速。

(2) 智能化数值求解。相对于以往的各类圆型加速器，2 GeV CW FFAG中引入了更多的调节变量，各变量对设计目标的影响高度耦合，设计还必须考虑磁铁、高频等工程实施的可行性。因而开发了一套CW FFAG大型多目标磁聚焦结构智能优化设计软件，以磁极结构、空间布局参数和磁场分布为初始输入变量，将磁场强度范围、直线节长度等设计要求及各能量闭轨为约束条件，目标求解采用遗传算法，程序采用并行化计算，寻求高能等时性的解决方案并精确预期能量、滑相、工作点等性能指标。

图5给出的解决方案为：10周期结构，每个直线节布置1个高频腔，最大磁场约2.6 T，场梯度3阶调变，实现了等时性加速，避免低阶危险共振的穿越。2 GeV CW FFAG由于引入长直线节，在利于束流引出的同时，也可实现10个高频腔体的总体布局，为流强达到3 mA提供基本保障。后续将进行包含空间电荷效应的大规模多粒子束流动力学模拟，最终的预期为6 MW束流加速和引出的总体性能。

2) 大径向范围高阶变梯度磁工艺技术

3) 高圈能量增益和高引出效率的长直线节布局

PSI的590 MeV等时性回旋加速器保持了约20多年的国际最高质子束流功率的记录，其高功率实践总结了3次方比例规律，即空间电荷效应制约流强与圈能量增益的3次方呈正比[20]，此外，该加速器在MW量级束流功率水平的引出效率好于99.98%，即束流损失控制在(1～2)×10-4之内。提高圈能量增益对提高圆型加速器束流功率和引出效率的作用明显。

2 GeV的CW FFAG设计引入9.4 m的长直线节，在10个周期的布局中，用10个直线节安排10个高频腔体(单腔峰值加速电压达到3 MV)，并提出可调耦合结构及相关算法，解决了传统高频系统无法动态补偿高达6 MW变化负载带来的问题[21]。根据文献[20]的比例规律推算，空间电荷效应制约流强高于6 mA，本方案按3 mA保守设计。10个周期中的1个9.4 m直线节与PSI等时性回旋加速器相比，有充足的空间布置束流注入和引出系统，且由于直线节的轨道形态特征，更便于束流引出，可预期后续大规模并行计算的数值模拟将得到更优的引出效率。

直线节过长带来的负面影响是高能的等时性更加难以获得，过短则不利于束流引出和高频腔安装，目前在9.4 m直线节设计的基础上，正进行优化设计，以降低对径向场梯度和等时性高要求的技术压力。