中国原子能科学研究院紧凑型强流质子回旋加速器剥离引出技术研究

安世忠，魏素敏，冀鲁豫，边天剑，解怀东，温立鹏，管锋平，郑 侠

(中国原子能科学研究院 核技术综合研究所，北京 102413)

自从国际上第1台回旋加速器于1932用于物理实验工作以来，基于剥离引出方式的紧凑型强流质子回旋加速器获得了长足的发展，并且获得了巨大的应用，特别是在核医学领域。据国际原子能机构统计，全球约1 300多台紧凑型强流质子回旋加速器应用在核医学领域[1]。中国原子能科学研究院(CIAE)在20世纪90年代建造一台30 MeV/350 μA医用回旋加速器[2]后，逐步研发出了10 MeV/430 μA强流回旋加速器综合试验装置[3]、14 MeV的PET医用回旋加速器[4]、100 MeV紧凑型强流质子回旋加速器(CYCIAE-100)[5-6]、硼中子俘获治疗(BNCT)用14 MeV/1 mA等系列能量的紧凑型强流质子回旋加速器[7]。目前正在研制质子治疗专用的230/250 MeV超导回旋加速器[8]，同时也在积极发展800 MeV～2 GeV兆瓦量级的高功率圆形质子加速器技术[9-10]。建成的CYCIAE-100，是目前国际上能量较高的一台紧凑型强流质子回旋加速器，最高流强达到了520 μA，并在束流线末端的束流收集器上获得了最高52 kW的靶上束流功率，加速-引出束流损失小于1%；并实现了从10 pA到数百μA共计7个量级跨度的流强供束范围。建成的BNCT用的质子回旋加速器，也是我国首次自主研发成功的引出质子束流强达到mA量级的强流质子回旋加速器。在系列能量的紧凑型强流质子回旋加速器研发过程中，CIAE对剥离引出后的束流色散效应、剥离膜与束流夹角对引出后的束流品质的影响、剥离膜单圈引出等紧凑型强流质子回旋加速器剥离引出技术方面展开了研究，且开发出了剥离引出计算程序，为紧凑型强流质子回旋加速器的应用作出了贡献[11-17]。本文主要介绍CIAE紧凑型强流质子回旋加速器剥离引出技术的研究进展。

1 剥离引出原理

图1为典型的H-回旋加速器的剥离引出过程。在H-回旋加速器中，加速到一定能量的H-离子经剥离膜剥离电子转换成H+离子后被引出。在加速器内部，H-离子的轨迹在磁场的作用下向内偏转，当H-通过剥离膜被剥离掉电子后，H+轨迹向外偏转，而释放的电子在磁场的作用下绕剥离膜旋转若干次，能量最终损失在膜片中。剥离引出使回旋加速器的引出过程大为简化。由于经过加速的H-等离子穿过剥离膜后变成H+等不同电荷的离子，在磁场中运动方向区别非常明显，所以不需要再增加偏转元件。从图1可看出，剥离引出方法不需改变加速器高频、磁场等参数，只通过改变剥离膜的位置即可引出能量范围比较宽的束流。另外，也可用多个剥离膜同时引出多个不同能量的束流到多个不同方向的外部束流输运管道，以同时满足多种不同的应用需求。

图1 典型的H-回旋加速器的剥离引出示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of classical H- cyclotron striping extraction

对于不同能量的引出束，剥离膜的精确位置由在回旋加速器主真空室外的一个公共交叉点给定，这个交叉点是引出开关磁铁的中心。引出开关磁铁将引导引出束进入所需的外部束流管道。引出开关磁铁的主要作用是将不同引出能量的束流偏转到后面固定的引出通道中。因此，开关磁铁的位置选择，对于引出束流的后续传输至关重要。

剥离引出需要研究的内容包括：1) 剥离位置的计算；2) 剥离引出过程中的路径规划，剥离引出可实现变能量引出，往往需要配合开关磁铁和合适的路径规划，使多能量束团进入到同一条束流传输线；3) 引出光学匹配，剥离引出回旋加速器一般采用多圈引出方式，引出束流的能散较大，因而需要重点关注边缘场的色散效应，研究引出束流包络的控制方法；4) 剥离膜与束流相互作用，一方面束流经过剥离膜后，剥离膜与束流的夹角会对引出的束流品质产生影响，另一方面束流经过剥离膜后由于碰撞会发生散射，因而会有一定的发射度增长；5) 剥离效率的估算，剥离效率主要是由膜的厚度决定的，但膜的厚度与后续引出束流品质相关，同时也和膜本身的寿命相关；6) 剥离引出的束流损失考虑。

2 CIAE紧凑型强流质子回旋加速器剥离引出技术研究

2.1 剥离引出计算软件的开发与应用

CIAE在研究剥离引出的过程中，自主开发了剥离引出计算软件CYCTR[14]。CIAE各种能量的强流质子回旋加速器的剥离引出系统设计和引出束流动力学计算均是基于此程序完成的。CYCTR不但可计算不同能量的剥离点位置，也可计算剥离引出后的束流轨迹。CIAE还与加拿大TRIUMF实验室合作，对TRIUMF开发出的回旋加速器技术软件GOBLIN[18]、STRIP-UBC、COMA[19]等进行改进。GOBLIN可用于非螺旋加速间隙的计算，在加速间隙中的能量增益被近似为δ函数，计算的磁场有谐波场和离散网格点上的场两种形式，磁场在z方向可展开到二阶。COMA使用线性运动矩阵，借助平衡轨道进行计算，并包含了径向和纵向的耦合，加速间隙的能量增益。CIAE在COMA程序加速间隙的能量增益和轴向电聚焦求解上引入了改进的分析模型，并考虑了空间电荷效应，提高了程序的计算精度。利用这些软件，可以计算包含色散效应在内的剥离后引出束流传输矩阵的数值解。同时，利用多粒子模拟程序COMA可计算束流在剥离引出前后的相空间变化，且可以以膜上的束流分布作为引出计算的初始分布，进行引出后的束流多粒子模拟，从而研究剥离引出的束流特性。

2.2 束流色散效应研究

在束流经过剥离引出过程中，由于磁场的不对称性，同时由于边缘场作用，将产生色散。色散将导致水平方向的发射度增长，尤其在紧凑型回旋加速器中，色散效应更加严重。考虑了色散效应后，束流在水平方向的发射度有较大幅度的增长。在能量较低的加速器中，色散效应不很明显，但是在引出束流能量较高且流强非常强(如500 μA以上)的情况下，则束流在引出后的传输过程中必须考虑色散效应的影响。对于强流回旋加速器，束流经过剥离引出后，其引出轨迹的束流传输矩阵R的数值解可由程序GOBLIN直接计算得到，则色散效应(D,D′)包含在传输矩阵中。对于引出轨迹的计算，需要包含加速器主磁场和引出开关磁铁的磁场。根据束流传输理论，任意两个位置的束流传输可通过矩阵R表述为：

(x,x′,z,z′,Δl,δ)T=

R(x0,x′0,z0,z′0,Δl0,δ0)T

(1)

通常，剥离引出回旋加速器的束流能散约为±0.5%，则相对应的动量分散约为δ=Δp/p=±0.25%。如果引出质子束流能量为70 MeV，引出束流的色散为60 cm，则由于色散引起的束流的横向偏移为Δx=Dδ=600×0.002 5=1.5 mm。

2.3 束流对中对剥离引出束流品质的影响

在描述粒子在回旋加速器中的运动时通常采用柱坐标系，以加速器中心为原点，磁对称面为z=0平面。粒子的运动可分为半径方向、竖直方向和粒子前进方向，即径向、轴向和纵向。束流径向对中的好坏对引出束流品质存在重大影响，其包括：1) 决定径向循环发射度大小，影响引出束流的径向发射度；2) 在穿越耦合共振(CYCIAE-100在4 MeV附近穿越Walkinshaw共振)时，径向运动和轴向运动耦合，使轴向包络增长；3) 径向对中改变束流穿过加速间隙时的相位，影响束流的纵向运动。为了分析在CYCIAE-100中束流对中对引出束流品质的影响，采用多粒子跟踪的方法，模拟不同对中条件下的引出束流分布。

图2为初始粒子分布，其中初始粒子能量为2 MeV，径向和轴向发射度为4 πmm·mrad，相宽为60°。回旋加速器无穷大半径a=c/ω0，c为光速，ω0为轨道角频率，所以动量单位为长度单位。根据加速器的静态平衡轨道和特征椭圆的Twiss参数，确定相椭圆的参数为：

(2)

生成10 000个粒子初始坐标用于粒子跟踪，相位服从60°相宽内的均匀分布，径向、轴向分布为相椭圆内的均匀分布：

(3)

其中：reo和preo为径向静态平衡轨道坐标；x0为径向初始不对中大小，x0=0表示束流对中；

a——径向；b——轴向图2 初始粒子分布Fig.2 Initial particle distribution

ξ为0～1内的随机数。

将这些粒子跟踪至引出区，得到剥离膜上的粒子分布，如图3所示。图3a为粒子在径向相空间内的分布，不对中导致的发射度增长现象明显。对于CIAE建造的CYCIAE-100，100 MeV能量对应的剥离靶起始半径为187.55 cm，CYCIAE-100多圈引出的特性使径向分布不呈椭圆形。图3b所示的轴向上粒子分布仍接近椭圆，由于在低能区快速通过了Walkinshaw共振，不同对中情况下的分布没有明显差异。束流不对中使粒子径向振荡振幅增大，导致一部分未达到引出能量的粒子因径向振荡半径增大，提前被引出；一部分已达到引出能量的粒子因径向振荡半径减小，经过更多圈加速后被引出。最终导致引出束流能散增大，同时伴随着轻微的中心相位略微偏移和相宽增长(图3c、d)。

a——径向相空间分布；b——轴向相空间分布；c——纵向相空间分布；d——能量分布图3 剥离靶处粒子分布Fig.3 Particle distribution at striping foil

表1列出了引出束流的关键指标。束流的径向对中对引出束流的径向发射度和能散影响显著，6 mm不对中较束流对中情况，径向发射度增长了39.0%，能散增长了44.4%；轴向发射度基本不变。

表1 剥离靶处束流参数Table 1 Beam parameters at striping foil

2.4 剥离膜与束流夹角对引出后的束流品质的影响

通常来说，剥离膜总是垂直于束流方向，而当剥离膜与束流法向有一夹角α时，粒子穿过剥离膜后角度方向的增量可表示为：

(4)

其中：ρ为粒子的偏转半径；B为磁场；n为磁场指数。忽略高阶项，则式(4)可变为：

(5)

即当剥离膜与束流法向有一定夹角时，会在x方向产生一个聚/散焦作用，该作用类似偏转磁铁的入口/出口角。同理，对于y方向，穿过剥离膜后角度方向的增量可表示为：

(6)

忽略高阶项后，可发现Δy′=0，即y方向角度无变化，因此剥离膜与束流的夹角不影响y方向的传输矩阵，可近似认为y方向包络无变化。

综上，在忽略高阶项的前提下，可将剥离膜与束流法向的夹角近似为一个x方向的聚焦/散焦透镜，但对y方向则无影响。在CIAE 14 MeV小型回旋加速器上验证了该理论，计算结果发现，当剥离膜与束流轨迹有一定夹角时，会影响引出束流的包络。图4为两条引出束流在剥离膜垂直于束流轨迹和剥离膜有一定旋转角时的包络情况，其中B1和B2分别为该加速器的两条引出束流轨迹。可看出，剥离膜旋转角对引出束流水平方向的包络影响较大，对垂直方向的包络几乎没有影响。

2.5 剥离引出单圈技术研究

剥离膜引出方式的回旋加速器虽然具有引出效率高、操作简单等优势，但是剥离引出均是多圈引出，圈重叠非常严重。以加速到100 MeV能量剥离引出质子加速器为例，剥离引出的圈重叠都在30圈以上。部分物理实验对于引出的质子束流的品质要求很高，需要实现单圈引出以获得很高的束流品质。剥离引出方式回旋加速器实现单圈引出的原理示意图如图5所示，其中剥离引出回旋加速器拥有2个相差角度为180°的正对的剥离靶装置，剥离靶头部安装剥离引出质子束所需要的剥离膜，剥离膜材料主要成分为碳。

图4 引出束流包络随剥离膜旋转角的变化Fig.4 Extraction beam envelope as function of rotation angle of striping foil

对于一般的回旋加速器，其加速高频电压波形通常为余弦波方式，这是导致引出区域圈重叠严重的最根本原因。因此，为了减少引出区域的圈重叠，就需要在加速器小半径区域(能量一般小于5 MeV)安装有相位选择器，实现对加速的负氢离子束流进行相位选择(图5所示的相位选择位置)，严格限制加速的束流相宽。剥离引出回旋加速器加速的束流相宽一般在40°以上。为了实现单圈引出，通过相位选择系统，在小半径加速区域将加速的束流相宽控制在5°以内。这样可将加速的束流在引出区域(位于加速器大半径，即剥离膜伸入的位置范围)的圈重叠控制在3圈以下[16]。

图5 回旋加速器实现单圈引出的原理示意图Fig.5 Diagrammatic sketch of single turn extraction

另外，为了实现束流单圈引出，也需要加速器对注入的束流有良好的对中。以CIAE建成的100 MeV剥离引出强流回旋加速器为例，CYCIAE-100的束流对中情况良好，径向振荡的振幅控制在0.5 mm以下。通过在小半径方向加载束流相位选择系统，将加速的束流相宽控制在5°以内。CYCIAE-100有两个180°相对的引出剥离靶，即有两个质子束流引出通道，剥离膜的位置可在剥离靶装置的驱动下沿着半径方向运动，最小伸入半径为1.6 m。最后分别移动两个剥离靶位置，通过调节两个剥离膜在半径方向的位置差异实现剥离引出束流的单圈引出。图6为引出能量为100 MeV时，束流相宽为5°的束流分别打在两个剥离膜上的分布。

根据模拟结果，第1个剥离膜放置在半径为187.1 cm的位置，则第2个剥离膜放置在半径为187.6～187.7 cm之间，即可实现在第1个剥离膜上单圈束流引出，在第2个膜上仍然是多圈引出。通过本方法，可实现第1个剥离靶100%的单圈束流引出。在本方法的基础上，如果将加速的束流相宽增加到5°以上，仍然可通过调节两个剥离靶相对位置差以获得其中1个靶上准单圈束流引出。引出模拟结果表明，将加速的相宽增加到10°，则可实现第1个剥离靶准单圈引出。准单圈的意思是通过该剥离靶引出的全部束流圈重叠在5圈以上，但是单圈引出的束流占总引出束流的百分比为75%以上，即单圈引出束流占主导地位，显然这不是完全意义上的单圈引出。

2.6 剥离膜厚度的选取

一方面，剥离膜的厚度直接决定了产生质子的产额；另一方面，当H-穿过剥离膜剥离成质子时，剥离形成的电子将会多次穿越剥离膜而最终沉积到剥离膜上，这将造成膜的温度升高而降低膜的运行寿命。因此，剥离膜厚度的选取是剥离引出加速器主要关注的技术之一。

H-经过碳剥离膜剥离掉两个电子后转化为质子，质子的产额是由电子的损失截面决定的。H-能量越高，则电子损失截面就越小。因此，在同样的剥离效率下，能量越高，则需要的碳膜就越厚。由不同能量下的电子剥离截面，则剥离效率η可通过式(7)估计：

图6 100 MeV剥离引出强流回旋加速器单圈引出模拟结果Fig.6 Simulation of single turn extraction of 100 MeV high-intensity cyclotron

η=1-e-Nσs=1-e-σt

(7)

其中：N为单位体积的原子个数；s为穿过的距离；t为膜厚度，μg/cm2；σ为电子损失截面。

能量为100 MeV时H-、H0、H+的产额随膜厚的变化如图7所示。根据上面对剥离膜的分析估算，如果引出能量为100 MeV，则膜的厚度为150 μg/cm2时剥离效率为99.926%，膜的厚度为200 μg/cm2时剥离效率达到99.99%以上。

图7 能量为100 MeV时H-、 H0、H+的产额随膜厚的变化Fig.7 Output of H-, H0 and H+ as function of striping foil’s thickness at 100 MeV

当H-穿过剥离膜时，一方面由于电离和原子激发将会使粒子把能量损失在剥离膜上，即产生能量沉积，这个沉积的能量，会造成剥离膜温度升高；另一方面，由于剥离后电子和质子的速度相同，在相同磁场下电子的回旋半径约是质子的1/2 000，则大部分电子都会多次穿越剥离膜而最终能量沉积到剥离膜上，则电子能量将会全部损失在剥离膜上，这将是剥离膜温度升高的主要原因。在回旋加速器的剥离引出过程中，剥离后残余的电子将在磁场作用下绕着剥离膜旋转，将能量全部损失在剥离膜中，这将在加速器的运行中直接造成剥离膜的温度升高，会降低剥离膜的寿命。由于剥离后产生的电子能量不高，且质量和质子相差较大，剥离后产生的电子对产生的质子的束流品质影响不大。剥离膜的材料一般选取为碳。随着引出束流功率的进一步提高，剥离后产生的电子数也将会越来越多。由于剥离后的电子运行在强磁场中，电子围绕膜的旋转半径非常小，因此没有办法在膜的后面增加电子收集装置而降低电子对膜的影响，这也是膜的温升的主要因素。为了增加剥离膜的运行寿命，在强流加速器中，安装剥离膜的支架一般要带有水冷装置。CIAE在CYCIAE-100中进行了多次剥离膜厚度的选择和膜运行寿命的实验，通过反复实验得出，引出能量为100 MeV时膜的厚度选择范围为150～200 μg/cm2是较为适宜的。

2.7 剥离引出区束流损失的分析处理研究

剥离引出类型强流回旋加速器的剥离引出区域的束流损失，主要来源是剥离膜引起的相关束流损失，主要包括剥离膜引起的束流散射和发射度增长、剥离不完全产生的H0而导致的束流损失、束流色散效应引起的束流包络的增加等。因为剥离引出类型加速器引出能量往往不单一，是一个能量范围，如CYCIAE-100可引出能量范围为75～100 MeV。剥离膜引起束流损失的最主要的地方是开关磁铁处。为了降低剥离膜引起的束流品质变差等造成的束流损失，在引出系统设计中，需将剥离膜后的引出开关磁铁尽可能放置在距剥离膜较近的地方，且在开关磁铁后尽早布置聚焦四极透镜。如在CYCIAE-100的设计中采取了体积尽可能小的开关磁铁，将开关磁铁放置在紧贴着真空室外面的两个相邻的磁轭间，且对开关磁铁部分采取了局部屏蔽措施。

对于剥离效率不是100%产生H0粒子的情况，需在剥离膜后面H0粒子所经过范围内的中心平面的真空室内壁上增加一定厚度的铝衬，以吸收未剥离的H0粒子，运行一段时间后进行及时更换。如果引出的质子能量固定不变，可在膜后H0粒子所经过的路径上再放置剥离膜进行二次剥离转为质子后收集到束流垃圾桶中。

2.8 回旋加速器剥离靶系统

回旋加速器剥离靶系统是剥离引出加速器长期稳定运行的主要保障。本文主要介绍CIAE研制的CYCIAE-100的真空室内换靶的剥离靶系统(图8)。

图8 CYCIAE-100的真空室内换靶的剥离靶系统Fig.8 Striping target system of CYCIAE-100 which has function of changing striping foil in vacuum chamber

CYCIAE-100采用剥离引出的方式可连续引出能量为75～100 MeV的强流质子束，引出流强最高达到520 μA，同时具备双向同时引出质子束的功能。剥离引出系统采用双内杆对称剥离引出方式，可在对称两个方向分别为各终端引出束流。为保证在不同束流轨道上剥离后的不同能量离子束最终都能到达开关磁铁的中心，剥离靶需在径向可移动，在辐角方向可转动。剥离靶的靶头在径向运动精度好于0.1 mm，用以调整引出粒子能量。方位角运动可使剥离靶的探头在不改变径向位置的情况下只是沿方位角转动，用以调整引出束流的引出方向，调整精度好于0.01°。为了保证加速器的长期稳定运行，CYCIAE-100采取真空室内的自动换靶结构，即整个剥离靶和换靶机构都安装在真空室内。设计的圆盘形换靶机安装在磁轭外面的真空室内，一次可同时安装12个靶片。

3 总结

CIAE自从建造了30 MeV、350 μA剥离引出方式的紧凑型强流质子回旋加速器以来，经过了30多年的发展，先后建成了10～100 MeV的系列能量的剥离引出回旋加速器。刚建成的专用于BNCT的14 MeV强流质子回旋加速器，引出束流强度达到了mA量级以上。在CYCIAE-100束流线末端的束流收集器上获得了最高52 kW的靶上束流功率。CIAE独立完善了一套剥离引出技术理论，在束流色散效应、剥离膜与束流夹角对引出后的束流品质的影响、剥离膜单圈引出等紧凑型强流质子回旋加速器剥离引出技术方面展开了研究，且开发出了剥离引出计算程序。目前，CIAE在回旋加速器束流动力学与多物理场模拟技术方面也取得了长足的发展，为强流回旋加速器和中高能超导质子回旋加速器技术方面的发展起到了很大的推动作用。CIAE目前正在积极探索国际上最新一代高功率圆形加速器模拟技术，提出了高功率圆形加速器综合研究设施设计方案，这对于发展我国的高功率圆形加速器具有重要的推动作用[20-21]。

来自加拿大TRIUM实验室的Dr. Yinong Rao为本研究工作提供了许多帮助，特别提出感谢。另外，作者也多次与瑞士PSI实验室的Dr. Werner Joho、加拿大TRIUM实验室的Dr. R. Baartman、中国科学院高能物理研究所的唐靖宇研究员进行了多次很有价值的讨论，对于他们的建议也深表感谢。