回旋加速器原理及新进展

第 １ 章　 引言 ……………………………………………………………………… 001

　 　 １. １　 回旋加速器的简要描述 ……………………………………………… 002

　 　 １. ２　 回旋加速器发展的简短历史………………………………………… 005

　 　 　 　 １. ２. １　 经典回旋加速器 …………………………………………… 005

　 　 　 　 １. ２. ２　 同步回旋加速器 …………………………………………… 006

　 　 　 　 １. ２. ３　 扇形聚焦回旋加速器 ……………………………………… 006

　 　 　 　 １. ２. ４　 分离扇回旋加速器 ………………………………………… 007

　 　 　 　 １. ２. ５　 超导回旋加速器 …………………………………………… 008

　 　 　 　 １. ２. ６　 商用回旋加速器 …………………………………………… 009

　 　 １. ３　 基本方程和公式 ……………………………………………………… 010

　 　 　 　 １. ３. １　 回旋加速器的基本原理 …………………………………… 010

　 　 　 　 １. ３. ２　 相对论情况 ………………………………………………… 012

　 　 　 　 １. ３. ３　 引出束流的动量和能量 …………………………………… 013

　 　 １. ４　 回旋加速器的聚焦和轨道稳定性 ………………………………… 014

　 　 １. ５　 回旋加速器的主要部件和子系统 ………………………………… 017

　 　 参考文献 ……………………………………………………………………… 020

第 ２ 章　 回旋加速器束流动力学 ……………………………………………… 023

　 　 ２. １　 运动方程 ……………………………………………………………… 024

　 　 　 　 ２. １. １　 中心区………………………………………………………… 024

　 　 　 　 ２. １. ２　 加速区………………………………………………………… 026

　 　 ２. ２　 共振的一般描述 ……………………………………………………… 028

　 　 　 　 ２. ２. １　 经典回旋加速器 …………………………………………… 028

　 　 　 　 ２. ２. ２　 等时性回旋加速器 ………………………………………… 031

　 　 ２. ３　 低能强流回旋加速器中的共振分析 ……………………………… 033

　　　　２. ３. １　ｖｒ ＝ １ 共振 …………………………………………………… 035

　　　　２. ３. ２　２ｖｒ ＝ ２ 共振 ………………………………………………… 037

　　　　２. ３. ３　ｖｒ ＝ ２ｖｚ 共振 ………………………………………………… 038

　　　　２. ３. ４　２ｖｚ ＝ １ 共振 ………………………………………………… 040

　　　　２. ３. ５　空间电荷效应对ｖｚ 贡献的估计 …………………………… 041

　 　 　 　 ２. ３. ６　 轴向空间电荷效应的束流强度限制 ……………………… 042

　 　 ２. ４　 实现高能强流等时性加速的原理及其试验验证 ………………… 043

　 　 　 　 ２. ４. １　 一阶共振的处理及整体布局设计 ………………………… 043

　 　 　 　 ２. ４. ２　 径向调变磁场梯度强聚焦原理 …………………………… 044

　 　 　 　 ２. ４. ３　 径向调变磁场梯度强聚焦原理的试验验证 ……………… 045

　 　 　 　 ２. ４. ４　 小结…………………………………………………………… 047

　 　 ２. ５　 束流动力学分析软件及应用实例 ………………………………… 048

　 　 　 　 ２. ５. １　 运动方程数值求解 ………………………………………… 048

　 　 　 　 ２. ５. ２　 中心区轨道跟踪软件 ＣＹＣＬＯＮＥ ………………………… 049

　 　 　 　 ２. ５. ３　 加速轨道跟踪软件 ＧＯＢＬＩＮ ……………………………… 054

　 　 　 　 ２. ５. ４　 应用实例 …………………………………………………… 057

　 　 参考文献 ……………………………………………………………………… 060

第 ３ 章　 回旋加速器主磁铁……………………………………………………… 063

　 　 ３. １　 引言 …………………………………………………………………… 064

　 　 ３. ２　 回旋加速器主磁铁的作用及其质量控制 ………………………… 066

　 　 　 　 ３. ２. １　 等时性要求和磁场形状 …………………………………… 066

　 　 　 　 ３. ２. ２　 公差控制原则 ……………………………………………… 070

　 　 　 　 ３. ２. ３　 轴向和径向聚焦 …………………………………………… 070

　 　 　 　 ３. ２. ４　 共振与磁场 ………………………………………………… 071

　 　 ３. ３　 主磁铁设计 …………………………………………………………… 072

　　　３. ３. １　 初步给定磁铁尺寸的方法 ………………………………… 072

　 　 　 　 ３. ３. ２　 磁极间气隙 ………………………………………………… 073

　 　 　 　 ３. ３. ３　 磁极间磁感应强度 ………………………………………… 073

　 　 　 　 ３. ３. ４　 扇形叶片数 ………………………………………………… 074

　 　 　 　 ３. ３. ５　 磁铁的初步计算 …………………………………………… 075

　 　 　 　 ３. ３. ６　 线圈水冷计算 ……………………………………………… 076

　 　 　 　 ３. ３. ７　 磁铁的详细设计 …………………………………………… 077

　 　 ３. ４　 主磁铁施工 …………………………………………………………… 082

　 　 　 　 ３. ４. １　 材料特性与选择 …………………………………………… 082

　 　 　 　 ３. ４. ２　 加工与装配 ………………………………………………… 087

　 　 　 　 ３. ４. ３　 结构变形分析与控制 ……………………………………… 090

　 　 ３. ５　 磁场测量 ……………………………………………………………… 093

　 　 　 　 ３. ５. １　 电磁感应法 ………………………………………………… 094

　 　 　 　 ３. ５. ２　 霍尔效应法 ………………………………………………… 094

　 　 　 　 ３. ５. ３　 探测线圈法的具体实现过程 ……………………………… 096

　 　 　 　 ３. ５. ４　 基于霍尔探头的测磁仪随机误差计算 …………………… 099

　 　 ３. ６　 智能化回旋加速器主磁铁计算机辅助工程系统 ………………… 100

　 　 　 　 ３. ６. １　 ＣＹＣＣＡＥ 的整体结构 ……………………………………… 100

　 　 　 　 ３. ６. ２　 磁场测量数据分析与磁场垫补 …………………………… 109

　 　 参考文献 ……………………………………………………………………… 117

第 ４ 章　 回旋加速器谐振腔……………………………………………………… 121

　 　 ４. １　 引言 …………………………………………………………………… 122

　 　 ４. ２　 谐振腔设计的基本理论 ……………………………………………… 123

　 　 　 　 ４. ２. １　 串联和并联谐振电路 ……………………………………… 123

　 　 　 　 ４. ２. ２　 同轴线空腔谐振腔 ………………………………………… 126

　 　 　 　 ４. ２. ３　 波导空腔谐振器 …………………………………………… 130

　 　 ４. ３　 回旋加速器谐振腔的特点…………………………………………… 132

　 　 　 　 ４. ３. １　 同轴线谐振腔 ……………………………………………… 133

　 　 　 　 ４. ３. ２　 波导结构谐振腔 …………………………………………… 138

　 　 ４. ４　 回旋加速器谐振腔的设计和模型测量 …………………………… 139

　 　 　 　 ４. ４. １　 传输线近似法 ……………………………………………… 139

　　　　４. ４. ２　 传输线有效长度和特性阻抗 ……………………………… 142

　 　 　 　 ４. ４. ３　 功率损耗和 Ｑ 值 …………………………………………… 144

　 　 　 　 ４. ４. ４　 波导结构谐振腔的基本设计 ……………………………… 145

　 　 　 　 ４. ４. ５　 调谐和耦合 ………………………………………………… 146

　 　 　 　 ４. ４. ６　 模型测试 …………………………………………………… 150

　 　 ４. ５　 谐振腔设计的数值分析和计算机软件 …………………………… 152

　 　 　 　 ４. ５. １　 二维计算软件与实例分析 ………………………………… 152

　 　 　 　 ４. ５. ２　 三维计算软件与实例分析 ………………………………… 157

　 　 ４. ６　 腔体设计应考虑的一些工程技术问题 …………………………… 161

　 　 ４. ７　 紧凑型回旋加速器谐振腔的设计及木模试验 …………………… 163

　 　 　 　 ４. ７. １　 双内杆高频谐振腔的三维数值模拟与优化设计………… 164

　 　 　 　 ４. ７. ２　 腔体的功率损耗及水冷等工程技术问题 ………………… 167

　 　 　 　 ４. ７. ３　 腔体的木模试验 …………………………………………… 172

　 　 ４. ８　 小结 …………………………………………………………………… 174

　 　 参考文献 ……………………………………………………………………… 175

第 ５ 章　 回旋加速器的离子源 ………………………………………………… 177

　 　 ５. １　 离子束参数 …………………………………………………………… 178

　 　 　 　 ５. １. １　 束流强度、 能量和能散度 ………………………………… 178

　 　 　 　 ５. １. ２　 束流的横向分布、 束流半径和发散度 …………………… 179

　 　 　 　 ５. １. ３　 束流发射度和束流亮度 …………………………………… 181

　 　 　 　 ５. １. ４　 束流在相空间中的演变 …………………………………… 183

　 　 ５. ２　 内部离子源 …………………………………………………………… 184

　 　 　 　 ５. ２. １　 热阴极潘宁离子源 ………………………………………… 185

　 　 　 　 ５. ２. ２　 冷阴极潘宁负氢离子源 …………………………………… 187

　 　 ５. ３　 外部离子源 …………………………………………………………… 189

　 　 　 　 ５. ３. １　 电子回旋共振 （ＥＣＲ） 离子源 …………………………… 189

　 　 　 　 ５. ３. ２　 会切场强流负氢离子源 …………………………………… 196

　 　 参考文献 ……………………………………………………………………… 203

第 ６ 章　 回旋加速器的注入系统 ……………………………………………… 205

　 　 ６. １　 引言 …………………………………………………………………… 206

　 ６. ２　 水平注入 ……………………………………………………………… 208

　 　 　 　 ６. ２. １　 重离子剥离注入 …………………………………………… 208

　 　 　 　 ６. ２. ２　 中性束流注入 ……………………………………………… 210

　 　 ６. ３　 轴向注入 ……………………………………………………………… 211

　 　 　 　 ６. ３. １　 轴向注入线 ………………………………………………… 213

　 　 　 　 ６. ３. ２　 轴向注入的相空间匹配 …………………………………… 215

　 　 　 　 ６. ３. ３　 注入偏转板 ………………………………………………… 217

　 　 ６. ４　 中心区 ………………………………………………………………… 223

　 　 　 　 ６. ４. １　 紧凑型回旋加速器 ………………………………………… 225

　 　 　 　 ６. ４. ２　 分离扇回旋加速器 ………………………………………… 230

　 　 ６. ５　 轴向注入系统与中心区的设计实例 ……………………………… 233

　 　 　 　 ６. ５. １　 轴向注入系统通用试验台架的设计 ……………………… 234

　 　 　 　 ６. ５. ２　 ＣＹＣＩＡＥ － １００ 的轴向注入线设计 ………………………… 238

　 　 　 　 ６. ５. ３　 ＣＹＣＩＡＥ － ３０ 螺旋形偏转板的设计与加工 ……………… 238

　 　 　 　 ６. ５. ４　 ＣＹＣＩＡＥ － １００ 中心区的设计 ……………………………… 246

　 　 参考文献 ……………………………………………………………………… 249

第 ７ 章　 回旋加速器引出系统 ………………………………………………… 253

　 　 ７. １　 引言 …………………………………………………………………… 255

　 　 ７. ２　 引出区的轨道分离 …………………………………………………… 256

　 　 　 　 ７. ２. １　 圈间距的一般性描述 ……………………………………… 257

　 　 　 　 ７. ２. ２　 加速过程的圈距 …………………………………………… 257

　 　 　 　 ７. ２. ３　 进动和共振引起的圈间距 ………………………………… 259

　 　 　 　 ７. ２. ４　 磁场一次谐波的作用 ……………………………………… 261

　 　 ７. ３　 早期同步回旋加速器的引出方法 ………………………………… 262

　 　 ７. ４　 进动引出 ……………………………………………………………… 264

　 　 　 　 ７. ４. １　 高频相位混合 ……………………………………………… 264

　 　 　 　 ７. ４. ２　 进动引出方法 ……………………………………………… 264

　 　 ７. ５　 多圈和单圈引出 ……………………………………………………… 266

　 　 ７. ６　 正离子回旋加速器的其他引出方法 ……………………………… 268

　 　 ７. ７　 束流引出的偏转与导向装置………………………………………… 271

　 　 ７. ８　 回旋加速器共振进动引出实例……………………………………… 273

　 ７. ９　 剥离引出 ……………………………………………………………… 275

　 　 　 　 ７. ９. １　 剥离引出方法介绍 ………………………………………… 275

　 　 　 　 ７. ９. ２　 剥离引出方法的原理 ……………………………………… 278

　 　 　 　 ７. ９. ３　 剥离引出的轨道跟踪 ……………………………………… 279

　 　 　 　 ７. ９. ４　 剥离引出方法的一些重要特性 …………………………… 282

　 　 　 　 ７. ９. ５　 剥离引出的能散 …………………………………………… 283

　 　 　 　 ７. ９. ６　 剥离膜厚度的估算 ………………………………………… 284

　 　 　 　 ７. ９. ７　 剥离膜引起的角度散射和能量散射 ……………………… 285

　 　 ７. １０　 紧凑型回旋加速器负离子剥离引出实例 ………………………… 286

　 　 　 　 ７. １０. １　 剥离点的计算 ……………………………………………… 287

　 　 　 　 ７. １０. ２　 引出开关磁铁的作用……………………………………… 288

　 　 　 　 ７. １０. ３　 束流光学特性分析 ………………………………………… 289

　 　 　 　 ７. １０. ４　 剥离靶装置 ………………………………………………… 290

　 　 参考文献 ……………………………………………………………………… 292

第 ８ 章　 回旋加速器相关工程技术 …………………………………………… 295

　 　 ８. １　 回旋加速器真空系统 ………………………………………………… 296

　 　 　 　 ８. １. １　 真空技术基础 ……………………………………………… 296

　 　 　 　 ８. １. ２　 回旋加速器真空系统的特点和要求 ……………………… 305

　 　 　 　 ８. １. ３　 回旋加速器真空技术的发展 ……………………………… 308

　 　 　 　 ８. １. ４　 回旋加速器真空系统设计示例 …………………………… 311

　 　 ８. ２　 回旋加速器的电气、 电源系统……………………………………… 318

　 　 　 　 ８. ２. １　 电气系统 …………………………………………………… 318

　 　 　 　 ８. ２. ２　 电源系统 …………………………………………………… 322

　 　 ８. ３　 回旋加速器的控制系统 ……………………………………………… 327

　 　 　 　 ８. ３. １　 控制器………………………………………………………… 330

　 　 　 　 ８. ３. ２　 ＰＬＣ 控制流程设计 ………………………………………… 331

　 　 　 　 ８. ３. ３　 前端计算机 ………………………………………………… 336

　 　 ８. ４　 回旋加速器的束流诊断技术………………………………………… 342

　 　 　 　 ８. ４. １　 束流强度测量装置 ………………………………………… 343

　 　 　 　 ８. ４. ２　 束流位置与截面测量设备 ………………………………… 347

　 　 　 　 ８. ４. ３　 束流发射度测量仪 ………………………………………… 351

　 　 　 　 ８. ４. ４　 径向插入探测靶 …………………………………………… 353

　 　 　 　 ８. ４. ５　 束流相位靶 ………………………………………………… 354

　 　 　 　 ８. ４. ６　 双限缝装置 ………………………………………………… 355

　 　 　 　 ８. ４. ７　 用于回旋加速器内部的其他诊断装置 …………………… 355

　 　 　 　 ８. ４. ８　 束流信号处理系统及计算机接口 ………………………… 356

　 　 参考文献 ……………………………………………………………………… 357

第 ９ 章　 超导回旋加速器………………………………………………………… 361

　 　 ９. １　 超导回旋加速器的发展简介………………………………………… 362

　 　 ９. ２　 超导回旋加速器的设计原理和关键设备研发 …………………… 363

　 　 　 　 ９. ２. １　 超导回旋加速器的主磁铁设计及静态轨道计算………… 363

　 　 　 　 ９. ２. ２　 束流动力学规划及共振分析 ……………………………… 368

　　　　９. ２. ３　２３０ ＭｅＶ 超导回旋加速器从离子源到束流

引出的轨道全程跟踪 ……………………………………… 372

　 　 　 　 ９. ２. ４　 超导线圈与低温系统 ……………………………………… 382

　 　 　 　 ９. ２. ５　 磁场测量与垫补 …………………………………………… 385

　 　 　 　 ９. ２. ６　 高频系统 …………………………………………………… 393

　 　 　 　 ９. ２. ７　 离子源与中心区 …………………………………………… 397

　 　 　 　 ９. ２. ８　 引出系统 …………………………………………………… 400

　 　 　 　 ９. ２. ９　 快速调强系统 ……………………………………………… 403

　 　 ９. ３　 未来质子治疗系统中应用超导技术的新进展 …………………… 405

　 　 参考文献 ……………………………………………………………………… 408