小型回旋加速器内部束流测量技术的研究

论文摘要

回旋加速器广泛应用于科学研究、同位素生产以及诊断治疗等医学领域。流体物理研究所正在研制用于PET正电子核素药物生产的小型回旋加速器,采用负氢潘宁离子源作为加速器的内源使用。打靶束流强度指标为50μA,这就要求PIG离子源可在额定引出电压下引出稳定且足够强的负氢束流,并要求束流在回旋加速过程中达到最小束流损失,具有高的传输效率。因此需要对其关键问题进行研究,围绕增大离子源引出束流强度和减少束流回旋加速过程中的损失,进行理论分析、数值模拟和实验研究,侧重开展离子源的实验研究和建立回旋加速器内部束流诊断方法,并研制完成内部束流诊断设备。回旋加速器内部束流诊断设备是加速器运行调试的关键装置之一。为了分析束流在加速器中的运动状态,优化加速器性能,实现束流匹配传输和提高束流传输效率,研制了可用于回旋加速器内部束流运动测量的束流诊断装置。本文针对能量11MeV,流强50μA的负氢离子束的特点,开展了探头的物理设计研究,包括束流在探头材料中的射程,二次电子对测量结果的影响,探头材料的感生放射性研究以及探头的热效应分析。通过理论分析以及采用软件SRIM、FLUKA和MATLAB编程模拟,得到最佳的探头尺寸和材料,以及探头的工作条件和工作时间。开展了离子源起弧放电实验和负氢束流直流引出测量的研究。系统地研究了氢气流量、磁感应强度、起弧电流对离子源状态的影响,并借助光谱仪,对离子源弧光放电等离子体进行光谱诊断。结果表明,离子源正常弧光放电工作在负阻抗状态,磁场对离子源工作状态的影响较小,而氢气流量、起弧电流对离子源的影响较大。在负氢束流直流引出测量实验中,采用多种方法进行初步束流引出测量,最终提出了一种电屏蔽盒的直流束流引出测量方法,通过CST数值模拟和实验研究表明,电屏蔽盒直流束流引出测量方法能够得到较为精确的负氢束流引出强度,根据空间电荷限制流的“V3/2定律”,对不同引出电压下的束流强度进行拟合,推算得到引出电压为40kV时,负氢束流强度约达到4mA。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 回旋加速器及其应用
• 1.1.1 回旋加速器的发展
• 1.1.2 回旋加速器的应用
• 1.1.3 中物院的回旋加速器
• 1.2 PIG离子源
• 1.2.1 PIG离子源的基本结构与工作原理
• 1.2.2 主要性能参数
• 1.2.3 潘宁源的发展与应用
• 1.2.4 中物院的潘宁离子源
• 1.3 束流诊断技术
• 1.3.1 束流强度的测量方法
• 1.3.2 PET回旋加速器的束流诊断工作
• 1.3.3 PET加速器离子源束流诊断工作
• 1.4 本论文工作简介与创新点
• 1.4.1 本论文研究工作的意义及主要内容
• 1.4.2 本论文的创新之处和特色
• 第二章 小型回旋加速器内部束流诊断技术
• 2.1 工作原理和系统构成
• 2.1.1 基本测量原理
• 2.1.2 系统构成
• 2.1.3 测量过程
• 2.1.4 主要问题
• 2.2 探头的物理设计
• 2.2.1 粒子射程
• 2.2.2 二次电子影响
• 2.2.3 感生放射性研究
• 2.2.4 探头的热效应分析
• 2.2.5 探头物理设计总结
• 2.3 系统构建
• 2.4 束流诊断设备软件软件功能和人机界面设计
• 2.5 小结
• 第三章 负氢潘宁离子源的实验研究
• 3.1 离子源实验平台布局
• 3.2 离子源起弧放电实验研究
• 3.2.1 离子源起弧放电现象
• 3.2.2 离子源放电相关参数测量实验
• 3.2.3 离子源弧光光谱测量实验
• 3.3 束流引出测量分析
• 3.4 离子源束流引出测量初步实验研究
• 3.4.1 单电极束流引出测量实验
• 3.4.2 双电极束流引出测量实验
• 3.4.3 三电极束流引出测量方法
• 3.5 离子源电屏蔽盒测量方法
• 3.5.1 电屏蔽盒测量方法
• 3.5.2 电屏蔽盒束流测量模拟
• 3.5.3 电屏蔽盒束流测量数据分析
• 3.6 小结
• 第四章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录