中國原子能科學研究院回旋加速器創新與發展60年

張天爵，呂銀龍，王 川，賈先祿，葛 濤，李 明，殷治國，樊明武

(1.中國原子能科學研究院 回旋加速器研究設計中心，北京 102413； 2.華中科技大學，湖北 武漢 430074)

20世紀50年代，中國原子能科學研究院(CIAE)發展了中國的第1代回旋加速器Y-120，該加速器為原蘇聯援建，于1958年建成調試出束，標志著我國跨進了原子能時代，也標志著CIAE、乃至我國加速器事業發展的全面開始。從20世紀60年代末至70年代初，CIAE率先發展了中國的第2代回旋加速器，對這臺1.2 m的回旋加速器進行了兩次重大技術改造，在平頭磁極之間引入螺旋型葉片以使磁場達到等時性要求；加入調諧線圈和諧波線圈以調節等時場、補償非理想場，從而滿足加速不同粒子的要求。另外，在束流引出、高頻系統等方面均有重要的技術改進，使其成為了我國第1臺可變能量等時性回旋加速器。該加速器改造后的技術指標為：氘核能量3～14 MeV，質子能量6～20 MeV，α粒子能量6～28 MeV。利用這臺加速器，CIAE開展了許多核技術和核物理方面的研究工作，這臺加速器為推動我國原子能事業的發展發揮了重要作用[1]。

從1988年以來，CIAE重點關注緊湊型強流回旋加速器的發展，通過加強國際合作，取得了一系列里程碑式的進展。借《原子能科學技術》創刊60周年的機會，本文就作者所經歷的一些工作，闡述回旋加速器的一些科技創新成果和未來發展設想。

1 緊湊型回旋加速器科技創新

近30年來，CIAE回旋加速器的發展方向從原來的低能加速器，逐步過渡到強流加速器。1994年底建成的30 MeV醫用強流回旋加速器，標志著CIAE質子加速器的發展進入了一個新時期；2014年建成的100 MeV強流質子回旋加速器，其能量、加速引出效率和靶上束流功率等性能指標均達到了國際領先水平。用約20年的時間，實現了從學習國際先進技術，到自主創新、技術出口的跨越發展。

1.1 100 MeV強流質子回旋加速器

100 MeV強流質子回旋加速器(CYCIAE-100)[2]是我國自行研制的能量最高的質子回旋加速器，也是國際上引出靶上質子束流功率最高的緊湊型回旋加速器。緊湊結構的100 MeV強流質子回旋加速器如圖1所示。該加速器的建成被兩院院士通過投票選為“2014年中國十大科技進展新聞”。其突出科技創新主要體現在：突破能量70 MeV以上回旋加速器均采用分離扇或螺旋扇的國際上通常的設計思路，建成了國際上最大的緊湊型強流回旋加速器；通過研究掌握了多束團強流束流動力學核心算法，被美國科學家譽為過去10年加速器計算物理的兩個主要模型之一；首次實現雙內桿高頻腔有效調節加速電壓，獲得了AVF回旋加速器國際上高頻腔的最高Q值；創新發展剝離靶4D調節和邊緣匹配技術，實現了大型質子加速器同時雙向供束；首次在真空中全場域測磁，沿半徑調場梯度，建成重達400多t單體磁鐵；深入研究了強流高亮度負氫離子源、中心區相空間匹配等技術，獲國際上緊湊型回旋加速器靶上最高束流功率。以上創新成果表明，我國已掌握強流回旋加速器領域一系列創新技術。加拿大Sabaiduc等[3]撰文指出：由CIAE推動的強流、相對高能量的緊湊型回旋加速器復雜技術，已具有發展趨勢的引領作用。基于CYCIAE-100的100 MeV質子束驅動ISOL裝置，產生、加速放射性核束，這是我國第一套基于在線同位素分離器的放射性核束設施[4]，也是繼歐洲ISOLDE、美洲ISAC之后，國際上為數不多的基于高分辨率在線同位素分離器的放射性核束設施。

圖1 100 MeV強流質子回旋加速器Fig.1 100 MeV high intensity proton cyclotron

1.2 系列小型回旋加速器

回旋加速器雖然已有近90年的發展歷史，但是由于其廣泛的應用領域，至今仍保持頑強、旺盛的生命力。能量較低、朝著單一性能、設備可靠、運行方便，以面向單一應用的緊湊型回旋加速器，針對小型化、智能化目標，將出現更多的創新發展，并推動產業化。

1) 30 MeV醫用強流回旋加速器

1994年，成功建造了30 MeV醫用強流回旋加速器(CYCIAE-30)，鑒定專家認為該加速器具有研制起點高、束流強度高、引出效率高、智能化程度高和體積小的“四高一小”特點，結束了我國不能用加速器批量生產中、短壽命放射性同位素的局面[5]。該加速器引出的束流強度達到375 A，有關成果1996年被兩院院士評為中國重大科技事件。該加速器建成試運行后，多年來保持每年供束5 000 h以上，主要用于18F、201Tl、67Ga、68Ge、123I、111In、103Pd和57Co等醫用放射性同位素的生產。2017年，《15 MeV～30 MeV可變能量強流質子回旋加速器》國家標準制定并頒布執行。

2) 10～20 MeV范圍內固定能量強流質子回旋加速器

2002年開始逐步研究變氣隙強聚焦磁鐵，提出非理想諧波場墊補新算法，掌握高頻腔、中心區等創新技術；同時統籌各項目的研究內容，至2009年建成質子束引出能量10 MeV的強流回旋加速器綜合試驗裝置(CYCIAE-CRM)[6]，如圖2所示。鑒定專家認為：性能指標處于國際同類裝置前列，獲得中核集團公司科技進步一等獎。

2012年，建成了我國首臺具有自主知識產權的PET醫用回旋加速器樣機(CYCIAE-14A)[7]，該加速器能量為14 MeV，內靶流強達450 A，因高頻系統功率和局部屏蔽的限制，試驗引出的束流強度為200 A，從中心區至引出靶上束流效率為98%。該加速器的建成，打破了國外壟斷，可用于生產惡性腫瘤和心腦血管疾病早期診斷的常用核素11C、15O、13N和18F，同時，由于其高的束流強度，還適合于生產64Cu、124I，乃至99Tcm。可基于該加速器構成即時藥物配送中心，為周圍多家醫院的PET和SPECT設備提供18F等放射性核素。由于基于國內工業能力而設計，實現100%國產化率，因而也具有價格方面的競爭力。參考CYCIAE-14A的設計，按照加拿大的技術要求，已為加拿大開展多套14 MeV PET醫用回旋加速器主體部件出口技術服務；為北京大學研發14 MeV回旋加速器用于新型放射性藥物研究，為中國同輻股份有限公司制造PET用回旋加速器；設計了70 MeV強流質子回旋加速器(CYCIAE-70)并對此技術出口，用于意大利INFN國家實驗室70 MeV強流回旋加速器的建造，該加速器已獲得最高500 A的質子束流[8]。

圖2 10 MeV強流回旋加速器綜合試驗裝置Fig.2 10 MeV high intensity cyclotron comprehensive test stand

目前正進一步改善CYCIAE-14A的離子源亮度、優化中心區結構，從而提高整體注入效率，開始自主研發用于BNCT的強流回旋加速器(CYCIAE-14B)。《10 MeV～20 MeV范圍內固定能量強流質子回旋加速器》國家標準于2017年制定并頒布執行。

3) 用于空間科學研究的50 MeV質子回旋加速器

2018年CIAE中標中國科學院空間科學研究中心的中能質子輻照裝置項目，是以在3年內為空間中心提供一臺50 MeV緊湊型回旋加速器為核心，配套部分束流線設備的中能質子輻照裝置[9]。項目建成后，將主要用于開展光電器件位移損傷及大規模集成電路質子單粒子效應的地面模擬試驗，為科學衛星載荷及國產光電器件的設計研制提供技術支撐。中能質子輻照裝置的實驗設備主要包含：1臺50 MeV緊湊型直邊扇質子回旋加速器(CYCIAE-50)，提供能量30～50 MeV、流強1 nA～10 A的質子束；2套輻射效應模擬實驗終端及相關的劑量監測與安全系統等。圖3為中能質子輻照裝置的平面布局圖。目前CYCIAE-50已完成初步設計，主磁鐵、離子源、真空室等主要系統設備已開始制造。

圖3 中能質子輻照裝置的平面布局圖Fig.3 Layout of medium energy proton irradiation facility

1.3 230 MeV /250 MeV超導回旋加速器

用于癌癥治療的超導回旋加速器，自從Maughan等[10]的開創性工作以來，經由美國瓦里安公司[11]和其他廠商驗證，于2009年開始第1例病人的治療。相比常溫回旋加速器，超導回旋加速器具有小型化、束流引出效率高、劑量率高等技術優勢。

230 MeV/250 MeV超導回旋加速器CYCIAE-230/250是CIAE瞄準國際上最新的質子治療小型化加速器設備，基于創新設計和我國工業基礎，在我國首次自主研制的緊湊型中能超導回旋加速器。CYCIAE-230/250可分別產生230 MeV及250 MeV、約數百nA的質子束流[12]。CYCIAE-230/250系列超導回旋加速器采用低電流密度、高穩定度的NbTi低溫超導線圈、液氦零揮發冷卻方式，工作穩定不易失超，滿足醫用的高穩定度要求；其主磁鐵采用4葉片螺旋扇形磁極，高頻系統采用雙高頻機推-拉模式驅動4個高頻諧振腔，質子每圈加速8次可獲得更高的圈能量增益，微型PIG離子源最大可產生幾十A的質子束，基于進動共振的靜電偏轉引出實現約80%的束流引出效率。

圖4 總體安裝中的230 MeV超導回旋加速器Fig.4 230 MeV superconducting cyclotron under integral assembly

目前CYCIAE-230的所有主體設備已加工完畢，在總體安裝階段(圖4)，其中超導主磁鐵系統已穩定運行1年，無失超[13]；高頻系統初步測試表明，腔體Q值達到8 000的高性能；離子源在加速器的中心區成功出束，流強達到60 A，高于設計要求。CYCIAE-250的關鍵部件也已全面開展加工，預計在CYCIAE-230進行調束試驗期間，開始CYCIAE-250的總體安裝工作。

2 回旋加速器創新研究成果

回旋加速器研究設計中心一直致力于強流加速器的發展，圍繞強流低、中、高能加速器，推動了若干重要的研究方向，主要包括緊湊型強流回旋加速器、超導等時性回旋加速器、高功率分離扇回旋加速器、等時性固定場交變梯度加速器、脈沖高功率電子加速器等。在每個研究方向上均已研究掌握了相關的核心技術，取得頗具特色的創新成果。

建成的100 MeV強流質子回旋加速器，實現了從10 pA到數百A共計7個量級跨度的流強供束范圍，低流強束穩定度好于1%，在照射野為4.5 cm×4.5 cm范圍內均勻性好于93%，并基于此構建的北京放射性核束裝置，實現每年穩定提供質子、中子和不同品種放射性核束共約3 000 h，為CIAE、軍事醫學科學院、國防科技大學、中國工程物理研究院、西北核技術研究所、中國空間技術研究院、南京大學、香港科技大學等幾十家單位開展實驗研究，形成了一器多用、兩器并用、多器合用的多領域、多學科綜合性研究平臺，推動了核科學技術、核物理基礎研究及核技術應用的發展。加速器裝置已用于電子元器件抗核加固、空間質子探測器標定、星用CCD圖像傳感器、航空機載電子設備試驗與評估、宇航生物效應、核數據測量等核科技研究，填補了我國能量100 MeV 范圍內質子輻照的空白，將建成國內唯一50 MeV以上準單能中子源和國內時間分辨率最好的白光中子源。國際上首次觀察到20Na的奇異衰變模式，對用于LHC/ATLAS前端量能器的單晶金剛石、碳化硅等新型半導體材料開展質子輻照試驗，進行癌細胞生物學質子輻照效應實驗等基礎研究，帶動我國核天體物理、放射性核束物理等前沿科學研究的發展。

在回旋加速器研制過程中，CIAE形成自主的回旋加速器完整技術體系，近年獲得多束團強流束流動力學并行計算軟件等軟件著作權6項；國家級、省部級科技進步獎15項；在國內外核心期刊和國際會議文集中發表科技論文約300篇(其中SCI收錄90余篇、EI收錄約80篇)；國際會議特邀報告10多次；出版專著1部、合著4部；編制國家標準2項并獲頒布執行，1項國際標準經各國投票獲得立項；申請國家專利180多項，是我國回旋加速器專利最多的單位，較全面地掌握了強流回旋加速器領域系統的創新技術，取得了重大創新成果并具備持續創新能力。

3 回旋加速器未來發展方向和高功率加速器技術預研進展

3.1 小型回旋加速器

能量100 MeV以下的回旋加速器，朝著單一性能、面向單一應用的緊湊型、智能化方向發展。針對核醫學等重大應用領域，開展成果轉化、推動產業發展；針對科研、教育等要求獨特、難以確定型號的廣泛需求，開展菜單式零點服務。

在技術方面，著重做好工程化、標準化工作[14]。將離子源和注入線由安裝于加速器上方改為下方，并盡量縮短注入線，使得基于外源的強流回旋加速器也能實現自屏蔽，降低對安裝、使用環境的要求；主勵磁線圈由原來幾十路水電接頭改為兩路，提高可靠性；所有電源采用工程化集成設計。這些工程化、標準化工作使小型回旋加速器的設計與建造模式化、規格化，將為我國核醫學“一縣一科”的普及發展起助推作用，為科教領域的多樣式發展起到支撐作用。

3.2 超導回旋加速器

超導回旋加速器在重點推進CYCIAE-230/250兩臺樣機研制的同時，著力通過各類項目與國內外醫學機構合作，自主研發質子治療加速器的后端設備。在等時性消色差束流線及其磁鐵、束測等設備研制中發揮技術優勢，在360°旋轉機架等先進工業制造與集成中展現大型工程實力，在能量選擇與劑量率快速調制設備研發中凸顯核心競爭力，在病人定位、圖像引導、軟件開發中主導國際合作，并開展測試認證和臨床試驗工作，逐步建成質子治療成套大型醫療裝備，在健康中國的國家戰略中逐漸發揮作用。

3.3 高功率質子加速器

圖5 800 MeV等時性回旋加速器 和2 GeV CW FFAG高功率加速器組合Fig.5 800 MeV isochronous cyclotron and 2 GeV CW FFAG high power accelerator complex

高功率質子加速器研究是1個未來有望帶動多學科發展的重要方向，樊明武院士在我國“一堆一器”60周年慶祝大會上提出建設2 GeV強流質子加速器的建議。基于已完成的800 MeV回旋加速器CYCIAE-800[15]可行性研究和初步設計，CIAE提出2 GeV的CW FFAG(連續束、固定磁場交變梯度)加速器設計，該方案基于100 MeV強流質子回旋加速器的大型磁鐵徑向變梯度工程實踐，充分吸收FFAG橫向強聚焦的技術優勢，重點解決FFAG調頻與CW加速器等時性原理上的沖突，單粒子數值跟蹤結果顯示可實現等時性加速，能量高達2 GeV[16]，在國際上首次超越等時性加速器1 GeV的能量極限。該加速器組合如圖5所示。參照PSI 590 MeV分離扇回旋加速器的運行經驗，設計CW運行的平均流強為3 mA，即束流功率為6 MW，高于目前在建世界平均束流功率最高的ESS設計指標5 MW。等時性加速器的能量效率高，建造費用和運行功耗低[17]，且等時性加速器結構緊湊，比對幾百m的加速器設計方案，2 GeV CW FFAG的直徑僅為54 m，易于輻射防護與屏蔽，是高功率加速器研究領域有競爭力的解決方案。美國費米國家實驗室Yakovlev報告了國際上質子束功率最高的3臺加速器總運行功耗、束流功率和能量效率，等時性加速器的能量效率約是其他類型加速器的3倍[18]。

高功率圓型加速器的主要技術難點為：回旋加速器能量低于1 GeV，同步加速器及FFAG重復頻率難以提高。2 GeV CW FFAG的高質子束流功率加速器組合，實現能量達到2 GeV的等時性，使FFAG可固定高頻頻率，達到CW運行模式，不僅提高了束流平均功率，也提高了FFAG的穩定性，回避了目前FFAG面臨的基于MA腔體重復頻率仍難穩定提高的技術困難，2 GeV CW FFAG的關鍵技術主要體現在以下幾方面。

1) 高能等時性加速原理

等時性加速的基本條件包括：磁場滿足加速過程的等時性條件、穩定區(接收度)滿足強流束加速的要求、工作點(共振穿越)路徑的規劃符合束流動力學要求。

(1) 加速器物理分析。在傳統等時性回旋加速器中，結合FFAG的反向磁鐵帶來的橫向強聚焦和大接收度，吸收100 MeV直邊扇回旋加速器變梯度提高軸向聚焦力的工程經驗，引入大徑向范圍高階梯度調變和螺旋角邊緣聚焦非對稱調節，在實現更高能等時性的同時，擁有更多自由度調節工作點路徑，以有效應對強流空間電荷效應帶來的工作點漂移，避免低階共振穿越，實現束流穩定加速。

(2) 智能化數值求解。相對于以往的各類圓型加速器，2 GeV CW FFAG中引入了更多的調節變量，各變量對設計目標的影響高度耦合，設計還必須考慮磁鐵、高頻等工程實施的可行性。因而開發了一套CW FFAG大型多目標磁聚焦結構智能優化設計軟件，以磁極結構、空間布局參數和磁場分布為初始輸入變量，將磁場強度范圍、直線節長度等設計要求及各能量閉軌為約束條件，目標求解采用遺傳算法，程序采用并行化計算，尋求高能等時性的解決方案并精確預期能量、滑相、工作點等性能指標。

圖5給出的解決方案為：10周期結構，每個直線節布置1個高頻腔，最大磁場約2.6 T，場梯度3階調變，實現了等時性加速，避免低階危險共振的穿越。2 GeV CW FFAG由于引入長直線節，在利于束流引出的同時，也可實現10個高頻腔體的總體布局，為流強達到3 mA提供基本保障。后續將進行包含空間電荷效應的大規模多粒子束流動力學模擬，最終的預期為6 MW束流加速和引出的總體性能。

2) 大徑向范圍高階變梯度磁工藝技術

3) 高圈能量增益和高引出效率的長直線節布局

PSI的590 MeV等時性回旋加速器保持了約20多年的國際最高質子束流功率的記錄，其高功率實踐總結了3次方比例規律，即空間電荷效應制約流強與圈能量增益的3次方呈正比[20]，此外，該加速器在MW量級束流功率水平的引出效率好于99.98%，即束流損失控制在(1～2)×10-4之內。提高圈能量增益對提高圓型加速器束流功率和引出效率的作用明顯。

2 GeV的CW FFAG設計引入9.4 m的長直線節，在10個周期的布局中，用10個直線節安排10個高頻腔體(單腔峰值加速電壓達到3 MV)，并提出可調耦合結構及相關算法，解決了傳統高頻系統無法動態補償高達6 MW變化負載帶來的問題[21]。根據文獻[20]的比例規律推算，空間電荷效應制約流強高于6 mA，本方案按3 mA保守設計。10個周期中的1個9.4 m直線節與PSI等時性回旋加速器相比，有充足的空間布置束流注入和引出系統，且由于直線節的軌道形態特征，更便于束流引出，可預期后續大規模并行計算的數值模擬將得到更優的引出效率。

直線節過長帶來的負面影響是高能的等時性更加難以獲得， 過短則不利于束流引出和高頻腔安裝，目前在9.4 m直線節設計的基礎上，正進行優化設計，以降低對徑向場梯度和等時性高要求的技術壓力。

4 結論

高能、強流的等時性圓型加速器，包括回旋加速器和固定磁場交變梯度加速器，在多個重要的核科技應用領域，在乏燃料后處理、先進核能系統的材料輻射損傷、放射性同位素研發等國民經濟領域，及在中子和介子科學、中微子和暗物質等基礎研究領域，均有望取得創新性的應用成果。