锦屏深地强流离子源控制系统的研制

对锦屏深地核天体物理实验JUNA(Jinping Underground laboratory for Nuclear Astro-physics)离子源控制系统进行了研究,采用分布式系统模型构建。硬件采用PLC、串口服务器、伺服电机及工控机等部件实现了离子源设备的远程监测及控制。软件通过建立EPICS IOC运行时数据库,实现了对所有被控设备的集成。用户操作界面采用CSS(Control System Studio)开发,实现了操作人员对所有被控设备的透明访问。基于安全连锁规则设计了机器保护系统,实现了运行异常下的连锁保护。该控制系统应用于国内首套深地实验强流ECR离子源,运行稳定可靠,完全满足JUNA运行及物理实验的需求。

CPHS中强流质子源与低能传输线研制

清华大学为微型脉冲强子源加速器注入研制了一套2.45GHz ECR强流脉冲质子源和低能传输线(LEBT)系统。质子源采用四电极系统引出能量达50keV/75mA的混合束,经低能传输段实现匹配注入RFQ加速器。在LEBT出口处获得了高达50keV/60mA的质子束,使用Allison发射度探测器在第2诊断室测得均方根归一化发射度小于0.2πmm·mrad。本文介绍强流质子源与低能传输段的调试结果,并对束流品质进行了研究。

2.45GHz强流脉冲质子源

介绍了一台用于强流质子直线加速器注入的2.45GHz电子回旋共振强流脉冲质子源。采用2.45GHz的微波馈入实现以氢气为载气的氢等离子体,在三电极引出系统下获得能量50keV,50mA的强流脉冲离子束。其中三电极分别为等离子体电极、抑制电极及地电极。用CST仿真软件和PBGUNS分别模拟计算了匹配波导能量的传输效率与引出束流传输轨迹,得出信号输入端口反射系数S11约为0.119,整个匹配波导内正向传输系数S21为0.993,引出束流在Z=26cm处,束流包络约为2cm。研究了离子源轴向磁场变化对引出束流强度的影响,结果得出,当螺线管电流从0A增加至50A时,引出混合束流强度从20mA上升至50mA。

加速器驱动次临界系统注入器离子源控制系统

强流质子源及低能传输线是加速器驱动次临界系统(ADS)项目注入器的重要组成部分,为了保证其工作效率设计了一种基于实验物理及工业控制系统(EPICS)架构的远程控制系统。根据被控设备硬件接口的特点及控制需求分别采用可编程控制器(PLC)和串口服务器等作为控制部件,在主控机中使用LabVIEW编程实现了对系统内所有设备的监控,并借助于DSC模块把设备状态和参数等以过程变量的形式进行网络发布。设计的控制系统具有结构简单、工作可靠的特点,已经在系统调试中发挥了重要作用。

螺线管透镜像差导致的束流发射度增长研究

螺线管透镜常作为低能束流的聚焦元件,不可避免地具有像差,导致束流发射度增长,降低束流传输效率。本文通过理论推导和计算机模拟,给出了不同束流包络、不同磁感应强度和不同磁场形状的情况下束流经过实际透镜后的发射度增长。结果表明,发射度增长主要与束流包络和磁感应强度有关。但在一定范围内,优化磁场形状也能起到控制发射度增长的作用。

注入器Ⅱ离子源控制系统设计

为实现离子源设备的远程监控、束流强度可调和当设备发生异常时的快速切束控制,采用PLC、串口服务器和自制FPGA控制板卡设计了基于EPICS架构的离子源控制系统。同时,改进了原有PLC和电机系统的EPICS IOC程序。整套系统工作可靠、稳定,完全满足注入器Ⅱ系统的调试运行需求。快速切束时间小于10μs,完全切束动作在60s内完成。

锦屏深地强流高压加速器控制系统的研制

本文介绍了锦屏深地强流高压加速器自动控制系统的基本结构、控制软件和安全联锁设计,阐述了该加速器在运行过程中高压打火产生的强干扰影响控制系统和相关设备的正常运行及在调试和实验过程中遇到的问题。通过分析原因,采取各种保护措施提高控制系统的抗干扰能力,确保控制系统和设备运行的稳定性。

锦屏深地核天体物理实验(JUNA)进展

锦屏深地核天体物理实验(JUNA)项目将利用中国锦屏深地实验室(CJPL)的良好条件,在天体物理伽莫夫能量窗口开展核天体关键反应25Mg(p,γ)26Al、19F(p,α)16O、13C(α,n)16O和12C(α,γ)16O的直接测量。目前已成功完成400kV强流加速器和ECR离子源的研发,获得了400keV、10mA的质子束流和一价氦离子束流及800keV、2mA二价氦离子束流。大功率固体靶的研制及实验数据获取系统的建立也已成功完成。超低本底快中子探测器、4πBGO探测器阵列以及大立体角带电粒子探测器阵列已研制组装完成,并测量了地面和锦屏地下实验室的本底水平。总体来说,JUNA项目整体进展顺利,完成了中期设立的目标并通过了基金委评估(A级)和国际评估。

用于锦屏深地核天体物理研究的强流加速装置的设计与试验进展

对揭示元素形成及天体起源具有重要作用的关键低能核反应由于反应截面较小,同时受宇生高能射线影响,在地面环境难以进行直接测量。在极低本底的深地环境中,利用强流离子加速器打靶,进一步提高关心核反应的发生率,就可在地球开展接近伽莫夫能区低能核反应截面直接测量。锦屏深地实验室(CJPL)具有优越的地理环境,可有效屏蔽宇生高能射线。依托CJPL的有利条件,中国原子能科学研究院正在开展核天体物理关注能区核反应直接测量的研究。作为开展实验研究的必要条件,一台低能强流加速装置也在建设当中。该加速装置可产生低能强流的质子束和氦束,最高加速电压400 kV,设计最大束流强度10 mA。本文介绍了用于锦屏深地核天体物理实验(JUNA)的强流加速装置的基本情况,包括加速装置的物理要求、布局及主要设计考虑、束流光学及地面试验进展等。

深部煤矿巷道掘进和支护关键技术与应用研究

为提高深部煤巷掘进过程中的安全性,阐述了现阶段煤矿开采的掘进技术和支护技术存在的问题,提出了巷道掘进过程中需要注意的事项,针对深部煤矿巷道掘进特点提出了采用锚网和锚注支护技术,最后对深部巷道掘进和支护关键技术应用进行了分析,为其他煤矿企业提供借鉴。

14GHz强流质子源的研制与调试

提出并初步研制成功一台利用14GHz微波产生强流质子束的离子源。2013年在搭建的实验平台上进行了初步调试。在40kV引出电压、200 W及14GHz条件下,引出直流质子混合束流4mA,初步调试结果证明其工作机制和设计结构可行。本文对该质子源及其实验平台进行详细说明,并对实验结果进行讨论。

常压氩/氮射频容性放电冷等离子体的发射光谱诊断

实验中在大气压下在射频(13.56MHz)容性耦合的平板形金属电极的构型中实现了氩/氮射频α模式的辉光放电。首先,采用发射光谱的方法测量了氮分子(C3Πu)谱线随氮气含量的变化;其次,使用玻耳兹曼斜率法估算了OH谱带(A2Σ+→X 2Π)的转动温度,并得到等离子体温度随输入功率的变化规律。最后,选取氮的第二正带(C3Πu→B3Πg)的三组顺序带组对分子的振动温度进行了研究。实验结果表明:随着氮气流量的增加,氮分子谱线强度值先增加后减小,并在氮气流量为80mL.min-1附近达到极大值;气体温度随着输入功率的增加而增加,当输入功率从30W增加到210W时,对应的气体温度从342K增加到523K;随着掺入氮气的流量从30mL.min-1增加到140mL.min-1时,振动温度保持在1 800K值附近基本上不受影响。

锦屏深地核天体物理实验室屏蔽计算

锦屏深地核天体物理实验室(JUNA)为核天体物理关键反应的研究提供了极低本底环境,加之400kV强流高稳定加速器的使用,使核天体物理感兴趣能区(伽莫夫窗口)的直接测量成为可能。而同时为避免加速器产生本底破坏锦屏深地实验室的超低本底环境,需估算加速器运行本底,进而对核天体物理实验室进行整体屏蔽。以屏蔽系统的初步设计方案为基础,基于中国核数据中心推荐的综合评价核数据库CENDL-NP,采用MCNP方法对其进行了模拟计算。计算过程采取了权重窗技巧与改变几何条件相结合等方法来减小方差,以提高MCNP方法在计算深穿透问题时的准确性。计算结果表明,该实验室的屏蔽系统对加速器引起的本底进行了有效的屏蔽。

ECR离子源微波窗损伤机理研究

强束流下微波窗损坏是限制2.45 GHz电子回旋共振(ECR)离子源寿命的主要原因,为延长离子源使用寿命,对ECR离子源微波窗损伤机理进行了研究。利用有限元软件分别计算了Al 2O 3陶瓷微波窗在微波、等离子体和回流电子束作用下的温度及应力分布。计算结果表明,在微波和等离子体作用下,微波窗边缘处应力最大,在电子束作用下,微波窗中心位置应力最大。增强水冷效果可降低微波和等离子体对微波窗的影响,增加Al 2O 3陶瓷微波窗表面氮化硼(BN)的厚度可降低电子束的影响,从而减少微波窗损坏概率,延长离子源寿命。

槽波地震勘探技术在煤矿构造探测上的应用

众所周知,地面地震勘探方法是物探方法中分辨率最高,最准确的勘探手段,也是煤田勘探中普遍应用的方法。槽波地震勘探法是在井下煤层开采工作面内进行的,地震测线接收点和激发点沿煤巷布设,直接探测煤层内地质构造或其他地质异常体,并且槽波对异常体又非常敏感,槽波数据解释又有巷道已知地质资料为依据,所以槽波地震勘探是最有效、最精确、分辨率最高的井下地震勘探方法。

用于同位素电磁分离系统的强流离子源设计

随着我国核科学与核技术的发展,高丰度同位素的产量无法满足市场需求,极大地限制了相关领域的发展。因此,迫切需要发展高产额、高效率的电磁同位素分离装置。离子源作为电磁同位素分离器中的关键部分,其性能直接影响目标同位素的分离与产额。设计了一台2.45 GHz微波驱动的离子源用于稳定同位素电磁分离器的注入,目标是在引出能量40 keV下产生20 emA Xe^(+)及5 emA Mo^(+)。为了获得高密度等离子体,设计了双线包螺线管产生放电磁场,并通过仿真软件CST微波模块计算优化了高耦合效率的磁场位型和匹配波导。为了产生强流金属离子束,设计了内置放电室坩埚熔化金属氧化物。模拟结果表明:当加热丝电流为70 A时,坩埚温度最高为917℃,可以高效地产生金属钼蒸气,进入放电室进行离化。

ADS强流质子加速器低能传输段发射度匹配研究

研制了一套强流质子源及低能传输线(LEBT)注入器用于ADS质子直线加速器。质子源产生35 ke V强流束经过低能传输段聚焦进入射频四极(RFQ)入口。低能传输段不匹配是强流RFQ中引起束流丢失的主要原因。不同加速段的束流匹配是减少束流损失与抑制发射度增长的重要手段。束流损失导致RFQ电极表面受热变形进而引起高频打火,降低RFQ长期运行的稳定性。针对以上问题,研究LEBT发射度在不同的实验条件下如何实现加速器更好的匹配。研究结果表明,LEBT出口束流在35 ke V,10 m A下,束流发射度小于0.2πmm·mrad,当LEBT螺线管电流为210和270 A时,束流在RFQ入口满足匹配条件。

强流ECR离子源引出系统研究

为了提高强流ECR离子源的引出束流品质,分别设计了1#和2#引出系统,利用束流引出模拟软件PBGUNS对1#和2#引出系统进行了质子束流引出与传输的模拟计算,结合实际测得的发射度数据分析引出系统,发现2#引出系统比1#引出系统引出束流品质高。对ECR离子源引出系统的电势等位线分布等参数引起的球差进行了简单数学推导及MATLAB绘图,并结合1#和2#引出系统束流相图模拟结果证明了球差会使引出束流品质有效发射度增长,通过适当加大电极孔径可改善束流聚焦情况,得到了束流光学聚焦较好的束流引出系统设计。

2.45GHz ECR离子源的微波阻抗匹配

ECR离子源的等离子体阻抗对其微波传输与阻抗匹配设计至关重要。在中国科学院近代物理研究所现有的2.45 GHz ECR质子源上,对等离子体阻抗进行了测量。首先用水吸收负载代替等离子体负载测量得到了所用微波窗阻抗,然后根据质子源测量数据,推算得到了等离子体阻抗。实验结果表明,脊波导输出端阻抗与后续负载不完全匹配,等离子体阻抗随微波功率变化呈非线性。这些结果为ECR离子源过渡匹配和微波窗的设计提供了参考依据。

锦屏深地核天体物理实验(JUNA)地面实验进展

锦屏深地核天体物理(JUNA)实验项目将利用中国锦屏深地实验室(CJPL)的良好条件,在天体物理伽莫夫能量窗口开展核天体关键反应^(25)Mg(p,γ)^(26)Al、^(19)F(p,α)^(16)O、^(13)C(α,n)^(16)O和^(12)C(α,γ)^(16)O的直接测量,为理解恒星演化和元素起源提供新的数据。目前,已经在地面上对加速器装置、束流稳定性、靶、探测器以及电子学进行了系统的测试。地面实验内容包括高纯锗探测器效率刻度,^(25)Mg(p,γ)^(26)Al在304 keV的共振强度测量,^(19)F(p,δ)^(16)O的截面测量,聚乙烯作为慢化体的中子探测器的设计、加工和效率刻度,靶的设计和稳定性检测等。JUNA项目整体进展顺利,地面实验已取得一系列关键进展和初步成果。在不远的将来,JUNA项目将有序开展地下实验,完成设定目标,也将促进更广泛的国际合作,助力于天体演化中的若干重大科学问题的解决。