中国散裂中子源快循环同步加速器射频系统的设计与研制进展

研制了大功率宽带快速扫频射频系统,其用于中国散裂中子源（CSNS）快循环同步加速器（RCS）中,主要包括铁氧体加载谐振腔、射频功率源、偏流源和低电平控制系统。射频系统工作重复频率为25Hz,扫频范围为1.022～2.444MHz,单个腔体（双加速间隙）可提供最大30kV加速电压。两级的调谐控制能解决快速扫频过程中的系统失谐问题,采用束流前馈、直接反馈等多种技术手段可对束流负载效应进行补偿。

中国散裂中子源/快循环质子同步加速器射频同步相位环路的数字化控制

介绍了中国散裂中子源/快循环质子同步加速器射频同步相位环路的数字化控制系统设计方案,并利用ALTERA公司的现场可编程门阵列开发面板进行了系统开发,完成了控制回路的编程与仿真,进行了桌面实验和低功率实验,并对其进行了分析与讨论。实验结果表明:同步相位环路运行稳定,控制误差小于1°,满足物理设计要求。

中国散裂中子源快循环同步加速器主剥离膜设计

设计了中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)注入区的主剥离膜装置。为降低研制难度和成本,提高运行可靠性,选择了回转体式的结构。根据在线可调性、高稳定性、高定位精度和超高真空等技术难点,给出了CSNS/RCS主剥离膜的具体结构方案和控制方案。利用ANSYS有限元分析软件和材料力学原理,对设备的核心部件不锈钢同步带进行了模拟计算和理论分析。

快循环同步加速器射频加速电压幅度的数字化控制

中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)中的射频低电平控制系统是基于FPGA的全数字控制系统,旨在完成对射频频率、加速电压和同步加速相位的控制。介绍了CSNS/RCS射频系统的低电平数字化控制设计方案,并着重对射频加速电压幅度控制回路进行了分析与讨论。电压幅度控制环路通过射频电压幅度信号与电压幅度设定值的比较,得到误差信号。误差信号经过控制器来控制输入到射频腔的功率,以达到稳定和改变腔压的目的。通过对控制对象的分析和建模,得到了满足系统要求的控制器。详细介绍了数字系统的实现,尤其是信号的解调和控制算法的实现。用ALTERA公司的DSP builder进行数字控制系统开发,系统仿真结果表明,环路误差信号大约于10μs(400个系统时钟)后归于0,整个电压幅度控制环路能稳定运行。

同步加速器二极磁铁电源的研究

提出了一种基于晶闸管相控整流器和IGBT脉宽调制 (PWM )变换器技术的同步加速器二极磁铁电源的设计方案 ,分析了其工作原理。试验结果表明 。

中国散裂中子源/快循环同步加速器束流负载效应的补偿

针对强流质子同步加速器中的束流负载效应,基于中国散裂中子源/快循环同步加速器射频系统样机,在不降低腔体Q值的前提下,以数字化低电平控制为主要技术手段,对束流负载效应进行补偿。提出完整的由多控制环路组成的束流负载效应补偿方案。该方案主要由引入自适应算法的束流前馈和高带宽低延时的射频直接反馈,以及在束流负载下对腔体谐振状态进行控制的腔体预失谐和动态调谐等组成。

小型医用质子同步加速器的慢引出设计

围绕北京医用质子同步加速器的方案，研究设计了１／３整数共振的慢引出系统。利用该系统，可获得较高的引出效率（大于９５％）、较小的引出束流发射度（在静电切割器处，积分发射度为０．１５πｍｍｍｒａｄ）、较窄的引出动量分散（０．

中国散裂中子源快循环同步加速器壁电流探测系统

在中国散裂中子源工程中,快循环同步加速器负责将剥离注入的能量为80MeV的质子束加速至1.6GeV后引出。在快循环同步加速器上共安装了两台壁电流探测器,用来观测束流从注入至引出过程中束团在时域上的变化情况。详细介绍了壁电流探测器在陶瓷间隙、磁性材料和匹配电阻等方面的设计考虑,以达到带宽满足百kHz到30 MHz的设计目标,并对实际带束流测量结果进行分析讨论。经实际在线运行测试,此壁电流探测器完全满足束流调试及运行需要。

应用于同步加速器时序控制的片上可编程系统的设计

同步加速器对控制信号的时间约束要求非常严格,时序控制是加速器控制系统中十分重要的环节。在兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)控制系统中,时序控制主要采用FPGA+ARM+linux+DSP的体系结构。本文介绍基于FPGA和uClinux操作系统的片上可编程系统(SOPC)的设计,可将目前ARM+LINUX的工作完全集成在FPGA内实现,省去专用ARM芯片。其最高工作频率可达185 MHz,硬件资源消耗不到4%。片上可编程系统的硬件处理器系统和操作系统都可根据具体需求重新裁剪和配置。SOPC技术在加速器物理以及其他领域有着非常广泛的应用前景。

同步加速器的反馈系统研究

对实际应用于同步加速器的反馈系统进行分析,从而提出适合于同步加速器的反馈控制模型。这将有助于反馈系统在同步加速器中应用的进一步拓展,也将有助于反馈理论同高能粒子稳定运动理论结合的深入探讨。仅对系统中的客观存在物理现象进行了讨论,进而提出了一些解决问题的方法,特别是反馈控制在同步加速器中的应用。

同步加速器束流能量自动切换控制系统

带电粒子放射治疗中3D主动治疗方式需要不同的束流能量照射不同的病灶切面,这就需要同步加速器控制系统能实现多级束流能量的自动切换控制并提供接口对接治疗计划进行自动变能控制。本文开发了同步加速器束流能量切换控制系统,同步加速器的前端服务器中存储着执行1个同步加速器加速周期所需的全部控制数据集,其中控制数据通过索引标号对其进行区分,同步事例信息是同步加速器多级束流能量切换的触发信号。当前端控制器被同步时间系统的同步事例触发激活后,从DSP波形发生器的SDRAM空间中读出磁铁电源、高频等控制数据进行数据切换。同步事例信号包含同步触发信息、束流能量控制数据的索引信息和控制数据的更新操作信息。多级束流能量自动切换控制系统能实现255级束流能量间自动切换控制(碳束能量在50～500 MeV间切换,步长可控制在1.77 MeV),完全能满足实际中碳束能量在50～500 MeV间以10 MeV为步长的自动切换控制。

一种全通域网络在同步加速器高频腔体的应用

介绍了一种T型桥全通域网络的频率特性和计算结果。将这种具有频率带通特性的全通域网络运用于同步加速器高频腔体,就形成了一种新型同步加速器无调谐高频腔体。这种新型高频腔体具有比同步加速器常规高频腔体相对优越的性能。

澳大利亚同步加速器劳动力职业概况和技术需求

同步加速器是澳大利亚政府投入的高科技项目,文章通过对澳大利亚同步加速器劳动力职业概况和综合技术需求进行分析指出,随着新技术的出现和发展,对同步加速器劳动力技术需求更强调综合技能和针对性,职业院校的培训课程内容也要适应这种变化。

同步加速器的粒子纵向运动及系统的接受度

在经典力学框架内,把粒子的纵向运动方程化为具有固定力矩的摆方程。在无扰动情况下,用Jacobian椭圆函数解析地给出了系统的异宿轨道;在扰动情况下,找到了同宿轨道的的积分表达式。从接受度概念出发分析了系统的稳定性。结果表明,在无扰动情况下,系统的接受度最大;随着扰动的增加,接受度变小,当无量纲的扰动强度Q=1时,接受度为零,系统处于临界状态。再现了在转变能量以下(γ<γ(?)),同步相位0<ξ_s<π/2的经典结果。

中国散裂中子源快循环同步加速器束团长度研究

束团长度是中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)束流动力学的关键参数,通过对束团长度的研究,可了解RCS的机器性能并进一步指导机器优化研究。本文对RCS 100 kW时的束团长度进行精确测量,100 kW引出时的束团长度为105 ns。RCS 500 kW时束团长度可能超过无损引出允许值,需压缩束团长度。理论上提高腔压可压缩束团长度,本文模拟研究500 kW时束团长度随腔压曲线的变化规律,模拟结果表明提高加速后半阶段的腔压可压缩束团长度,给出了500 kW时无束流损失引出的腔压曲线。基于100 kW束流条件实验验证了通过提高加速后半阶段腔压来压缩束团长度的有效性和可行性,实验测量结果与模拟结果一致。因此,提高加速后半阶段腔压是500 kW时无损引出束流的有效方法。

壁电流探测器在中国散裂中子源快循环同步加速器调束中的应用

快循环同步加速器(RCS)是中国散裂中子源(CSNS)的重要组成部分。负氢粒子束经直线加速器加速至80MeV,剥离成质子束注入至RCS环并加速累积至1.6GeV引出打靶。束流通过安装在RCS环的壁电流探测器(WCM)感应得到束流的强度信息,环高频与环主二极磁铁的失配会导致束流的实际振荡偏离理论预测。本文通过对WCM的数据进行分析得到了纵向工作点、束流的实际振荡频率、束团的电荷量、束团的形状变化等信息,方便了加速器的调束,并对参数测量中的测量误差进行了分析。

同步加速器慢引出束流频谱定量分析及其应用

引出束流的时间均匀性是同步加速器慢引出研究领域中的重要研究方向,优化时间均匀性需先判断引出束流不均匀性即束流纹波的主要来源。引出束流频谱在分析束流纹波时起关键作用,但常规的引出束流频谱分析仅通过频谱幅度判断主要的束流纹波来源,遇到宽频束流纹波时常规方法无法正确反映宽频纹波对时间均匀性的影响。为此,本文提出引出束流频谱定量分析方法,并将该方法应用于西安200 MeV质子应用装置同步加速器引出束流的时间均匀性的分析及优化中。该方法可正确反映宽频纹波对时间均匀性的影响,根据该方法可对不同来源的束流纹波进行分类,定量计算不同类型的束流纹波对不均匀性的贡献,实现量化比较不同类型纹波影响,明确需优化的目标。

医用质子重离子同步加速器冷却水系统控制优化方法与实践

目的:研究西门子医用质子重离子同步加速器冷却水系统温度控制的方法。方法:将回水温度变化作为控制程序的输入变量,采用预测方法控制阀门开度,并增加回水端水箱容量以提高温度缓冲能力。结果:优化后的系统能够适应质子重离子加速器多种负载状态,对32℃以内的冷却水负载能够消除2℃峰值,使进水温度控制在(27±1)℃以内。故障统计发现,温度偏离故障率由原来的64%降低至8%。结论:优化后的3层循环结构冷却水系统能够适应西门子质子重离子同步加速器的运行要求。

紧凑型中高能同步加速器的物理设计

本文采用束流光学匹配软件优化组合磁铁布局得到一种紧凑型的同步加速器。该加速器具有周长短、磁铁孔径小、束流品质高等优点。注入和引出设计是此同步加速器的关键点,基于Matlab/AT开发了模拟软件,模拟研究注入和引出相关束流动力学问题。研究结果表明,该同步加速器束流品质优、注入效率高、引出束流损失低。该同步加速器可满足航天、材料和生物等多方面研究。

大电感负载平顶平底脉冲大电流的产生——一种新型的同步加速器磁铁电源初探

以同步加速器环磁铁的激励为主要对象，提出了在大电感负载中产生平顶平底脉冲大电流的一个新的方案．主要思想是：采用两路直流电源，一路供给平底电流，两路串联供给平顶电流．一个充以适当高电压的电容与负载谐振放电，把负载电流从平底快速推到平顶；下降阶段中，这个电容与负载谐振使负载电流又快速地下降到平底，并回收了负载电感中储存的磁场能量．以若干可控硅及二极管的通断来实现各个阶段之间的相互衔接．文中给出了近似计算公式及一个具体实例的计算结果．