交叉指型磁模漂移管重离子直线加速器设计

西安200 MeV质子应用装置(XiPAF)的质子同步环改造为质子重离子同步环的需求,采用将电磁四极磁铁安装在漂移管内部的设计方案,完成了1台2 MeV/u的交叉指型磁模漂移管直线加速器(interdigital H-mode drift tube linear accelerator,IH-DTL)的物理设计和机械设计。建立了使用腔内聚焦散焦周期结构进行横向强聚焦,常规负相位用于纵向聚束的1套动力学设计方法,实现对多种离子的加速,并能在获得较高束流传输效率的同时保持较低的束流发射度增长。DTL动力学计算结果表明:该IH-DTL可将峰值电流强度为50 eμA的Bi^(32+)离子从0.4 MeV/u加速到2 MeV/u,传输效率为99%,横向归一化均方根发射度增长小于10%,可用于加速荷质比在1/2~1/6.5范围内的重离子。

中国散裂中子源漂移管磁铁线圈研制

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)漂移管直线加速器(Drift Tube Linac,DTL)负责把H-离子束从3 MeV加速到80 MeV,其工作频率为324 MHz,包含161台电四极磁铁漂移管,漂移管外径140 mm,体积小、结构复杂紧凑。受空间限制,漂移管内电四极磁铁线圈采用先进的SAKAE结构,在一整块无氧铜上初步加工并通过电铸、线切割等工艺完成研制,线圈外径82 mm,内径37 mm,每极3.5匝,该线圈具有体积小、易冷却、励磁电流大等优点,在国内首次研制使用。本文对SAKAE线圈的研制方法进行了研究,并给出了磁铁的测试结果及线圈在高电流下的发热测试与分析。

漂移管工作温度对离子迁移率谱的影响

离子迁移率、反应物离子的种类和产量与漂移管工作温度有很大的关系。本研究在不同温度下进行了离子迁移率实验,结果表明,离子迁移率随温度的升高而增大,而提高工作温度可以减少水分子对产物离子的影响,有利于改善系统检测的分辨率;选择合适漂移管工作温度,能有效地增加反应物离子的产量,从而提高系统检测的灵敏度和选择性。

漂移管直线加速器加速电场分布及稳定性调谐研究

漂移管直线加速器(DTL)加工和安装的误差会导致腔内加速电场分布偏离设计值。为了补偿该偏差,通常在腔内安装调谐装置。同时,在腔内引入耦合杆周期结构,通过调节耦合杆与漂移管之间的间隙,可提高DTL腔内加速电场的稳定性。本文基于高频谐振腔理论和小球拉线测量技术,搭建了一套高精度电场测量系统。结合仿真模拟和实验,实现了中国散裂中子源(CSNS)DTL的加速电场和稳定性调谐,使得腔内实际加速电场分布与设计值相对偏差小于2%,谐振频率和电场稳定性均达到设计指标。

漂移管直线加速器高功率波导窗的物理设计

为了研发中国散裂中子源(CSNS)漂移管直线加速器(DTL)的功率耦合器,在对常规波导窗结构进行改进的基础上,设计了一种新型高功率波导窗。利用微波仿真软件CST优化了波导窗的高频传输特性,并采用ANSYS分析了波导窗在通功率时的温升及热应力以防止陶瓷片破裂,结果表明,波导窗能传输的最大平均功率达到了800 kW。校核了波导窗抽真空时的机械强度,并对陶瓷窗高频打火进行初步讨论,结果表明,漂移管直线加速器入腔功率为2 MW,小于波导窗的临界输入功率2.355 MW,窗内打火的机率很小。

CSNS漂移管直线加速器水冷联锁系统设计

为了保证中国散裂中子源漂移管直线加速器安全、稳定、可靠地运行,利用横河FA-M3 PLC搭建了基于实验物理及工业控制系统软件框架的水冷联锁系统。该系统监测漂移管直线加速器冷却水系统流量开关、流量计和温度传感器的状态,并进行逻辑运算,为磁铁电源和射频系统提供联锁保护信号。目前,该系统已完成现场安装和调试,并已正式投入运行。

高功率离子束在漂移管中的中性化传输

介绍了“闪光二号”加速器产生的高功率离子束在漂移管中的传输实验。对比了采用中性化措施前后的传输情况,分析了中性化措施对离子束束斑半径、束流均匀性的影响。根据实测的二极管电压模拟得到了传输一定距离后的束流波形,与实测结果符合较好。采取适当的中性化措施后,高功率离子束可以有效传输80 cm以上,束流发散得到抑制,束流均匀性得到改善。

IH型永磁漂移管加速腔初步设计

设计了一个用于加速低能质子的永磁聚焦IH型漂移管加速腔。通过迭代设计,使得束流通过每个漂移管中心的束流相位与预设值一致。设计的永磁聚焦IH型漂移管加速腔将质子束从0.75 MeV加速到2.5 MeV,长度0.96m,分流阻抗约90 MΩ/m。不考虑束晕和误差因素,50mA流强下该漂移管加速腔中的束流损失可以控制在0.1%量级。

散裂中子源漂移管直线加速器功率耦合器的冷测及分析（英文）

功率耦合器是中国散裂中子源(CSNS)漂移管直线段(DTL)的关键部件之一,其耦合系数通常通过调节耦合孔尺寸得到,为了确保耦合系数达到设计值,制造了一个冷模进行耦合度的调节。在冷模测量过程中,发现了仅通过改变耦合孔尺寸耦合系数达不到目标值的问题,因此提出了一种与测量结果对比有良好仿真精度的新模型用于分析,并使用该仿真模型分析了PEFP使用的理论及影响耦合度的主要参数。最终耦合度被调节至目标值,正式件的冷测结果也表明其与仿真结果基本相同。

上海EBIT装置漂移管组件研制

漂移管组件为EBIT提供约束离子的轴向电势阱,是EBIT装置的核心区域。组件工作在低温、强磁场、高电压、超高真空的环境中,这对工程设计提出了很高的要求。本文介绍了上海EBIT装置的电势阱设计、漂移管组件的结构设计和一些特殊工程问题的处理方法,并对组件进行了低温和高压试验。本文的研究工作,对上海EBIT装置的成功研制有着重要的意义,目前上海EBIT可以稳定运行在100kV/110mA。

位置灵敏探测器漂移管的研制

自主研制了位置灵敏探测器漂移管,测量了其漂移时间性能,得到了漂移管的时间位置关系,与欧洲核子中心的监控漂移管性能基本一致,为漂移管国产化及批量生产奠定了理论及技术基础。

中国散裂中子源漂移管四极磁铁线圈冷却分析

中国散裂中子源漂移管直线加速器采用Alvarez结构,包含161台漂移管,每台漂移管内装有一台电四极磁铁以达到磁场梯度高且可调的要求,实现强聚焦。四极磁铁采用日本质子加速器研究中心研发的SAKAE结构,实现小体积、小孔径、高励磁电流、水冷线圈的要求。相比较于日本J-PARC的在35%占空比脉冲模式下工作的四极磁铁,CSNS漂移管四极磁铁工作在直流模式下,设计最高励磁电流570A,而且CSNS四极磁铁线圈的水冷管道横截面减小了35%,欧姆发热大,磁铁线圈的冷却及能否稳定运行分析十分重要。本文利用经验公式和软件Workbench分别计算了在最大励磁电流570 A,冷却水流量为1 L/min情况下,线圈的温升情况,并且对磁铁样机做了9小时的烤机实验,线圈温升与仿真结果基本一致,磁铁运行稳定。

用于双模式离子漂移管系统的法拉第盘离子检测器

双模式离子漂移管系统含有脉冲高压电场、大电流加热和气路驱动3种强电磁干扰源。为了提高离子检测器的灵敏度,必须抑制漂移管迁移区的脉冲高压电场、大电流、静电及其它环境噪声。本实验研制了一种新型的法拉第盘离子检测器,可有效抑制上述噪声,满足现有双模式离子漂移管系统对离子检测器的要求。

CSNS漂移管直线加速器漂移管外壳冷却分析

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)漂移管直线加速器(Drift Tube Linac, DTL)由4台9米长腔筒、161台漂移管及其他高频部件构成,负责把负H离子由3 MeV加速到80 MeV。漂移管外壳采用全无氧铜电子束焊接而成,壳内有独立的不锈钢水套,外壳和水套采用间隙装配,其间有约0.2 mm间隙填充环氧介质。外壳的高频热功率约200 W,为了降低外壳温度及减小失谐量,冷却十分重要,外壳靠水套冷却,冷却效果不仅与0.2 mm间隙介质的导热系数有关,还与水套的冷却换热系数有关。利用3D软件Workbench仿真分析间隙介质导热系数和水套冷却换热系数对漂移管外壳温度的影响,间隙介质的导热系数大于0.1 W∙m−1∙℃−1时,冷却效果较好且外壳温度随介质导热系数变化不大,介质导热系数小于0.1 W∙m−1∙℃−1时,随着导热系数的减小,外壳的温度会急剧升高,因此选择导热系数在0.2 W∙m−1∙℃−1以上的环氧树脂填充间隙,另外,为了达到较好的冷却效果,水套中的冷却水应该处于湍流状态,流量应大于1.8 L/min,冷却换热系数大于5500 W∙m−2∙℃−1,漂移管实际运行中水套流量选择4 L/min,冷却换热系数约为10,000 W∙m−2∙℃−1,外壳温度较低,失谐量较小,运行具有较高的可靠性和稳定性。

四极质谱在漂移管直线加速器上的应用

真空检漏是漂移管直线加速器(DTL)获得高真空的重要技术。四极质谱计是分析真空系统内残余气体成分的重要工具,同时也可作为一种检漏手段。本文利用氦质谱检漏仪和四极质谱计两种手段对DTL1~#腔进行检漏。当对12~#漂移管的线圈加电时,腔体内的真空度、漏率和残余气体成分都发生了变化,并且水的谱峰增加最显著,所以判断12#漂移管出现了问题。通过恰当的处理,使腔体很快获得了10^(-6)Pa的高真空,满足了直线加速器对真空系统的要求。

等效电路模型在漂移管直线加速器场稳定性调制中的应用

漂移管直线加速器(DTL)通过采用杆耦合器加速结构,实现加速电场的稳定性。为了分析电场稳定性的调制机理,简要说明DTL的腔体结构,并对其进行集总参数的等效模拟,给出等效电路分布。最后着重对耦合杆与漂移管之间相互作用的等效电容进行了仿真研究。针对上述电路分布,采用电路理论分析了高频场扰动及稳定性的实现机理。通过将稳定结构下的等效电容求解结果与该电容的模拟仿真值进行比较,得出稳定状态下的耦合杆与漂移管之间间隙取值的合理区间。最后通过对不同调节条件下的扰动电场进行仿真分析,一定程度上验证了结论的正确性。

CSNS漂移管泄漏检测

漂移管是中国散裂中子源(CSNS)直线加速器(DTL)的核心部件,整个DTL共有153个整漂移管和8个半漂移管提供纵向加速。采用氦质谱检漏仪和四极质谱计两种手段对12#漂移管进行研究,首先确定了漂移管外壳的漏点位置,然后通过线圈通电和打水压的方法确定了线圈漏水,最后去掉漂移管外壳后重新检漏,确定了线圈漏水的原因。检漏结果对漂移管备件的加工、焊接和检漏具有一定的参考意义。

中性束注入器漂移管道用低温泵的设计

随着中性束注入器研究的深入开展,我们在成功地设计了一台真空室用的400000L/s低温泵的基础上又对漂移管道用的20000L/s的低温泵进行研制。本文在详细分析漂移管道特点及其对低温泵结构的特殊要求的基础上,对低温泵的结构及冷凝板的温度分布进行具体的分析。设计了一台符合中性束注入器漂移管道特殊要求的液氦低温泵。

国产首台交变相位聚焦漂移管加速器的冷测与试运行

质子直线注入器是质子治癌系统的重要组成部分。出于项目进度的考虑,上海先进质子治癌示范装置APTRON采用了进口自美国的直线注入器。为了加快质子治癌产业进程,掌握质子放疗关键技术,保证产业链安全可控,注入器团队研发了国产医用质子直线注入器。该直线注入器采用了电子回旋共振(ECR)离子源和四翼型射频四极加速器(RFQ)的技术方案,并在漂移管加速器(DTL)段创新性地采用了交变相位聚焦(APF)结构。在这个过程中,通过研究APF DTL的束流运动规律和设计思想,自主开发了APF DTL的底层物理设计软件,相继完成了物理设计、电磁设计、机械设计、加工建造、腔体冷测、高频老练和载束实验等多个阶段的工作,最终成功引出了7 MeV、7 mA的质子束流。经过束诊系统的测量分析,认定束流中心能量为6.975 MeV,动量分散在±0.35%以内的束流流强为6.07 mA。成为国产首台医用质子直线注入器和首个实现成功载束的APF加速腔。

EAST兆瓦级NBI漂移管道内束功率沉积的研究

超导托卡马克兆瓦级中性束注入器漂移管道是NBI的关键部件之一,它对减少中性束的能量损失,提高中性束的加热效率有着重要的意义。根据EAST兆瓦级NBI的强流、高功率、长脉冲运行的要求,运用Matlab软件对漂移管道内的束功率沉积进行编程模拟计算分析,得到了漂移管道内束功率沉积在不同束散角下的分布规律。研究结果表明中性束的能量以及中性束的束流发散角是影响漂移管道内束功率沉积的主要因素。为漂移管道系统、内部组件以及冷却系统的设计提供了理论依据。