中国散裂中子源RFQ的研制

中国散裂中子源研发了一台射频四极RFQ(Radio Frequency Quadrupole)强流质子加速器。为保证RFQ顺利出束,对加工焊接阶段、RF调谐调场、高功率RF(Radio Frequency)老练过程中出现的问题进行了分析,给出了解决办法,并进行了调束实验。三坐标测量测得RFQ精加工后的加工公差约在20μm,RFQ腔体无载品质因子Q0大于7 679,约为理论无载Q0值的80%。RFQ腔内RF电场分布的平整度好于2.5%,RFQ高功率RF老练入腔功率达到450 k W,是理论腔耗390 k W的1.15倍,且保持连续12 h不打火。在RFQ调束实验中,RFQ出口得到3 Me V、28 m A的负氢束流,满足中国散裂中子源的要求。

中国散裂中子源DTL漂移管的预准直

漂移管直线加速器(Drift Tube Linac,DTL)是中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)直线加速器的主要部分,负责将脉冲流强为15 m A的负氢离子从3 Me V加速到80 Me V,再注入到快循环同步加速器(Rapid Cycling Synchrotron,RCS)中实现进一步加速。DTL加速器本身技术工艺复杂,要求极高的加工精度和准直安装精度,是CSNS的关键技术之一。本文介绍了中国散裂中子源漂移管的预准直方法,从最初的预研到正式安装,解决了一系列难题,包括漂移管的标定、安装和准直调整,形成一整套流水线式的预准直流程,最终漂移管预准直的精度优于物理设计指标,可为同类别的准直测量提供参考。

中国散裂中子源低温系统调试及运行进展（英文）

中国散裂中子源(简称CSNS)低温系统的主要作用是为靶站慢化器提供满足温度和压力要求的低温超临界氢。低温系统的调试历经1年,主要包括4个方面:(1)氦制冷机验收测试,使用制冷机内部的加热器作为热负载,测试制冷机的制冷量;(2)氦降温测试,使用模拟负载模拟慢化器动态热负荷,采用氦气降温至20K后复温并检漏。(3)氢降温测试,采样氢降温至20K并优化控制逻辑。(4)低温系统与慢化器的联合降温测试。CSNS低温系统目前已经完成了所有调试工作,并配合靶站谱仪的调试工作完成5次较长时间的持续稳定运行。

中国散裂中子源4 K低温恒温器温度校正

介绍了中国散裂中子源(CSNS)一期4 K低温恒温器的结构、性能测试及样品温度测试结果。测试结果显示样品座测点温度与实际样品温度存在温差,所以必须对样品温度进行校正。通过对样品区域进行热工分析,设计了可以密封氦气的样品盒,实现了测点温度与样品温度的一致。

中国散裂中子源样品变温环境设备技术

中国散裂中子源(CSNS)中子散射样品变温环境设备是中子源上应用最广泛的样品环境设备,为了拓宽CSNS的应用领域和测量样品类型,一期工程建设中设计制造了3大类样品变温环境设备,包括低温区的低温恒温器、中温区的水浴恒温设备和高温区的中子散射高温炉,其温区范围分别覆盖了0.3—300 K、243—473 K、473—2073 K。主要介绍上述3类样品变温环境设备的工作原理、系统设计以及工程进展,实现并完成了CSNS样品变温环境设备的系统性搭建和性能测试。

中国散裂中子源低温系统氦制冷系统的安装与调试

氦制冷系统是中国散裂中子源(CSNS)低温系统的重要组成部分,能够为氢循环系统提供2 200 W@20 K的冷源。介绍了CSNS氦制冷系统的组成及设备布局图及氦制冷系统的调试原理,完成了控制界面图及氦制冷系统的安装和调试准备工作,详细说明了调试的过程,获得了700 W/1 400 W/2 200 W 3种制冷功率下的状态参数。氦制冷系统调试顺利完成,结果满足了验收指标。

中国散裂中子源遥控维护液压剪刀防扭刀刃结构设计

中国散裂中子源(CSNS)的运行维护需要对活化的慢化器反射体进行定期的远程更换。在慢化器反射体遥操作维护工艺的设计中,最关键的一个工序是管道的剪切。传统的管道剪切工艺采用标准液压剪刀加装长柄工具实现远距离的剪切操作。由于管道位于深井环境,长柄与水平液压剪刀的组合方式在剪切操作时会存在管道扭曲,从而造成剪切效果不理想的情况。提出一种基于逆向工程与有限元分析相结合的防扭刀刃设计方法,通过逆向建模剪切刀刃、应力分析模拟剪切过程的应力分布以及对打孔位置进行优化设计等技术手段,有效地解决了遥控剪切自由管道时,剪刀与管道的姿态不协调问题,从而保护了刀具免受扭曲的管道造成的刀头损坏,并且提高了剪切效率。

中国散裂中子源(CSNS)LRBT输运线真空系统

中国散裂中子源(CSNS)质子加速器由产生能量为80Me V的负氢离子直线加速器、直线加速器到环(LRBT)和环到靶(RTBT)的束流输运线、以及积累和加速质子束到1.6Ge V的快循环同步环(RCS)组成,而总长约200米的LRBT段是该加速器的重要组成部分。本文介绍LRBT段真空系统,包括总体布局设计,物理需求,真空参数,关键设备,安装和调试工作;目前,LRBT动态真空在打靶功率50k W时优于2×10-6Pa,满足物理需求,各非标真空设备、真空获得及测量设备等经过2年半的长期运行,稳定可靠无故障。

中国散裂中子源小型非直冷式低温恒温器技术

中国散裂中子源(CSNS)中国自主建设的第一台散裂中子源,CSNS一期工程需设计并配置3套以上的小型低温恒温器。介绍了CSNS小型非直冷式低温恒温器及系统设计、系统控制设计以及测试结果,获得了该恒温器内真空腔的真空度、样品管氦气压力与温度之间的变化关系,为低温恒温器的设计和在CSNS应用中的运行维护提供了理论依据。

中国散裂中子源氢循环系统的氦降温调试试验研究

中国散裂中子源(CSNS)氢循环系统建成后,需要进行降温调试实验,以获得满足运行要求的温度、压力和流量参数。为了保证人员和设备的安全,先使用氦气替代氢气,成功后再使用氢气进行降温调试实验。介绍了氢循环系统及降温调试的原理,氦气降温调试的过程及相关的降温曲线,分析了降温过程中的异常现象。经过5轮调试实验,顺利完成了氢循环系统的氦降温调试,为氢循环系统的氢气降温调试实验奠定了基础。

大科学工程建设低温工程技术发展现状及前沿科学技术问题

针对大科学工程中低温系统的应用开展研究,重点讨论了国内外典型的大科学工程中低温系统的应用情况,分析了各自的特点,总结提炼了低温工程技术发展相关的关键科学技术前沿问题,为大型低温系统的科学技术研究和应用提出了发展方向。

基于PLC的中子束线开关控制系统的设计

介绍了一种基于PLC(Programmable Logic Controller)控制器的中子束线开关控制系统设计和实现。该系统主要用于散裂中子源多功能反射谱仪,以PLC为控制核心,以步进电机为驱动部件,配以高精度圆光栅进行位置反馈,实现中子束线开关在大负载下的高精度定位。针对中子束线开关的工作位置的重要性和工作环境,对该系统的关键部件进行冗余设计,侧重防护检查和错误处理等,保证其安全可靠稳定运行。模拟测试结果表明,系统能安全处理各类错误状况,长时间稳定工作,空载条件下的系统重复定位精度达到16.2″,满足设计要求。

中国散裂中子源氢循环系统的氢排放方案设计

为保障中国散裂中子源(CSNS)氢循环系统停机时,顺利、安全地将低温氢排放至大气中,设计一套可靠的氢排放系统非常重要。设计的氢排放系统包括氢排放管道、氢放空管、净化吹扫管道以及排放控制阀、阻火器、止回阀等装置。介绍了CSNS氢循环系统流程,CSNS氢排放方式和氢排放系统的流程,详细阐述了氢排放管道的设计和允许排放流量的计算。CSNS氢排放系统的设计考虑了CSNS装置的现场环境、风向、风速及居民区的距离,并通过计算确定了氢排放管道的长度,氢排放的最小流量和最大流量。

中国散裂中子源反角白光中子束流参数的初步测量

中国散裂中子源(CSNS)已于2018年5月建设完工,随后进行了试运行.其中的反角白光中子束线(Back-n)可用于中子核数据测量、中子物理研究和核技术应用等多方面的实验.本文报道对该中子束的品质参数测量实验过程以及最终实验结果.实验主要采用中子飞行时间法,利用^(235)U,^(238)U裂变室和~6Li-Si探测器测量了中子能谱和中子注量率,又利用闪烁体-互补金属氧化物半导体探测系统测量了中子束斑的剖面,得到了该束线的初步实验测量结果.其中白光中子的全能谱测量范围eV—100 MeV,给出了不确定度分析;给出了中子注量率两个实验厅位置的满功率值;给出了白光中子在直径60 mm情况下的全能区束斑.通过与模拟结果的比较探讨了以上结果的合理性,并提出了改进计划.这些实验结果为以后该束线的核数据测量和探测器标定实验奠定了基础.

基于3.5 MeV射频四极质子加速器硼中子俘获治疗装置的束流整形体设计

在硼中子俘获治疗(BNCT)装置中,束流整形体(BSA)的作用是将中子源产生的快中子束流慢化至超热中子能区(0.5 eV<E<10 keV),并尽可能减弱快中子、热中子和γ射线的成分,同时保证中子的方向性,其设计与优化是BNCT装置设计工作的核心内容之一.本文采用3.5 MeV,10 mA的质子束轰击锂靶,由核反应~7Li(p,n)~7Be产生的中子为源项,针对BSA的慢化体材料和结构、γ屏蔽层和热中子吸收层的厚度等参数进行蒙特卡罗模拟设计与优化.研究发现,采用Fluental和LiF两种慢化材料间隔2 cm层状堆叠的三明治BSA构型,在保证快中子剂量成分(D_f/φ_(epi)),γ剂量成分(D_γ/φ_(epi))和热中子比例φ_(th)/φ_(epi)满足IAEA-TECDOC-1223报告推荐要求的同时,在BSA出口处超热中子注量率优于单独使用Fluental和单独使用LiF的BSA设计.BSA出口处修正的Synder人头几何模型中的剂量分布计算结果显示:上述三明治构型的深度剂量分布与单独使用Fluental材料构型的结果基本相当,优于单独使用LiF构型,表明Fluental和LiF层状堆叠的三明治BSA构型是一种可行的BSA结构.

闪烁体中子探测器读出ASIC-MaPMT_v10性能测试的设计与实现

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)工程通用粉末衍射谱仪(General Purpose Powder Diffractometer,GPPD)使用二维位置灵敏型闪烁体中子探测器(Position-sensitive Scintillation Neutron Detector,SSND)来获取中子击中位置和时间信息。MaPMT_v10是由中国科学院高能物理研究所电子学组专门为闪烁体探测器前端电子学读出研发的一款专用集成电路(Application-specific Integrated Circuit,ASIC)。为了使该芯片更快地应用于CSNS工程项目中,设计了针对该芯片的测试电路板。该电路板既能在电子学实验室对MaPMT_v10进行各项性能测试,又能直接连接光电倍增管,与探测器组进行联合调试。本文介绍了MaPMT_v10的测试电路板,并给出了该芯片积分非线性(Integral nonlinearity,INL)、噪声等测试的方法和结论。利用本文搭建的测试平台,得到了MaPMT_v10可靠的性能测试结果,该芯片正常稳定和运行可靠。

散裂中子源Quadrupole-D漂移管磁铁的研制

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)漂移管直线加速器(Drift Tube Linac,DTL)高能段由9 m长的腔和27台Quadrupole-D型漂移管构成,负责把H^-由60 MeV加速到80 MeV。漂移管Quadrupole-D磁铁采用国际先进的SAKAE结构,结构紧凑,孔径小,最大励磁电流396 A,漂移管外壳采用全无氧铜电子束焊接,加工和磁测精度要求高。按物理要求仿真设计了Quadrupole-D四极磁铁,给出了磁铁基本参数模拟数值。对磁铁进行霍尔测量,计算了Quadrupole-D磁铁的有效长度为71.8 mm,测量值偏差2.6%,积分场0.966 T,测量值偏差2.2%,中心位置横向磁场梯度测量值偏差0.4%,平整度优于0.003,满足物理要求。在漂移管机械加工过程中,利用自主研制的高精度旋转测量系统测量,27台Quadrupole-D磁铁的高次谐波均小于3.5×10^(-3),24台漂移管磁中心加工偏差达到小于0.03 mm,三台磁中心加工偏差在0.03～0.05 mm,满足要求。对一台磁铁进行额定电流运行测试,线圈表面温升约12℃,9 h运行稳定。

中国散裂中子源直线输运线束流位置测量系统

介绍了针对中国散裂中子源(CSNS)的直线到环输运线(LRBT)所设计的条带式束流位置测量(BPM)系统,探头方案以条带式电极为基础进行物理设计及参数优化,并通过机械标定减少机械加工误差,电子学选用商用数据处理方案。此系统在加速器实际运行中有效提供位置信息,对在线测量数据采用奇异值分解(SVD)进行分析,根据分析结果,对束流轨道测量的精度达到预期设计目的,满足物理调束需求。

用于CSNS反角白光中子能谱及注量率测量的快裂变室

即将建成的中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)反角白光中子束线可为核数据测量提供高注量率的脉冲白光中子束流,填补我国核数据测量用白光中子源的空白,提高我国核数据测量水平,满足核能、核技术及基础核物理研究对核数据的需求。该束线建成后,其中子能谱及注量率的精确测量将是开展其它物理实验的基础,快裂变电离室因其独特优点被选为中子能谱和注量率测量探测器。通过实验研究了快裂变电离室的粒子分辨性能、时间分辨性能;确定阴、阳极的合理间距为10 mm,据此测得电离室的时间分辨约15 ns;利用235U样品量计算的探测效率与利用伴随粒子法给出的探测效率在不确定度范围内符合,因此可以标定快裂变室的探测效率。通过这些工作,完成了满足反角白光中子束能谱及注量率测量需求的快裂变室的物理设计。

中国散裂中子源辐射安全联锁门禁系统的设计

中国散裂中子源的核心装置是质子加速器,在加速及打靶过程中,产生的中子和γ射线会在加速器大厅内形成较高的辐射剂量,假如人员误入正在产生脉冲辐射的高辐射区,将会造成严重的人身伤害事故。辐射安全联锁门禁系统的设计目的就是要避免人员误入或误留在高辐射区。本文基于PLC和高安全门禁控制器,实现了一个稳定性高、安全性好,简单可靠可扩展的联锁门禁系统,阐述了该联锁门禁系统的系统组成、工作流程和系统的建造情况。