电阻环束流探测器的标定

 电阻环探测技术是一种成熟、实用的在线测试束流技术，它能给出束流的大小和束流质心的位置。在即将投入使用的20MeV直线感应加速器中，该技术将作为一种精确的束流诊断手段。为此设计了一套精密的束流模拟和电阻环标定装置，其束流位置的定位精度达到0.02mm，以之对精心设计的电阻环进行标定。标定的结果表明电阻环对束流质心位置的测试精度达到0.5mm，经标定后的束位置拟合值绝对误差不大于0.2mm。     

基于射频功率调节的负离子源束流反馈控制研究北大核心CSCD

基于射频负离子源的中性束注入系统是高功率长脉冲(稳态)运行中性束注入系统的最佳选择。负离子源是中性束注入系统的核心部件,需要实现稳定的负离子束引出和加速。在负离子源的运行过程中引出负离子电流会发生变化,尤其在长脉冲、高能量运行条件下会更加明显,因此无法满足稳定运行的要求。为了实现引出束流的稳定引出,开展了束流反馈控制研究,研发了一套基于射频功率调节的束流反馈控制系统,并将束流反馈控制系统应用在射频负离子源测试平台,开展了束流反馈控制测试。测试结果表明束流反馈控制系统能够实现对束流的实时反馈调节以获得束流的稳定引出,验证了基于射频功率调节的束流反馈控制的可行性,为高功率射频负离子源的研制提供支持。     

基于双频激光干涉反馈的快速精密定位系统

为了实现大量程、高精度测量系统的快速驱动与定位,结合双频激光干涉仪、可回收废气的空气静压导轨、精密滚珠丝杆以及伺服控制系统,研制了一套定位精度高、重复性好的快速精密定位系统。该系统以双频激光干涉仪为测长基准,实时反馈系统工作台位置信息;采用余气回收式空气静压导轨克服了传统气浮导轨余气对激光干涉测量光路系统的影响;在定位过程中引入PID运动控制技术,通过调节伺服控制器的PI参数使系统拥有快速平稳的响应特性。经实验测试,在500mm行程范围内,该系统的轴线双向定位精度可以达到0.266μm,重复定位精度可以达到0.173μm,具有较好地快速响应特性。应用所研制的精密定位系统对一维直线光栅样品进行了扫描,并与用Olympus共焦显微镜测得的数据进行了比对,表明系统具备良好的轴向定位能力。     

用于托卡马克磁场测量的金属霍尔探测器的研制

金属霍尔探测器被认为是未来磁约束聚变堆磁场测量的重要工具之一。介绍了金属霍尔探测器系统的研制,包括测量原理、探测器制作工艺、电子学系统研制、标定系统建设及测试结果等。采用金属铋作为霍尔材料,有源区厚度为100nm,放大器的放大倍数为2000～200000倍。测试结果显示,当待测磁场在3mT以上时,系统的测量精度优于±1%,可以达到磁探针的标定精度,能够满足托卡马克装置的磁场测量要求。     

正电子发射成像回旋加速器磁铁设计与测试

中国工程物理研究院流体物理研究所目前正在建造一台医用11 MeV回旋加速器,该加速器磁铁采用小气隙、深谷结构以提供更高的平均磁场和更强的聚焦能力。为实现510-4的测量精度,自行研发了一套磁场点测装置,该装置可实现二维极坐标下的精确测量。经过多次磁场垫补,束流的相位偏移控制在9,一次谐波幅值控制在0.001 T以内,满足了磁铁的设计需求。在束流调试过程中,成功实现了质子束的引出,表明回旋加速器磁铁建造成功。此外,还对磁铁研制过程中出现的磁场缺陷及磁测误差进行了讨论。     

BEPCⅡ试验束束流位置探测器的研制

 为实现试验束束流位置的非拦截测量,研制了3个条形电极束流位置探测器和一批真空定位子。利用高定位精度电控精度电控位移平台对这3个探测器分别进行了标定,随后进行了束流初步试验。探测器主要由位于真空管道内的4条1 mm厚不锈钢条带构成,条带上感应信号的大小反映束流位置的变化。给出了探测器的定标系数、系统特性阻抗和端口传输系数。     

串列加速器电离性束流截面探测器设计

基于GIC4117串列加速器束流引出线束流测量需求,开展了电离型束流截面探测器设计工作,主要包括系统收集信号强度的计算,采用有限元软件进行电场系统、磁场系统优化设计,给出了电场系统与磁场系统设计参数。通过引入辅助磁场,测量系统能够实现束流轨道的自动校正,系统对束流的影响可以忽略。对影响测量精度的电离电子横向位置偏移进行了分析,并对电离电子进行轨迹跟踪。跟踪结果表明:电离电子在横向位置的运动偏移可以控制在0.3 mm以内,与理论分析一致。     

HL-2M装置中性束注入加热系统研制进展

为开展磁约束堆芯燃烧等离子体物理实验,正在建造的HL-2M装置拟建造3条5 MW的中性束注入加热束线。简要概述了HL-2M装置NBI加热系统的总体规划,第1条5MW-NBI加热束线的设计,离子源调试实验,注入器核心部件的安装和测试结果。通过调试,目前单个离子源引出束流达到36 A,加速电压75 kV,离子束功率达到2.4 MW,脉冲宽度3 s。通过测试发现:注入器的4条离子束汇聚角误差小于±0.1°,残留离子偏转磁体的磁场测试值与模拟计算值偏差小于±5%,注入器静态真空值达到1.0×10-3 Pa。注入器采用大型非标低温泵,低温泵的抽速达到2.40×106 L/s。第1条5MW-NBI加热束线的试装和测试结果表明,该束线能够满足HL-2M装置NBI加热的技术要求。     

医用重离子回旋加速器引出系统设计

紧凑型回旋加速器作为重离子医学专用装置同步加速器的注入器,其引出系统设计所用的磁场为TOSCA模型计算磁场。通过单粒子轨道计算确定引出系统的元件类型及基本参数;通过多粒子跟踪确定最终的元件参数和束流参数。为了提高引出效率,改善引出束流品质,在引出位置磁场梯度较大的位置,安放了一块C型磁铁,以改善此处的磁场梯度。同时,为了消除此C型磁铁对主磁场的影响,在此区域安放了一对线圈。计算结果表明引出系统的设计能够保证引出束流的强度和品质符合同步加速器的要求。     

“神龙一号”注入器研制

“神龙一号”注入器是直线感应加速器的束流源，它采用了感应叠加的高压加载方式，包括脉冲功率系统、感应腔、阴阳极杆、绝缘支撑、二极管和束流传输系统等子系统. 在研制中采用了径向绝缘支撑、对中支撑调节系统、类Pierce阴极等先进技术，以及二极管线圈内置和外径为800mm的铁氧体大环等创新. 参数测试显示，3.5MeV注入器达到了世界先进水平.     

低温超导组件的标定与准直测量

Cry Module由于其无法通视和超低温特性,是超导直线加速器准直中的重点与难点。文中提出由激光跟踪仪和测微准直望远镜协同准直冷质量组件。作者设计了测微准直望远镜所用十字丝目标及其支架,而且成功安装低温超导组件,监测了两次低温实验时的位移。常温安装精度达到0.15mm,低温监测精度达到0.5mmm。目前ADS-Cry Module已通过中期检查验收,成功引出能量2.68Me V、最大流强3.6m A的连续波质子束,束流功率达到9.6k W,是目前国际上连续束运行的超导质子直线加速器中束流功率最高的,也是我国首次实现超导高频腔加速毫安级连续波质子束。这标志着我国强流质子超导直线加速器技术进入国际先进行列。     

高灵敏度等时性回旋加速器束流相位测量系统

介绍了兰州重离子加速器（HIRFL）束流相位测量装置。该装置的研制基于双平衡混频原理，利用了高频信号混频滤波技术，具有较高的测量灵敏度。通过安装在加速器中的容性感应探针探测等时性回旋加速器束流相位历程，对于调束中获取等时场信息并对磁场进行优化,从而提高引出束流强度和束流品质是非常重要的。该装置通过等时场相位优化实验，检验了相位测量数据的可靠性，测量精度达到±0.5°。     

HL-2M 装置磁测量传感器的定位安装

通过数值计算评估了 HL-2M 装置磁测量传感器安装精度的要求,其中磁通环坐标(R, Z)的安装偏差 要求达到±2.0mm 以内,磁探针的(R, Z)偏差要求在±1.0mm 以内、角度偏差在±0.1°以内。定位安装采用高精度激 光跟踪仪和关节测量臂结合,设备定位精度在±0.3mm。根据不同种类的磁测量传感器的定位安装特点,优化设 计了包括磁通环、磁探针阵列、逆磁同心圆等的定位结构,将 HL-2M 磁测量传感器的安装精度控制到在±0.5mm 水平。      

负氢潘宁型离子源的束流引出测量

在中国工程物理研究院流体物理研究所自行研制的负氢潘宁型离子源上进行负氢束流引出测量实验,采用单电极、双电极、三电极束流引出测量方法进行初步束流引出测量,束流强度的实验测量结果远远高于空间限制流的理论计算值。因此,提出一种电屏蔽盒的直流束流引出测量方法。阐述了电屏蔽盒直流束流引出测量的基本方法、束流轨迹的CST数值模拟以及束流引出测量实验结果。研究表明:引出电压为2 kV,引出间隙为3 mm,磁感应强度为0.435 T时,得到较为精确的负氢束流引出强度约100 A。通过空间电荷限制流的V3/2定律进行拟合,推算得到引出电压为40 kV时,负氢束流强度约达到4 mA。     

基于欠采样技术的束流相位测量电子学系统设计北大核心CSCD

采用欠采样技术为中国散裂中子源(CSNS)直线加速器研制了全数字化束流相位测量电子学系统。介绍了该系统的测量原理、整体设计情况,并进行了实验测试。测试采用324 MHz,100 mVpp的正弦信号,测试结果显示相位分辨率优于0.1°,通道间相位不一致性可控制在±0.2°以内,满足设计指标要求。     

40kV/20kW开关型脉冲成形网络充电高压电源

 采用软开关恒流充电技术，研制了一台40kV/20kW开关型脉冲成形网络（PFN）充电高压电源装置,该装置在重复频率范围、PFN电容容量较大变动时，都能达到高的稳定性，并具有体积小、效率高、可并联运行的特点，可用于环型加速器注入引出、直线加速器、雷达发射等领域。介绍了该装置的研制及带PFN负载的实验状况。     

2.45GHz ECR 强流等离子体源核心部件设计与实验研究

电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)等离子体源能产生高电荷态离子、高流强的单电荷态离子,提供稳定的束流和良好的重复性.核心部件的设计对ECR等离子体源是至关重要的,磁场对等离子体的生成和分布有直接影响,良好的磁场可以提高等离子体的性能和效率.采用有限元分析方法对ECR等离子体源磁场进行分析与设计,得到了满足设计需求与目标的磁场位形,通过高斯计对设计的永磁环轴向磁场精确测量,发现磁场仿真结果与实验结果吻合比较好,只是轴向磁场最大值及对应位置上有点偏差.通过集成实验,研究核心部件对离子源引出束流强度的影响,引出束流稳定且强度达到7 m A.     

线性变压器源驱动相对论速调管放大器的初步实验

 利用新研制的紧凑型线性变压器驱动源（LTD）脉冲功率源二极管产生的电子束源,开展了S波段长脉冲相对论速调管放大器（RKA）的初步实验研究。采用无箔空心阴极和0.9 T恒流源引导磁场从LTD二极管引出了电压600 kV、束流6 kA、脉宽150 ns的环形电子束,该电子束经过1个同轴输入腔和2个同轴调制腔的调制后,产生了幅度5 kA、脉宽110 ns的基波调制束流,采用该调制束流驱动同轴微波提取腔,辐射输出了峰值功率820 MW/110 ns的辐射微波,效率28％,增益36 dB。同时,开展了重复脉冲RKA和相位特性的实验研究,重复频率10 Hz运行时,辐射微波达到800 MW/100 ns,相位抖动小于 20°。     

3.5 MeV无箔注入器束流调试

 3.5 MeV 注入器是“神龙一号”直线感应加速器的束源，在注入器束流调试中，首先通过数值模拟方法，初步确定束流过聚焦和聚焦不足两种极端情况下引出线圈输运磁场峰值的变化范围；然后以注入器出口束流波形为参考，通过实验调试找到了这两种情况下引出线圈输运磁场峰值的实际配置；再通过测量束流的剖面或发射度，在这两种配置中选定一个折中的引出线圈磁场配置，并最终确定了注入器输运磁场的总体配置。经过调试完成后的注入器束流为3.6 MeV，流强为2.8 kA，归一化边发射度为1 040 mm·mrad，达到了预期的指标。     

APTR质子同步加速器RFQ直线注入器的优化设计

为实现质子治疗装置的国产化和小型化,基于已完成安装调试的上海先进质子治疗装置(APTR),开展质子治疗注入器系统的升级设计研究,利用PARMTEQM设计软件和快聚束策略,针对APTR同步加速器RFQ直线注入器进行动力学设计模拟。RFQ工作频率为325 MHz,流强18 mA,对从离子源引出的低能质子束流进行匹配俘获、横向聚焦、纵向聚束和预加速,引出能量为3.0 MeV。通过优化预注入器RFQ动力学设计方案和极头参数,有效避免参数共振,减小束流损失,使其整体传输效率达到98.0%,在水平和垂直方向上的发射度增长分别为1.2%和3.3%,出口束流满足下一级腔体的注入需求,开展设计模拟验证和相关冗余度分析,为质子同步加速器的治疗设备和直线注入系统提供参照依据。