CSNS RCS注入涂抹凸轨磁铁脉冲电源设计

中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)是一台高束流功率质子加速器,RCS注入系统是将直线加速器预加速的负氢离子束流通过剥离的方式注入到RCS环中,注入系统采用凸轨方案和相空间涂抹技术并要求涂抹凸轨磁铁脉冲电源输出脉冲电流的下降沿能够被程序控制,电源采用IGBT.功率放大的方式产生脉冲电流,用程序控制电源的给定波形,通过电源反馈控制系统,使电源的输出波形跟随电源的给定波形,达到控制电源输出脉冲电流下降沿的目的.电源输出脉冲电流的跟踪误差是涂抹凸轨磁铁脉冲电源的重要指标,为了满足跟踪误差小于2%的指标,要求IGBT、拓扑频率大干400kHz.IGBT拓扑采用IGBT H桥串并联错相工作的方式达到分压、分流和提高频率的作用.高功率、高频率、快速的响应时间和最佳的反馈控制策略是涂抹凸轨磁铁脉冲电源具有良好性能的关键.     

CSNS RCS注入涂抹凸轨磁铁脉冲电源设计

中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)是一台高束流功率质子加速器, RCS注入系统是将直线加速器预加速的负氢离子束流通过剥离的方式注入到RCS环中, 注入系统采用凸轨方案和相空间涂抹技术并要求涂抹凸轨磁铁脉冲电源输出脉冲电流的下降沿能够被程序控制, 电源采用IGBT功率放大的方式产生脉冲电流, 用程序控制电源的给定波形, 通过电源反馈控制系统, 使电源的输出波形跟随电源的给定波形, 达到控制电源输出脉冲电流下降沿的目的. 电源输出脉冲电流的跟踪误差是涂抹凸轨磁铁脉冲电源的重要指标, 为了满足跟踪误差小于2%的指标, 要求IGBT拓扑频率大于400kHz. IGBT拓扑采用IGBTH桥串并联错相工作的方式达到分压、分流和提高频率的作用. 高功率、高频率、快速的响应时间和最佳的反馈控制策略是涂抹凸轨磁铁脉冲电源具有良好性能的关键.     

300 MeV质子重离子同步加速器慢引出动力学研究

300 MeV质子重离子同步加速器是SESRI(空间环境模拟研究装置)的重要组成部分，慢引出系统动力学研究是该同步环设计的关键。引出系统采用三阶共振慢引出与RF-Knockout(RF-KO)方案为终端提供2～8 s准连续束，在引出静电偏转板处利用3-bump局部凸轨可适当调节螺距和引出角度，但同时也会减小水平工作点，缩小相空间稳定区面积，影响束流正常引出。模拟结果表明，凸轨内二极磁铁和六极磁铁会引起水平工作点减小，造成引出初始阶段粒子大量溢出。因此，基于自主编写的粒子追踪程序SESP对束流时间结构进行了分析，并通过优化激励调幅曲线改善了束流时间结构的均匀性。     

兰州重离子冷却储存环束流踢轨控制系统

 踢轨系统是一种以快速脉冲方式工作的以高压大电流驱动的特殊二极磁铁系统,用于环形加速器的束流注入和引出。简要介绍了在兰州重离子加速器冷却储存环上采用ARM+DSP+FPGA技术实现踢轨控制时序的方法,时间控制精度达ns量级。ARM主要控制信号的网络通讯,踢轨系统的时序精度控制主要由DSP结合FPGA技术完成。远程时序控制信号均通过光纤传输,同时对踢轨电源的电压给定采用信号隔离器及铁氧体以抑制脉冲干扰。经现场测试,系统可以安全稳定地实现束流踢轨的控制要求。     

兰州重离子加速器储存环引出切割磁铁电源数字化升级

介绍了兰州重离子加速器储存环(HIRFL-CSR)引出切割磁铁电源的工作原理及进行数字化升级方案。采用了基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的可编程片上系统(SOPC)、NIOSII的软件架构及硬件描述语言编写的多环调节算法,探讨了在FPGA上实现加速器电源控制算法的一些关键问题。对引出切割磁铁电源进行数字化升级后,HIRFL-CSR的主环束流引出过程更加可靠,同时提高了实验终端束斑位置的稳定性。本工作为HIRFL-CSR磁铁电源的全面数字化及重离子治癌数字电源的研发提供了重要的技术参考。     

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。     

中国散裂中子源加速器束流引出调试和束损优化

引出系统是中国散裂中子源快循环同步加速器的核心组成部分，对束流精确打靶和加速器稳定运行具有重要意义。首先，详细介绍了快循环同步加速器的引出系统和束流引出方案，重点介绍了一些引出系统相关的关键技术。其次，对引出束流调试进行深入研究，包括纵向束流调试、横向束流调试、引出束流分布优化等，其中纵向束流调试主要针对8个引出Kicker定时进行精确标定，横向束流调试主要指Lambertson型磁铁、8个Kicker磁铁、高能输运线模式的匹配设置。最后，对引出束流束损进行深入研究和针对性优化，探索引出束流损失的各种来源，对Lambertson型磁铁漏场、引出束团长度、Kicker波形平顶、Kicker波形变化进行深入研究并对一些新的测量方法进行详细论述。同时，对Lambertson型磁铁入口产生超大辐射热点的现象进行深入研究，寻找其产生大量束流损失的根源，并提出最终解决方案，降低引出束流损失和辐射剂量，使其满足加速器运行要求。     

兰州重离子加速器冷却存储环慢引出控制系统

兰州重离子加速器冷却存储环为了进行深层重离子治疗肿瘤的实验,需要长时间、均匀地慢引出束流至高能束运线,以满足深层重离子治疗肿瘤的束流要求。慢引出控制系统采用加速器控制系统的同步时间信号来进行同步控制以实现整个过程控制;当加速器控制系统的同步事例的同步触发信号进行触发控制以及数据切换（频率值、tune值、电压幅值）,波形发生器通过这三个数据信息产生相应的波形及进行放大器放大并控制静电偏转板以实现束流RF-KO方式慢引出。慢引出控制系统的同步事例接收器主要由FPGA与光纤接口组成,实现同步事例的高速稳定传输与强抗干扰性。深层重离子治疗肿瘤的正常运行以及冷却存储环已实现104 s超长周期的慢引出实验表明,慢引出控制系统能实现实验束流需求的慢引出。     

CSRm束流累积阶段闭轨校正系统设计

为测量兰州重离子加速器冷却储存环主环(CSRm)束流累积阶段的闭轨畸变并进行闭轨校正,开发了闭轨校正系统,该系统由轨道测量系统、闭轨控制系统和校正磁铁系统构成。轨道测量系统实现对束流轨道的实时监测;闭轨控制系统读取束流轨道信息,然后进行闭轨校正计算,并将计算后的校正值传输给校正磁铁系统;校正磁铁系统通过改变校正电源的值,改变校正磁铁的强度,实现对束流轨道的调整,完成闭轨校正。模拟测试结果表明,束流轨道水平方向的最大畸变由校正前的3.37 mm减小为校正后的0.39 mm,垂直方向的最大畸变由校正前的4.21 mm减小为校正后的0.31 mm。该系统能够实现响应矩阵的自动测量和束流轨道的自动校正,满足设计要求。     

CSNS引出冲击磁铁脉冲电源设计

从脉冲电源参数计算,电源整体设计,脉冲形成网络(PFN)设计和优化等方面介绍了中国散裂中子源快循环同步加速器引出Kicker磁铁脉冲电源的初步设计情况,提出一种新型的低阻抗PFN设计方法,给出了脉冲电源和PFN的参数,利用PSPICE程序仿真了充电电压为36.5kV情况下磁铁的励磁脉冲电流波形,励磁电流脉冲幅值达到5.8kA.结合仿真结果,分析了不同PFN节数和传输电缆长度对磁铁电流波形的影响.     

基于悬浮拓扑的加速器脉冲电源设计

随着加速器技术的发展,重离子加速器脉冲电源工作频率逐步提高,电流上升速率逐步提升。脉冲电源磁铁负载具有阻感特性,其在电流波形上升段将吸收大量的无功,会对电网产生周期性强冲击;同时,快电流上升速率下的高精度要求,对电源设计提出了新的挑战。论文设计了一种基于电容储能的悬浮型H桥级联拓扑,利用电源自身储能电容和负载电感进行无功交互,实现了无功能量的内部循环,以减小对其对电网冲击;同时采用H桥级联多电平结合移相倍频控制,以保证电源快动态响应下的高精度需求。样机实验结果验证了电源拓扑和控制原理的可行性,为加速器快电流上升速率脉冲电源提供了一种新的解决方案。     

基于SSOGI-RLSMC联合算法的加速器电源纹波抑制

重离子加速器电源系统对励磁电源输出电流的稳定度和纹波精度要求高。磁铁负载的存在产生的纹波,会对加速器通过磁场精确控制粒子运动轨迹带来影响。针对以上问题,提出一种基于SSOGI-RLSMC新型联合算法,以减小磁铁负载影响下励磁电源输出的电流纹波,提高电流稳定度。新型联合算法通过并联型二阶广义积分器(SSOGI)作为纹波检测器对纹波分量进行快速准确的提取,获得精度较高的指令电流;将指令电流和直流有源电力滤波器的补偿电流相减得到误差信号,利用趋近律滑模控制(RLSMC)算法对误差信号进行动态跟踪和补偿,以提高直流有源滤波器对励磁电源输出电流的纹波抑制能力,进而达到对粒子运动轨迹精确控制的目的。最后通过Matlab/Simulink仿真证明,所提的新型联合算法在以直流有源电力滤波器为主补偿手段的励磁电源中有效提高了励磁电源输出电流的精度和稳定度,改善了直流有源滤波器对纹波电流的抑制能力。     

Alignment effects in heavy ionized beam foil excited atoms

We have measured the polarization of light emitted in optical transitions in P V, O VII and O VIII, produced by beam foil excitation, using a 400 keV phosphorus beam from a heavy ion accelerator and a 36 MeV oxygen beam from a Tandem Van de Graaff generator.     

BEPC横向阻尼时间的测量

 利用逐束团测量系统在BEPC储存环中跟踪单个束团得到其多圈位置振荡信息，获得BEPC储存环的横向阻尼时间与束流流强、色品、八极子和束流能量的关系，并通过分析得到了BEPC储存环辐射阻尼时间为52 ms。实验结果表明：流强越高、色品越大，阻尼率也就越大；束流流强为4.7 mA时八极子强度的变化对阻尼率没有影响；束流流强为5 mA时，阻尼率随束流能量升高而减小。     

RF离子源引出特性的研究

 为了使RF离子源具有良好的引出特性，测试了吸极几何参数、振荡器板压和引出电压对离子源聚焦度的影响，对实验结果进行了分析。在其它参数不变的情况下，吸极的外径D与内径d之比存在最佳值，增加D/d，有利于过聚焦的离子束恢复聚焦状态。吸极的长度为L，石英套管比吸极长l。当l/D增大时，聚焦度上升，引出束流下降。L/d之比减小时，聚焦度增大。当L/d小于4时，聚焦度增加趋势变缓。综合考虑聚焦度、引出束流和气压，D/d，l/D，L/d适宜的选择范围分别为1.6～2.1，0.7～1.1,4～7。增加振荡器功率会使离子束呈弱聚焦，而增加引出电压会使离子束呈过聚焦。振荡器功率和引出电压都存在最佳值。     

基于FPGA的HIMM同步高频信号源设计

针对医用重离子加速器装置(HIMM)同步加速器对于高频系统不同能量波形输出的需求,设计实现可输出不同能量对应腔体电压及偏磁电流波形的同步信号源。该系统以ARTERA公司FPGA作为核心处理元件,接收并处理多组腔体电压及偏磁电流波形文件,同时以DAC作为输出单元,通过接收同步光触发信号实现不同能量对应给定波形信号的无缝切换及同步输出,完成HIMM同步高频信号源的设计。测试结果表明,该信号源工作稳定,可实现各种不同能量对应波形的无缝切换及同步输出,其性能完全满足HIMM系统对碳离子捕获加速的要求。相比于商业任意波形发生器产品,该系统价格低廉,且模块化的设计易于集成,可广泛应用于其他需产生任意波形信号的场合。     

高电离态原子光谱测量

简要介绍了兰州重离子加速器上的高电离态原子光谱实验测量和取得的部分实验结果.The excitation spectra and level lifetimes of highly charged atoms for heavier elements of Ne, S and Ar have been measured by using the beam foil method on the heavy ion accelerator in Lanzhou. Emission spectra in the wavelength region of 25-400  was studied. On the whole, the agreement between our experimental results and other experiments is fairly good.     

重离子治疗肿瘤点扫描控制系统

为了实现重离子治疗肿瘤点扫描,对扫描磁铁进行相应的控制。治疗计划进行剂量与肿瘤适形数据的生成,并传输至点扫描控制器与剂量控制器。同时也向点扫描控制器中存入事例数据,以纳入整个加速器控制时序,等待同步时间事例系统的事例触发。点扫描控制器根据剂量控制器的脉冲控制换点治疗操作以及进行换点治疗的扫描磁铁插值算法平滑处理。剂量控制器对气体电离室前端电子学已经刻度的剂量脉冲进行计数。当达到治疗剂量时,控制法拉第筒来阻挡束流,实现点扫描安全治疗。实验证明在现有的电源与磁铁等设备条件以及束流品质下,点扫描控制系统能实现2mm点间距扫描。