CSNS射频负氢离子源控制系统研制

为满足中国散裂中子源打靶功率提升需求，加速器采用外置天线射频负氢离子源替换此前使用的潘宁表面负氢离子源，为加速器提供高品质和高稳定的束流。文章主要介绍了基于EPICS软件系统和PLC硬件平台的射频负氢离子源控制系统设计方案和具体实现。针对射频功率源的电磁干扰和高压平台打火造成设备损坏，给出了相应的解决措施。此外，为提高离子源长期运行稳定性，设计了放电室高精度注铯控制程序及打靶功率稳定程序。控制系统自投入运行以来，运行稳定可靠，为离子源的高效运行提供了有力保障。     

中国散裂中子源旋转线圈测量系统研制

中国散裂中子源(CSNS)加速器主要由一台直线加速器、一台快循环加速器以及低能、高能输运线组成。针对CSNS加速器部分直流磁铁研制了一套旋转线圈测量系统。对系统的研制方案、功能、精度、完成的磁铁类型以及部分测量结果进行介绍。该系统解决了CSNS批量磁铁之间的不同中心高度、质量、有效长度、磁场强度的兼容性难题。经过测试运行,积分场测量重复性误差好于±0.02%,空间谐波重复性误差好于0.005%,磁中心测量重复性误差好于±0.03 mm,顺利完成了中国散裂中子源工程150台多种类型磁铁的检测任务。     

CSNS加速器真空控制系统的设计与实现

中国散裂中子源(CSNS)加速器真空控制系统负责真空数据采集、设备监控和闸板阀控制与联锁,是设备运行和故障诊断以及超高真空保持的重要保障。本文介绍了加速器真空需求,基于实验物理及工业控制系统EPICS软件框架的真空控制系统设计与实现,使用横河可编程逻辑控制器PLC控制与联锁设备,摩莎MOXA工控机监测真空状态,EPICS PV数据直接进入声音报警系统和历史数据库系统,为工作人员及时发现和处理问题、进行后续数据分析和机器研究等提供了便捷途径和可靠保障。目前,该系统已完成现场安装和调试,并已正式投入运行。运行结果表明,该系统具有稳定性好、可靠性高、人机交互友好的特点,很好地满足了加速器真空控制系统运行的需要。     

中国散裂中子源π模加速器的电磁设计和分析

中国散裂中子源(CSNS)一期工程现处于调束运行阶段,未来二期工程考虑采用π模加速器将直线段能量从80 MeV升级到300 MeV,对该加速器进行了预研究。利用2D程序SUPERFISH设计出了π模加速器的单元尺寸,其中工作频率为324 MHz,β为0.4。通过3D程序CST优化了耦合系数、耦合孔的个数以及耦合孔的形状。耦合系数的设计值定为6.53%。利用尾部调谐环和7个固定调谐器将电场平整度调至2.18%,满足运行要求。     

中国散裂中子源π模加速器的电磁设计和分析（英文）

中国散裂中子源(CSNS)一期工程现处于调束运行阶段,未来二期工程考虑采用π模加速器将直线段能量从80MeV升级到300 MeV,对该加速器进行了预研究。利用2D程序SUPERFISH设计出了π模加速器的单元尺寸,其中工作频率为324 MHz,β为0.4。通过3D程序CST优化了耦合系数、耦合孔的个数以及耦合孔的形状。耦合系数的设计值定为6.53%。利用尾部调谐环和7个固定调谐器将电场平整度调至2.18%,满足运行要求。     

基于深度学习的CSNS加速器预警系统样机

为了能在中国散裂中子源（CSNS）加速器的部分故障发生前发出预警信息,利用深度学习建立了基于CSNS加速器真空度和漂移管直线加速器（DTL）温度的特征模型,开发了一套CSNS加速器预警系统样机。该样机基于实验物理及工业控制系统（EPICS）架构搭建,主要由训练、识别和信息发布3部分组成,采用Python进行程序设计开发,实现了训练样本获取、深度学习网络设计和训练、在线识别和信息发布等功能。测试结果表明,该样机对基于CSNS加速器真空度和DTL温度历史数据生成的测试集的准确率达98.4%,且能根据实时数据识别出CSNS加速器真空度和DTL温度的异常,并能发出预警信息,证明了其可行性和有效性。     

中国散裂中子源/快循环同步加速器电源系统数字化控制方案

在中国散裂中子源工程中, 需要设计1台1.6GeV快循环同步质子加速器. 加速器的磁铁电源系统驱动9套怀特电路. 这9套电源的输出都是带直流偏置的交流电流源. 在每个重复加速周期内, 电流(磁场)必须保证相位和幅值精度. 数字控制技术的可靠性、温度漂移抑制、高集成性等等使得它在越来越广泛地应用于控制电路的设计中. 为了达到中国散裂中子源电源系统苛刻的指标, 本文提出了一种数字化控制方案.     

加速器故障分析软件及其在CSNS应用

对加速器运行过程中出现的故障进行准确分析，可有效提升加速器的可靠性及运行效率。而对于一些快速故障过程，必须依赖故障发生时刻存储的高度时间相关和高分辨率的数据，才能进行准确分析。设计了一种用于加速器的故障分析软件，可用于对快速故障进行可靠分析。在中国散裂中子源加速器中进行了应用，该系统非常准确地分析了此前无法定位的大部分束流丢失过程。该故障分析具有一定的通用性，可应用到其它加速器装置。     

中国散裂中子源二期双spoke超导腔设计

中国散裂中子源是中国第一台、世界第四台脉冲型散裂中子源,其已于2020年2月达到100 kW功率的设计指标,运行稳定高效,供束效率位于国际前列。中国散裂中子源二期升级方案中总束流功率将升级到500 kW,其中直线加速器段将采用超导加速腔结构,束流能量由80 MeV提高到300 MeV。其中在80～165 MeV能量段采用324 MHz双spoke超导腔,在165～300 MeV能量段采用648 MHz 6-cell椭球超导腔。采用CST、COMSOL等仿真软件完成324 MHz双spoke超导腔的电磁、机械设计及优化,达到实际运行指标要求。为了提高腔运行的稳定性,在腔的设计中对E_P/E_acc着重进行了优化,使其尽量降低。     

CSNS反角白光中子源束线控制系统研制

中国散裂中子源(CSNS)反角白光中子源束线主要由中子束窗、中子开关、中子准直器和真空管道等组成。为了保证CSNS反角白光中子源束线安全、稳定、可靠地运行,研制了基于EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)软件架构的控制系统。该系统主要由中子束窗、中子开关及中子准直器的运动控制系统、真空控制系统和控制室三部分组成,实现了对反角白光中子源束线主要设备的远程监测和控制。测试结果表明,该系统具有稳定可靠性高、人机交互友好的特点,很好地满足了反角白光中子源束线运行的需要。     

CSNS校正磁铁积分场均匀性测量研究

中国散裂中子源(CSNS)加速器主要由一台直线加速器、一台1.6 GeV快循环加速器以及低能、高能输运线组成。其中有十二种类型校正磁铁,共计74台。校正磁铁是加速器运行的重要组成部件,必须测量其积分场及均匀性以确保加速器性能。为了快速和高效地完成磁铁测量任务,使用了旋转线圈测量系统。对测量原理、数据处理方法以及系统之间的测量结果对比进行了介绍。这对批量磁铁高效率测量是有帮助的。     

近景摄影测量技术在粒子加速器准直中的应用

第一次提出将近景摄影测量技术应用于国内粒子加速器隧道的控制点和设备测量，制定详细测量方案以适应加速器隧道狭窄空间环境，设计满足加速器隧道环境的半球目标、五面体目标，提出了编码立体化的方法，并在普通标准杆的短基线基准的基础上，增加跟踪仪测量的长基线基准进行约束。最后在中国散裂中子源的RCS环隧道中选取70 m长隧道进行测量实验，成功获取加速器控制网和设备的三维坐标，与激光跟踪仪结果对比，精度0.5 mm，显著提高测量效率，达到良好预期效果。     

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。     

锦屏深地强流离子源控制系统的研制

对锦屏深地核天体物理实验JUNA(Jinping Underground laboratory for Nuclear Astro-physics)离子源控制系统进行了研究，采用分布式系统模型构建。硬件采用PLC、串口服务器、伺服电机及工控机等部件实现了离子源设备的远程监测及控制。软件通过建立EPICS IOC运行时数据库，实现了对所有被控设备的集成。用户操作界面采用CSS(Control System Studio)开发，实现了操作人员对所有被控设备的透明访问。基于安全连锁规则设计了机器保护系统，实现了运行异常下的连锁保护。该控制系统应用于国内首套深地实验强流ECR离子源，运行稳定可靠，完全满足JUNA运行及物理实验的需求。     

中国散裂中子源直线射频功率源系统的研制

中国散裂中子源加速器质子束流加速能量为1.6 GeV,重复频率为25 Hz,撞击固体金属靶产生散射中子,一期工程的打靶束流功率为100 kW。直线加速器的设计束流流强为15 mA,输出能量为81 MeV。射频加速和聚束系统包括一台射频四极场加速器、中能束流传输线的两个聚束器、四节漂移管直线加速器加速腔和直线-环束流传输线的一个散束器,与之相对应,共有8个单元在线运行的射频功率源为其提供所需的射频功率。目前,直线射频功率源系统预研项目已全部完成,各项性能参数均已达到设计指标,当前正处在批产安装调试阶段。151013     

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。     

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。     

ESS靶前束流剖面及束晕监测器样机的研制

为了研究靶前高功率束流的物理特性，欧洲散裂中子源计划研制一套靶前多丝束流剖面监测器及束晕监测器样机，样机的在线测试将在日本质子加速器研究设施的3 GeV质子束传输束线上进行。针对此束线现场安装管道狭小、监测器样机传动机构行程大的特点，提出一种适用于小通道的多点定位多丝束流剖面探头，将其与束晕探头集成在一个样机上，结构紧凑，可实现双探头的独立驱动。使用ANSYS workbench对探头及传动杆进行了变形分析，完成了样机的研制，通过丝间距光学影像测量、真空检漏、小孔通过性测试及通断检测，确保了样机的可靠性。     

北京散裂中子源RCS注入系统物理设计和研究

北京散裂中子源(BSNS)的主加速器——快循环同步加速器(RCS)采用H^－剥离注入方法, 将从直线加速器预加速的束流进行累积和进一步加速. 束流损失率的控制是该类高功率质子加速器所面临的关键问题之一, 而束流损失中很重要的部分是由空间电荷效应造成的. 为了减小该类束流损失, 注入系统设计中利用H^－剥离注入和相空间涂抹方法将直线加速器预加速的发射度较小的束流尽可能均匀地涂抹到较大的横向相空间中. 与其他的类似加速器相比, RCS注入系统将所有注入元件放在一个长为9m的无色散漂移节中以充分节省RCS环的纵向空间, 并使对注入系统的操作与对RCS主体的操作完全独立. 对于RCS累积的粒子数1.9×10¹³, 空间电荷效应对粒子的运动有非常重要的作用, 本文介绍了采用ORBIT程序进行三维模拟计算并进行设计优化的结果. 还介绍了系统设计时需要考虑的其他重要因素, 如质子穿越、电子收集等.     

氦制冷系统透平膨胀机的测试

为满足中国散裂中子源(CSNS)工程预期发展及未来工程升级需要,建立了一套氦制冷系统。该制冷系统采用氦透平膨胀机,通过气体绝热膨胀来获得低温。文中介绍了透平膨胀机的设计参数、启动条件和运行情况,并对透平膨胀机运行性能进行了分析。实验表明,氦透平膨胀机的设计满足了CSNC装置对冷量的需求,透平效率高于设计值。