CSNS-Ⅱ靶站质子束窗结构设计与优化分析

中国散裂中子源（CSNS）靶站质子束窗位于环到靶站输运线（RTBT）与靶站交接面,起到隔离加速器高真空和靶站氦气环境的作用。随着束流功率提高,目前质子束窗单层膜结构形式已无法满足CSNS-Ⅱ 500 kW的高功率需求,因此开展CSNS-Ⅱ质子束窗研制,设计出双层膜中间通水的冷却结构,完成质子束窗双层膜的薄膜半径、薄膜厚度、水冷槽长度与宽度、对流换热系数等各参数对质子束窗温升与热应力的影响分析。通过冷却水需求分析得出,冷却水流速需大于15 L/min。通过质子束窗主体的流固耦合分析,消除箱体内部死水区域。最终优化后质子束窗薄膜位置最高温度47.8℃,薄膜位置最高热应力30.758 MPa。通过FLUKA软件对质子束窗材料的辐照损伤性能进行分析,在每年5 000 h工作时长、500 kW高功率束流的辐照下,辐照损伤DPA计算值为1.285 DPA,质子束窗的安全使用寿命在7年以上。     

高能光源束流位置探测器支撑架结构优化设计

从热稳定性和振动稳定性两个角度出发,优化设计得到了超高稳定的刚性支撑架结构;通过ANSYS有限元模态分析,验证了结构的热膨胀变化量和特征频率;采用混凝土二次灌浆方法对支撑架进行地面固定和特征频率测试,结果表明,支撑架结构的特征频率达到61.9 Hz、振动幅值小于30 nm,均满足设计要求。最后采用动态刚度测试方法,得到混凝土二次灌浆层的主要刚度值,进一步验证支撑架结构优化结果的准确性。     

中国散裂中子源快循环同步加速器主准直器的设计与研究

为满足强流加速器对准直器高散热性能、高抗辐射性能、超高真空、高定位精度、高稳定性和在线实时调整等特殊要求,在CSNS/RCS主准直器设计时针对结构方案和控制方案进行了详细设计和研究,针对关键部件:刮束器、真空盒、驱动装置和远程快速拆卸装置等设计难点进行了阐述,在设计中使用ANSYS完成了刮束器的热分析及支架强度和变形校核,用FLUKA程序对辐射屏蔽进行了分析和设计,确保主准直器设计的可靠性。     

剥离膜安装与空气动力学分析

在散裂中子源注入系统工作过程中,剥离膜是实现负氢离子转换为质子注入加速的关键部件。百nm到μm级厚度的剥离膜超薄易碎,安装及系统真空获得难度较高,一直是散裂中子源研究的重点。对比了国外膜片固定方式现状,通过设计剥离膜辅助安装装置,实现剥离膜样品批量安装;通过Fluent仿真分析,模拟得出膜片在不同进出口压差下真空获得过程中的压力分布、膜片附件空气扰动及系统空气流动,制定在不破坏剥离膜的前提下真空获得方案,并获得剥离膜系统超高真空环境。     

CSNS/RCS次级准直器吸收体的冷却设计

作为CSNS/RCS横向束流准直系统的关键部件,次级准直器用于吸收经主准直器散射后不在预定轨道的束晕粒子,其工作原理决定了该设备要求满足强辐射环境下的稳定性、超高真空及高定位精度等要求。基于主准直器的设计及研制经验,对次级准直器结构方案及控制系统进行详细设计。针对关键部件吸收体,结合辐射防护分析结果,考虑水冷降温的方式,设计了控制程序,通过有限元分析软件ANSYS对其进行瞬态热分析,保证吸收体设计的可行性。     

一种废束站束窗结构设计与优化

废束站束窗是废束站的重要部件。利用束流的束斑尺寸及功率确定束窗能量的高斯分布方式;通过蒙特卡罗方法计算束窗的沉积能量。利用ANSYS稳态分析确定束窗的材料、截面形状和厚度。通过计算比较束窗在不同材料、截面形状和厚度条件下的温度、应力和变形,得出合适的束窗材料、截面形状和厚度,从而确定束窗的最终结构。最后利用瞬态方法模拟束窗调束时的温度分布情况。     

Thermal analysis and cooling structure design of the primary collimator in CSNS/RCS

The rapid cycling synchrotron (RCS) of the China Spallation Neutron Source (CSNS) is a high intensity proton ring with beam power of 100 kW. In order to control the residual activation to meet the requirements of hands-on maintenance, a two-stage collimation system has been designed for the RCS. The collimation system consists of one primary collimator made of thin metal to scatter the beam and four secondary collimators as absorbers. Thermal analysis is an important aspect in evaluating the reliability of the collimation system. The calculation of the temperature distribution and thermal stress of the primary collimator with different materials is carried out by using ANSYS code. In order to control the temperature rise and thermal stress of the primary collimator to a reasonable level, an air cooling structure is intended to be used. The mechanical design of the cooling structure is presented, and the cooling efficiency with different chin numbers and wind velocity is also analyzed. Finally, the fatigue lifetime of the collimator under thermal shocks is estimated.     

无氧铜表面处理在束流准直器中的应用

束流准直器作为加速器的关键部件，用于吸收不在预定轨道的束晕粒子。因良好的电导率和良好的准直效率，铜被广泛应用于准直器中作为挡块材料。通常，挡块位于超高真空环境中，承受高功率束流载荷冲击，其不同表面处理工艺直接影响传热性能及放气率。为评估无氧铜表面处理工艺对相关性能的影响，分别对其进行表面化学腐蚀发黑处理、高温氧化处理以及仅机械加工处理，结果表明：无氧铜表面发黑处理后，其热辐射系数明显增加，同时也伴随着放气率的明显增加；而通过高温氧化处理后的铜块，其表面热辐射系数与仅机械加工后的铜块差异不大，放气率有一定程度的增加。以散裂中子源二期项目中的动量准直器为研究对象，在一定的束流载荷作用下，挡块选用发黑无氧铜，可将其最高温度控制在125℃以下，同时增加两台离子泵可使该准直器所在区域真空度满足运行要求。