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。