强流质子加速器束流剖面分布及束晕测量系统设计

针对一台用于加速器驱动洁净核能源系统研究、高占空比的强流质子加速器,开展强流质子直线加速器束晕产生的研究工作,其中的束流剖面分布特别是束晕部分测量的束流诊断系统是研究工作的核心内容。束晕的产生在低能量段尤其重要,且对整个直线加速器的设计有重要影响。介绍了研究束晕增长的束流输运线和测量系统的布局设计,并根据所研究的加速器束流的情况进行束流剖面探测器和束晕测量的设计和预研,包括丝靶材料的模拟计算和选择、机械驱动的控制系统设计和研究、前端模拟电路的设计和仿真模拟、以及整个系统与EPICS和VxWorks的计算机控制接口等。     

强流质子加速器束流剖面分布及束晕测量系统设计

 针对一台用于加速器驱动洁净核能源系统研究、高占空比的强流质子加速器,开展强流质子直线加速器束晕产生的研究工作,其中的束流剖面分布特别是束晕部分测量的束流诊断系统是研究工作的核心内容。束晕的产生在低能量段尤其重要,且对整个直线加速器的设计有重要影响。介绍了研究束晕增长的束流输运线和测量系统的布局设计,并根据所研究的加速器束流的情况进行束流剖面探测器和束晕测量的设计和预研,包括丝靶材料的模拟计算和选择、机械驱动的控制系统设计和研究、前端模拟电路的设计和仿真模拟、以及整个系统与EPICS和VxWorks的计算机控制接口等。     

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。     

DNB引出束流功率及剖面分布测量

 利用束流截止板热量计原理,测量了诊断中性束(DNB)注入托卡马克的束流功率及束流剖面分布。基于热量截止板上正交分布的13只K型热电偶探针测量出DNB引出束流,在加速极电源49 kV,6 A,100 ms的脉冲放电时,采样铜靶上的最高温升为14 ℃,从而计算出注入束流功率达到160 kW并得到束剖面分布。同时通过对热量截止板冷却循环水温升测量值在时间上的积分数值计算,也获得了注入束流总功率,为130 kW。分析了两种测量结果存在差异的原因,实验结果表明惯性束截止板热量计方法是测量粒子束流功率及剖面分布的有效手段。     

散裂中子源靶站谱仪的物理设计

中子散射广泛地应用于凝聚态物质研究和应用的众多学科领域,是研究物质微观结构和动态的理想工具之一.散裂中子源能是新一代的加速器基脉冲中子源,能为中子散射提供高通量的脉冲中子.文章重点介绍了散裂中子源项目CSNS中靶站和谱仪的建设内容和设计工作的进展.     

基于CT算法的旋转多丝靶二维束剖面测量

介绍了一种用于低能电子束的基于CT算法的二维束剖面测量方法及其初步实验结果.该束剖面测量方法首先利用多丝靶进行旋转获得不同角度下的一维束剖面信息,然后采用CT算法对这些信息进行处理重建出二维束剖面.本文对该束剖面测量方法的原理进行了详细分析,并通过实验初步验证了该束剖面测量方法的可行性.     

基于欠采样技术的束流相位测量电子学系统设计

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。     

中国散裂中子源二期靶站关键部件辐照损伤模拟计算

中国散裂中子源一期工程于2018年通过国家验收,当前束流功率已经达到140 kW.为进一步提高靶站慢化器输出中子强度,已经提出中国散裂中子源二期500 kW功率升级计划.靶站关键部件长期受到高通量、高能量的粒子辐照,会产生较强的辐照损伤,影响着这些部件的使用寿命.本文首先使用PHITS3.33程序计算了钨、SS316不锈钢、6061铝合金3种材料的质子和中子原子离位截面以及氢、氦的产生截面,并分析了NRT (Norgett-Robinson-Torrens)模型和热平衡前原子复位修正(athermal recombination corrected,ARC)模型对材料离位损伤的影响.在此基础上结合中国散裂中子源二期靶站基线模型计算了靶站关键部件在500 kW的束流功率下运行5000 h产生的原子离位次数(displacement per atom,DPA)以及氢、氦的产额.计算结果表明,钨靶受辐照后产生的NRT-dpa,ARC-dpa,H和He产额最大值分别为8.01 dpa/y (1 y=2500 MW·h),2.39 dpa/y,5110 appm/y (atom parts pe...     

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。     

散裂靶中质子束窗的散射效应

质子束窗是在高功率靶区中的一个分界窗,它将质子输运线上高真空区域和氦容器中的氦环境分开。在其他散裂中子源中质子束窗的热效应以及机械问题都已经被研究过了,但质子束在该窗中散射效应的研究却很少被报导,然而在靶设计中如果没有处理好质子束窗的散射效应会有很大的问题。报导了质子束窗散射效应的模拟计算结果,包括不同质子束窗的材料和结构选择,并以中国散裂中子源（CSNS）为例,介绍了在CSNS一期和二期中质子束窗采用周边水冷的铝合金单层结构,CSNS三期采用中间水冷的铝合金夹层结构。文中给出了不同结构的质子束窗和不同的与靶距离散射效应对靶上经非线性磁铁均匀化的束流分布的影响的模拟计算结果。模拟结果显示质子窗的散射效应对束流损失和靶上的束流分布有重要的影响。     

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。     

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。     

Beam experiments with a non-intercepting beam induced f luorescence profile monitor for the ADS LINAC

An accelerator-driven subcritical system(ADS) project was launched in China in 2011, aiming to design and build an ADS demonstration facility with the capability of more than 1000 MW thermal power. The driver linac is defined to be a 10 m A current of high energy protons at 1.5 Ge V in continuous wave operation mode. To meet the extremely high power and intense beam accelerator requirements, non-interceptive monitors for the beam transverse profile are required for this proton linac. Taking advantage of the residual gas as active material, the Beam Induced Fluorescence(BIF) monitor exploits gas-excited fluorescence in the visible spectrum region for transverse profile measurements. The advantages of this non-intercepting method are that nothing is installed in the vacuum pipe,component design is compact and there is no need for expensive signal processing electronics. Beam experiments have been performed under constant beam conditions. The helium spectrum has been verified with different optical filters, showing that a proper optical band-pass filter covering 400–500 nm is necessary for fluorescence experiments with helium. By changing gas pressure, it is shown that gas pressure is proportional to the signal amplitude but has no influence on detected profile width. Finally, a comparison experiment between the BIF monitor and a wire scanner shows that the detected profile width results of both methods agree well.     

Capacitive beam position monitors for the low-β beam of the Chinese ADS proton linac

Beam Position Monitors(BPMs) for the low-β beam of the Chinese Accelerator Driven Subcritical system(CADS) Proton linac are of the capacitive pick-up type.They provide higher output signals than that of the inductive type.This paper will describe the design and tests of the capacitive BPM system for the low-β proton linac,including the pick-ups,the test bench and the read-out electronics.The tests done with an actual proton beam show a good agreement between the measurements and the simulations in the time domain.     

束流位置监测器测量束流四极分量的新方法

束流位置监测器可以用来进行发射度的非拦截测量,且不受束流分布的影响。对从条带BPM电极中引出的信号经过对数比检波模块处理,得出了一种对数比处理方法来提取束流的四极分量,并推导出一种同时利用差比和处理方法和对数比处理方法的混合提取方法来提取四极分量。对这些方法进行了数值模拟计算和比较,结果表明:混合提取方法效果最佳,对数比处理方法优于差比和处理方法。利用提取出的四极分量,通过多次改变四极铁的电流计算出束流的发射度。     

HL-2M装置5MW-NBI加热束线偏转磁体研制

根据HL-2M装置5MW-NBI加热束线总体设计参数、注入器的部件空间布局、几何汇聚特点等,建立了基于8饼线圈的注入器偏转磁体3D模型。利用电磁场模拟软件CST Studio详细模拟了注入器的偏转磁体产生的偏转磁场分布,不同成份离子束的偏转轨迹。在模拟分析结果的基础上优化了偏转磁体的物理结构,完成了磁体的工程设计、加工和测试。偏转磁体的磁场测试结果表明,测试值与CST计算值的偏差小于±5%,达到注入器偏转磁体设计要求。     

离化靶中多脉冲强流电子束的不稳定性

多脉冲强流电子束轰击轫致辐射靶,在靶面形成等离子体层,将对后续电子束脉冲的稳定性产生影响。从基本等离子理论出发,利用成熟的等离子体粒子模拟程序计算在不同等离子条件下电子束流的稳定性。模拟显示在无外场情况下,当等离子体与电子束的密度比小于1时,能量20 MeV、束流强度2.5 kA、焦斑1.5 mm的电子束出现腊肠不稳定性,但相对靶面焦点区而言,束流稳定;当密度比在1~100时,箍缩不稳定性能够改善电子束的聚焦;当密度比在100~1000时,扭曲不稳定性起主导作用,靶面焦点区电子束流仍然稳定;当密度比大于1000后,成丝不稳定性破坏束流,电子束无法在靶面聚焦。