Emittance coupling driven by space charge in the CSNS linac

In the conventional design of RF linacs, the bunched beams are not in thermal equilibrium. The space charge forces couple the particle motions between the transverse and the longitudinal directions. Fur-thermore it will cause the equipartitioning process which leads to emittance growth and halo formation. In the design of the China Spallation Neutron Source (CSNS) linac, three cases are investigated using the Hofmann stability charts. In this paper, we present the equipartitioning beam study of the CSNS Alvarez DTL linac.     

准周期聚焦–加速耦合系统的均温设计方法

强流质子直线加速器要求严格控制束流损失和束流发射度增长.理论已经证明,强的空间电荷作用在不同自由度之间的耦合,会因为其间的温度差异,通过束流的相干不稳定性,使束流发射度增长.因此,有必要按照均温的原则设计强流加速器.但是,由于质子直线加速器的各种加速结构均为准周期耦合系统,使得均温设计十分繁琐而难以达到完全均温.我们利用国际上通用的束流动力学软件TRACE3-D,给它补充了均温设计功能,通过与PARMILA程序的配合使用,可以方便地在加速器设计中实现均温条件.本文将介绍我们对TRACE3-D的修改补充,并以强流质子直线加速器设计实例,说明均温设计的必要性.     

Introduction to the overall physics design of CSNS accelerators

The China Spallation Neutron Source (CSNS) is an accelerator-based facility. The     

Introduction to the overall physics design of CSNS accelerators

The China Spallation Neutron Source (CSNS) is an accelerator-based facility. The accelerator of CSNS consists of a low energy linac, a Rapid Cycling Synchrotron (RCS) and two beam transport lines. The overall physics design of CSNS accelerator is described, including the design principle, the choice of the main parameters and design of each part of accelerators. The key problems of the physics design, such as beam loss and control, are also discussed. The interface between the different parts of accelerator, as well as between accelerator and target, are introduced.     

快循环同步加速器射频加速电压幅度的数字化控制

 中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器（RCS）中的射频低电平控制系统是基于FPGA的全数字控制系统,旨在完成对射频频率、加速电压和同步加速相位的控制。介绍了CSNS/RCS射频系统的低电平数字化控制设计方案,并着重对射频加速电压幅度控制回路进行了分析与讨论。电压幅度控制环路通过射频电压幅度信号与电压幅度设定值的比较,得到误差信号。误差信号经过控制器来控制输入到射频腔的功率,以达到稳定和改变腔压的目的。通过对控制对象的分析和建模,得到了满足系统要求的控制器。详细介绍了数字系统的实现,尤其是信号的解调和控制算法的实现。用ALTERA公司的DSP builder进行数字控制系统开发,系统仿真结果表明,环路误差信号大约于10 μs（400个系统时钟）后归于0,整个电压幅度控制环路能稳定运行。     

Study on the pre-chopper in CSNS LEBT

Physical designing of the pre-chopper in CSNS LEBT is carried out,which includes the deflecting voltage,the length and the width of the deflecting plates,and the gap between the deflecting plates.The most outstanding feature of the design is that both the gap and the width vary with the beam envelope size.So both the requried deflecting voltage and the loaded capacitance are lowered.In order to avoid destruction of the space charge neutralization by the pre-chopper in the whole LEBT,an electron-trapping electrode is arranged to confine the electrostatic field of the pre-chopper to the local area.To examine the reliability of the pre-chopping design in CSNS LEBT,a similar pre-chopping design in ADS RFQ LEBT is set up and an experiment on the pre-chopper is prepared.3-dimensional simulations are carried out to determine the loaded capacitance and the applied voltage of the electron-trapping electrode.     

Calculations of radioactivity and afterheat in the components of the CSNS target station

This paper shows the calculations of radioactivity and afterheat in the components of the China Spallation Neutron Source (CSNS) target station, with the Monte Carlo codes LAHET, MCNP4C and the multigroup code CINDER'90. These calculations provide essential data for the detailed design and maintenance of the CSNS target station.     

Physical design of target station and neutron instruments for China Spallation Neutron Source

The China Spallation Neutron Source(CSNS)is the first accelerator-based multidiscipline user facility to produce pulsed neutrons by tungsten target under collision of a pulsed proton beam with a beam power of 100 kW at a repetition rate of 25 Hz.In this paper,we focus on the physical design of CSNS target station and neutron instruments.Under optimized design,the flat tungsten target and the compact target-moderator-reflector coupling enhance effective cold and thermal neutron output from moderators.Three wing-type moderators supply four different characteristics of neutrons to 19 beamlines primarily for neutron scattering applications.Layout of neutron instruments are conceptually planned for total 20 beamlines,the configuration and specification have been determined for three day-one neutron instruments.All designs are optimized for the Phase I of 100 kW with a upgradable capacity to 500 kW.     

中国散裂中子源多功能反射谱仪屏蔽设计

本文介绍了利用蒙特卡罗粒子输运程序MCNPX2.5.0进行中国散裂中子源多功能反射谱仪屏蔽设计的屏蔽需求、辐射源项、计算方法和设计结果等内容.在计算中考虑慢化器泄漏源项、中子导管损失源项等不同辐射源项,使用分步计算和源项角度偏移、源项能量偏移、几何分裂等多种减方差方法,在保证计算结果精度的同时提高计算速度.在谱仪束线传输段、第二中子开关、散射室等的屏蔽计算中,通过比较了不同条件下的所需屏蔽确定最终屏蔽设计,确保谱仪屏蔽外人员可到达区域的剂量低于安全限值2.5μSv/h.     

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。     

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。     

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。     

中国散裂中子源在大气中子单粒子效应研究中的应用评估

由于缺少可用的散裂中子源,多年来我国在大气中子单粒子效应方面主要依靠模拟仿真和单能中子试验的方式开展研究.随着中国散裂中子源(CSNS)通过国家验收,基于CSNS开展大气中子单粒子效应研究成为可能.本文利用CSNS反角白光中子源开展多款静态随机存取存储器器件的中子单粒子效应试验,并与早期开展的高原大气试验结果进行对比,对CSNS在大气中子单粒子效应研究中的应用进行评估.结果表明,相同器件在CSNS反角白光中子源测得的单粒子翻转截面小于大气试验的结果,且不同器件的翻转截面与特征尺寸没有明显的单调关系.分析得到前者由于CSNS反角白光中子谱偏软;后者由于特征尺寸降低导致的临界电荷变小和灵敏体积变小对截面的贡献是竞争关系.针对截面偏小的问题,根据能谱差异分析了中子能量阈值对器件翻转截面的影响,发现能量阈值取12MeV进行计算时,器件在CSNS反角白光中子源和高原大气中子环境中能够得到较一致的截面.研究结果表明CSNS反角白光中子源能够用于加速大气中子单粒子效应试验.考虑到CSNS的运行功率正在逐步提高,且多条规划中的白光中子束线与大气中子能谱更为接近,预期未来CSNS将能更好地应用于大气中子单粒子效应研究.     

中国散裂中子源直线加速器束流流强测量系统

介绍了中国散裂中子源(CSNS)直线加速器(Linac)采用的自主研制的束流变压器(BCT)系统。根据CSNS Linac的束流参数、加速器管道的横向孔径和纵向空间,专门设计了BCT进行束流宏脉冲流强的测量。在CSNS Linac试运行阶段成功地测量到了负氢粒子束流的宏脉冲信息,给调束运行提供了有利的保障和支撑。     

中国散裂中子源快循环同步加速器中色品校正及六极磁铁非线性效应

中国散裂中子源（CSNS）快循环同步加速器（RCS）把能量为80 MeV的束流储存并加速到1.6 GeV然后引出到靶站。为了减少RCS中的束流损失，有必要对RCS做色品校正，并减小动量偏移对束流光学的影响。尝试了多种色品校正方案并对不同色品校正方案做了比较。用三维跟踪程序SIMPSONS研究了色品校正六极铁与空间电荷效应对束流的影响。色品校正六极铁可以有效减小色品引起的频散，但是由于六极铁为非线性元件，导致不同振幅的粒子间有一定频散。模拟发现同时存在空间电荷效应和色品校正六极铁时，会有少量的束流损失。     

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。     

环-靶站输运线末端准直器的研究

环-靶站输运线（RTBT）末端的准直器是中国散裂中子源（CSNS）工程中的关键部件之一,因其靠近靶站,辐射剂量大,维护困难,故设计可靠性极为重要。根据准直器的工作原理,及CSNS物理设计要求,对比国外同类加速器的设计经验,设计完成准直器设备。在设计过程中兼顾了热沉积、功率损耗和材料性能等方面的严格要求,并逐一阐述了具体方案。利用Bethe-Bloch公式计算与SRIM软件模拟的结果比较,确定了模拟工具和模拟方法的可靠性,根据ANSYS有限元软件模拟的结果,验证了准直器结构设计的可靠性。     

环-靶站输运线末端准直器的研究

环-靶站输运线(RTBT)末端的准直器是中国散裂中子源(CSNS)工程中的关键部件之一,因其靠近靶站,辐射剂量大,维护困难,故设计可靠性极为重要。根据准直器的工作原理,及CSNS物理设计要求,对比国外同类加速器的设计经验,设计完成准直器设备。在设计过程中兼顾了热沉积、功率损耗和材料性能等方面的严格要求,并逐一阐述了具体方案。利用Bethe-Bloch公式计算与SRIM软件模拟的结果比较,确定了模拟工具和模拟方法的可靠性,根据ANSYS有限元软件模拟的结果,验证了准直器结构设计的可靠性。     

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。     

Beam collimation for CSNS/RCS

The current design of the CSNS/RCS beam collimation system consists of a two-stage betatron collimation and a single momentum collimator. This paper summarizes various aspects of collimator design, including collimation principle and layout, material choice and collimator mechanical structure, etc. At last, radiation and thermal analysis are carried out to illustrate the feasibility of the current beam collimation scheme.