100 MeV强流质子回旋加速器束流调试靶系统

中国原子能科学研究院正在建造一台100 MeV,200 A的强流质子回旋加速器,需要使用束流调试靶来调试加速器,为此设计了一套束流功率为20 kW的质子束调试系统。对该系统的束流输运线、靶材料的选取、靶结构、水冷计算、屏蔽结构等作了介绍。给出了整条束流输运线的匹配计算结果;通过对质子打靶后的中子产额、角通量、靶的活化等方面的比较,最终选用铝作为靶材料;根据加速器引出束流能量和功率,设计了分层式靶结构,同时对靶进行了水冷计算;打靶产生的出射粒子平均能量较高,导致产生的辐射剂量很大,考虑到对环境与工作人员的影响及费用,需要对其进行局部屏蔽,给出了屏蔽计算结果及屏蔽结构的设计。     

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。     

用束流位置监测器精确测量储存环流强

 束流位置监测器（BPM）是粒子加速器束测系统中最为常见的元件,该探头输出信号中除包含束流位置信息外还包含电荷量等其它信息,可作为多参数束流诊断设备。采用BPM理论分析和数值仿真分析相结合的方法讨论了该种探头同时用于束流流强测量的可行性。在上海光源储存环上进行了束流试验,测定了全环140个BPM的流强标定系数,对BPM用于流强测量的分辨率、束流位置依赖性、频率依赖特性进行了测试,根据实验结果讨论了该方法在当前技术条件下所能达到的性能及其局限性。     

ADS注入器II的5 MeV高能传输线的设计与搭建

ADS先导专项的注入器Ⅱ计划在将质子束通过一个Cryomodule加速到5 MeV后,进行10 mA连续束流的调试,以验证ADS低能段的强流超导直线加速器技术。为了将50 kW的束流功率沉积到束流垃圾站,需要搭建一条高能束流传输线,从超导段开始传输束流。采用两套三组合四极透镜控制束流包络及垃圾站的束流尺寸,利用诊断真空室进行水平和垂直发射度的测量。为避免束流产生的真空管道损伤,该传输线必须确保束流无损失地传输到垃圾站。A CW 10 mA,5 MeV beam commissioning of CADS Injector Ⅱ is planed recently to test the high power superconduction linac techniques.To transport 50 kW beam from linac to the beam dump,a high energy beam line (HEBT) line is designed and setup.Two Triplet are used to control the beam size along HEBT and at the beam dump.One diagnostics box is used for horizontal and vertical emittance measurement.To avoid damages to the vacuum pipe,beam should be transported to the beam dump without losses.The details of the HEBT design will be described in the paper.     

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。     

负氢潘宁型离子源的束流引出测量

在中国工程物理研究院流体物理研究所自行研制的负氢潘宁型离子源上进行负氢束流引出测量实验,采用单电极、双电极、三电极束流引出测量方法进行初步束流引出测量,束流强度的实验测量结果远远高于空间限制流的理论计算值。因此,提出一种电屏蔽盒的直流束流引出测量方法。阐述了电屏蔽盒直流束流引出测量的基本方法、束流轨迹的CST数值模拟以及束流引出测量实验结果。研究表明:引出电压为2 kV,引出间隙为3 mm,磁感应强度为0.435 T时,得到较为精确的负氢束流引出强度约100 A。通过空间电荷限制流的V3/2定律进行拟合,推算得到引出电压为40 kV时,负氢束流强度约达到4 mA。     

BEPC Ⅱ储存环逐束团丢束监测系统及应用

针对北京正负电子对撞机二期工程(BEPCⅡ)在高流强下运行经常出现的突然丢束问题,研制了基于逐束团测量的丢束监测系统。束流位置探头(BPM)的四路电极信号作为监测系统的信号源,四路高速模数转换器(ADC)和现场可编程门阵列(FPGA)进行模拟信号的数字化和数字信号的处理。通过获取丢束前每个束团的位置和流强等信息来分析引起丢束的原因。结合加速器硬件情况,长时间对丢束监测系统数据的分析,以及设计的对比实验,深入研究丢束问题。系统对高频系统故障、束流不稳定性和磁铁电源系统不稳定等原因引起的丢束现象可以做出准确的判断,进而为加速器稳定运行提供优化方向。     

用钮扣电极测量强流直线感应加速器束流位置

 介绍了钮扣电极测量强脉冲束流位置的基本原理，以及针对钮扣电极所设计的一套模拟实验标定装置；着重介绍了钮扣电极测量束流位置的实验过程，以及在实验中所遇到的问题和对实验平台所做的改进。实验表明钮扣电极对束流位置的测量精度达到亚mm量级，对于束位置偏心测量的相对误差范围在10％以内。     

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。     

束流轨道与相关环境参数的同步诊断技术

粒子加速器由于受地基振动、环境温度、热效应等因素的影响,导致束流位置探头(BPM)所在真空盒的机械中心相对四极铁磁中心的漂移较大,因此很难提高束流轨道的绝对测量精度。探索利用电容式探头实时检测该漂移量的方法。首先分析了电容式探头的测量原理,并设计了轨道振动同步诊断方案,然后设计了专用探头,并利用数据采集设备对探头的线性度、精度和频率响应进行实验室测试。结果显示电容式探头能检测到2μm的相对位移,且可有效检测300Hz以下的振动频率,可用于束流轨道与相关环境参数的同步诊断。     

电子束刻蚀法制作微米/亚微米云纹光栅技术

本文应用电子束刻蚀技术并结合真空镀膜技术提出了制作电子束云纹光栅的新方法。首次提出三镀层制作双频电子束云纹光栅的新工艺。所制得的光栅可在两频率下应用电子束云纹法测量物体的变形。同一般光栅相比 ,这种双频光栅变形量程范围更大。在本研究中 ,运用电子束刻蚀法并结合真空镀膜技术制作出 0 .1μm间距 ( 10 0 0 0线 /mm光栅 )的电子束云纹光栅。应用所制作的 10 μm/1μm双频光栅与相对应的电子束参考栅干涉 ,分别得到对应的电子束云纹场。文中对制栅工艺及方法进行了详细的讨论。     

Commissioning of electron cooling in CSRe

The 400 MeV/u 12C6+ion beam was successfully cooled by the intensive electron beam near 1 A in CSRe.The momentum cooling time was estimated near 15 s.The cooling force was measured in the cases of different electron beam profiles,and the different angles between the ion beam and electron beam.The lifetime of the ion beam in CSRe was over 80 h.The dispersion in the cooling section was confirmed as positive close to zero.The beam sizes before cooling and after cooling were measured by the moving screen.The beam diameter after cooling was about 1 mm.The bunch length was measured with the help of the signals from the beam position monitor.The diffusion was studied in the absence of the electron beam.     

HIRFL—CSR实验环电子冷却装置调试

HIRFL-CSR实验环电子冷却装置采用了能够产生空心电子束的电子枪。弯曲螺线管内采用了静电偏转电极，冷却段采用了独立的高精度螺线管串联产生纵向磁场的设计。测量了沿离子束运动方向冷却段磁场分布及磁场平行度、电子枪和收集器性能、300kV高压电源相关参数。结果表明，此装置达到了预期的设计目标。: In CSRe electron cooling device， a special electron gun which can produce variable profile electron beam with different size and density distribution was adopted for decreasing ion losses. Electrostatic bending device was used for reducing electron beam losses and improving vacuum condition. The instability of the electron beam is suppressed because the secondary electrons from collector would come back to the collector in the same orbit finally. Longitudinal magnetic field with parallelism better than 10-4 was achieved by adopting of independent high precise solenoid coils at cooling section. In this case， the r.m.s deviations of the transverse magnetic field at cooling section in horizontal and vertical direction are 3.298×10-5 and 2.458×10-5 respectively. The characters of the gun and collector were investigated. The results were presented and indicate that it achieves the design purpose very well.     

碳纤维阴极的场致发射特性实验研究

 研究了具有一定导电性能的碳纤维的直流场致发射电子束特性，实验分别在大气环境、低真空（10^-1 Pa）及高真空(10^-5 Pa)环境下进行。实验结果表明，碳纤维具有一定的场致发射能力，并且发射特性和发射环境的真空度密切相关。在大气环境下，发射电子束流与所施加的电压符合Fowler-Nordheim关系，当电压为7 kV，电流为61.4 μA时，根据Fowler-Nordheim定理推算出碳纤维场致发射场增强因子为3.75×10⁵。在低真空条件下阳极只收集到微弱的电流；在高真空条件下，阴极发射明显，在较低电压下就能观测到阳极电流，放电前阳极最高电流是大气条件下的3~4倍，发射的束流大小和所施加在尖端的电压关系接近Child-Langmiur定律。     

平面二极管爆炸发射阴极特性实验研究

 在电压0.6~1.0 MV,脉冲重复频率为100 Hz条件下,实验研究了爆炸发射阴极的有效发射面积、平均发射电流密度、二极管阻抗、电子束能量损耗机制等特性。结果表明：阴极有效发射面积随时间呈方波变化,在脉冲开始后5 ns内有效发射面积基本达到稳定。在碳纤维、天鹅绒、石墨、不锈钢4种阴极材料中,碳纤维阴极有效发射面积最大且变化相对稳定,并且碳纤维阴极具有最大的平均发射电流密度。二极管阻抗随着阴阳极间隙的增加并非呈平方关系增加,而是呈线性增长,阻抗失配是降低电子束能量传输效率的主要机制。     

Fabrication of high-frequency electron beam moiré grating using multi-deposited layer techniques

This paper proposed new ways for producing multi-layer model grids for electron beam moiré method. An electron beam lithography system was set up under scanning electron microscope which was equipped with a beam blanking device and a pattern generator. The two-deposited-metal layers method was used to manufacture electron beam grating for high-temperature use. The results verify that the Zr–Pt-type grating possesses heat resistance up to 1100°C in vacuum. A new type of composite grating with frequencies 100 lines/mm and 1000 lines/mm using three deposited layers was produced. A 10 000 lines/mm two-deposited-metal layers grating was successfully fabricated using electron beam lithography.     

一种测量电子束微脉冲时间抖动的新方法

 提出了一种高灵敏度电子束微脉冲时间抖动的测量方法。该方法采用传统的测量束团位置及电荷量的四条带束流位置探头，用混合环对感应信号进行处理，对共振频率为2.856GHz的谐波分量用MIXER与2.856GHz的参考信号进行相位比较，并由此得到电子束团微脉冲时间抖动值。     

基于束流位置探测器的束团长度测量

分析了驱动电子束团的频域特性,研究了基于该特性进行长度测量的理论基础;使用三维模拟软件对束流位置探测器(BPM)进行建模,用模拟的方法对传输阻抗进行了数值计算;对不同长度的束团进行了测量和计算,并且分析了束团位置在真空管道中偏移对束团长度测量的影响。由测量结果可见,电子束团长度在10~100 ps(3~30 mm)时,测量误差均小于2%,满足中国工程物理研究院高平均功率自由电子激光太赫兹实验测量的使用要求。     

高能电子辐照对束测量系统的影响

在直线感应加速器束参数测量系统实验的基础上,给出了束参数测量系统的实验布局和特点,分析高能电子辐照对直线感应加速器中测量系统电子器件介电性能的影响和变化规律;进一步探讨电子器件介电性能受高能电子辐照后的抑制措施。针对电磁空间干扰情况,主要通过采用光纤传输控制信号的措施,能很好地传输窄脉冲,信号延时抖动小,达到了高速信号的可靠传输要求,利用紧凑嵌入式方法,提高了抗电磁干扰的能力,这样可以更好保护束参数测量电子器件。