2MeV注入器绝缘支撑设计与实验

针对更高能量注入器的技术要求,在现有的2MeV注入器阴阳极头部分别设计出了尼龙材料的分层径向匀场环绝缘支撑结构。实验结果显示,在保证可靠绝缘的基础上,改善了阴阳极间的机械对中性能,提高了束、场、机械三轴的同一性,为2MeV注入器实验平台各项技术指标的提高奠定了基础。     

2MW中性束注入器抽气过程分析

一、引言 中性束注入器是要把离子源引出的高能离子转化成高能中性粒子,并输送到聚变装置中,既要提供足够的气体靶厚,以获得高效率的中性化,又要求主真空箱内的气压不超过一定的压强值,以减少再电离损失和对装置的气体负载。对于2MW这样特大的注入器,在设计过程中,不仅力图获得最大传输效率,而且要考虑到工程上的可行性和经济效益。因此,通过对抽气过程的分析计算来优化选择注入器进气方式、真空及抽气系统的各参数是必要的。     

2MeV有箔注入器的束流调试

 为20MeV 直线感应加速器建造的2MeV注入器的束流技术指标经过一年多实验调试已达到能量2MeV、束流3kA、亮度≥10⁸A/(m·rad) ²。建立了二维数字模型对注入器的电子发射和束流传输过程进行模拟,模拟结果指导了实验调试,分析了有箔二极管中发生的聚焦作用。     

2MeV有箔注入器的束流调试

为20MeV 直线感应加速器建造的2MeV注入器的束流技术指标经过一年多实验调试已达到能量2MeV、束流3kA、亮度≥108A/(m·rad)2。建立了二维数字模型对注入器的电子发射和束流传输过程进行模拟,模拟结果指导了实验调试,分析了有箔二极管中发生的聚焦作用。     

3.5 MeV注入器脉冲功率系统

用于直线感应加速器的3.5 MeV注入器脉冲功率系统采用了感应叠加原理。整个系统包含了脉冲形成系统、触发系统以及感应腔负载。脉冲形成系统主要由Marx发生器和Blumlein脉冲形成线组成,产生12个脉宽约90 ns,幅度约200 kV的高压脉冲,通过12个感应腔和变阻抗阴阳极杆,在阴阳极间隙处产生3.5 MV的二极管电压,由天鹅绒阴极发射强流电子束。触发系统主要由两级触发开关构成,严格控制12个高压脉冲的输出时间,时间分散性统计值小于1 ns(动作时间抖动)。采用该脉冲功率系统注入器能产生能量约3.5 MeV,电流2～3 kA的强流电子束。     

3.5MeV注入器脉冲功率系统

用于直线感应加速器的3.5 MeV注入器脉冲功率系统采用了感应叠加原理。整个系统包含了脉冲形成系统、触发系统以及感应腔负载。脉冲形成系统主要由Marx发生器和Blumlein脉冲形成线组成,产生12个脉宽约90 ns,幅度约200 kV的高压脉冲,通过12个感应腔和变阻抗阴阳极杆,在阴阳极间隙处产生3.5 MV的二极管电压,由天鹅绒阴极发射强流电子束。触发系统主要由两级触发开关构成,严格控制12个高压脉冲的输出时间,时间分散性统计值小于1 ns(动作时间抖动)。采用该脉冲功率系统注入器能产生能量约3.5 MeV,电流2～3 kA的强流电子束。     

中性束注入器电偏转系统的参数设计与估算研究

为EAST 装置中性束注入器设计了一套用于将剩余离子在线电偏转的结构,并对系统各设备的核心参数进行了估算。在4.41kV 偏转电压作用下,该电偏转系统可提供80keV 氘离子束偏转所需的偏转电场。在偏转电场调制情况下,该电偏转系统可有效降低极板表面的热负荷,进而满足EAST 中性束注入器稳态运行的需要。     

HL-2A装置中性束注入器钛吸附泵的设计

HL-2A装置NBI的设计参数为，注入气体为氢气、束能量60keY、束脉宽2s、两条束线切向注入、最终达到总的中性束注入功率4MW。目前，初步方案拟定为一条束线安装两个离子源，束线真空部分由一个主真空室和一个次真空室以及离子源真空室和漂移管道构成。     

3.5 MeV无箔注入器束流调试

3.5 MeV 注入器是“神龙一号”直线感应加速器的束源,在注入器束流调试中,首先通过数值模拟方法,初步确定束流过聚焦和聚焦不足两种极端情况下引出线圈输运磁场峰值的变化范围;然后以注入器出口束流波形为参考,通过实验调试找到了这两种情况下引出线圈输运磁场峰值的实际配置;再通过测量束流的剖面或发射度,在这两种配置中选定一个折中的引出线圈磁场配置,并最终确定了注入器输运磁场的总体配置。经过调试完成后的注入器束流为3.6 MeV,流强为2.8 kA,归一化边发射度为1 040 mm·mrad,达到了预期的指标。     

3.5 MeV无箔注入器束流调试

 3.5 MeV 注入器是“神龙一号”直线感应加速器的束源,在注入器束流调试中,首先通过数值模拟方法,初步确定束流过聚焦和聚焦不足两种极端情况下引出线圈输运磁场峰值的变化范围;然后以注入器出口束流波形为参考,通过实验调试找到了这两种情况下引出线圈输运磁场峰值的实际配置;再通过测量束流的剖面或发射度,在这两种配置中选定一个折中的引出线圈磁场配置,并最终确定了注入器输运磁场的总体配置。经过调试完成后的注入器束流为3.6 MeV,流强为2.8 kA,归一化边发射度为1 040 mm·mrad,达到了预期的指标。     

BEPC Ⅱ注入器相控系统的设计

 以2.856GHz频率上相位控制达到±2°为目标，阐述北京正负电子对撞机重大改造工程注入器相控系统设计思路，提出相应的系统实现结构。在分析相控过程的基础上，分解系统指标，把它作为相控系统详细设计和关键部件测试的依据。最后，针对相位测量这一关键问题，给出了具体的实现方法。     

磁绝缘形成过程的守恒模型

理论分析了平行板、同轴、共心同轴圆锥3种典型传输线,运用磁通量守恒求解了初始电流的解析表达式,利用电荷守恒求解了初始电压的解析表达式,在此基础上定量计算了一定初始电流、初始电压下形成的稳态磁绝缘电流、阴极电流与电压,并采用粒子模拟软件对其进行2维数值模拟,模拟结果与理论值吻合较好。     

Design of a low level radio frequency control system for the direct current-superconductive photocathode injector at Peking University

A digital low level radio frequency (LLRF) control system based on a high precision field-programmable gate array (FPGA) is being developed for the stable operation of the upgraded direct current-superconductive (DC-SC) photocathode injector at Peking University. The design of this LLRF control system is described, including both the hardware and the internal algorithm. Analysis of disturbances shows that the system can achieve the requirement of ±0.1% for amplitude stability and ±0.1° for phase stability. Through experiments, preliminary results are presented in the paper.     

医用质子加速器注入器7MeV漂移管直线加速器的设计

 针对质子治癌直线加速器功耗少、长度短的要求,设计了一台工作频率为324 MHz的漂移管型质子直线加速器(DTL)。该DTL把粒子从2.5 MeV加速到7 MeV,功耗为265 kW, 总长1.9 m。横向聚焦采用FODO结构,漂移管内放置永磁铁。提出一种新的束流匹配方案,在射频四极场加速器(RFQ)与DTL之间不设束运线,而是以 DTL入口处的4个单元为匹配段,把RFQ出口处相椭圆匹配到DTL周期结构入口处的相椭圆。 用PARMILA程序对该DTL进行了动力学模拟,结果表明该方案的束流发射度增长很小。     

医用质子加速器注入器7 MeV漂移管直线加速器的设计

针对质子治癌直线加速器功耗少、长度短的要求,设计了一台工作频率为324 MHz的漂移管型质子直线加速器(DTL)。该DTL把粒子从2.5 MeV加速到7 MeV,功耗为265 kW, 总长1.9 m。横向聚焦采用FODO结构,漂移管内放置永磁铁。提出一种新的束流匹配方案,在射频四极场加速器(RFQ)与DTL之间不设束运线,而是以 DTL入口处的4个单元为匹配段,把RFQ出口处相椭圆匹配到DTL周期结构入口处的相椭圆。 用PARMILA程序对该DTL进行了动力学模拟,结果表明该方案的束流发射度增长很小。     

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为EAST装置中性束注入器设计了一套用于将剩余离子在线电偏转的结构,并对系统各设备的核心参数进行了估算。在4.41kV偏转电压作用下,该电偏转系统可提供80keV氘离子束偏转所需的偏转电场。在偏转电场调制情况下,该电偏转系统可有效降低极板表面的热负荷,进而满足EAST中性束注入器稳态运行的需要。     

Design of an MeV ultra-fast electron diffraction experiment at Tsinghua university

Time-resolved MeV ultra-fast electron diffraction (UED) is a powerful tool for structure dynamics studies. In this paper, we present a design of a MeV UED facility based on a photocathode RF gun at Tsinghua University. Electron beam qualities are optimized with numerical simulations, indicating that resolutions of 250 fs and 0.01 , and bunch charge exceeding 105 electrons are expected with technically achievable machine parameters. Status of experiment preparation is also presented.