中国散裂中子源二期648 MHz超导腔调谐器设计

中国散裂中子源二期升级采用超导腔技术方案,其中在165～300 MeV能量段采用648 MHz 6-cell超导腔模组,每个模组中集成3只6-cell超导腔。超导腔工作在脉冲模式,为了保证超导腔2 K下的频率满足运行要求,每只超导腔需要一套低温调谐器对其频率进行精确调节控制。针对648 MHz 6-cell超导腔的结构和运行特点进行了低温调谐器的设计,采用快慢组合机构补偿超导腔的频率偏移,对调谐器的基本性能和超导腔脉冲模式运行下的动态洛伦兹失谐进行了分析。     

325 MHz spoke腔的二次电子倍增效应

采用CST软件的粒子工作室模块, 对spoke超导腔中可能发生的二次电子倍增效应进行了分析研究,并采用二次电子倍增效应发生后形成稳定状态时的粒子数增长率来表征其强度。模拟计算表明：该腔存在两处二次电子倍增效应,spoke柱两端的两点一阶倍增; spoke腔两端侧壁与中心圆筒交界处的单点一阶倍增;二次电子倍增在加速腔压为0.65 MV时的增长率最高,而腔压大于1 MV时,增长率均为负,即无倍增发生。     

CSNS-II超导椭球腔失谐研究

中国散裂中子源二期束流功率升级到500 kW,直线加速器H-的能量增益由现在的80 MeV提高到300 MeV以上,其中150 ~ 300 MeV能量段采用648 MHz β_g=0.60的5-cell超导椭球腔结构。超导椭球腔具有加速梯度高、结构简单、后处理容易等优点,缺点是结构强度弱、易失谐。本文主要研究该椭球腔的失谐特性。利用COMSOL Multiphysics软件进行了计算分析,在两端固定边界条件下,裸腔的氦压敏感性系数K_P=–45.705 Hz/mbar(1 mbar=100 Pa),洛伦兹力失谐因子K_L=1.574 Hz/(MV/m)2。增加加强环并优化其位置来改善氦压敏感性系数和洛伦兹力失谐因子,通过计算分析最终确定选择双加强环方案来减小椭球腔的失谐。两个加强环位置分别取在75和120 mm的位置,腔体失谐的改善最大,K_P=6 Hz/mbar,K_L=0.43 Hz/(MV/m)2。为了更准确地计算椭球腔的氦压敏感性系数和洛伦兹力失谐因子,本文引入调谐刚度边界条件进行失谐分析,在椭球腔调谐器端设置30 kN/mm边界条件,另一端固定,计算得到氦压敏感性系数为4.8 Hz/mbar,洛伦兹力失谐因子1.99 Hz/(MV/m)2,满足工程要求。另外,用CST软件对椭球腔的动态洛伦兹力失谐进行了初步分析,用软件Workbench计算了椭球腔的振动本征频率,结果显示,振动本征频率离射频脉冲重复频率及环境振动频率较远,不易发生共振失谐。     

低β 162.5 MHz taper型HWR腔的机械性能分析（英文）

北京大学正在设计β=0.09,频率为162.5 MHz taper型的二分之一波长射频超导谐振腔(HWR腔),这种腔针对高流强质子束(约100mA)和氘束(约50mA)的加速而设计。对于这种超导腔而言机械性能分析是十分重要的,可以通过机械性能分析来估计由于腔体的形变带来的频率偏移。用ANSYS分析了由于液氦压力不稳定造成的麦克风效应以及洛伦兹力造成的腔体失谐,并且对沿腔体轴线方向的调谐进行了分析。模拟结果显示这只腔压力敏感系数为31.1 Hz/kPa,洛伦兹力系数为-0.41Hz/(MV·m~(-1))~2。腔体的调谐范围达到±177kHz,足够补偿腔体可能的频率偏移。腔体的机械性能满足腔体正常运行的要求。     

低β162.5 MHz taper型HWR腔的机械性能分析（英）

北京大学正在设计=0.09, 频率为162.5 MHz taper型的二分之一波长射频超导谐振腔（HWR腔）, 这种腔针对高流强质子束（约100 mA）和氘束（约50 mA）的加速而设计。对于这种超导腔而言机械性能分析是十分重要的, 可以通过机械性能分析来估计由于腔体的形变带来的频率偏移。用ANSYS分析了由于液氦压力不稳定造成的麦克风效应以及洛伦兹力造成的腔体失谐, 并且对沿腔体轴线方向的调谐进行了分析。模拟结果显示这只腔压力敏感系数为31.1 Hz/kPa, 洛伦兹力系数为－0.41 Hz/(MVm-1)2。 腔体的调谐范围达到177 kHz, 足够补偿腔体可能的频率偏移。腔体的机械性能满足腔体正常运行的要求。     

低β162.5 MHz taper型HWR腔的机械性能分析（英）

北京大学正在设计=0.09, 频率为162.5 MHz taper型的二分之一波长射频超导谐振腔（HWR腔）, 这种腔针对高流强质子束（约100 mA）和氘束（约50 mA）的加速而设计。对于这种超导腔而言机械性能分析是十分重要的, 可以通过机械性能分析来估计由于腔体的形变带来的频率偏移。用ANSYS分析了由于液氦压力不稳定造成的麦克风效应以及洛伦兹力造成的腔体失谐, 并且对沿腔体轴线方向的调谐进行了分析。模拟结果显示这只腔压力敏感系数为31.1 Hz/kPa, 洛伦兹力系数为－0.41 Hz/(MVm-1)2。 腔体的调谐范围达到177 kHz, 足够补偿腔体可能的频率偏移。腔体的机械性能满足腔体正常运行的要求。     

700MHz单cell超导腔洛伦兹力失谐分析

着重论述了超导腔的洛伦兹力失谐,并对704MHz/β=0.45单cell纯铌超导腔进行了静态洛伦兹力失谐分析和动态洛伦兹力失谐分析,对增加其机械稳定性的方式方法进行了讨论和计算,给出了其相应的加固方案.     

β=0.45, f=350 MHz Spoke腔的设计

近几年来,低b超导腔(例如spoke型，re-entrant 型,CH型)作为质子或者离子在中低能段的加速结构成为研究的热点.许多实验结果表明spoke腔在低能段是很好的选择,在中能段跟椭球腔相比也很具有竞争实力,为此,北京大学开展了β=0.45,频率为350MHz的spoke型质子超导加速腔研究. 本文详细阐述了这种腔的结构及电磁场的设计,从射频参数Q,r/Q,最大表面电磁场和加速效率的计算结果来看,它具有很好的加速性能.     

9-cell超导腔快速预调谐方法研究

对频率和场平坦度的预调谐是9-cell超导腔耗时最多的后处理工序之一,很快将成为国内相关大科学工程9-cell腔批量生产的瓶颈。首先介绍了9-cell超导腔两种常用的预调谐方法,即DESY方法和Cornell方法的原理,建模分析和比较了两种方法的计算精度和误差来源,给出Cornell方法调谐量计算的修正。然后结合9-cell超导腔预调谐实验研究,给出了快速预调谐方法:DESY的重建算法在低场平时精度较高且收敛迅速,可作为粗调;Cornell微扰算法在高场平时精度较高且测量迅速,可作为微调。结合两种调谐方式,将预调谐分为粗调和微调两步,可有效提升9-cell超导腔预调谐的速度。     

北京大学光阴极注入器3+1/2超导腔机械性能

介绍了北京大学光阴极注入器的核心部件3+1/2超导腔的机械性能的设计,通过ANSYS和SUPERFISH程序优化加强筋的个数和位置,解决了超导腔在脉冲条件下由于洛仑兹力引起的超导腔失谐以及当超导腔进行低温调谐时场平滑度变化过大的问题,同时针对复杂超导腔结构进行了低温调谐结构的设计。     

中国散裂中子源的多学科应用

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)是我国首台、世界第4台脉冲型中子大科学设施。CSNS基于加速器产生的高能质子轰击钨靶产生中子,然后利用中子进行实验。CSNS面向全世界的用户开放,为科学研究和工业研发服务,在物理、化学、生物、能源、材料等领域都有广泛的应用。文章将介绍CSNS的基本构成、发展历程和中子散射的多学科应用。     

中国散裂中子源小角中子散射谱仪探测器研制

中子小角散射探测器是小角散射（SANS）谱仪的关键设备之一,探测器要求有足够大的探测面积、较高的探测效率及较好的空间分辨率,能够在真空腔中稳定地工作并可在腔体内前后移动。综合考虑,SANS探测器采用120只8 mm直径位置灵敏3He管,组成有效面积1 000 mm（X）×1 020 mm（Y）的二维探测器阵列。探测器阵列分为10个模块,每一个模块功能完全独立,包括12只3He管及其对应的读出电子学和数据获取系统。读出电子学位于探测器背面的回字形密闭腔体内,由CSNS电子学组自主研发。SANS探测器从设计、选型、样机、调试到安装历时三年,中子束流实验结果显示探测器探测效率大于50%（@2Å）,空间分辨率好于10 mm（FWHM）,完全达到设计要求,目前正在中国散裂中子源小角散射谱仪运行使用。     

Development of Time-of-Flight Polarized Neutron Imaging at the China Spallation Neutron Source

A time-of-flight polarized neutron imaging setup was realized by integrating an in situ pumped polarized ³He spin filter and energy dispersive neutron camera on the neutron technique development beamline（BL-20） of the China Spallation Neutron Source（CSNS）. Test experiments were performed with a solenoid with aluminum wire as a sample. These demonstrated that polarized radiography with a field of view in diameter 2.0 cm at different wavelengths can be obtained. The wavelength-dependent...     

CSNS加速器真空控制系统的设计与实现

中国散裂中子源（CSNS）加速器真空控制系统负责真空数据采集、设备监控和闸板阀控制与联锁,是设备运行和故障诊断以及超高真空保持的重要保障。本文介绍了加速器真空需求,基于实验物理及工业控制系统EPICS软件框架的真空控制系统设计与实现,使用横河可编程逻辑控制器PLC控制与联锁设备,摩莎MOXA工控机监测真空状态,EPICS PV数据直接进入声音报警系统和历史数据库系统,为工作人员及时发现和处理问题、进行后续数据分析和机器研究等提供了便捷途径和可靠保障。目前,该系统已完成现场安装和调试,并已正式投入运行。运行结果表明,该系统具有稳定性好、可靠性高、人机交互友好的特点,很好地满足了加速器真空控制系统运行的需要。     

Study on induced radioactivity of China Spallation Neutron Source

China Spallation Neutron Source (CSNS) is the first High Energy Intense Proton Accelerator planned to be constructed in China during the State Eleventh Five-Year Plan period, whose induced radioactivity is very important for occupational disease hazard assessment and environmental impact assessment. Adopting the FLUKA code, the authors have constructed a cylinder-tunnel geometric model and a line-source sampling physical model, deduced proper formulas to calculate air activation, and analyzed various issues with regard to the activation of different tunnel parts. The results show that the environmental impact resulting from induced activation is negligible, whereas the residual radiation in the tunnels has a great influence on maintenance personnel, so strict measures should be adopted.     

Study on induced radioactivity of China Spallation Neutron Source

China Spallation Neutron Source (CSNS) is the first High Energy Intense Proton Accelerator planned to be constructed in China during the State Eleventh Five-Year Plan period, whose induced radioac- tivity is very important for occupational disease hazard assessment and environmental impact assessment. Adopting the FLUKA code, the authors have constructed a cylinder-tunnel geometric model and a line-source sampling physical model, deduced proper formulas to calculate air activation, and analyzed various issues with regard to the activation of different tunnel parts. The results show that the environmental impact resulting from induced activation is negligible, whereas the residual radiation in the tunnels has a great influence on maintenance personnel, so strict measures should be adopted.     

中国散裂中子源注入系统电切割磁铁物理设计

利用OPERA/TOSCA大型有限元分析软件对中国散裂中子源/快循环同步环（CSNS/RCS）注入系统的直流C型特种电切割磁铁进行了2维/3维磁场计算和设计,通过放置1 mm厚的DT4铁磁性屏蔽板,可将循环束流轨道上的边缘漏场比降低至2.610-4,大大减小了切割板外侧的边缘漏场对循环束流动力学的影响。另外,对该类型切割磁铁的线圈做了详细的水冷计算,以保证磁铁能在适当的温度下运行。结果表明,无论从物理上还是工程上,该类型磁铁完全可以满足CSNS/RCS注入系统物理设计以及长期稳定运行的要求。     

中国散裂中子源注入系统电切割磁铁物理设计

利用OPERA/TOSCA大型有限元分析软件对中国散裂中子源/快循环同步环（CSNS/RCS）注入系统的直流C型特种电切割磁铁进行了2维/3维磁场计算和设计,通过放置1 mm厚的DT4铁磁性屏蔽板,可将循环束流轨道上的边缘漏场比降低至2.610-4,大大减小了切割板外侧的边缘漏场对循环束流动力学的影响。另外,对该类型切割磁铁的线圈做了详细的水冷计算,以保证磁铁能在适当的温度下运行。结果表明,无论从物理上还是工程上,该类型磁铁完全可以满足CSNS/RCS注入系统物理设计以及长期稳定运行的要求。     

ADS中子源散裂靶物理研究

运用蒙卡程序DCM CEM对ADS标准散裂中子靶进行了计算研究.计算了在0.1~1.6GeV的质子轰击下,标准Pb靶发生散裂反应产生的泄漏中子产额及分布、中子能谱以及靶内能量沉积分布.计算结果与文献理论数据、实验数据进行了比较.     

China Spallation Neutron Source - an overview of application prospects

The China Spallation Neutron Source (CSNS) is an accelerator-based multidisciplinary user facility to be constructed in Dongguan, Guangdong, China. The CSNS complex consists of an H^－ linear accelerator, a rapid cycling synchrotron accelerating the beam to 1.6 GeV, a solid-tungsten target station, and instruments for spallation neutron applications. The facility operates at 25 Hz repetition rate with an initial design beam power of 120 kW and is