中国散裂中子源漂移管直线加速器研制进展

漂移管直线加速器(DTL)是中国散裂中子源(CSNS)直线加速器的主要部分,负责将脉冲流强为15mA的负氢离子从3 MeV加速到80 MeV,再注入到快循环同步加速器(RCS)中实现进一步加速。CSNS DTL由4节长度约9m的RF腔体组成,单节RF腔体由1台3MW的速调管提供功率。每节腔体又分为3段长约3m的机械腔体以便于加工和安装。DTL腔体和漂移管的研制是整个CSNS直线加速器的关键。本文介绍了CSNS DTL研制过程,包括国内首次在强流质子加速器RF腔内表面进行高导无氧铜电镀、新型磁铁线圈的研制、小孔径磁铁的高精度测量等。加工及测试结果均满足CSNS的设计要求。     

C-ADS项目RFQ加速腔的射频耦合器研制

C-ADS项目的注入器ⅡRFQ加速腔射频耦合器是为该四翼型常温射频四极场(RFQ)加速器专门设计的一种高功率耦合器件,其主要特点是采用碗状陶瓷窗结构及合理的生产工艺,很好地解决了耦合器传输阻抗匹配问题。该耦合器主要由内外导体、陶瓷窗、耦合环及多路水冷却回路组成,并在陶瓷窗内表面电镀氮化钛涂层以降低由于次级电子倍增效应所带来的发热,在相同频率和功率等级下结构更加紧凑,达到了C-ADS项目的四翼型腔体馈送120kW射频功率的目的。在2014年7月中旬实现了10mA、2.1 MeV束流的加速,为该项目的四翼型直线加速器出束提供了必要的硬件支持。该耦合器可为相近频率、类似功率等级的耦合器提供技术参考,并在国内的加速器领域具有一定的指导意义。     

射频超导腔前向功率耦合器的研制

25 MeV超导直线加速器是中国加速器驱动次临界反应堆系统(China Initiative Accelerator DrivenSystem,CiADS)的一个预研装置,在该预研装置中,其核心加速部件超导腔的低温性能至关重要。前向功率耦合器是超导腔的重要组成部分。目前国内前向功率耦合器的机械结构大部分采用拉杆结构,其结构简单,低温下(4 K)能够稳定运行,但是空间利用率低,并且不具备普适性。针对25 MeV超导直线加速器多腔型的特点,设计开发了一种能够弥补传统耦合器不足的滑轮式前向功率耦合器,工程内应用结果表明:滑轮式前向功率耦合器结构简单,低温下运行稳定,空间利用率高,能满足工程内各种腔型测试要求。     

10mV／20kW加速管的研制

用于10MeV／20kW辐照加速器的高俘获效率的加速管的研制。在本设计中采用等梯度加速结构，相速沿加速管呈线性增加，通过调整相速变化规律和加速腔体的各个尺寸参数，得到俘获效率为90％的设计方案。使用HFSS对输入耦合器、输出耦合器进行优化设计。     

CYCIAE-100高频腔体功率分布计算

高频谐振腔体是100MeV强流质子回旋加速器高频系统的重要组成部分，只有保证腔体的稳定性，腔体才能为粒子加速提供高稳定度的电场能量。温度引起的热变形是阻碍腔体稳定的重要原因之一，因此，布置腔体的水冷系统十分关键，腔体的功率分布计算为水冷的布置提供依据。     

2 GeV/6 MW高投资效益比、高功率连续波固定场交变梯度加速器研究进展

<正>高能(GeV量级)、高平均束流功率(数MW)的质子束在国土安全,高亮度物理前沿研究,大众健康、先进能源等国民经济领域均有十分重要的应用。目前全世界范围内已建成的高功率质子加速器分为回旋加速器、直线加速器、同步加速器3类。由于具有等时性连续波加速及可多次利用高频加速电压的特点,以PSI 590 MeV分离扇回旋为代     

BPL 750 keV束流输运线上四极磁铁的设计

一、引言自从北京质子直线加速器的10 MeV段1982年底出束以来,于1985年已将其能量扩展到35 MeV,脉冲流强达到70 mA,作为从高压倍加器至质子直线加速器之间的750 keV束流输运线,经历了10 MeV和35 MeV两个阶段的调试和运行。它有效地将质子束流从高压倍加器输运到直线加速器,传输效率达到设计指标。本文介绍安装在这一束流输运线上的四极磁铁的设计、磁场测量结果及实际运行情况。     

HI-13串列加速器升级工程进展与现状

中国原子能科学研究院的"HI-13串列加速器升级工程"是在现有的HI-13串列加速器的基础上,前端新建一台100 MeV、200 μA紧凑型质子回旋加速器(CYCIAE-100)和质量分辨为20000的在线同位素分离器(ISOL),后端新建一台能量增益为2 MeV/q的超导直线增能器(SCB),形成一加速器组合装置.各加速器可单独使用,也可联合使用.回旋加速器单独使用时主要用于中子物理、辐射物理、生物医学的研究及同位素研发.联合使用时,回旋加速器的质子束将用于轰击靶源,产生放射性同位素束,经在线同位素分离器后注入串列加速器加速,为用户提供放射性核素束流.     

230 MeV超导回旋加速器高频腔体的研制

中国原子能科学研究院目前正在研制一台用于质子治疗的230 MeV超导回旋加速器。本文设计用于230 MeV超导回旋加速器的高频腔体,其采用螺旋结构,由4个腔体组成,高频系统采用二次谐波加速,高频腔体工作频率约71.25 MHz。4个半波长的电容加载型谐振腔工作于Push-Pull模式,其中两个腔体在中心平面直连,另外两个腔体在中心区下方使用过桥连接,两组腔体之间存在电容耦合,相差180°。在腔体的设计过程中,采用计算机对4腔体进行联合仿真,经优化后,腔体加速电压分布在中心区部分的为75 kV,大半径部分的提升至110 kV,腔体的无载品质因数仿真结果约8 800。为保证腔体的高频性能,腔体主体材料采用无氧铜材料,其加工难度在于上、下外壳需分别焊接成一个整体,同时要控制其形变量。目前,腔体已完成加工,单个腔体的无载品质因数的测试表明,腔体的无载品质因数均好于7 000,满足要求。     

230 MeV超导回旋加速器高频腔体的研制

中国原子能科学研究院目前正在研制一台用于质子治疗的230 MeV超导回旋加速器。本文设计用于230 MeV超导回旋加速器的高频腔体，其采用螺旋结构，由4个腔体组成，高频系统采用二次谐波加速，高频腔体工作频率约71.25 MHz。4个半波长的电容加载型谐振腔工作于Push-Pull模式，其中两个腔体在中心平面直连，另外两个腔体在中心区下方使用过桥连接，两组腔体之间存在电容耦合，相差180°。在腔体的设计过程中，采用计算机对4腔体进行联合仿真，经优化后，腔体加速电压分布在中心区部分的为75 kV，大半径部分的提升至110 kV，腔体的无载品质因数仿真结果约8 800。为保证腔体的高频性能，腔体主体材料采用无氧铜材料，其加工难度在于上、下外壳需分别焊接成一个整体，同时要控制其形变量。目前，腔体已完成加工，单个腔体的无载品质因数的测试表明，腔体的无载品质因数均好于7 000，满足要求。     

975 MHz CCL加速结构设计

<正>腔耦合直线加速结构(CCL)是加速中高能质子束的重要结构,适宜加速75 MeV～1GeV能量范围的质子。CCL由加速谐振腔和边耦合腔组成。加速谐振腔对称轴为束流运动轴,该轴线上为一系列的加速间隙和鼻锥孔组成。加速腔工作时,首先将射频功率溃入功率耦合器,射频场进入第1个加速谐振腔。由于鼻锥孔细长,射频功率不能通过它进入相邻的加速谐振腔,而是首先进入边耦合腔,再进入相邻的加速谐振腔。这样,通过边耦合腔的中介传播作用,所有的加速谐振腔     

用10MeV质子直线加速器制备碳-11获得成功

高能所建造的10 MeV质子直线加速器(BPL)于1982年底建成出来,整机性能达到设计指标。它原来是北京质子同步加速器(BPS)注入器的第一加速段,由于BPS在国民经济任务调整中下马而转向了为应用研究服务。其任务之一就是生产医用短寿命同位     

多能量双束线电子直线加速器研制

<正>研制了可输出电子能量为7.5、10、12 MeV的电子直线加速器,7.5 MeV电子束打靶产生的X射线用于食品辐照技术研究,10 MeV电子束用于科研教学和中试生产研究,12 MeV电子束主要应用于半导体材料辐照改性研究,多能量双束线电子直线加速器主体结构如图1所示。该电子直线加速器布置采用上下两层结构,电子枪、加速管、速调管、微波系统和脉冲变压器等置于第2层     

2 用于放射性核束设施驱动加速器的100MeV强流H^-回旋加速器

北京放射性核束装置，简称为BRIF，是一个新的基于放射性核束装置的加速器工程。该工程由以下几个部分组成：100MeV回旋加速器、在线同位素分离系统、现有的串列加速器注入器改造、超导直线增能器、各种不同的物理实验终端和一个同位素生产研究靶站。作为驱动加速器，100MeV的H^-回旋加速器能够提供75～100MeV、200～500μA以上的质子束流。对于最终能量不高于100MeV，束流强度低于lmA的回旋加速器，选择紧凑型磁铁，采用加速H^-、剥离引出的技术路径，将使得加速器结构更小，也更便宜。     

用于放射性核束设施驱动加速器的100 MeV强流质子回旋加速器

北京放射性核束装置(BRIF)于2004年已在中国原子能科学研究院正式启动。该装置将提供强流质子束和放射性核束(RIB)用于基础和应用研究,如中子物理、核结构、材料科学与生命科学、医用同位素生产等。在该工程中,100MeV强流质子回旋加速器(CYCIAE-100)被选为驱动加速器,它提供能量为75～100MeV、流强为200μA的质子束。2005年100MeV回旋加速器各系统的初步设计,包括束流动力学、磁铁、高频等都已完成。与回旋加速器设计相关的实验验证工作也已深入展开。选择紧凑型磁铁结构,采用加速H-、剥离引出的技术路线,将使得加速器体积小、造价…     

中国原子能科学研究院紧凑型强流质子回旋加速器剥离引出技术研究

中国原子能科学研究院(CIAE)在20世纪90年代建造了一台30 MeV紧凑型强流质子回旋加速器后,经过近30年的发展,先后自主研发成功了基于剥离引出技术的能量为10 MeV、14 MeV、100 MeV、硼中子俘获治疗用14 MeV/1 mA等系列能量的紧凑型强流质子回旋加速器。建成的100 MeV紧凑型强流质子回旋加速器(CYCIAE-100),是目前国际上能量较高的一台紧凑型强流质子回旋加速器,最高流强达到520 μA,束流功率达到52 kW。建成的硼中子俘获治疗用的质子回旋加速器,也是我国首次自主研发成功的引出质子束流强达到mA量级的强流质子回旋加速器。在系列能量的紧凑型强流质子回旋加速器研发过程中,CIAE对剥离引出后的束流色散效应、剥离膜与束流夹角对引出后的束流品质的影响、单圈剥离引出技术等紧凑型强流质子回旋加速器剥离引出技术等方面展开了研究,且自主开发出了剥离引出计算程序,为紧凑型强流质子回旋加速器的应用作出了贡献。     

230 MeV超导回旋加速器高频低电平系统设计与桌面实验研究

中国原子能科学研究院正在研发一台230 MeV医用超导回旋加速器，用于天津肿瘤医院的质子治疗项目。为满足加速器高频系统的腔体负载Dee电压稳定度、高频频率稳定度及加速电压幅度平衡度的要求，本文研制一套包含模拟数字混合型幅度环、数字型调谐环和数字型电压平衡环3个环路的低电平控制系统。该低电平系统通过串口与上位机进行通信，以实现本地调试；利用Profibus-DP通信协议，实现低电平系统和PLC组网的交互通信。在1个缩比例无氧铜实验腔体上完成了低电平系统低功率桌面实验与联合调试，验证了电压调平衡算法的有效性，并实现了低电平控制系统的一键启动，无需人工干预，满足了加速器高频系统对低电平控制系统的需求。     

中国散裂中子源强流质子加速器设计、研制及调试运行

中国散裂中子源（CSNS）是基于强流质子加速器的大科学装置,通过高功率质子束流轰击重金属靶产生高通量中子用于开展中子散射研究,CSNS是世界上第四台、发展中国家第一台脉冲型散裂中子源。CSNS包括高功率强流质子加速器、中子靶站和中子谱仪以及相应的配套设施等。加速器由80 MeV负氢直线加速器、1.6 GeV快循环同步加速器及相应的束流输运线组成。CSNS加速器是我国第一台中高能强流高功率质子加速器,本文将介绍CSNS加速器的设计、关键技术、设备研制以及束流调试过程和其中关键问题。     

10 MeV/50 kW脊型加速器输入耦合器的研制

10 MeV/50 kW脊型加速器是一种新型大功率电子辐照加速器,其加速腔中所需射频功率高达100 kW,为此专门研制了高功率输入耦合器。该耦合器主要由陶瓷窗、内外导体及耦合环组成,通过等效电路分析以及仿真计算确定了最终结构。设计采用了可独立拆卸的平板型陶瓷窗和可旋转调节的耦合环,以便于进行脊型加速器调试,并在内外导体和耦合环中设计了水冷回路带走功率传输产生的热量。经过测试,该输入耦合器可在0～2.2范围内调节耦合度,并成功向脊型谐振腔中注入了100 kW的脉冲峰值功率。     

边耦合腔直线加速器的冷却结构设计与热分析

采用理论计算与ANSYS仿真相结合的方法,针对一种工作频率为975MHz,平均电场强度为3.7MV/m,加速质子能量范围从80MeV至300MeV的边耦合腔直线加速器的加速腔,进行了散热结构的设计。通过理论计算确定了冷却结构的基本尺寸,然后采用ANSYS进行了热-结构-高频多场耦合仿真。得到了该冷却结构下的频移为-0.427MHz,频移对温度的敏感度为9.93kHz/℃,均处于可控范围内。该设计方法和流程可用于其他类型的谐振腔冷却结构的设计。