强中子发生器离子光路设计与调试

文章介绍了3×10~(12)n/s强中子发生器离子光路设计与调试。在该器设计中,充分考虑了空间电荷效应,并采取有效措施,如使用空间电荷透镜等,保证了在强流条件下,高效率地传输和聚焦。文章还给出强流情况下,实际的束流分布、传输效率等有关实验数据。     

200 kV非线性强流加速管的离子光学设计

一、问题的提出研制强流离子注入机的关键,除了要有强流离子源外,主要是克服束流传输过程中的空间电荷效应问题。为此,我们研究非线性强流加速管,来克服强流束在加速管中的空间电荷效应。     

强流束空间电荷力导致的发射度增长

强流束的空间电荷效应是决定加速器束流动力学的基本因素之一，低能强流束中发射度增长的１个主要原因是束流自身的空间电荷力。文章综合介绍了国内外有关空间电荷力导致强流束中发射度增长４种机制的研究成果。     

周期性聚焦结构中强流束的共振与束晕形成

强流束中的束晕形成是研制下一代高功率加速器必须解决的关键问题之一。为此研究了周期性聚焦结构中强流束的非线性共振、参数共振与束晕形成的关系 ,给出强流束中非线性共振、参数共振的共振范围表达式及其随束流空间电荷效应变化的数值结果和图表曲线 ,提出由非线性共振而激发的束晕形成的空间电荷效应极限 ,为下一代高功率加速器的物理设计提供理论依据。     

强流氘束引出系统与加速管束流匹配的研究

为增加传输通过加速管的束流强度,提高中子发生器的中子产额,采用Particle-in-cell(PIC)程序模拟研究了入射束强度在10～150 mA范围内,不同初始参数条件下D⁺₁束在加速管中的传输状态。结果表明,当入射束在加速管入口处的归一化发射度取0.25 πcm•mrad,Courant-Snyder参数α=-4、β=60 cm/rad时,50～100 mA D⁺₁束与加速管匹配良好。根据匹配参数,对双等离子体离子源的引出系统进行了优化,结果显示,在引出系统与加速管之间放置两个螺线管透镜和1个光阑,能有效去除D⁺₂、D⁺₃离子,实现100 mA D⁺₁束顺利传输通过加速管的目的。     

增强器共振补偿方案

强流重离子加速器的增强器用于强流重离子的极限累积和加速,其强流束产生的空间电荷效应使束流的工作点分布发散和漂移,并在工作点跨越低阶共振时造成离子束发射度增长甚至带来较大的束流损失。为消除低阶共振对离子束的不利影响,采用多极磁场来对6个低阶共振进行补偿。本文分析了增强器工作点附近的低阶共振,探讨了共振禁带的贡献项及相应的补偿方案,并通过数值模拟验证了增强器的共振补偿方案。结果表明,由增强器色品校正六极场引起的共振增强能通过补偿六极场进行消除,这将有利于增强器强流重离子束的实现。     

增强器共振补偿方案

强流重离子加速器的增强器用于强流重离子的极限累积和加速,其强流束产生的空间电荷效应使束流的工作点分布发散和漂移,并在工作点跨越低阶共振时造成离子束发射度增长甚至带来较大的束流损失。为消除低阶共振对离子束的不利影响,采用多极磁场来对6个低阶共振进行补偿。本文分析了增强器工作点附近的低阶共振,探讨了共振禁带的贡献项及相应的补偿方案,并通过数值模拟验证了增强器的共振补偿方案。结果表明,由增强器色品校正六极场引起的共振增强能通过补偿六极场进行消除,这将有利于增强器强流重离子束的实现。     

空间电荷中和透镜的研究

文章从理论上研究了建立空间电荷中和透镜的物理基础。给出了这种透镜的焦距公式以及合理设计和使用透镜参数的一些因素。根据本文结果所设计的一台空间电荷中和透镜,作为一个强束流聚焦单元,已使用在强流实验台上,起到了聚束作用和与后级光路系统的匹配作用。     

强流质子直线加速器中束晕现象研究

从束流包络方程与单粒子运动方程联立模型出发，考虑了纵向能量方程的耦合，研究了强流质子直线加速器中的束晕现象。采用相交间的Ｐｏｉｎｃａｒｅ截面方法和实空间Ｐｏｉｎｃａｒｅ截面方法，研究了周期聚焦系统失配的情况下束晕的形成以及加速对束晕形成的影响。     

用于硼中子俘获治疗的强流质子回旋加速器中心区结构优化设计

中国原子能科学研究院目前正在研制用于硼中子俘获治疗（BNCT）的强流质子回旋加速器,该加速器设计引出能量14 MeV、质子束流强大于1 mA。相比引出流强为400 μA的PET回旋加速器,BNCT强流质子回旋加速器对中心区相位接收度和轴向聚焦的要求更高。为实现mA量级的束流的加速和引出,BNCT强流质子回旋加速器采取了增加负氢束流注入能量、增大磁铁镶条孔径、使用用于增大Dee盒头部张角的阶梯状结构及调整加速间隙的入口和出口高度等一系列中心区结构优化设计,有效地提高了中心区的相位接收度,改善了轴向电聚焦。在新的离子源注入能量下通过数值计算得到实测场下的轴向电聚焦和间隙高度的关系,选取合适的间隙高度获得最佳的轴向聚焦,从而确定了mA量级束流的注入和加速的中心区结构。同时在设计中考虑空间电荷效应的影响,计算了不同流强下的束流尺寸变化。中心区结构在实测磁场下的优化设计计算结果表明,BNCT强流质子回旋加速器中心区的束流对中好于0.5 mm,相位接收度大于40°,中心区最高可接收流强3 mA。目前,新的中心区结构已进入机械加工阶段。     

CSRe分子离子研究装置低能传输线物理设计

本文完成了CSRe分子离子研究装置低能传输线的物理设计。采用Poisson/Superfish软件对150 kV倍压型高压加速器的电场分布进行了模拟,结果显示,加速器各区域空间电场强度均远低于击穿电场强度限值。利用Beampath程序对离子源引出的分子离子束在高压加速器中的传输进行了模拟,束流包络显示,加速区电场对分子离子束具有较强的聚焦作用,加速管出口束斑尺寸较小。采用Trace-3D程序设计了高分辨能力的磁分析系统和RFQ加速器的注入匹配段。通过Beampath程序的模拟,分析出了质量数为150的分子离子束,并由三单元四极透镜实现了分析束流与直线加速器RFQ的注入匹配。     

脉冲离子束流聚焦装置的研制

用小型化的质量分析系统进行脉冲离子束流实验研究时,从真空弧离子源中引出的束流脉冲幅度大、能量低,由于空间电荷效应使脉冲束流发散度很大,使得离子束流成分分析的不确定度增大。为克服在有限的空间范围内脉冲离子束流聚焦的困难,研制了一种新的双限束光阑三膜片透镜离子束流聚焦装置。双限束光阑着重减少束流发射度,三膜片透镜则适合小尺度空间的脉冲束流聚焦。计算机模拟的结果符合这种大脉冲离子束流聚焦的设计思想。磁质谱仪应用该聚焦装置后,发散到质量分析器分析盒上的脉冲离子束流幅值从未加聚焦前的115 mA减少至0.06 mA,脉冲离子束流质量分析的不确定度降低。     

Modification of a pulsed 14-MeV fast neutron generator to a medium-energy ion accelerator for TOF-RBS application

The first drift-tube neutron generator in Thailand, developed during 1980s under the support by the International Atomic Energy Agency (IAEA), was a 150 kV deuteron accelerator-based 14 MeV fast neutron generator. The accelerator was featured by a nanosecond pulsing system consisting of a beam chopper in combination with a beam buncher. Following the rapid development of ion beam technology and increasing needs for materials applications in the laboratory, the accelerator has been upgraded and modified to a large extent into a medium-energy ion-accelerator for time-of-flight Rutherford backscattering spectrometry (TOF-RBS) applications. The modification of the accelerator included the changing of the ion source, the accelerating tube and the mass-analyzing magnet, the upgrading of the pulsing system, and the installation of a TOF-RBS detecting system. The new accelerator is capable of supplying a 400-keV He-ion beam with ns-pulses for nano-layered materials analysis. This paper provides technical details of the modification.     

强流离子束传输系统束包络的计算机数值模拟

以强流离子束包络方程为基本模型，提出了微元近似数值计算强流离子束包络的方法。编写的计算机模拟设计强流束传输系统的程序包含高压裂加速器常用的电元件和磁元件。     

强流相对论电子束传输过程中的电荷中和理论

讨论了有外加磁场情况下,强流相对论电子束传输过程中的电荷中和理论,着重讨论了二次电子逃逸时间和外加磁场对空间电荷中和的影响。得知当电子束半径大于2.0 cm 时,在计算空间电荷中和时间时就得考虑二次电子逃逸时间的影响。在一定条件下,外加磁场对空间电荷中和有阻碍作用,对于长漂移室,存在空间电荷中和允许的磁感应强度上限。     

Neutron Source Based on a Counter-Deuterium Beam Linear IEC

A high-efficiency inertial electrostatic confinement (IEC) neutron generator consists of linear IEC fusion chamber and ionization chambers at both ends, connected by an externally applied magnetic field. A pair of deuterium beams is produced in the ionization chambers that are positively biased so as to accelerate deuterium ions along the magnetic field towards the reaction chamber. For the purpose of achieving high-efficiency, the counter-streaming beam column is focused to form a thin filament. Such a configuration must avoid beam-driven instabilities such as the two-beam instability and Weibel’s instability. The stability analysis is performed showing that these modes are stabilized by an externally applied magnetic field parallel to the ion beams. The required magnetic field is less than several of 0.1 Tesla. Thus highly efficient neutron generator is potentially possible with counter-streaming ion beams focused and stabilized by an external magnetic field. An example giving specifications for such a neutron generator is presented.     

750kV大气型高梯度加速管

设计和建造了一根750 kV大气型高梯度加速管。采用钛合金电极组成的两隙准均匀场,平均加速梯度为30 kV/cm。脉冲质子束50—200 mA可以顺利加速通过此加速管。最后讨论了真空清洁度对退锻率的影响。     

兰州大学的中子发生器研制及应用展望

1988年兰州大学成功研制了3×10¹² s^-1的ZF-300强流中子发生器,主要用于核数据测量、材料辐照损伤等研究。为进一步开展活化法中子核数据测量、裂变物理等研究,兰州大学启动了基于倍压加速器的ZF-400强流中子发生器研制工程,该中子发生器的设计指标为D束流能量400 keV、D束流强度大于30 mA、D-D中子产额大于5×10¹⁰ s^-1,D-T中子产额大于5×10¹² s^-1。在裂变物理研究方面,已成功发展了描述裂变核断点裂变势的势驱动模型（potential-driving model）,并开展了中子诱发典型锕系核素裂变发射中子前裂变产物的质量分布计算研究;将potential-driving model植入Geant4程序,发展了用于裂变发射中子后裂变产物质量分布、动能分布、裂变中子能谱等模拟的蒙特卡罗方法,并开展了可靠性评估研究;研制了一套用于裂变产物实验测量的双屏栅电离室（TFGIC）,并完成了初步实验测试。在中子应用技术方面,为满足小型化中子应用技术系统的研发需求,兰州大学成功研制了长度984 mm、直径234 mm的紧凑型中子发生器,通过在引出加速电极和靶之间加电阻的方式产生偏置电场,实现对靶上二次电子的抑制。在自注入靶条件和150 keV氘束流能量下,D-D中子产额可大于5×10⁸ s^-1,该中子发生器已具备产生D-T中子产额大于10¹⁰ s^-1量级的潜力。完成了基于紧凑型D-T中子发生器的快中子准直屏蔽体的设计,并研发了基于微通道板的快中子成像探测器,初步D-T快中成像测试显示,图像空间分辨率约为500 μm。开展了基于紧凑型D-D中子发生器的核燃料棒²³⁵U富集度及均匀性检测系统研发,仿真研究表明,在D-D中子产额5×10⁸ s^-1条件下,对核燃料棒中10%范围内的²³⁵U富集度相对变化的检测置信度可达到99%。