漂移管直线加速器加速电场分布及稳定性调谐研究

漂移管直线加速器(DTL)加工和安装的误差会导致腔内加速电场分布偏离设计值。为了补偿该偏差,通常在腔内安装调谐装置。同时,在腔内引入耦合杆周期结构,通过调节耦合杆与漂移管之间的间隙,可提高DTL腔内加速电场的稳定性。本文基于高频谐振腔理论和小球拉线测量技术,搭建了一套高精度电场测量系统。结合仿真模拟和实验,实现了中国散裂中子源(CSNS)DTL的加速电场和稳定性调谐,使得腔内实际加速电场分布与设计值相对偏差小于2%,谐振频率和电场稳定性均达到设计指标。     

CSNS漂移管直线加速器隧道高精度准直方法及精度分析

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)漂移管加速器(Drift Tube Linac, DTL)是CSNS直线加速器段的末端,其准直精度直接关系到直线加速器的最终性能。由于其长度长、腔体和腔内漂移管数量多,准直精度要求高,因此准直难度极大。针对该问题,通过外符合全面测量对漂移管预准直后的精度进行检核,可知漂移管中心孔和端面的测量值在DTL腔的预准直精度达到±0.035mm;采用大跨度、全覆盖的全面测量方法及平差在CSNS中的应用,实现直线隧道±0.03 mm和环隧道±0.04 mm的相对测量精度。提出了基于加速器准直的平滑计算及调整方法,实现DTL腔间的平滑调整,获得腔体±0.08 mm的隧道相对准直精度,漂移管±0.03 mm的腔内相对准直精度。     

MHz 异形回旋加速器高频腔体计算与模型测量结果比较

用基于有限元法的软件ANSYS完成了70 MHz异形回旋加速器高频腔体的初步设计,根据初步设计的结果,加工了与实际腔体尺寸1﹕1的模型。模型高频参数测量结果表明,ANSYS的计算结果是可信的。 1 内杆长度固定,不同电容片间距下的模型腔体频率测量结果与计算结果比较 内杆长度为0.544     

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。     

100MeV回旋加速器高频系统的初步设计

100MeV回旋加速器高频系统近期的工作进展包括腔体的结构和数值计算、高频功率发生器、稳定度闭环控制设计等。高频系统由四分之一波长的铜质共振腔、高频功率发生器和低电平控制电路构成。它的主要参数如下:运行频率,44.5MHz;高频输出功率,120kW;高频频率稳定性,±5×10-8;D电     

高平均束流功率辐照加速器加速结构的研究

本文介绍了10 MeV/100 kW的高平均束流功率工业辐照加速器束流动力学模拟结果及其加速结构的优化设计结果。加速器采用驻波双周期轴耦合结构,1个加速腔和1个耦合腔构成1个加速单元,其工作频率为325 MHz,工作模式为π/2,加速腔和耦合腔之间通过耦合狭缝在轴向以磁耦合的方式耦合在一起。使用SUPERFISH优化加速腔的有效分路阻抗、Kilp系数等关键参数。束流动力学方面,使用PARMELA模拟论证在粒子源提供2.5 keV、500 mA的电子束后,通过6个加速腔可得到10 MeV/100 kW的平均束流功率。加速腔优化完成后使用CST对耦合腔进行了设计,此时由6个加速单元组成的加速结构有效分路阻抗为23.9 MΩ/m、无载品质因数为29 347,各加速腔与相邻的耦合腔耦合系数为4.7%,工作模式与其相邻模式的最小频率间隔为2 MHz,每个加速单元功耗为290 kW。     

基于响应矩阵的RFQ新调谐算法的验证与实现

射频四极场加速器（Radio Frequency Quadrupole,RFQ）广泛应用于质子加速器装置中，高频率、紧凑型RFQ的发展可以推动质子加速器装置的小型化，同时也面临调谐困难的问题。紧凑型RFQ的性能对腔体尺寸的敏感度高，基于理论物理特性的传统调谐算法难以取得良好效果，而基于腔体实际物理特性的调谐算法则可以解决紧凑型RFQ的调谐难点。本文提出了一种基于响应矩阵和最小二乘法的调谐算法，该算法可以限定求解的范围，避免计算结果超出调谐器可调谐范围的问题；为二极场分量赋予权重，可以高效地降低二极场误差，解决二极场分量难以调谐的问题。根据新的调谐算法分别在模拟环境下的RFQ样机上完成了调谐实验，在搭建的测量平台获得的结果显示：初始状态下二、四极场误差分别为24.09%和1.57%，经过5次调谐后两者误差分别降为2.33%和1.39%，验证了调谐算法的有效性。该调谐算法具有普适性，也可以用于其他频率的RFQ，将来还可以促进质子加速器装置的小型化，推动医用质子装置的普及。     

C波段9 MeV驻波电子直线加速管设计

介绍了C波段驻波电子直线加速管的研制情况.该加速管采用2.5 MW脉冲磁控管为微波功率源,脉冲宽度4μs,重复频率250 MHz.可提供能量为6 MeV和9 MeV两档能量的电子束,工作频率为5712 MHz,管长约620 mm.通过调节加速管的入口功率、电子枪的注入电压实现加速管的输出能量两挡调变.     

中国散裂中子源快循环同步加速器射频系统的设计与研制进展

研制了大功率宽带快速扫频射频系统,其用于中国散裂中子源（CSNS）快循环同步加速器（RCS）中,主要包括铁氧体加载谐振腔、射频功率源、偏流源和低电平控制系统。射频系统工作重复频率为25 Hz,扫频范围为1.022～2.444 MHz,单个腔体（双加速间隙）可提供最大30 kV加速电压。两级的调谐控制能解决快速扫频过程中的系统失谐问题,采用束流前馈、直接反馈等多种技术手段可对束流负载效应进行补偿。     

一个全密封边耦合驻波加速管

本文介绍了一个长为27.5cm的全密封边耦合驻波加速管,该管已于1982年9月11日热测出来,加速管入口输入功率约1.2 MW,电子枪工作电压40 kV,输出电子束平均能量为3.7 MeV,脉冲流强100 mA,束流脉冲宽度约3.5μs,重覆频率250 pps,微波工作频率2997.5 MHz,束流靶点直径在2 mm以下。     

应用可调谐外腔半导体激光器测量锂同位素比率

采用中心波长固定的可调谐外腔半导体激光器作为光源,通过激光吸收光谱法对锂原子同位素比率进行测量。该方法利用PID温控器实现锂金属蒸发温度的控制和测量。采用激光斜入射的方式消除光路调试过程中产生的标准具效应。实验测量给出了6组不同腔体温度下⁶Li和⁷Li在671 nm附近的吸收光谱,通过对⁶LiD₁和⁷LiD₂吸收峰进行积分吸收计算,得到⁶Li/⁷Li同位素比率测量精度可达2.5%。     

CSNS-II低β超导椭球腔的电磁设计

为中国散裂中子源二期工程(Chinese Spallation Neutron Source-Ⅱ,CSNS-Ⅱ)设计了一种低β超导椭球腔,利用2D程序SUPERFISH对该腔体的单元尺寸和高频等设计参数进行优化,获得的工作频率为648 MHz,几何β(β_g)为0.47,单元个数为5,峰值电场比E_(pk)/E_(acc)、峰值磁场比B_(pk)/E_(acc)和轴向电场平整度分别为3.35、6.1 mT?(MV/m)~(-1)和98.42%。通过2D软件MultiPac和3D软件CST粒子工作室(Computer Simulation Technology Particle Studio,CST PS)分析了优化后腔型的二次电子倍增情况,2D结果显示在峰值场0～80 MV?m~(-1)区间,二次电子发射系数小于1,表明整个腔体不会发生Multipacting(MP)效应。与2D结果不同,3D结果表明在椭球赤道位置存在MP效应,但在赤道处引入一个小凸起,并进行适当的后处理和高功率老练,则可以显著抑制MP效应。与国际上同类型椭球腔进行对比,主要高频性能参数基本相当。     

CSNS-II超导椭球腔的高频设计和二次电子倍增研究

中国散裂中子源二期(China Spallation Neutron Source,CSNS-Ⅱ)升级,直线加速器能量增益将由现在的80 MeV提高到300 MeV,打靶束流功率由100 kW提高到500 kW。直线加速器升级采用Spoke腔加椭球腔的全超导结构,其中5-cell椭球腔负责把H-从150 MeV加速到300 MeV,工作频率为648 MHz,几何βg(βgλ/2为椭球腔单元长度,λ为工作波长)取0.60。利用三维全波电磁场仿真软件CST (Computer Simulation Technology)对该椭球腔进行了研究分析,优化了椭球腔的高频参数和几何尺寸,使得轴向电场平整度、峰值电场比、峰值磁场比分别达到98.2%、2.70和4.89 m T?(MV/m)-1,R/Q值为305.59Ω。通过计算分析椭球腔的二次电子倍增效应,对发生二次电子倍增严重的地方进行了形状改良,减弱二次电子倍增,并且加速梯度在8 MV?m-1以上完全抑制了二次电子倍增。另外,对椭球腔的洛伦兹力进行了初步计算分析。     

吹气法在线测量脉冲萃取柱参数研究

用吹气法在线测量脉冲萃取柱参数。结果表明两相界面测量的偏差在±4mm以内,脉冲频率测量的相对偏差在2％以内,存留分数测量的相对偏差在±5％以内。由信号曲线得到的参数S与脉冲腿中的表观脉冲振幅之间存在较好的线性关系,脉冲柱内真实振幅与表观振幅和频率比值之间也存在相关性较好的线性关系。可通过吹气法测量脉冲萃取柱中的真实振幅。     

BNCT RFQ高功率耦合器的设计

为满足硼中子俘获治疗试验装置(BNCT_A)RFQ加速器腔耗420 kW、占空比50%的需求。为BNCT_A RFQ加速器设计了一款高功率耦合器。该功率耦合器包含WR2300矩型波导转3-1/8英寸同轴门钮结构、波导窗、功率耦合装置3个部件。波导窗采用同轴扼流结构型式,功率耦合装置采用磁耦合环结构。整个功率耦合器采用分段设计的原则。矩型波导转同轴结构和陶瓷窗分别通过Microwave Studio（MWS）优化仿真,得到陶瓷窗的驻波比（SWR）达到1.000 9@352.2 MHz,带宽大于±58 MHz@SWR≤1.1 MHz。用多端口换算理论确定了耦合环耦合度,并用能量衰减法确定耦合环的尺寸。从热学和结构力学方面校核了该功率耦合器的功率容量,在50%占空比下,单个功率耦合器最高峰值功率可达260 kW,4路功率耦合器最高峰值功率可达1 MW。经过实际高功率测试,目前入腔功率484 kW,占空比达到10%,并具提升峰值功率及占空比的能力。     

数字化I/Q技术用于磁控管频率控制

采用磁控管做功率源的低能电子直线加速器在医疗、辐照、X射线检测等领域得到较为广泛的应用。磁控管产生的微波信号输入到加速管,对电子束进行加速,磁控管的工作频率稳定性对加速器电子束能量、能散及发射度产生直接的影响。但磁控管是一种振荡器,其频率受到温度、振动、负载牵引的影响会产生漂移,所以需要一套自动频率控制系统(Automatic Frequency Control,AFC)机构对磁控管进行频率控制。目前普遍采用的AFC机构主要是行波控相或双腔鉴频,对两路检波信号差分放大进而控制伺服电机进行调谐的方法实现磁控管的频率稳定。随着数字化I/Q和FPGA(Field-Programmable Gate Array)技术的不断发展,运用该技术进行磁控管的频率控制完全具备可行性。本文从理论和工程设计上阐述了数字化I/Q技术在磁控管频率控制上的应用。