锦屏深地强流高压加速器控制系统的研制

本文介绍了锦屏深地强流高压加速器自动控制系统的基本结构、控制软件和安全联锁设计,阐述了该加速器在运行过程中高压打火产生的强干扰影响控制系统和相关设备的正常运行及在调试和实验过程中遇到的问题。通过分析原因,采取各种保护措施提高控制系统的抗干扰能力,确保控制系统和设备运行的稳定性。     

注入器Ⅱ离子源控制系统设计

为实现离子源设备的远程监控、束流强度可调和当设备发生异常时的快速切束控制,采用PLC、串口服务器和自制FPGA控制板卡设计了基于EPICS架构的离子源控制系统。同时,改进了原有PLC和电机系统的EPICS IOC程序。整套系统工作可靠、稳定,完全满足注入器Ⅱ系统的调试运行需求。快速切束时间小于10 μs,完全切束动作在60 s内完成。     

用于锦屏深地核天体物理研究的强流加速装置的设计与试验进展

对揭示元素形成及天体起源具有重要作用的关键低能核反应由于反应截面较小，同时受宇生高能射线影响，在地面环境难以进行直接测量。在极低本底的深地环境中，利用强流离子加速器打靶，进一步提高关心核反应的发生率，就可在地球开展接近伽莫夫能区低能核反应截面直接测量。锦屏深地实验室（CJPL）具有优越的地理环境，可有效屏蔽宇生高能射线。依托CJPL的有利条件，中国原子能科学研究院正在开展核天体物理关注能区核反应直接测量的研究。作为开展实验研究的必要条件，一台低能强流加速装置也在建设当中。该加速装置可产生低能强流的质子束和氦束，最高加速电压400 kV，设计最大束流强度10 mA。本文介绍了用于锦屏深地核天体物理实验（JUNA）的强流加速装置的基本情况，包括加速装置的物理要求、布局及主要设计考虑、束流光学及地面试验进展等。     

锦屏深地核天体物理实验(JUNA)进展

锦屏深地核天体物理实验（JUNA）项目将利用中国锦屏深地实验室（CJPL）的良好条件，在天体物理伽莫夫能量窗口开展核天体关键反应²⁵Mg(p，γ)²⁶Al、¹⁹F(p，α)¹⁶O、¹³C(α,n)¹⁶O和¹²C(α,γ)¹⁶O的直接测量。目前已成功完成400 kV强流加速器和ECR离子源的研发，获得了400 keV、10 mA的质子束流和一价氦离子束流及800 keV、2 mA二价氦离子束流。大功率固体靶的研制及实验数据获取系统的建立也已成功完成。超低本底快中子探测器、4π BGO探测器阵列以及大立体角带电粒子探测器阵列已研制组装完成，并测量了地面和锦屏地下实验室的本底水平。总体来说，JUNA项目整体进展顺利，完成了中期设立的目标并通过了基金委评估（A级）和国际评估。     

螺线管透镜像差导致的束流发射度增长研究

螺线管透镜常作为低能束流的聚焦元件,不可避免地具有像差,导致束流发射度增长,降低束流传输效率。本文通过理论推导和计算机模拟,给出了不同束流包络、不同磁感应强度和不同磁场形状的情况下束流经过实际透镜后的发射度增长。结果表明,发射度增长主要与束流包络和磁感应强度有关。但在一定范围内,优化磁场形状也能起到控制发射度增长的作用。     

ECR离子源微波窗损伤机理研究

强束流下微波窗损坏是限制2.45 GHz电子回旋共振(ECR)离子源寿命的主要原因，为延长离子源使用寿命，对ECR离子源微波窗损伤机理进行了研究。利用有限元软件分别计算了Al₂O₃陶瓷微波窗在微波、等离子体和回流电子束作用下的温度及应力分布。计算结果表明，在微波和等离子体作用下，微波窗边缘处应力最大，在电子束作用下，微波窗中心位置应力最大。增强水冷效果可降低微波和等离子体对微波窗的影响，增加Al₂O₃陶瓷微波窗表面氮化硼（BN）的厚度可降低电子束的影响，从而减少微波窗损坏概率，延长离子源寿命。     

锦屏深地核天体物理实验室屏蔽计算

锦屏深地核天体物理实验室（JUNA）为核天体物理关键反应的研究提供了极低本底环境，加之400 kV强流高稳定加速器的使用，使核天体物理感兴趣能区（伽莫夫窗口）的直接测量成为可能。而同时为避免加速器产生本底破坏锦屏深地实验室的超低本底环境，需估算加速器运行本底，进而对核天体物理实验室进行整体屏蔽。以屏蔽系统的初步设计方案为基础，基于中国核数据中心推荐的综合评价核数据库CENDL-NP，采用MCNP方法对其进行了模拟计算。计算过程采取了权重窗技巧与改变几何条件相结合等方法来减小方差，以提高MCNP方法在计算深穿透问题时的准确性。计算结果表明，该实验室的屏蔽系统对加速器引起的本底进行了有效的屏蔽。     

2.45 GHz强流脉冲质子源

介绍了一台用于强流质子直线加速器注入的2.45GHz电子回旋共振强流脉冲质子源。采用2.45GHz的微波馈入实现以氢气为载气的氢等离子体,在三电极引出系统下获得能量50keV,50mA的强流脉冲离子束。其中三电极分别为等离子体电极、抑制电极及地电极。用CST仿真软件和PBGUNS分别模拟计算了匹配波导能量的传输效率与引出束流传输轨迹,得出信号输入端口反射系数S11约为0.119,整个匹配波导内正向传输系数S21为0.993,引出束流在Z=26cm处,束流包络约为2cm。研究了离子源轴向磁场变化对引出束流强度的影响,结果得出,当螺线管电流从0A增加至50A时,引出混合束流强度从20mA上升至50mA。     

用于同位素电磁分离系统的强流离子源设计

随着我国核科学与核技术的发展，高丰度同位素的产量无法满足市场需求，极大地限制了相关领域的发展。因此，迫切需要发展高产额、高效率的电磁同位素分离装置。离子源作为电磁同位素分离器中的关键部分，其性能直接影响目标同位素的分离与产额。设计了一台2.45 GHz微波驱动的离子源用于稳定同位素电磁分离器的注入，目标是在引出能量40 keV下产生20 emA Xe⁺及5 emA Mo⁺。为了获得高密度等离子体，设计了双线包螺线管产生放电磁场，并通过仿真软件CST微波模块计算优化了高耦合效率的磁场位型和匹配波导。为了产生强流金属离子束，设计了内置放电室坩埚熔化金属氧化物。模拟结果表明：当加热丝电流为70 A时，坩埚温度最高为917℃，可以高效地产生金属钼蒸气，进入放电室进行离化。