强流RFQ加速器设计中两种设计程序的结合

在以强流空间电荷效应为主的射频四极加速器RFQ的束流动力学设计中，目前有两种主要的设计模式，LANL开发的设计程序Parmteqm和俄罗斯RTI开发的Lidos.RFQ。强流RFQ的设计应充分发挥二者的优点，将其结合起来。本工作在1台3．5MeV、352MHz、60mA强流质子RFQ的物理设计中，充分发挥这两种设计模式的特点，开拓新的设计思路，获得了满意的设计结果。     

ADS束窗材料的研制与性能试验

加速器驱动洁净核能系统(ADS)靶材及结构材料的辐照损伤及其与冷却剂的化学相互作用是ADS工程的关键问题之一。抗辐照和抗冷却剂腐蚀的结构材料研究一直是很多国家ADS项目的重要研究课题。本工作进行了ADS束窗材料的研制及其性能试验。 1 材料的成分及其冶炼工艺 所研制材料为     

加速器驱动洁净核能系统物理及技术基础研究：强流RFQ注入系统（LEBT）实验进展

加速器驱动次临界系统（ADS）项目中，由我院承担研制的强流RFQ注入系统包括ECR强流离子源及束流低能传输线（LEBT），2005年8月移机高能物理研究所后，2006年6月与RFQ对接前将系统完全恢复到了验收时的状态，可以引出能量75keV、超过60mA的离子束，归一化均方根束流发射度为0．13πmm.mrad，引出束流的质子比好于80％。     

强流回旋加速器并行束流动力学程序的初步开发

粒子束自场的求解是强流束流动力学PIC（Particle-In-Cell）程序的一核心部分。PIC技术通常采用基于网格的P—M（Particle-Mesh）方法求解空间电荷场。P-M方法求解空间电荷力可分为4个主要步骤：生成离散网格、把电荷量分配到网格、求解离散的Poisson方程、从网格插值得到空间电荷场。由于求解离散的Poisson方程所需时间只与网格节点规模有关,而与粒子数目无关,所以在大规模宏粒子的模拟中,P—M方法具有很高的计算效率。     

高流强RFQ质子加速器研制

在国家“973”计划洁净核能项目的支持下,中国科学院高能物理研究所与中国原子能科学研究院合作,建成了我国首台强流质子加速器。它是1台四翼型结构的射频四极（radio-frequencyqaudrupole,RFQ）加速器,这种先进加速结构可为来自离子源的低能强流束提供周期性强聚焦,并同时在纵向对束流进行聚束和加速。我国建成的这台RFQ加速器束流能量为3.5MeV,脉冲流强达46mA,束流工作比大于7%。本文将介绍这台RFQ加速器的物理设计、研制、调试和出束实验的结果。     

强流质子加速器物理与技术关键问题

建造下一代散裂中子源,需要把质子加速器的束功率提高一个数量级。因此,明确其中的关键技术困难,并针对它们进行前期研究与开发,以求技术上有所突破,是建造价格昂贵的强流质子加速器的必经步骤。新的技术挑战主要源于束流流强的提高、加速器功率的提高以及对加速器可靠性、稳定性要求的提高。分别就这些难题进行了简略的说明,并讨论目前解决它们的技术途径和各主要技术环节的工艺水平。最后,还讨论了强流质子加速器架构的选择问题。     

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。     

强流束传输中束晕的形成

放射性洁净核能系统的强流加速器中，绕束核外围的束晕最容易损失在机器壁上，产生超标的放射性，弄清束晕形成的机制，寻找尽量降低束损的加速器设计方法，对于建造这样的强流加速器至关重要。文章人束晕理论 方法等方面进行了综合论述，并在其中给出一些初步研究结果。最后，讨论了束晕研究中尚待解决的课题。     

2 ADS束窗材料的研制与性能试验

加速器驱动洁净核能系统（ADS）靶材及结构材料的辐照损伤及其与冷却剂的化学相互作用是ADS工程的关键问题之一。抗辐照和抗冷却剂腐蚀的结构材料研究一直是很多国家ADS项目的重要研究课题。本工作对ADS使用条件最为苛刻的束窗材料进行了研制及其性能试验。所研制的材料为马氏体钢，成分为9Cr2WVTa。在2003年研制与性能试验工作的基础上，2004年又对其后冶炼的两炉钢的部分性能进行试验研究。     

5 MeV RFQ束流动力学设计模拟及误差研究(英文)

一台出口能量5 MeV质子RFQ将作为中国洁净核能系统ADS(Accelerator Driven System)验证装置的注入器,其工作频率352 MHz,注入能量80 keV,流强50 mA。概述了这台RFQ的设计方法、束流动力学设计模拟及误差研究计算结果。     

强流质子RFQ加速腔热特性分析

利用有限元计算软件ANSYS分析了热效应对加速腔共振频率的影响,计算了RFQ腔体与热效应有关的参数,如水冷系统的冷却水温度、热交换系数等。     

与ADS相关的高功率质子加速器技术在我国的进展(英文)

叙述了一个由中国原子能科学研究院、中科院高能物理所和北京大学重离子物理所共同承担,于2000年9月启动的,以丁大钊院士为首席科学家的国家重点基础研究发展规划项目(973项目)-“加速器驱动洁净核能系统(ADS)的物理及技术基础研究”研究项目中与HPPA相关的主要研究内容,包括:强流离子源研制、低能束传输段研究、中能强流RFQ加速器研究及强流加速器总体设计等部分进展情况。     

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。     

RFQ冷却聚束器束流冷却后的性质模拟

介绍了RFQ冷却聚束器的基本工作原理和束流在其中被约束和冷却的过程。采用真实相互作用势（RIP）模型进行蒙特卡罗模拟,得出束流在RFQ冷却聚束器中完全冷却后的性质。结果表明：束流冷却后的束斑和能量分散随时间一直保持平衡;束流冷却后束斑和能量分散不随缓冲气体气压、入射离子能量的变化而变化;冷却后束斑半径与射频（RF）四极电场频率呈反比,而冷却后束流的能量分散仅与温度有关。     

RFQ加速器的电磁场研究(英文)

使用SUPERFISH和MAFIA对射频四极加速器RFQ的加速腔完成了二维和三维电磁场计算。计算内容包括了加速器上的调谐器、耦合腔、真空接口和端部结构。其设计原则是尽可能地保持电场的纵向分布和四极截止频率保持不变。     

基于冗余技术的强流质子RFQ控制系统设计

中国科学院近代物理研究所研制了一台用于ADS注入器Ⅱ的强流质子RFQ加速器。相对于常规功率源,用于RFQ腔体的功率源的控制精度要求更高、过程更复杂。控制系统需通过精确的水温控制实现频率调谐,水温的控制和监测精度要求为0.1 ℃。同时,为避免腔体因局部温度过高而损毁,控制系统必须实现实时的温度监测和可靠的联锁保护功能。为此,基于EPICS控制架构设计了RFQ控制系统,对关键控制代码的运行平台采用高性能冗余控制器,开发了具有网络冗余功能的IOC驱动程序,实现了水温联锁保护及高频系统控制。RFQ控制系统经现场测试,通信正常、运行稳定,冗余系统的主备切换时间在ms量级,满足RFQ腔体的控制要求。     

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。     

ADS加速器束流瞬变分析程序开发

加速器驱动的反应堆系统(ADS)中次临界堆芯的功率水平依靠强流质子轰击散裂靶产生的中子源来维持,质子束流的不稳定性将对次临界堆的功率水平产生影响,进而对ADS的安全性产生影响.本文研究了ADS系统束流瞬变事故特性,建立了相应的物理数学模型,设计开发出具有较强针对性的用于ADS系统束流瞬变事故仿真软件--SIMULINK-ADS.并选取了典型的束流瞬变工况进行分析,通过与OECD/NEA和FZK Karlsruhe研究成果进行比较,验证了SIMULINK-ADS程序能够有效地计算和分析ADS束流瞬变次临界反应堆堆芯物理及热工响应.