50 MeV负氢回旋加速器主磁铁设计研究

本文介绍了50 MeV负氢回旋加速器(CYCIAE-50)的总体设计考虑和主磁铁系统的优化设计过程及结果。确定了CYCIAE-50主磁铁的主要尺寸参数,建模计算出满足等时性的主磁铁中心平面磁场。通过调整参数,优化了主磁铁的峰值磁场、局部饱和等,以控制建造及运行成本。优化了磁极张角与磁气隙高度等参数,使负氢离子满足轴向和径向的聚焦要求,避免穿越有害共振。最后对主磁铁的结构进行形变校核,并估计了形变对束流动力学的影响。设计结果表明,CYCIAE-50的主磁铁设计符合要求,可为后续其他系统的设计和建造提供重要参考。     

CYCIAE-50轴向注入系统和中心区研究

<正>中国原子能科学研究院正为中国科学院空间科学与应用研究中心建造一台50 MeV紧凑型回旋加速器CYCIAE-50。CYCIAE-50通过螺旋偏转板轴向注入30keV的负氢离子束,剥离引出可得到能量30～50 MeV、流强10μA的质子束。CYCIAE-50主磁铁采用直边扇结构,包括4对磁极,中心区磁场为0.9T。加速模式为四次谐波加     

18 CYCIAE-100回旋加速器主磁铁电磁力和形变的数值模拟

在CYCIAE-100回旋加速器的整体设计中，满足各种束流动力学要求的磁场分布的实现是最为关键的环节之一。在紧凑型回旋加速器中，磁铁的形变将严重影响中心平面及其附近的磁场分布。导致磁铁变形的主要因素有磁铁自身的重力、电磁力和外界的大气压力。其中对于重力和电磁力引起的磁铁形变，如果变形足够小，可留待磁场测量和垫补阶段处理；如果变形较大，则需在设计阶段对气隙的结构尺寸加以补偿。而对于大气压力引起的磁铁变形，由于磁场测量是在非真空条件下进行，因此需详细分析这样的变形对磁场的影响，为大气下测磁数据的真空校正处理提供依据。总之，主磁铁的结构力学研究对于CYCIAE-100最终磁场达到高的精度有重要意义。     

HI-13串列加速器升级工程——100MeV回旋加速器工程的设计和建造进展

2007年，在已完成的主磁铁等24个工艺系统初步设计的基础上，展开了100MeV强流回旋加速器及束流管道系统（CYCIAE-100）工程部分系统的施工设计及建造。与此同时，还完成了中心区模型实验台架的束流注入试验，完成了1：1高频谐振腔制造的焊接试验，为高频谐振腔的制造积累了直接的工艺技术和经验。图1示出部分施工设计完成后的CYCIAE-100示意图。     

100 MeV回旋加速器的磁铁设计和建造准备

由于高频谐振腔、对中线圈和束流诊断装置的安装需要,要求磁极的间隙增加约1cm,显然在中心区和加速区的磁场分布都将改变,因此,为满足加速器的束流动力学的需要,必须在改变励磁安匝数的同时,重新设计磁极的间隙、镶条、芯柱等磁铁参数。在2005年,除了设计确定磁铁的几何参数、磁场分布外,许多工程方面的工作得到了推进,其中包括机械结构设计和建造的前期准备工作。1磁铁的基本几何结构和磁场分布100MeV回旋加速器的主磁铁为紧凑型磁铁、有四个直边扇形磁极,主磁铁的直径为6.16m,高2.31m,磁极的半径为2.0m,主磁铁的主要尺寸见参考文献[1],二…     

CYCIAE-100紧凑型回旋加速器低温板排气系统理论和实验研究

根据CYCIAE-100紧凑型回旋加速器的结构特点,设计了一套大抽速低温板排气系统,插入到CYCIAE-100紧凑型回旋加速器主磁铁谷区中,该套排气系统将使CYCIAE-100紧凑型回旋加速器加速腔内真空度好于5×10^-6 Pa。目前该套低温板排气系统已设计完成,用Monte-Carlo方法对其进行了优化,并进行了加工、安装和初步调试,调试时低温冷板上温度达19 K,CYCIAE-100紧凑型回旋加速器加速腔内真空度达到8×10^-6 Pa。     

SC200超导回旋加速器磁场垫补方法研究

考虑磁铁材料的非线性、不均匀性以及有限元数值计算的精度有限,在设计主磁铁时都留有一定裕量,在完成磁铁加工组装后,根据磁场的实际测量结果对磁铁进行垫补获得理想的目标磁场分布,这样可以保证工程稳妥实施。因此磁铁垫补是加速器主磁铁设计制造的一个重要环节。本文基于SC200主磁铁模型,利用有限元分析软件TOSCA,首先研究了不同的磁极切削参数对中平面主磁场的响应影响;其次考虑到相邻切槽对中平面磁场影响的叠加效应,从理论上推导出一种求解垫补量的方法;最后通过模拟的方法验证了磁场垫补的可行性,为将来实际磁场垫补提供了有效的依据。     

BRIF—ISOL主磁铁的电磁力和形变计算

BRIF-ISOL系统的质量分辨率的设计值为20000。在此情况下，要求ISOL的磁铁磁场的均匀度应达到万分之一，然后经垫补实现十万分之一。磁场的均匀度和磁铁的设计加工有关，而磁铁在重力和磁力下的变形也会带来磁场分布的不均匀。ISOL束流光学系统包括7块二极磁铁。其中，偏转半径最大的主磁铁半径为2．5m，极面宽度46cm，最大极面磁感应强度0．5T。我们采用数值计算的办法计算了磁极面在电磁力和自身重量的影响下的形变。     

100MeV回旋加速器主磁铁的施工设计和工程进展

作为100MeV回旋加速器的主体部件，主磁铁在CYCIAE-100工程中有着举足轻重的地位。因此，主磁铁被列为串列加速器升级工程技术部的重点工作着力推进。在2007年，主要开展了设计和工程施工。     

2 100MeV回旋加速器的磁铁设计和建造准备

由于高频谐振腔、对中线圈和束流诊断装置的安装需要，要求磁极的间隙增加约1cm，显然在中心区和加速区的磁场分布都将改变，因此，为满足加速器的束流动力学的需要，必须在改变励磁安匝数的同时，重新设计磁极的间隙、镶条、芯柱等磁铁参数。在2005年，除了设计确定磁铁的几何参数、磁场分布外，许多工程方面的工作得到了推进，其中包括机械结构设计和建造的前期准备工作。     

CYCIAE-100的直流流强监测器研制及实验验证

100 MeV强流质子回旋加速器（CYCIAE-100）加速H^-,引出质子束能量为75~100 MeV、最大束流强度为200 μA。为对束流输运线上的质子束流强度进行无阻挡实时监测,选择了直流流强监测器（DCCT）,其在设计上考虑了空间限制、杂散磁场和外部高频干扰信号等因素对探头的影响。探头外采用了三重磁屏蔽设计,磁屏蔽外为1层黄铜的电屏蔽。采用了绝缘垫圈隔断束流输运线的直流导电性,束流输运线管壁通有冷却水以保证探头温度稳定。在绝缘垫圈处增加电容以满足探头对电容值的要求。采用高精度PLC-AI模块对DCCT的输出电压进行了读取。通过模拟束流的实验验证表明,DCCT设计合理可行,测量结果的线性度、误差等指标符合设计要求。     

强流负氢离子源发射度测量仪研制

在加速器技术研究中,束流发射度是反映束流品质的重要物理参数,也是加速器和束流传输线设计的重要依据。100 MeV回旋加速器采用18 mA强流负氢离子源来产生负氢束,为了准确测量离子源的发射度,研制了一台强流负氢离子源发射度测量仪,介绍了其基本原理、机械设计和实验结果,得到了离子源的发射度信息,为100 MeV回旋加速器的设计提供了发射度参数。     

Numerical Simulation of Main Magnet Electromagnetic Force and Deformation for CYCIAE-100 Project

The achievement of magnetic field plays a crucial part in the design of CYCIAE-100 cyclotron, which is assumed to satisfy various beam dynamics requirements. In the compact cyclotron, magnet deformation caused by gravity, electromagnetic force and atmospheric pressure, impacts the distribution of the field on the middle plane and the space nearby. If the deformation caused by gravity and electromagnetic force is small enough, the field change can be compensated in the field mapping and shimming phase. Otherwise,     

100 MeV强流质子回旋加速器剥离靶驱动控制系统研制

100 MeV强流质子回旋加速器(CYCIAE-100)加速负氢离子,引出系统为电荷交换方式的双向剥离引出系统,剥离靶是引出系统的核心装置。剥离靶系统四维联动定位精度要求高。为满足剥离靶驱动控制系统要求,采用了PLC控制驱动电路,读取位置反馈信号,对运动控制形成负反馈闭环的控制方法,实现了引出系统的各项运动控制要求并达到了设计指标。经调试,该加速器于2014年7月首次成功引出75~100 MeV质子束流,引出效率达99%以上。剥离靶驱动控制系统经加工调试,满足引出系统的各项技术要求,目前已投入运行2 a,可靠性得到了验证。     

基于台阶垫补的磁场优化算法研究

在回旋加速器磁铁设计过程中,磁场优化是非常重要的一个环节。由于加速器磁铁的磁场响应随着磁极台阶高度变化呈现非线性的特点,使得在优化复杂的磁场时,计算过程复杂、时间成本高且需要手动迭代。以1台圆形轴对称磁铁垫补为例,发展了磁场优化算法。利用三维电磁场仿真软件CST和数据分析软件MATLAB,研究了单个台阶垫补块对中心平面上不同半径处磁场幅值的影响,实现了一种自动优化磁场的算法,并以磁场降落指数为0.2的磁场为优化模拟实例,最终求得了对应的磁极台阶高度,证明了本算法的可行性和便捷性。     

脉冲磁体中电磁与温度场耦合的有限元分析

脉冲强磁体处于复杂的电磁、热、应力等多物理场共同作用下,设计中考虑的因素众多,物理关系复杂,分析过程繁琐。借助大型有限元软件分析工具ANSYS建立了70T脉冲强磁体中电磁、温度场耦合分析模型,实现了磁场与温度场的计算,并通过有限元方法实现了脉冲磁体性能的优化。实验结果表明,磁体样机达到70T磁场水平。     

Investigation for the vertical focusing enhancement of compact cyclotron by asymmetrical shimming bar

CYCIAE-100, a 100 MeV H⁻ cyclotron under construction at China Institute of Atomic Energy (CIAE), is an AVF compact cyclotron. With energy above 70 MeV, the straight-edge sector magnet, instead of the spiral one normally used for AVF cyclotrons in this case, is still used to simplify the engineering procedures. The vertical focusing is likely not strong enough at the outer region and the Walkinshaw resonance may occur, if either the permeability decreasing tolerance in large scale pure iron castings and forgings, or the fabrication tolerance during the magnet construction, are seriously excessive. Theoretical investigation and numerical simulation results presented in this paper show that this kind of risk could be avoided by using a set of specially designed asymmetrical shimming bars between the pole edge and dummy Dee of the RF cavity at the outer region. In this way, the vertical focusing at outer radius region will increase substantially. This investigation provides a protective measure for the main magnet construction of CYCIAE-100.     

Preliminary design of KTX magnet system

KTX is a reversed field pinch magnetic confinement device of which the magnet system is designed in ASIPP and USTC. The main parameter of KTX is between RFX and MST. Its magnet system includes the toroidal field (TF) winding and poloidal field (PF) winding (ohmic heating winding and equilibrium field winding), which are less complex than tokamak device due to the fact that a tokamak requires a superconducting system to perform quasi-steady state operation and achieve Q > 10. However, the most important part of the magnet system design lies in how to keep the TF magnetic field ripple, as well as any kinds of stray field, to a minimum value. The main design activities of the KTX magnet system are presented as detailed as possible in this paper, and the main activities which have already been completed include magnet coils position and winding, insulation design, plasma modeling prediction, thermal analysis, magnetic field calculations were analyzed and so on. The magnet system design is one of the major activities for KTX device design, which is effective guarantee for the future R&D and manufacture. Besides, the detailed design activities should be continuously optimized and changed based on the results from future R&D and relevant tests.     

Mapping System, Magnetic Measurement and Shimming in CRM of 100 MeV Cyclotron

在紧凑型回旋加速器中，由于主磁铁材料的不均匀性，磁铁加工和安装的非理想等因素将引起中心平面磁场的非理想分布，这样的非理想场在进行傅里叶展开时必定存在各次谐波。由于一次谐波的存在，束流包络将发生扭曲、振荡；同时，由于一次谐波的存在，将引起束流轨道中心的偏移，     

中国散裂中子源快循环同步加速器注入系统水平涂抹凸轨磁铁样机的设计

阐述了中国散裂中子源（CSNS）快循环同步加速器（RCS）注入系统水平涂抹凸轨磁铁样机的设计。为满足设计要求和空间位置关系的需要,提出一种不对称窗框型铁芯结构,同时针对样机研制中存在的技术难题提出相应的解决方案。磁场模拟计算和试验的结果表明,该结构设计合理。