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。     

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…     

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。     

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。     

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。     

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。     

100MeV强流质子回旋加速器主磁铁电磁力的数值模拟

本工作研究计算中国原子能科学研究院目前正在设计、建造中的100MeV强流质子回旋加速器CYCIAE-100主磁铁电磁力。计算中选用虚位移法和麦克斯韦应力张量法两种方法。在利用电磁场三维有限元分析程序计算得到紧凑型等时性回旋加速器主磁铁电磁场的基础上,先采用虚位移法估算电磁吸力,然后基于麦克斯韦应力张量法在MATLAB环境下编写数值计算程序,详细研究磁极和磁轭受到的电磁吸力。两种方法的计算结果接近。计算得到的主磁铁磁极间吸力大于磁极与盖板间吸力,二者之差由磁极和盖板间的螺栓承担。电磁力的计算结果为主磁铁结构变形计算和结构方案选取提供了依据。     

谐波垫补原理及其在加速器常规磁铁设计与磁场垫补中的应用

加速器常规磁铁磁场质量评估通常表示为工作气隙好场区内高阶磁场占主磁场的相对含量,它通常要求在10^-4量级内。这些高阶磁场来源于磁极的有限长度与宽度和极面设计参数选择产生的若干过大的系统高阶磁场偏差及加工与材料的不理想等因素产生的若干过大的随机高阶磁场偏差。这些偏差均会导致磁场质量变坏。谐波垫补法针对每个过大的高阶磁场利用磁极形位改变对磁场的扰动效应产生一与现存过大高阶磁场大小相当但符号相反的高阶磁场,用来抵消现存的过大的高阶磁场,达到根本改善磁场质量的目的。本文分析了谐波垫补原理,并具体分析了它们在二极磁铁和四极磁铁设计与磁场垫补中的应用。     

HLS储存环注入系统冲击磁铁微秒脉冲磁场设计计算

介绍了合肥光源(HLS)新注入系统中铁氧体磁芯冲击磁铁的脉冲磁场形态的设计与计算。首先根据注入过程跟踪计算,给出了冲击磁铁脉冲磁场的设计要求。然后对脉冲磁场的产生进行了定性分析和数值计算,讨论了在不同条件下磁芯中产生的涡流对脉冲磁场均匀性的影响,最后根据物理设计要求确定了磁铁设计参数。     

100 MeV紧凑型回旋加速器主磁铁的三维磁场有限元分析技术

100 MeV紧凑型回旋加速器主磁铁的几何结构十分复杂,但为了形成加速器束流动力学所要求的磁场分布,本文对初步设计的磁铁进行必要的简化。综合采用各种适当的三维有限元网格剖分技术,对该磁铁的磁场进行数值分析,计算精度满足加速器物理设计的要求。     

合肥光源储存环铁氧体冲击磁铁涡流模型与分析

铁氧体冲击磁铁是国家同步辐射实验室二期工程注入系统改造课题中关键注入部件之一 ,其主要功能是产生微秒量级均匀的脉冲磁场。文章介绍了铁氧体冲击磁铁设计过程中建立的涡流问题的数学模型及关于涡流问题分析。数值计算结果表明 :选择合理的铁氧体电导率和磁芯结构参数 ,可以基本消除磁芯中涡流对脉冲磁场分布的影响。冲击磁铁脉冲磁场测量结果表明 ,合肥光源储存环铁氧体冲击磁铁设计是合理的     

智能化回旋加速器主磁铁CAE系统的研制及应用

回旋加速器的主磁铁是加速器建造中最重要的部件,它代表了回旋加速器的特性。虽然有许多解磁场计算问题的程序,但结果却大不相同,取决于用户的水平和经验。为了帮助磁铁设计者们获得可接受的结果,开发了一个智能化的CYCLONE型回旋加速器主磁铁设计、分析与指导加工的CAE(计算机辅助工程)。由于程序中安装了专家知识库,即使设计者是一位初学者,也可得到合理的设计结果。     

智能化回旋加速器主磁铁CAE系统的研制及应用

回旋加速器的主磁铁是加速器建造中最重要的部件,它代表了回旋加速器的特性。虽然有许多解磁场计算问题的程序,但结果却大不相同,取决于用户的水平和经验。为了帮助磁铁设计者们获得可接受的结果,开发了一个智能化的CYCLONE型回旋加速器主磁铁设计、分析与指导加工的CAE(计算机辅助工程)。由于程序中安装了专家知识库,即使设计者是一位初学者,也可得到合理的设计结果。     

CYCIAE-100回旋加速器低温冷板参数的蒙特卡罗模拟

基于气体分子运动理论建立了气体分子与低温冷板的碰撞模型,用蒙特卡罗方法模拟了放置在CYCIAE-100回旋加速器主磁铁谷区的低温冷板粘附概率、传输概率等参数,并计算其捕获系数。根据模拟计算结果设计加工了低温冷板及其性能测试罩,对低温冷板的抽速性能进行测试。抽速测试结果表明,用蒙特卡罗方法模拟的低温冷板参数与测试结果符合较好,相对误差为2%。     

19 100MeV紧凑型回旋加速器主磁铁的磁场测量系统方案设计

紧凑型的回旋加速器的磁场分布范围跨度较大，且对磁场测量的精度要求较高，磁场的测量误差直接影响到后续主磁铁的镶条垫补。磁场测量系统主要用于主磁铁中心平面上磁场分布的测量，对主磁场的测量精度及测量点相对位置精度要求极高，磁场偏离理想场的微小误差对粒子束流的运动有相当大的影响。磁场测量点的选取采用极坐标，最后给出磁场值的极坐标点分布结果。     

10 CYCIAE-100 MeV回旋加速器机械工程介绍

CYCIAE-100MeV回旋加速器非标机械结构主要包括离子源、轴向注入、中心区、高频腔体、频率自动微调、高频功率馈入、剥离靶引出、磁场调谐系统、对中线圈、径向束流探针、真空系统、相位探测系统、磁场测量系统、主线圈、束流诊断系统、束流调试靶、质子管道及传输元件、举升系统、运输安装与调节系统等。