重离子加速器磁铁电源控制系统研制

重离子加速器通过一定周期的磁场对带电粒子进行约束,磁铁电源是产生所需磁场的关键部件,因此,要求磁铁电源控制系统具备高效性、稳定性、精确性。磁铁电源需按加速器运行周期进行响应运行。重离子加速器磁铁电源的时序必须严格按重离子加速器控制系统的控制时序进行控制。本工作研制了重离子加速器磁铁电源控制系统,通过磁铁电源控制器与同步时钟系统的通信进行控制时序的运行;通过与中央数据库的数据通信获取磁铁电源控制器所需的全部数据(如同步事例数据、波形数据等)。同步时钟信号一旦触发,磁铁电源控制器进行相应的数据获取并进行插值运算输出至磁铁电源进行控制。重离子加速器磁铁电源控制系统同步精度为1μs,实验平台测试控制器平台纹波精度为100ppm,能满足重离子加速器实验运行的要求。     

CSNS/RCS四极磁铁样机磁场仿真计算和谐波分析

中国散裂中子源快循环同步加速器(CSNS/RCS)的四极磁铁共48台,分为4种孔径,每种孔径磁铁制作1台样机。目前4台样机磁铁已完成加工制造并进行了直流旋转线圈磁场测量。初步直流磁场测量结果显示,3台样机的部分磁场谐波分量超过了设计要求,需进行补偿。采用三维仿真软件OPERA进行建模,并进行磁场计算,分析了谐波超差的原因,确定了磁场补偿方案,最终样机磁铁的磁场质量满足设计要求。     

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。     

辐照加速器偏转磁铁调试的计算机模拟

通过对辐照加速器偏转磁铁的磁场分布进行粗测，建立合理的数学模型，并通过计算机进行模拟计算，从理论上找到使用偏转磁铁辐照电线电缆的最佳工艺参数，然后通过实验验证，方便快捷地找到了辐照加速器偏转磁铁工艺参数的最佳选择。     

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。     

230 MeV超导回旋加速器测磁线圈校准

正磁场测量与垫补系统是230 MeV超导质子回旋加速器主磁铁系统的子系统之一。目前,230 MeV超导质子回旋加速器主磁铁、线圈、配套电源均已完成加工,磁场测量工作即将展开。磁能量法是加速器中常用的磁场测量方法。磁能量法原理简单,但误差来源较丰富,需要对感应线圈探头的面积进行标定。利用回旋加速器研究设计中心临时厂房的标准C型二极铁提供高均匀度磁场,校准时利用NMR测量探头进行磁场标定。通过多次校准,经计算后取平均值可得到感应线圈的面积与厂家所     

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…     

紧凑型回旋加速器中一种等时性磁场垫补算法

结合中国原子能科学研究院100 MeV回旋加速器中心区实验台架主磁铁镶条的垫补,发展了一种改进的多元线性回归磁场垫补算法.基于磁场测量系统实测的实验台架中心平面上的磁场分布以及有限元软件模拟数值计算的磁场,实现了这种改进的多元线性回归磁场垫补算法.该算法可适用于紧凑型回旋加速器中等时性磁场的垫补,以使所垫补的磁场满足回旋加速器束流动力学设计的要求.     

中国散裂中子源快周期同步加速器磁铁电源系统的研究

目前正在进行可行性研究的中国散裂中子源的主体结构是1台强流质子同步加速器。该加速器的一期目标为注入能量70MeV、引出能量1.6GeV、束流功率100kW、循环工作频率25Hz。文章阐述系统总体结构的设计原则以及二极磁铁（B）和四极磁铁（Q）磁场的跟踪误差要求。     

二极磁铁形状对磁场分布的影响研究

扫描磁铁的优良性能是加速器高效辐照的关键,本文采用Poisson Superfish软件仿真二极电磁铁的磁场分布情况,为带电粒子加速器的扫描装置设计了一种方形二极电磁铁,通过改变二极电磁铁的形状来调整磁场分布,对中平面磁感应强度的分布曲线进行比较分析,得到了能够增加粒子束扫描均匀度、提升辐照质量的扫描磁铁的最佳形状,为加速器高效辐照提供了关键技术支持。     

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。     

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。     

Design study of a rotating gantry for the HIMAC new treatment facility

A project to construct a new treatment facility as an extension of the existing HIMAC facility has been initiated for the further development of carbon-ion therapy. In the new facility, one of the treatment rooms will be equipped with an iso-centric gantry system employing a 3D pencil beam scanning irradiation method. In order to realize a compact design, the final 90° bending magnet is divided into two bending magnets of 60° and 30°. The scanning magnets are set between these two bending magnets, although the aperture of the 30° magnet increases. Finally, we achieved 350 tons of total weight for 400 MeV/u carbon beams with a 150 mm square field.     

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。     

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。     

100MeV回旋加速器中心区结构设计

中国原子能科学研究院建成了100 MeV紧凑型强流质子回旋加速器,其引出能量为75~100 MeV,流强为200μA。安装在回旋加速器狭小磁极气隙的中心区与螺旋静电偏转板是关键部件,其结构设计涉及磁场、高频电场、高压静电场、真空、传热等方面。本文介绍了中心区与螺旋静电偏转板的结构设计及使用情况。在设计过程中,采取加大绝缘距离、优化高频连接结构、增加杂散束流阻拦装置等措施,解决了中心区与螺旋静电偏转板在强流注入时可靠工作的问题。本文对螺旋偏转板进行了传热分析,得出了该螺旋偏转板在强流束注入时的温度分布。设计的中心区和螺旋偏转板已安装在加速器上,20μA/100 MeV的引出束流通过了12h稳定性测试,在加速器测试过程中,中心区工作稳定可靠。     

控制棒驱动机构的电磁设计计算

步进磁力提升式控制棒驱动机构的电磁设计计算包括磁场力计算和3种电磁铁磁动势与其线圈长度的设计计算。本文以提升磁铁与提升线圈为代表,介绍了电磁设计计算的基本原理和方法。     

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,     

智能化回旋加速器主磁铁CAE系统的研制及应用

阐述了一种回旋加速器主磁铁的CAE方法,基于该方法在VAX—11/780上所形成的CAE系统,具有可移植性好的特点,目前已成功地移植到PC—386微机上。智能化的CAD工作,在专家经验知识库的帮助下,使一般的设计者,也能得到高水平的磁铁结构;磁场分析基于多次考验过的磁场数值计算程序,束流动力计算经过实际考验;CAM工作是根据现有数控车床的具体要求,将设计结果转换成必要的加工数控数据,并能根据实际测磁结果,以形成等时性磁场为目标,计算出叶片修改量并输出数控数据,指导整个磁铁加工过程。应用该CAE系统设计的回旋加速器主磁铁,结构与目前国际上回旋加速器的结构十分接近,运行功耗有所下降。     

高能大功率电子辐照加速器270°偏转光路设计

为实现高能大功率电子辐照加速器的一机多用目的,需研制270°偏转光路支线。本文采用Trace3D程序对270°偏转光路进行了设计与模拟计算,设计了双135°偏转磁铁和整体270°偏转磁铁。对双135°和整体270°两种偏转磁铁元件进行二维和三维电磁场设计与模拟计算,计算结果表明,整体270°偏转磁铁的场分布与光路设计中所要求的物理参数差距较大。由于整体270°偏转磁铁的场分布调整较困难,使工程实施中的束流调试难度较大,因此采用双135°偏转磁铁的光路方案。