加速器驱动次临界核能系统超导质子直线加速器设计研究(英文)

加速器驱动次临界核能系统(ADS)是下一代能源的首选方向。它能有效地利用铀和钍资源,嬗变长寿命高放射性废物和提高核安全水平。ADS加速器应能提供几十兆瓦质子束。超导直线加速器(SCL)效率高,束流损失少,是ADS加速器的最佳选择。它由一系列超导加速腔组成。利用电磁场计算确定腔的形状,利用粒子动力学计算确定SCL的主要参数。     

超导质子直线加速器的分段研究

对超导直线加速器的分段进行了详细的研究。包括超导加速器的分段原则的讨论,对称性分段和非对称性分段的讨论。超导加速腔的加速单元数及设计值βo的确定,加速器能量增益的确定。     

复旦大学4MV质子静电加速器

一、前言复旦大学加速器实验室自行设计改建的4MV质子静电加速器。自1979年9月安装调试出束后进行了一些性能试验。加速器空载电压(无加速管)超过5MV,有加速管空载、最高试验电压为3.5MV,加速的质子最高能量为3.2MeV。束流脉冲化工作,     

1500MHz 5-cell超导腔的仿真优化

能量回收直线加速器技术是近年来一项重要技术。针对能量回收直线加速器的主直线加速器,本文使用多种射频软件优化设计了一种新型的1 500 MHz 5-cell超导腔。该腔加速模TM010的R/Q值达到550Ω,可以有效降低低温损耗。该腔的端cell采用扩大束管传输有害高次模方案将高次模传输出超导腔,良好地抑制了高次模。新腔型保持了较低的表面峰值场强与平均加速梯度的比值:Epk/Eacc=2.06,Bpk/Eacc=4.22 m T/(MV·m-1),避免了场致发射的风险,并且在中等加速梯度区域(15-20 MV·m-1)无二次电子倍增现象。模拟结果显示,该超导腔能够满足连续波、准连续波或高重复频率稳定运行的要求。     

基于IOT放大器的微波功率源在超导直线加速器上的应用

中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)的直线加速器由两个4-cell超导加速腔构成,每个加速腔的激励由1套基于感应输出管(IOT)放大器的L波段微波功率源(25 kW)提供。本文介绍了微波功率源的基本原理、组成结构和调试过程,以及微波功率源在功率耦合器老炼平台和超导直线加速器上的一些实验结果。微波功率源安装调试后工作稳定,两套微波功率源的主要参数均达到设计要求。超导直线加速器的幅值稳定度和相位稳定度分别为0.04%和0.08°,优于设计指标。     

低频率低β低温氮掺杂HWR超导腔的性能测试

中国原子能科学研究院和北京大学联合提出的北京在线同位素分离丰中子束流装置(BISOL)的强流氘驱动加速器采用半波长谐振(HWR)超导腔作为主要加速结构,加速能量为3～40 MeV的强流氘离子。为此,北京大学设计并研究了可加速50 mA氘束的β=0.09、频率为162.5 MHz HWR超导腔。本文介绍该腔的设计、加工、表面处理及低温射频性能测试,并研究将低温氮掺杂这种新的表面处理方法用于该腔,进行低温超导性能测试。实验结果表明,采用圆锥形(taper)结构的HWR超导腔在2 K温度下达17 MV/m的高加速梯度。通过低温氮掺杂后,HWR超导腔在2 K、10 MV/m下的品质因数Q_0提升了1倍,表明HWR超导腔有高加速梯度高品质因数的优点。     

复旦大学质子静电加速器工作进展

复旦大学加速器实验室将2.5MV质子静电加速器改造成4MV,主体改造工作已于1979年9月完成。此后进行了一系列性能试验,空载电压(加速管充5个大气压的氮气)曾达到5MV。由于加速管的原因,粒子加速能量未能达到预定4MeV的指标。虽然调试时曾达到过稳定的3.2MeV,而实验工作时最高能量仅2.85MeV,本文就1981年以来的工作情况作一介绍。     

2002年HI-13串列加速器状况

2002年HI-13串列加速器完成了加速管技术改造,加速器头部最高电压达到15MV,并在14MV运行完成物理实验。本年度加速器为物理实验提供束流1533h。1 HI-13串列加速器加速管技术改造项目     

从广义自持链式反应观点看加速器驱动系统

用广义自持链式反应的观点探讨了加速器驱动系统 (ADS)的基本内涵。认为次临界反应堆、质子加速器和靶所组合的整体仍可看成一个 (临界的 )自持链式反应堆。这个反应堆不同于通常临界反应堆的特点是每次裂变后的二次中子不仅包含裂变释放的中子而且还包含部分裂变释能 (通过质子加速器及靶 )所转换的中子。正是有了这些附加中子 ,使得加速器驱动系统每次裂变的有效二次中子数增加了。一个ADS系统能够稳定运行的条件是ADS的次临界堆和加速器能够相互匹配使得ADS系统的有效二次中子数达到这样的水平 ,以致在ADS系统内能够形成自持的中子链式反应。因此尽管ADS的反应堆部分是次临界的 ,但从ADS整体来看只要质子加速器与次临界反应堆匹配得当 ,ADS系统是可以像通常临界反应堆那样 ,维持自持的链式反应的 (或临界的 )。给出了ADS系统维持自持链式反应的匹配条件 (广义临界条件 )。最后根据ADS系统的特点探讨了ADS在核废物处理 (嬗变 )、提高核燃料增殖效率及核能开发中的作用。     

基于IOT放大器的微波功率源在超导直线加速器上的应用

中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置（CTFEL）的直线加速器由两个4-cell超导加速腔构成,每个加速腔的激励由1套基于感应输出管（IOT）放大器的L波段微波功率源（25 kW）提供。本文介绍了微波功率源的基本原理、组成结构和调试过程,以及微波功率源在功率耦合器老炼平台和超导直线加速器上的一些实验结果。微波功率源安装调试后工作稳定,两套微波功率源的主要参数均达到设计要求。超导直线加速器的幅值稳定度和相位稳定度分别为0.04%和0.08°,优于设计指标。     

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。     

Design of High Power Electron Linac at PNC

Abstract

A high power CW (Continuous Wave) test electron linac was designed to develop a higher power linac to transmute radioactive wastes. The test linac is energized by two 1.2 MW CW L-band klystrons to produce an electron beam with the energy of 10 MeV and current of 100 mA. The average beam power is 200kW–1MW for the duty factor 20–100.%.

In designing such a high power linac, authors selected a traveling-wave accelerator with TWRR (Traveling Wave Resonant Ring). This is to enhance the threshold current of BBU (Beam Break-Up) and to get high accelerator efficiency that results from the low value of attenuation constant τ and high field multiplication factor M which are permitted only with TWRR.

A kind of efficient cooling structure is adopted to an accelerator structure in order to disperse the generated heat by RF (Radio Frequency). The variational method is used to calculate the sizes and parameters of the disk-loaded accelerator structure employed. There is a discrepancy of the order of a few hundredth of one percent between the calculated sizes and the experimental ones. The M determined in the design agreed well with those measured in low and high power tests.     

Experimental verification of an APF linac for a proton therapy facility

Alternating phase focusing (APF) is known as a beam focusing method; it was applied to an interdigital H-mode structure and successfully accelerated high current proton beams up to the desired energy for a medical synchrotron injector. A high-current APF linac was achieved by the optimal design of the cavity and the drift tubes themselves, as well as drift tube arrangement based on the co-iteration of a precise electromagnetic field and space charge beam dynamics.A proton injector for a medical accelerator complex was fabricated with the newly developed APF linac. The injector consists of an electron cyclotron resonance ion source, a radio-frequency quadrupole linac and the APF linac. The experimental results showed that over 10 mA proton beams were accelerated up to 7.4 MeV.     

Development of an electron linac at PNC for transmutation studies

Various methods have been examined to transmute long-lived fission products using accelerators at PNC. The present paper describes the development of a high power continuous wave (CW) electron linac which was started in 1989 to study the feasibility of nuclear waste transmutation. Transmutation by photonuclear reaction using an electron accelerator has the advantage of producing a relatively small amount of secondary radioactive waste. It is also deemed to broaden the base of accelerator technology.

The PNC high power CW electron accelerator, which is designed to accelerate energies up to 10 MeV and an average beam current of 20 mA and has a normal conducting traveling wave resonant ring (TWRR) disk-loaded accelerating tubes, was pre-commissioned with an injector and the first accelerating tube.

In December 1995, the accelerator had been partially built and the pre-commissioning of the injector began. We have been successful to produce electron beams with 3 msec pulse width, 100 mA peak, and about 2.9 MeV energy. The facility construction will be completed in March 1997, followed by the commissioning of the entire 10 MeV linac.     

Experience in Recirculating Electrons through a Superconducting Linac

An electron beam of several microamperes has been accelerated by a 6 foot 1.3 GHz superconducting niobium linac to 3.5 MeV on its first pass. It has been returned to the linac for two additional passes with energy gains around 3 MeV per pass to a final energy of 9.5 MeV. The recirculation is accomplished by means of two uniform field magnets placed at each end of the accelerating section in a racetrack microtron geometry which will accommodate the return beams for six passes through the linac.     

高平均束流功率辐照加速器加速结构的研究

本文介绍了10 MeV/100 kW的高平均束流功率工业辐照加速器束流动力学模拟结果及其加速结构的优化设计结果。加速器采用驻波双周期轴耦合结构,1个加速腔和1个耦合腔构成1个加速单元,其工作频率为325 MHz,工作模式为π/2,加速腔和耦合腔之间通过耦合狭缝在轴向以磁耦合的方式耦合在一起。使用SUPERFISH优化加速腔的有效分路阻抗、Kilp系数等关键参数。束流动力学方面,使用PARMELA模拟论证在粒子源提供2.5 keV、500 mA的电子束后,通过6个加速腔可得到10 MeV/100 kW的平均束流功率。加速腔优化完成后使用CST对耦合腔进行了设计,此时由6个加速单元组成的加速结构有效分路阻抗为23.9 MΩ/m、无载品质因数为29 347,各加速腔与相邻的耦合腔耦合系数为4.7%,工作模式与其相邻模式的最小频率间隔为2 MHz,每个加速单元功耗为290 kW。     

14MeV医用同源双模中能电子直线加速管的研制

医用同源双模中能电子直线加速管是影像引导放射治疗技术(Image Guide Radiation Therapy,IGRT)中的核心部件,为确保放射治疗直线加速器能够提供稳定和高品质的成像射束、双光子模式治疗射束以及多档电子射束,上海联影医疗科技有限公司研制了基于一种新型的能量开关技术的14 Me V医用双模驻波加速管。采用束流动力学程序Parmela对加速管整管的横向聚焦和纵向聚束进行了动力学设计分析,为优化加速管腔体几何结构提供了指标要求,最终利用电磁场仿真软件Superfish及CST(Computer Simulation Technology)优化腔体结构设计并得到了最优的微波参数。模拟计算结果表明,该加速管总长1.3 m,采用边耦合双周期?/2驻波结构,工作频率2.998 GHz,其输出束流能量可以实现多档可调,成像模式可输出低于3 MV的光子,治疗束可输出具有6 MV和10 MV两档的光子及4档能量电子束(最高能量可达14 Me V)。完成加工后,冷测结果与设计值符合得比较好,下一步将进行高功率微波老练。     

加速器驱动次临界系统注入器Ⅱ低温恒温器控制系统

根据加速器驱动次临界系统（ADS）注入器Ⅱ对低温设备的要求设计了一套EPICS架构的控制系统,实现了低温恒温器系统的远程监控功能。该系统的主要控制设备为PLC和串口服务器,相应的控制程序在LabVIEW中开发完成,并使用DSC模块将被控设备的状态和参数等信息以过程变量的形式发布到控制网络中,实现了EPICS接入。使用PID算法将低温恒温器的氦槽压力控制在目标值的±100 Pa内变化,保证了超导腔的正常工作要求。设计的控制系统运行稳定,在5 MeV的束流实验中发挥了作用。     

Electron Linac Design for Pion Radiotherapy

The electron linac provides a straightforward, state-of-the-art method of producing the primary beam required for a hospital-based multiport pion radiotherapy facility for cancer treatment. The accelerator and associated beam transport system described in this paper are capable of generating an electron beam of about 250 kW and delivering it alternately to one of several pion generators and treatment areas. Each pion generator, a prototype of which now exists at the Stanford W. W. Hansen Laboratory, would contain a target for the electron beam and sixty separate superconducting magnet channels which focus the pions in the patient. The considerations which enter the design of a practical linac are presented together with a possible layout of a flexible beam transport system.