高电荷态电子回旋共振离子源难熔金属高温炉研制

高电荷态电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)离子源产生金属离子束的方法有炉子加热法、溅射法、MIVOC(Metallic Ion from Volatile Compounds)等,其中炉子加热法具有产生的束流强度高、稳定性好的特点。炉子加热法的技术核心是加热炉,按其工作温区主要分为低温炉、高温炉两大类。高温炉主要针对熔点1 500°C以上的金属钴、钛、钒、铂、铀等。通过ANSYS仿真模拟分析了高温炉钽坩埚的温度分布、高温下因膨胀所受热应力及其在ECR离子源工作环境的强磁场中所受的安培力作用。根据模拟分析结果研制了电阻式加热高温炉,并对其进行了离线测试,实验中钽坩埚在1 800°C以上发生的形变与ANSYS模拟结果相符,并根据模拟分析给出了改进方案。改进后的电阻式加热高温炉离线测试能在1 500°C稳定维持48 h以上,而在1 846°C时可稳定维持达6 h以上,结果表明:研制的电阻式加热高温炉可应用于ECR离子源产生强流高电荷态难熔金属离子束。     

LEAF装置RFQ加速器控制系统设计

为保证RFQ加速器的长时间安全稳定运行,设计了一套基于EPICS软件结构的分布式控制系统。该系统采用新型PLC控制器和PROFINET现场总线设计,主要完成对RFQ腔体冷却水温度、流量等相关参数的实时监测,并在PLC内部实现冷却水故障与RFQ腔体功率给定的安全联锁功能。测试结果表明:水温监测精度为0.1℃,流量监测精度为0.4 L/min,腔体冷却故障联锁保护时间小于10 ms,数据上传和归档时间间隔为100 ms。该系统满足设计要求,可为RFQ加速器的安全运行提供控制保障。     

高性能全永磁ECR离子源LAPECR2的研制

研制了一台体积和重量都较大、设计性能较高的全永磁电子回旋共振(Electron cyclotron resonance,ECR)离子源LAPECR2(Lanzhou all permanent magnetic ECRion source No.2 ).该离子源将用于中国科学院近代物理研究所320 kV高压平台,为其提供强流高电荷态离子束流.LAPECR2的研制采用全新的全永磁磁体结构设计,通过采用高性能的NdFeB永磁材料、优化的磁结构设计以及精确的计算,实测源体的磁场参数能达到高性能ECR离子源的设计要求.离子源采用较高频率的14.5 GHz微波馈入加热等离子体,波导直接馈入离子源以增强馈入微波的稳定性与效率.此外,还大量采用了一些有利于提高离子源高电荷态离子产额的关键技术,如铝内衬等离子体弧腔、负偏压盘、铝制等离子体电极、三电极引出系统、辅助掺气等.     

FECR超导离子源Nb3Sn磁体半长度样机的结构分析

中国科学院近代物理研究所正在研制运行于45GHz的世界首台第四代电子回旋共振离子源FECR(Fourth Electron Cyclotron Resonance)。该离子源磁体线圈全部采用Nb₃Sn(铌三锡)超导材料制作、这一超导材料临界性能对应力敏感,加之磁体中六极线圈和螺线管线圈之间的应力不平衡分布,导致磁铁机械结构设计面临极大挑战。为了验证离子源磁铁结构设计的合理性和仿真结果的可信性,为全尺寸真机的研制奠定技术基础,设计了能够一定程度上反映离子源磁体机械结构的半长度样机。本文主要介绍了FECR半长度样机的三维机械结构设计,借助ANSYS有限元软件分析了磁铁在室温组装、冷却降温和加电励磁时的应力分布和变化情况,为磁体装配提供关键的预应力参数。     

低能高电荷态氮离子与Cu表面相互作用致K-X射线发射的研究

利用中国科学院近代物理研究所的电子回旋共振离子源引出的高电荷态氮离子(N^q+,q=3,5,6),在4.5～120 keV动能范围内系统测量了N^q+(q=3,5,6)与Cu表面碰撞产生的K-X射线能谱;基于原子壳层电离理论计算了K-X射线产额值及其电离截面值。结果表明:N^q+(q=3,5)离子进入靶表面后与Cu原子发生紧密碰撞,在直接库伦电离的作用下发射K-X射线,并且随着入射离子动能的增加,K-X射线产额和K壳层电离截面均单调增大;对于N⁶⁺离子,K-X射线产额与其入射动能没有明显的依赖关系,且在Cu表面形成的"空心原子"级联退激产生的K-X射线产额约占其总K-X射线产额的97%。另外,N⁵⁺离子入射时的K-X射线产额明显高于N³⁺离子入射时的产额。本工作对离子与表面相互作用中形成的"空心原子"的退激过程具有重要的参考价值,并为理解"空心原子"的退激过程和彗星X射线机理的研究提供了基础数据。     

螺线管透镜像差导致的束流发射度增长研究

螺线管透镜常作为低能束流的聚焦元件,不可避免地具有像差,导致束流发射度增长,降低束流传输效率。本文通过理论推导和计算机模拟,给出了不同束流包络、不同磁感应强度和不同磁场形状的情况下束流经过实际透镜后的发射度增长。结果表明,发射度增长主要与束流包络和磁感应强度有关。但在一定范围内,优化磁场形状也能起到控制发射度增长的作用。     

高功率密度蒸发冷却ECR离子源磁体线圈研制

针对高功率密度ECR离子源磁体线圈高压水冷系统压力高、运行维护复杂、冷却能力受限等缺点,提出一种采用自循环蒸发冷却技术的ECR离子源磁体线圈。结合ECR离子源磁体线圈布局结构和运行可靠性要求高的特点,设计基于自循环蒸发冷却原理的高功率密度磁体线圈结构型式,该磁体线圈由饼式单元线圈阵列组成,单元线圈间设置垂直冷却通道,蒸发冷却介质在线圈热量的驱动下沿垂直通道自动流动。按照LECR-DRAGON磁体线圈的参数指标,建立蒸发冷却磁体线圈验证模型,实验结果表明,饼式单元线圈配合垂直冷却通道设计的磁体线圈结构,能够实现窗口电流密度12A/mm~2的负荷要求,并保持长期稳定可靠运行,满足工程实用的需要。     

FECR超导离子源磁体六极模拟线圈的Mirror结构设计及测试

中国科学院近代物理研究所自主研制运行于45GHz的第四代高电荷态ECR超导离子源,该离子源磁体的核心之一是Nb3Sn六极线圈。为了测试单体六极线圈经过绕制、热处理、环氧浸渍等一系列工艺过程后,电磁性能是否达到设计指标,设计了能够一定程度上模拟六极磁场及其应力分布的Mirror测试结构。由于Mirror结构在室温装配过程中采用Bladder-Key技术对六极线圈施加预应力,为了能够模拟从室温装配到冷却降温的操作流程、验证Ansys有限元仿真方法与实验结果的一致性,依据六极线圈外形尺寸加工了一个模拟线圈。实验结果表明,铝壳和模拟线圈中心处的应变与Ansys仿真计算结果基本一致,最大误差均在10%以内,验证了结构设计的合理性和仿真结果的可信性。     

用于锦屏深地核天体物理研究的强流加速装置的设计与试验进展

对揭示元素形成及天体起源具有重要作用的关键低能核反应由于反应截面较小,同时受宇生高能射线影响,在地面环境难以进行直接测量。在极低本底的深地环境中,利用强流离子加速器打靶,进一步提高关心核反应的发生率,就可在地球开展接近伽莫夫能区低能核反应截面直接测量。锦屏深地实验室（CJPL）具有优越的地理环境,可有效屏蔽宇生高能射线。依托CJPL的有利条件,中国原子能科学研究院正在开展核天体物理关注能区核反应直接测量的研究。作为开展实验研究的必要条件,一台低能强流加速装置也在建设当中。该加速装置可产生低能强流的质子束和氦束,最高加速电压400 kV,设计最大束流强度10 mA。本文介绍了用于锦屏深地核天体物理实验（JUNA）的强流加速装置的基本情况,包括加速装置的物理要求、布局及主要设计考虑、束流光学及地面试验进展等。