C-ADS强流质子直线加速器调谐系统测试分析
强流质子直线加速器中束晕现象的初步研究
摘要带电粒子加速器是产生各种轰击原子核的核炮弹装置 ,用以实现各种核反应及其多种应用。
从二十世纪 40 年代诞生以来 ,它就是探索原子核奥秘的最重要手段 ,极大地推动了原子能和近代科学技术的发展。
其中，强流质子直线加速器有着重要而广泛的用途和发展前景，用来驱动次临界反应堆 ,用于生产军用核材料(钚和氘) 、放射性洁净核能和嬗变核废物等。
本文从能源问题出发，说明核能源利用对未来人类发展的重要作用，引出使核利用更加安全、干净和廉价的放射性洁净核能系统〔ADS〕。
但是，其关键设备——强流质子直线加速器中存在着束晕现象，即在高密度束核的外围弥漫着许多粒子,这是一种复杂的时空混沌运动 ,统称束晕-混沌现象。
束晕-混沌现象不仅引起束流的损失，制约着束流功率的提高，而且导致放射性剂量超标和结构元件损坏等不良后果，对环境和人身安全造成极大的危害。
束晕-混沌现象是目前强流粒子束应用中所面临的困难问题之一。
因此，对束晕-混沌形成机制的研究有着重要的理论和实际意义。
接着介绍了前人在束晕-混沌研究方面的一些重要奉献，包括研究分析方法和七种可能导致束晕-混沌形成的物理机制。
最后，以束核-粒子模型〔K-V初始分布方程〕为例，对满足K-V初始分布的粒子在周期聚焦通道中的传输动力学特性进行了分析，结果说明非线性共振和混沌在失匹配束或多粒子束传输中有重要作用，直接导致了束晕的发生。
关键词：束晕-混沌，加速器，物理机制、束核-粒子模型、非线性共振ABSTRACTThe charged particle accelerators are nuclear artillery devices that produce a variety of bombardment of nuclei to achieve a variety of nuclear reactions and a variety of its birth in the 1940s, it is the most important means to explore the mysteries of the nucleus, which greatly promoted the development of atomic energy and modern science and them, high current proton linear accelerator has an important and extensive use and development prospects, used to drive a subcritical reactor and produce military nuclear material (plutonium and deuterium), radioactive clean nuclear energy and transmutation of nuclear waste.The paper starts from the energy problem and expounds that the use of nuclear energy will play an important role in the future of human development, following with Radioactive Clean Nuclear Power System (ADS) making nuclear use safer, cleaner and , the key equipment - high current proton linear accelerator exists the beam halo phenomenon,that is,the periphery of the nucleus of the high-density is filled with many particles . This is a complex spatiotemporal chaos sport, collectively referred to as the beam halo - chaos .Beam halo - chaos only causes the loss of the beam, which restricts the beam power increase but also causes the radioactive dose to exceed and damage to structural elements and other adverse consequences, and great harm to the environment and personal - chaos phenomenon is one of the difficult issues facing the high current beam , the research of the beam halo - chaos formation mechanism has important theoretical and practical introducesome of the important contribution of the previous beam halo - chaos research, including research and analysis methods and the seven physical mechanism that may lead to beam halo - the chaos .Finally, take the nucleus - particle model (KV initial distribution equation)as an example, to analyz the characteristics of particles meeting KV initial distribution in transmission dynamics of a periodic focusing results show that the nonlinear resonance and chaos in the mismatch beam or multi- particles beam transport plays an important role and causes the occurrence of the beam halo directly.Key Words: Haol-Chaos,Accelerator,Physical mechanism,Nucleus-particle model，Nonlinear resonance目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章绪论 (1)课题背景及研究意义 (1)世纪能源的挑战 (1)强质子流产生的束晕——混沌现象 (2)本课题的主要研究内容 (3)第2章束晕—混沌形成的物理机制 (4)束晕-混沌研究方法 (4)束晕-混沌形成的物理机制 (4)2.2.1 粒子-束核相互作用 (5)2.1.2 周期性聚焦 (6)空间电荷的非线性效应 (8)2.1.4 电荷密度的非静态分布 (9)2.1.5 丝化效应 (10)2.1.6 共振覆盖导致束晕-混沌 (11)2.1.7 量子混沌 (12)第3章束晕-混沌系统的基本动力学特性分析及数值模拟 (13)束核-单粒子模型中束包络振动方程的归一化和单粒子运动方程组 (13)束核-单粒子模型中束包络振动方程的归一化 (13)单粒子运动方程组 (15)束包络和单粒子的数值模拟及分析 (16)束包络的数值模拟及分析 (16)粒子运动的数值模拟及分析 (20)结论 (23)参考文献： (24)致谢 (26)第1章绪论众所周知，当今世界对能源的需求越来越大，而人类目前可利用的能源资源毕竟有限，近几年随着世界经济局势的快速变化，化石燃料有的将逐渐耗尽。
加速器驱动次临界系统注入器Ⅱ低温恒温器控制系统
加速器驱动次临界系统注入器Ⅱ低温恒温器控制系统姜子运;牛小飞;张鹏;万玉琴;白峰;郭晓虹;张军辉;何源【摘要】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。
%The cryomodule is an important subsystem of the injector Ⅱ for accelerator driven sub-critical system (ADS),whose performance will determine the quality of the superconducting section.A remote control system based on EPICS was introduced to serve the cryomodule and validate its performance.PLC and serial port servers were chosen to implement the control functions.The supervisory control procedure was programmed with LabVIEW,and the communication with EPICS was implemented by using DSC module.The pressure fluctuation can be controlled within ±100 Pa through the PID algorithm.The control system can fulfill the design requirement,and contrib-ute to the 5 MeV beam commission.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2016(050)007【总页数】6页(P1314-1319)【关键词】加速器驱动次临界系统;低温恒温器;控制系统;EPICS;LabVIEW【作者】姜子运;牛小飞;张鹏;万玉琴;白峰;郭晓虹;张军辉;何源【作者单位】中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】TP311加速器驱动次临界系统(ADS)是国际上公认的核废料处理的有效手段，世界上各核能科技发达国家均制定了ADS中长期发展路线图[1]，我国也于2011年正式实施了未来先进核裂变能的战略性先导科技专项，其中强流质子直线加速器项目的注入器Ⅱ部分由中国科学院近代物理研究所承担。
强流重离子加速器装置电源预研及进展
强流重离子加速器装置电源预研及进展高大庆; 周忠祖; 吴凤军; 高杰; 燕宏斌; 黄玉珍; 崔渊; 王晓俊【期刊名称】《《原子能科学技术》》【年(卷),期】2019(053)010【总页数】7页(P2048-2054)【关键词】强流重离子加速器装置; 电源; 脉冲【作者】高大庆; 周忠祖; 吴凤军; 高杰; 燕宏斌; 黄玉珍; 崔渊; 王晓俊【作者单位】中国科学院近代物理研究所甘肃兰州730000; 中国科学院大学核科学与技术学院北京100049; 惠州离子科学研究中心广东惠州516003【正文语种】中文【中图分类】TL56强流重离子加速器是探索物质间基本相互作用、物质结构和宇宙演化的最基本手段之一，近年来，美国、德国、俄罗斯等世界科技强国相继开建了各自的新一代强流重离子加速器装置，包括放射性同位素束流装置FRIB(美国)、国际反质子离子研究装置FAIR(德国)、重离子对撞机NICA(俄罗斯)，这些项目的开工建设极大地推动了国际核物理、原子物理实验研究的发展。
在国家制定的“十二五”大科学工程规划中决定由中国科学院近代物理研究所主持建造新一代的强流重离子加速器装置(HIAF)，HIAF已于2018年12月开工建设，预计2025年建成。
HIAF是全新一代强流重离子加速器，瞄准国际上重离子物理及重离子科学的最前沿，其主要性能超过或与当今国际同类装置持平。
HIAF由强流超导离子源SECR、强流超导离子直线加速器iLinac、增强器BRing、高精度环形谱仪SRing及多个实验终端和相关配套设施构成[1]。
为了提高实验精度、增强国际竞争力，对HIAF的流强等主要技术指标提出了较高要求，其中增强器BRing是整个HIAF加速器系统的核心，是获取高流强、高能量、高品质重离子束流的关键装置。
电源与磁铁系统共同组成的磁场系统是HIAF的重要组成部分，HIAF性能与磁场系统性能密切相关。
BRing主要电源全部工作于脉冲模式，BRing工作模式相当特殊，其挑战主要集中于增强器BRing的特殊运行模式和极高的技术指标。
医学能量加速器性能的分析与测试
医学能量加速器性能的分析与测试一、引言医学能量加速器是医学影像学和放射治疗领域中重要的一种设备，在肿瘤治疗中具有重要的作用。
因此，对其性能的分析和测试是非常必要的。
本文将从加速器的发展历史、分类以及测试与分析等方面进行探讨。
二、历史和分类医学能量加速器是一种可以加速电子、质子和重离子等粒子，使其速度达到接近光速的设备。
早期的医学能量加速器主要用于生产同位素，直到20世纪50年代，才开始使用加速器进行医疗放射治疗。
根据粒子种类的不同，医学能量加速器可以分为质子加速器、电子加速器和重离子加速器三类。
其中，质子加速器由于具有穿透力强、对正常组织侵袭小等优点，在治疗肿瘤方面具有独特的优势，被广泛应用于肿瘤治疗领域。
三、常规测试和分析医学能量加速器常规的测试项目包括辐射束形状和剂量分布等方面的测试。
其中，辐射束形状的测试是用来测试辐射束在不同的位置上的尺寸和形状，以此确定辐射束在患者身上照射位置的大小和位置。
剂量分布的测试是用来测量辐射束在不同位置上的剂量分布情况，以此确定辐射束在患者身上照射时的剂量大小，从而确保对患者的治疗有效性。
除了常规测试之外，还有一些其他的测试和分析项目，如能量测量、辐射阻抗测试、束流稳定性测试等。
其中，能量测量是用来测量辐射束的能量大小，确保辐射束的能量符合治疗要求。
辐射阻抗测试是用来测试加速器在运行过程中的电磁兼容性和可靠性。
束流稳定性测试是用来测试辐射束在运行过程中的稳定性，确保辐射束的稳定性符合治疗要求。
四、新技术的应用随着科技的不断发展，医学能量加速器也在不断优化升级。
在目前的医学能量加速器的发展中，有以下几种新技术的应用：1. IMRT技术IMRT技术是一种利用计算机优化治疗方案，控制辐射束的强度和体积，以最大限度地降低对正常组织的损伤和最大化肿瘤治疗效果的技术。
2. VMAT技术VMAT技术是一种新的调强技术，可以在治疗过程中控制加速器辐射束的强度和方向，以最大程度地减少对正常组织的损伤。
ADS强流质子LINAC束流刮束器装置设计
重复精度是测量刮束器运动稳定系统的一个非常重要的精度指标，受线性驱动 装置丝杠间隙，导轨间隙以及摩擦等特性的影响。精密丝杠选择北京的卓立汉 光精密导轨和精密丝杠，分辨率是0.16um，单向重复精度为0.1um，双向重复 精度为1um。通过在控制系统中输入理论值，测量实际值，以CF150法兰中心为 中心点，直线导轨平面为z向法面，建立坐标系，测量刀口刀法兰中心的距离， 重复测量4次得到结果如下表所示。
刮 束 器 装 置 设 计
刮束器的性能包括刀口的直线度、平行度和刀口运动的重复精度， 以及刮束板的耐热负载性能和精密控制。为满足实验对束流的要求， 刮束器可在真空度为1x10-8pa真空度下灵活运动。在0-40mm范围内 开合，并且在缝宽一定的情况下，在束流管道中心正负20mm的范围 内扫描，要求结构尽量简单、可靠，以保证良好的真空性能。
采用耐高温的钽铜复合板，表层钽厚度为4mm。刮束器要求两刮 束板刀口相互平行，在0-40mm范围内开合，并且在缝宽一定的情况 下，在束流管道中心正负20mm的范围内扫描。重复精度不得差于 0.005mm。
刮 束 器 装 置 设 计
根据滚珠丝杠驱动扭矩计算电机功率。 电机的实际驱动扭矩：T=(T1+T2)*e ， T：实际驱动扭矩； T1：等速时的扭矩； T2：加速时的扭矩； e： 裕量系数。 等速时的驱动扭矩：T1=（Fa*I）/（2*3.14*n1），T1：等速驱动扭 矩kgf.mm； Fa：轴向负载； Fa=F+μmg， F：丝杠的轴向切削力N，μ：导向件综合摩擦系数，m： 移动物体重量(工作台+工件)kg，g:9.8 ； I：丝杠导程mm；
根据上述设计结构加工制造的高真空精密水冷刮束器如图所示。在束诊系统中 有水平和垂直两套刮束器来限定束流的位置，通过在刮束器上设计CF150标准 刀口法兰可以直接将刮束器安装在靶室上。
医用电子直线加速器质量检测分析
医用电子直线加速器质量检测分析1引言医用电子直线加速器在肿瘤治疗领域之中有着非常重要的作用，为了确保放射治疗的安全性和有效性，就需要医疗机构能够做好质量控制措施。
只有对医用直线加速器的配置以及使用过程中存在的问题进行有效的掌握以及应对，才能够为质量管理提供足够多的科学依据。
2设备配置与质控状况分析2.1现阶段的医用直线加速器类型进行探究。
本次研究主要就16家医疗机构中的应用电子直线加速器设备进行检测，共有18台设备，就所有设备进行分析，发现只有6台设备能够提供X线束来进行治疗，并均为单光子直线加速器。
2.2各个医疗单位的质控力量调查。
对16家医疗机构来进行调查，发现各家医院放射治疗科中均配有医用直线加速器物理师，但是其从业黏液超过5a的自身物理师比较少，所占据比重也只有50%。
此外在各个医院中还存在有比例不够均衡的问题。
部分医疗机构的质控设备欠缺，并缺乏有最基本的绝对剂量计，质控手段也相对欠缺[1]。
3性能检测状况3.1检测目标、设备以及条件。
在本次研究中应用《医用电子加速器辐射源》中的相关内容来进行检测，其检测项目同分为两大类，13项计量参数[2]。
此外本次研究中所有的检测人员均获取到了大型医疗设备检测资质，而2名主要检测人员也都具备有放疗物理师资格。
主要检测设备包含有三维扫描水箱、绝对剂量仪、标准电力室等。
检测环境温度保持在25～35℃，将检测的大气压强范围控制在90～110kPa。
3.2检测结果。
因为受到了设备使用年限、人员质控能力、操作经验以及科室管理情况等诸多因素的影响，结果表明各个医疗机构医用直线加速器的初检合格率有着非常大的差异性，其总体合格率相对较低。
在本次检测中，发现对检测结果影响比较大的项目主要为电子束辐射野的均整度、电子束的辐射质、电子束剂量示值的误差等相关参数。
所有的设备在经过医疗机构质控工作人员调试之后，相关参数均符合标准。
具体检测结果如表1所示。
4质控情况简析以及建议4.1质控情况分析。
强流回旋加速器综合试验装置谐振腔关键高频参数的测量方法研究
￥１ ２／
ｇｐ ａ Ａ
￥１ ２／
ｚｖ ａＢ
简便易行 ， 而且实验所得出的数据相对 比较精 确 ， 全 可 以满 足对 回旋 加 速器 腔 体并 联 阻抗 完 的测量与校正。这为回旋加速器加速缝隙电压 的测量与校正提供 了一种实用且有效的途径。
（） ２ 加速腔在频率 谐振 ， 也就是说 ， 腔体 谐振时 ， 腔体并联阻抗 Ｒ表现为纯阻。 （） ３ 近似值 Ｚ 《Ｒ ｏ 。 根据传输线理论 ， 有的要素都依赖 于特 所 征阻抗 ｚ 与并联 阻抗 Ｒ的 比值 。测量 ｓ 参 。 ：
数， 我们 便 可确 定等 效并 联 阻抗 Ｒ。从 端 口 ２ Ｂ
量 精度 受 限。
应位置所需的加速 电压值 ， 即可得到所需驱动 功 率值 。
２ ２ 结果 分 析与验 证 ．
３ 结 论
通 过理 论推 导 ， 实验测 试数 据表 明 ， 方 与 此 法 对 于 回旋 加 速器 加 速缝 隙 电压 的测 量 ， 仅 不
为验 证方 法 的准 确 性 ， 文 以金 属 实 验 腔 论 为平 台 进 行 了 实验 验 证 。测 量 方 法 与 前 述 一 致ｌ ｍ ｅ ａｃ ，Ｖ ｈ ｇ ｉｒ ｕｉ ４ ． ａｚ ａａ ｅ Ｉ ｐｄ ｎｅ ｏ ａｅ Ｄｓｉ ｔ ｎ ｌ ｌ ｔｂ ｏ
ｌ４ 符合设计要求。计算可得该腔体中心区位 ：， 置达 到 ６ Ｖ时 ， 需 驱 动 功 率 为 ３ ． Ｗ。 Ｏｋ 所 ３ ７ｋ 与计 算 机仿真 数据 对 比 ， 图 ５所示 如 引。
从网络分析仪 中可 以得到不同位置处 的 ｓ 数 ：
据 ， 探 头 带 有 ５ 并 联 阻 抗 时 ， 据 公 式 在 ＯＱ 根
中国加速器驱动次临界系统主加速器初步物理设计
中国加速器驱动次临界系统主加速器初步物理设计闫芳，李智慧，唐靖宇(中国科学院高能物理研究所，北京100049)摘要：中国加速器驱动次临界系统(C-ADS)计划采用一个平均流强为10mA的连续波质子加速器作为次临界堆的驱动器，驱动加速器的束流功率为15MW，最终能量1.5GeV，其中主加速器是驱动加速器的一个重要部分，完成束流能量从10MeV到1.5GeV的加速，所有加速腔均采用超导结构。
为了避免频繁束流中断对反应堆的损坏，设计要求驱动加速器在运行过程中束流可以中断的次数非常有限，因此加速器在设计过程植入了容错机制，尝试了各种可能的方法以最大程度地满足C-ADS加速器的高可靠性和稳定性的要求。
介绍了C—ADS主加速器的基本设计：总长度306．4 m，束流的归一化RMS发射度增长控制在5％以内。
总结了各个重要参数选择过程中的考虑以及整个加速段多粒子跟踪模拟的束流动力学结果。
关键词：中国加速器驱动次临界系统；连续波；质子；超导直线加速器；容错机制；束流动力学中国加速器驱动的次临界系统（C-ADS）计划是解决核废料和核燃料问题的一个重要的战略研究。
一个1.5GeV电子直线加速器计划建成作为C-ADS的驱动程序加速器。
它包括两个主要部分：注射器和主加速器的主要部分。
高能物理所（IHEP）和近代物理研究所（IMP）合作，在20年内构建驱动程序加速器。
IMP负责注射器2，它基于162.5兆赫的射频四极（RFQ）和超导半波谐振器（HWR）的空腔，高能所负责的是基于325 MHz RFQ和轮辐腔的主直线加速器和注射器1。
这两个注射器将被独立设计和建造。
最后只有一个计划将被选择并且两个相同的注射器将作为彼此的热待机备用。
主直线加速器的设计将根据喷射器的选择进行调节。
虽然目前的主加速器的设计是基于注射器I框架，设计原则和方案是根据同时两个注射器的条件考虑。
1、设计原则在大电流的射频（RF）线性加速器的现有设计中，聚束粒子束不处于热平衡[1]。
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C-ADS强流质子直线加速器调谐系统测试分析
张磊;王锋锋;刘鲁北;王若旭;于培炎;高郑;张斌
【期刊名称】《强激光与粒子束》
【年(卷),期】2018(30)12
【摘要】调谐系统是C-ADS超导直线加速器不可或缺的一部分,在加速器运行过程决定了超导腔的运行频率,直接影响了粒子加速的效果.为了充分了解调谐系统的工作情况和分析调谐系统出现的问题,设计了实验对调谐系统进行全方位测试.首先对调谐器的杠杆机构和剪叉机构进行了力学分析,而后对半波长谐振(H WR)超导腔在不同状态下进行了电场模拟,得出设计的调谐力和调谐位移满足H WR腔频率调谐要求.最后通过详细实验,采用自动、手动等方式测试了恒温器CM1,CM2,CM3中超导腔调谐器工作时的线性度、回程差、直线单元部分的线性度及回程.结果显示:CM1的调谐器基本满足慢调谐需要,CM2存在1200步回程,主要原因在于直线单元部分;CM3中调谐器的回程差较大,线性度不高,需要进一步改进.
【总页数】7页(P92-98)
【作者】张磊;王锋锋;刘鲁北;王若旭;于培炎;高郑;张斌
【作者单位】中国科学院近代物理研究所,兰州 730000;中国科学院大学,北京100049;中国科学院近代物理研究所,兰州 730000;中国科学院近代物理研究所,兰州 730000;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院近代物理研究所,兰州730000;中国科学院近代物理研究所,兰州 730000;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院近代物理研究所,兰州 730000;中国科学院近代物理研究所,兰州730000
【正文语种】中文
【中图分类】TL5
【相关文献】
1.我国建成首台强流质子直线加速器为洁净核能的开发等奠定重要技术基础 [J],
2.强流直线感应加速器束流智能调谐系统设计 [J], 章文卫;蒋薇;张开志;代志勇;石金水
3.强流直线感应加速器束心轨迹调谐技术探索 [J], 蒋薇;章文卫;陈楠;张开志
4.ADS强流质子直线加速器束流刮束器装置设计 [J], 康新才;武军霞;毛瑞士;张雍
5.强流质子直线加速器高频数据系统设计 [J], 宫正;高郑;薛纵横;朱正龙;陈奇;马瑾颖;金珂安;黄贵荣;张生虎
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