移动式加速器中子源控制系统的设计与研制
中子源及中子成像等相关技术的介绍
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加速器单能中子源常用数据手册
加速器单能中子源常用数据手册
【最新版】
目录
1.加速器单能中子源的概述
2.加速器单能中子源的常用数据
3.加速器单能中子源的应用领域
正文
加速器单能中子源是一种科研设备，它通过加速器产生单能中子，为科研工作者提供高精度、高能量的中子源。
这种设备在物理、材料、生物等多个领域都有广泛应用。
加速器单能中子源的常用数据主要包括中子的能量、通量、束宽等。
其中，中子的能量可以通过选择不同的靶材和加速器参数进行调整；通量是指单位时间内通过某一截面的中子数，它决定了实验的效率；束宽是指中子束在出口处的角度范围，它影响了中子束的空间分辨率。
加速器单能中子源的应用领域主要包括以下几个方面：
1.材料研究：通过中子衍射、中子散射等技术，可以对材料的微观结构进行无损检测，这对于材料的设计、制备和性能优化具有重要意义。
2.物理研究：中子源可以用于研究原子核的结构和性质，以及物质的微观世界。
3.生物医学：中子源可以用于研究生物大分子的结构和功能，以及药物的代谢和作用机制。
4.国防科技：中子源可以用于研究核武器的设计和性能，以及核材料的检测和识别。
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中国散裂中子源加速器前端运行及改进
收稿日期：2020-04-06作者简介：欧阳华甫（1965—），男，二级研究员，博士生导师，研究方向：加速器物理与技术.基金项目：国家自然科学基金项目“强流脉冲负氢离子源高占空比的性能研究”（11875271）.第35卷第2期2021年4月白城师范学院学报Journal of Baicheng Normal University Apr.Vol.352021No.2中国散裂中子源加速器前端运行及改进欧阳华甫，刘盛进，肖永川，吕永佳，曹秀霞，薛康佳，李辉，朱仁丽，陈卫东（中国科学院高能物理研究所东莞分部，广东东莞523803）摘要：2020年2月，中国散裂中子源打靶束流功率达到100kW ，提前一年半实现一期设计指标.从此，中国散裂中子源开始在该功率下日常运行，对用户开放.截至目前，中国散裂中子源的运行效率在93%左右，高于国际同类散裂中子源的同期水平.直线加速器前端系统作为中国散裂中子源加速器的起点，提供散裂中子源所需要的束流，是中国散裂中子源的重要和关键组成部分，前端系统能否稳定运行决定了散裂中子源的运行效率.文章主要介绍前端系统最近几年的运行，及为解决离子源的稳定性和RFQ 的打火问题所进行的改进.关键词：中国散裂中子源；前端系统；负氢离子源；低能传输线；预切束器；RFQ ；打火中图分类号：O571.53文献标志码：A 文章编号：1673-3118（2021）02-0001-110引言中国散裂中子源（CSNS ）是一个基于高功率加速器的多学科的实验平台，由加速器、靶站和谱仪三部分构成.加速器则主要由一台能量为81MeV 的负氢直线加速器（LINAC ）、一台能量为1.6GeV 的快循环同步加速器（RCS ）和两条束流传输线构成.负氢直线加速器由一台能量为50keV 的潘宁表面等离子体负氢离子源（IS ）、一条长度为1.6m 的低能束流传输线（LEBT ）、一台能量为3.0MeV 的射频四极加速器（RFQ ）、一条长度约为3.0m 的中能束流传输线（MEBT ）、一台能量为81MeV 的漂移管直线加速器（DTL ）及一条长度约为150m 的高能束流传输线（HEBT ）组成.如图1所示，加速器前端系统是指直线加速器的起始部分，包含负氢离子源、低能束流传输线、射频四极加速器及中能传输线.作为直线加速器的起点，前端系统是CSNS 的重要和关键组成部分，为CSNS 提供所需要的负氢束流.前端系统能否提供稳定可靠的束流，直接决定了CSNS 的运行效率.事实上，由于前端系统的复杂性及高难度，其故障率也一直偏高.基于CSNS 一期100kW 打靶束流功率的要求，前端系统需提供重复频率为25Hz ，脉冲宽度为400μs ，束流占空比为1%，能量为3.0MeV ，最大脉冲强度为15mA 的脉冲负氢束流.另外，前端系统还需在低能传输线对脉宽为400μs 的宏脉冲束流进行切束处理，把束流切成重复频率约为1MHz ，脉宽约为500ns （根据需求可进行调整）的微束团，以满足束流从直线加速器到RCS 多圈注入的物理要求.15mA 的脉冲白城师范学院学报第35卷束流需求，已经考虑到了束流50%切束损失、直线加速器传输损失及RCS 环注入及传输损失，因为100kW 的打靶束流功率对应切束前后的负氢束流强度为6.25mA.图1CSNS 前端系统示意图自2015年完成前端系统的安装和初步调试后，前端系统能够满足散裂中子源后续功率提升过程中所需要的各种束流强度及出束模式需求，但其稳定性在调试及运行时并不太令人满意.前端系统的不稳定性主要来自离子源高压打火（包括引出电压及加速电压）及RFQ 腔体高功率下的射频打火.为此，在后续5年的调试和运行中，针对前端系统上述问题进行了诸多软硬件上的改进，使系统的稳定性及运行效率有了极大的提高.同时，由于运行人员对系统了解的加深及运行经验的提高，前端系统的故障率得到进一步改善.1潘宁表面等离子体负氢离子源（IS ）离子源是加速器的起点，用于产生CSNS 所需的负氢离子束.其关键是要能够提供大流强、低发射度的负氢离子束，同时离子源运行稳定可靠、使用寿命适当.离子源能否提供高品质的稳定束流关系到整个加速器及散裂中子源的性能和运行效率.CSNS 采用的是潘宁（Penning ）表面等离子体负氢离子源，该类型离子源在流强、发射度及使用寿命等方面都满足CSNS 一期要求，造价也相对便宜.潘宁表面等离子体负氢离子源是一种弧放电需要注铯的离子源，只有往放电室注入合适的铯蒸汽，才能得到稳定的弧放电及足够大的负氢束流.CSNS 负氢离子源的主要束流参数如表1所示.表1负氢离子源的主要束流参数参数类型能量/keV 脉冲束流强度/mA 归一化均方根发射度/（πmm·mrad ）重复频率/Hz脉冲脉宽/μs束流占空比/%寿命/month 数值50>20<0.20254001.3>1如表1所示，离子源的引出能量选择为50keV ，兼顾了包括离子源的高压难度及稳定性、低能传输线束流发射度增长、RFQ 的注入能量等几个方面的因素.离子源输出脉冲束流强度必须大于20mA ，是因为必须考虑前端系统自身的束流传输效率.通常情况下，前端系统的束流传输效率大于75%.离子源2欧阳华甫，等：中国散裂中子源加速器前端运行及改进第2期束流占空比为1.3%，也远远超出了CSNS 对前端束流占空比1%的要求.离子源的主要构成、放电室组件及安装情况如图2所示.束流（包括电子和负氢）垂直向下引出后，通过90°偏转磁铁的偏转，实现引出负氢束流与引出电子的分离，电子损失在偏转磁铁中，负氢束流偏转90°后继续沿水平方向传输进入低能传输线.该离子源的寿命约为30～50天，基本满足散裂中子源用户需求.离子源的寿命主要受限于离子源核心部件——放电室的溅射损伤.放电室主要包括缝板、阳极、阴极、陶瓷绝缘环和放电室壳体.新放电室的安装和调试准备工作可以事先在实验室进行.目前，将寿命到期的旧放电室（包括放电室相关部件）更换成新放电室并让离子源重新正常工作所需要的时间约为4～6个小时，因放电室的更换必须在大气压下进行，时间主要用在系统的真空恢复上.（a ）离子源的主要构成（b ）放电室组件（包括缝板、阳极、（c ）放电室在法兰上的安装阴极、陶瓷绝缘环和放电室壳体）图2离子源的主要构成、放电室组件及安装情况图中国散裂中子源的调试和运行至今已超过5年时间，总共使用了约40套放电室，使用时间最长的一套放电室为55天.一般而言，对每一套放电室，在重复频率为25Hz ，脉冲宽度为400μs ，束流占空比为1%的运行状态下，离子源最大能引出约50mA 的负氢束流，束流的归一化均方根发射度约为0.8πmm·mrad ，大于RFQ 所需要的0.2πmm·mrad 接收度，但仍有超过20mA 的束流小于RFQ 的接收度，满足CSNS 一期对离子源束流强度的要求.为了确保RFQ 的传输效率，我们将多余的、不满足RFQ 接收度的束流通过安装在RFQ 入口、LEBT 末端第三真空腔内的束流准直器进行刮除.事实上，在CSNS 日常运行中，离子源引出的负氢束流只要大于30mA 就能实现100kW 打靶束流功率.离子源从2014年10月安装到隧道至今，针对离子源的稳定性问题我们已经进行了诸多改进.首先，把等离子体放电所需的潘宁电磁铁更换成永磁铁.永磁铁因无供电需求，安装位置更加灵活，方便永磁铁和离子源放电室安装在相同法兰上.这样，放电室与永磁铁所处电位相同，避免了永磁铁与放电室间的打火，提高了离子源稳定性.其次，将离子源引出电源从电源厅移至隧道离子源旁边，引出电源输出电缆长度变短，减少了线缆的寄生电感及电缆的感应电压，引出负载电压更加稳定.再次，更换了新的加速高压绝缘陶瓷件，与旧的高压绝缘件相比，新的高压绝缘件增加了一个高为45mm 的陶瓷衣领，在保证加速间隙不变的情况下增大了绝缘件的爬电距离（增大了90mm ），使50kV 加速高压打火问题得到了彻底解决.最后，用功率更大的直流高压加速电源（65kV/80mA ）代替原高压加速电源（55kV/10mA ），省去了高压电源的外接电容，打火能量得到了很好的控制，设备更加安全.经过这些改进，彻底解决了加速高压的打火问题、放电室与潘宁磁铁之间的打火问题以及引出输出线缆寄生电感带来的问题，控制了高压打火的能量.离子源的稳定性及可靠性得到极大的提高［1］.但是引出高压打火的问题并未得到彻底解决，可能还会存在一段时间.只有当铯注入量的问题得到3白城师范学院学报第35卷解决后，引出高压打火的问题才能避免.正如前面所述，潘宁表面等离子体负氢离子源是一种弧放电需要注铯的离子源，只有往放电室注入合适的铯蒸气，才能得到稳定的弧放电及足够大的负氢束流.铯的熔点为28.4o C ，沸点为678.4o C ，离子源铯的工作温度远远小于铯的沸点温度.引出高压的打火原因是铯蒸气在包括引出电极、引出电极陶瓷绝缘柱等上的沉积及积累降低了引出高压的绝缘耐压.为了提高等离子体放电的负氢产额，一般都会往负氢离子源放电室注入铯蒸气.注入放电室内的铯蒸气量必须严格控制，当铯原子铺满放电室阴极（金属钼）表面晶格原子的60%，负氢产额最佳.目前，我们是通过控制铯锅及铯传输管道的温度来控制铯的蒸气压，从而控制铯注入放电室的流量.我们知道，蒸气压只与温度有关，是温度的指数函数.只有严格控制好铯的注入量，才能保证离子源的最佳出束状态，同时避免引出高压的打火，保证离子源运行的稳定性.虽然铯的注入量物理上可以通过铯的蒸气压及放电室的压力差计算出来，也可以通过光谱仪测量放电室里铯蒸气的浓度得到，但要在线同步控制铯的注入量并非易事.实际运行中，我们是通过铯注入量对等离子体放电的外在表现来实现铯注入量的间接控制.铯注入量主要对等离子体放电以下参数或波形有影响：（1）弧放电电压的大小（稳流工作模式）；（2）引出电流的大小（包括负氢束流和电子）；（3）负氢束流流强的大小；（4）负氢束流脉冲波形的形状和光滑度.原则上，除了最后一点以外，其他三个都可以用来作为铯注入量的反馈参数，实现铯的注入量闭环控制.图3显示的是离子源输出的三种负氢束流脉冲波形，分别代表铯注入量不足、适量和过多的情况.如图3所示，当铯注入量不足时，负氢束流脉冲波形平顶会很不光滑，而当铯注入量过多时，脉冲内的负氢束流的大小会出现前高后低的现象.图3离子源输出的三种负氢束流脉冲波形（曲线1），从左至右分别代表铯注入量的不足、适量和过多三种情况另外，针对加速器低占空比或单发模式下的调试、运行等特殊情况下，引出高压容易打火的问题，研制了一台新型的、具有双脉冲输出的引出电源.在进行物理调试及机器研究时束流损失通常会比较大，为了避免束流损失造成的设备损伤，加速器调试和机器研究需在低占空比（如1Hz/100μs ）或单发模式下（降低束流的平均功率）进行.这时也是离子源引出电压最易出现打火或引出过流问题，原因是这时打在引出电极的束流（电子和负氢打在引出电极上的束流具有很好的清铯功能）平均量很小，引出电极此时很容易积铯，降低引出电极的耐压.为解决物理调试和机器研究时加速器低占空比或单发模式运行下的引出电压打火问题，我们研制了一种新型的双脉冲输出引出电源，该引出电源能够先后输出两个电压脉冲.如图4所示，利用该电源的25Hz 、低电压（电压<8kV ）、宽脉冲引出的束流，可以清除引出电极上的积铯.该脉冲束流因能量低，全部损失在LEBT 而不会进入RFQ ，对下游加速器没有任何影响.而另一个正常的1Hz 、正常电压（14～17kV ）、窄脉冲引出的束流可以通过LEBT 进入到RFQ.当然，在100kW 4欧阳华甫，等：中国散裂中子源加速器前端运行及改进第2期束流功率运行（25Hz/400μs ）时，如有需要，我们也会启用引出电源的除铯功能.图4利用新的引出电源，离子源可引出两个脉冲束流（曲线1），左边的是正常的束流脉冲，右边的是除铯脉冲，曲线2显示的是离子源的弧流脉冲波形为了提高前端系统的稳定性，除了上述硬件上的改进，我们在软件方面也做了诸多改进和提高.第一，规范化离子源放电室的安装及更换步骤和流程，提高了离子源放电室的可靠性和一致性；第二，在控制上，我们设计了三个闭环控制程序分别用来控制铯蒸气的注入量、离子源的引出束流轨道及打靶束流功率.图5显示的是这三个闭环控制程序的操作界面.第一个闭环控制程序是离子源引出电压自动调节程序，该程序的功能是根据引出电流的大小自动调节引出电压的设定值，来确保负载电压的稳定和束流轨道稳定在中心位置.因为引出电源输出线路上串联电阻的存在（保证电源引出打火时的安全），引出电流的波动会改变串联电阻上的电压降从而导致负载电压的变化，为了保持负载电压和束流轨道稳定，这时就必须调节引出电压的设置值.图5前端系统的三个闭环控制程序操作界面如图5所示，引出电压的设定值的调节步长可以精确到0.05kV.第二个闭环控制程序是LEBT SOLPS01（低能传输线1号聚焦螺线管）电流自动调节程序.正如前面所述，目前离子源具有提供大于100kW 束流功率的能力，多余的束流可以通过低能传输线安装的束流准直器刮除.调节低能传输线第一个螺线管励磁电流的大小，即可调节螺线管的聚焦，改变束流在束流准直器处包络的大小，从而改变5白城师范学院学报第35卷束流准直器刮除束流的量，也即进入RFQ 束流大小，实现螺线管励磁电流和打靶束流功率的闭环控制和功率的锁定.操作界面中，打靶束流功率控制在100～101kW 之间，螺线管励磁电流改变的步长为0.5A.图6显示的是2021年4月2日—3日24小时的打靶束流功率曲线.从图6可以看出，打靶束流功率的稳定性非常好，这一天的运行效率也达到了98.97%.图6CSNS 24小时打靶束流功率图第三个闭环控制程序是铯锅（或管道2）温度自动调节程序，利用引出负氢束流和引出电流的大小与铯蒸气的注入量即色温的相关性，根据CSNS 100kW 束流功率运行对引出负氢束流的实际需要（一般需要大于30mA ）以及引出电流上限（引出电流太大，容易导致引出电源的过流保护），自动调节铯锅（或管道2）的温度.CSNS 离子源的供铯系统如图7所示，主要包括铯锅、铯传输管道1和管道2.铯锅和管道1位于真空外，外缠电加热丝及绝热玻璃带，并装有热偶测温.管道2位于真空内，也是外缠电热丝并装有热偶测温.三者可以独立加热和测温.通常情况下，铯锅的温度为140～170o C ，管道1和管道2的温度为260～280o C.在铯注入量适量的情况下，引出负氢束流的大小与铯的注入量（或温度）正相关，而引出电流则与铯的注入量（或温度）反相关（在不考虑漏电流的情况下）.但是，由于铯蒸汽在包括引出电极、引出电极陶瓷绝缘柱等上的沉积及积累，在放电室使用一段时间后，引出电流中的漏电流会占主导地位，这时引出电流与铯温正相关.如果前期铯的注入量没有严格控制好，引出高压打火及引出过流此时就很容易发生.在离子源的实际运行中，我们可根据离子源的运行状态选择铯锅的温度或管道2的温度作为调节参数.图5控制界面显示的是选择管道2作为调节参数.管道2因为紧靠放电室，引出负氢束流的流强（表征为LEBTCT01）对管道2的响应更加快速.LEBTCT01是通过安装在离子源的出口、LEBT 入口的束流变压器（CT01）测量得到的.这里最小LEBTCT01设置值为33mA ，最大LEBTCT01设置值为36mA.当LEBTCT01的值大于36mA 时，程序会自动按照设定的温度调节步长（这里为0.5o C ），在设定的降温调节时间间隔内（这里为600s ）降温；当LEBTCT01的值小于33mA 时，程序也会自动按照设定的温度调节步长（这里为0.5o C ），在设定的升温调节时间间隔（这里为6×600s ）升温；因为铯的注入量有累积效应，所以选择的升温时间间隔更长.而当LEBTCT01的值在33～36mA 之间，保持色温不变.另外，为确保离子源运行的稳定性，程序还设置了最大引出电流（550mA ）和最小引出电流（300mA ）的安全范围，只有在设定的引出电流范围内，铯温才进行调节.自从启用铯温自动调节程序后，前端系统实现了电话（on-call ）值班，既节省了人力，同时离子源的运行也更加稳定.尽管如此，对于不同放电室，铯温自动6欧阳华甫，等：中国散裂中子源加速器前端运行及改进第2期调节程序中的参数设定值也会不同，需要根据离子源的具体放电状态进行调整.图7CSNS 离子源的供铯系统，包括铯锅、铯传输管道1及铯传输管道22低能束流传输线（LEBT ）如图1所示，LEBT 主要包括三个聚焦螺线管、两个双向导向铁、一套双缝扫描发射度测量仪、一个偏转板型静电预切束器及一个束流准直器.发射度测量仪安装在第一个螺线管下游LEBT 中间的位置.图8显示的是束流强度为53mA 时，由LEBT 发射度测量仪测得的束流发射度结果.测量结果表明，x 方向和y 方向的归一化均方根发射度分别为0.892πmm∙mrad 和0.742πmm∙mrad.在发射度0.2πmm∙mrad内，x 方向和y 方向的束流强度分别为15mA 和25mA ，基本满足CSNS 一期对离子源束流强度的要求.显然，束流在两个方向的发射度并不是旋转对称的，这也正是LEBT 采用3个螺旋管而非传统的2个螺旋管的原因.理论和实验表明，采用3个螺旋管可以将非旋转对称的束流转化为旋转对称束流，实现离子源束流与RFQ 接收度的匹配.图8LEBT 束流发射度测量结果：左侧上下两图分别显示的是流强为53mA 时x 方向和y 方向的发射度；右侧上下两图分别显示的是x 方向和y 方向不同发射度（相空间中面积）内所包含的流强大小因为从离子源引出的负氢束流归一化均方根发射度约为0.8πmm∙mrad ，大于RFQ 接收度0.2πmm∙mrad 的要求，在LEBT 未安装束流准直器的初始调试阶段，如图9左所示，RFQ 的束流传输效率通常只有75%～88.5%（这里为86.5%），但RFQ 出口的束流强度（MEBTCT01）可以高达30多毫安（这里为34.81mA ），远远大于CSNS 100kW 打靶束流功率要求的12.5mA 束流强度.为了提高RFQ 的束流传输效率，减少损失束流对RFQ 腔体损害的风险，我们在RFQ 入口、LEBT 末端的第三真空腔内安装了一个束流准直器，将发射度大于RFQ 接收度的束流刮除.有了束流准直器后，如图9（b ）所示，RFQ 的束流传输效率提高到92%～97%之间.RFQ 出口束流强度越小，RFQ 束流传输线效率越高（这里束流强度为7白城师范学院学报第35卷16.726mA ，传输效率为92.1%）.（a ）没有束流准直器时，传输效率为86.5%（b ）有束流准直器时，传输效率为92.1%图9RFQ 在有无束流准直器时的束流传输效率如前所述，为了提高束流从直线加速器到RCS 的注入及加速效率，前端系统还需在低能传输线对脉宽为400μs 的宏脉冲束流进行切束处理，把束流切成重复频率约为1MHz ，脉宽约为500ns （根据需求可进行调整）的微束团.为此，我们在RFQ 入口、LEBT 的末端的第三真空腔内安装了一个偏转板型静电预切束器.之所以称之为预切束器，是因为切束后的束流，如果其上升沿/下降沿不满足要求，还需在MEBT 安装另一个切束器对束流上升沿/下降沿再切束，直至切束束流的上升沿/下降沿满足RCS 要求.预切束器安装在RFQ 的入口、LEBT 的末端，一方面，可以避免破坏束流在LEBT 的空间电荷中和效应，而空间电荷中和效应对减少束流在LEBT 传输的发射度增长非常重要［2-3］；另一方面，因为束流在RFQ 入口为汇聚束，束流包络小，这样静电预切束器尺寸就小，其负载电容也小，切束束流的上升沿/下降沿也就小.为进一步减小偏转板型静电预切束器的负载电容，两块偏转板之间并非平行，而是让偏转板之间的间隙随汇聚束流包络的减小而减小，同时，偏转板的宽度也随包络变小而变小.这样就可以进一步减小切束器的负载电容及工作偏转电压，减小切束束流的上升沿/下降沿.但是，因为预切束器紧靠RFQ 的入口，切除的部分束流会损失在RFQ 加速器中，对RFQ 的运行稳定性产生影响.图10显示的是重复频率为1Hz 、脉宽为100μs 宏脉冲束流经过切束后的测量结果.实验中，切束器将脉宽为100μs 的宏脉冲切成脉宽为500ns 、重复频率为1MHz 的微脉冲，切束率为50%.切束率可以根据实际运行需求进行优化调整.目前，在CSNS 100kW 打靶束流功率运行中，切束率经过优化后选择为43%，即切除的束流比例为43%.图10RFQ 出口束流的BPM 信号.上：切束后脉宽为500ns 的微脉冲；中：微脉冲束流上升沿约10～12ns；下：微脉冲束流下降沿约10～12ns8欧阳华甫，等：中国散裂中子源加速器前端运行及改进第2期图10显示的信号为RFQ出口，由束流位置监视器（BPM）给出的束流信号.加载的切束电压为4.5kV.理论上，只要加载的切束电压大于3.9kV即可彻底切除不需要的束流.但是加载的电压越大，切束束流的上升沿/下降沿就越小.从图10可以看出，切束束流的上升沿/下降沿约为3～4个射频（RF）脉冲周期.CSNS直线加速器的射频工作频率为324MHz，一个RF周期的时间为3.086ns.因此，切束束流的上升沿/下降沿约为10ns，达到了此类切束器的世界最好水平.由于CSNS LEBT预切束器完美的切束结果，MEBT不再需要另外安装切束器，为MEBT结构设计和束流物理的优化创造了有利条件.利用LEBT 的静电切束器，前端系统可以提供丰富的出束模式，更好地服务于加速器的调试和研究，如单发模式、单束团模式、双束团模式以及各种脉宽和重复频率的束流模式.3射频四极加速器（RFQ）CSNS RFQ是一个集横向聚焦、纵向聚束及纵向加速于一身的四翼型射频加速结构，也是CSNS加速器的第一个加速结构.RFQ将离子源产生的能量为50keV的负氢束流加速至能量3.0MeV.尽管CSNS 一期100kW打靶束流功率只要求前端系统提供束流强度为15mA、脉宽为400μs、重复频率为25Hz的脉冲束流，但考虑到CSNS二期升级的需要，RFQ设计的脉冲束流强度选择为40mA［4］，同时RFQ腔体的冷却设计也是按CSNS二期的RF占空比进行的，RFQ设计的参数值如表2所示.表2CSNS RFQ的主要设计参数参数类型工作频率/MHz注入能量/keV输出能量/MeV脉冲束流强度/mA脉冲束流宽度/μs束流重复频率/Hz注入归一化均方根发射度/（πmm·mrad）极间电压/kVRFQ长度/mm数值324503.040400250.2803620.074参数类型束流传输效率/%最大表面场强/（MV·m-1）平均束流孔径/mm电极头半径/mm腔体功率损耗/kW电极长度/mm入口间隙/mm出口间隙/mm数值97.631.683.5653.1733903603.0998.0058.970正如前面所述，为了尽量减小预切束器的负载电容、切束电压及切束束流上升沿/下降沿，预切束器安装在RFQ的入口、LEBT末端的第三真空腔里.这就导致切除的束流部分损失在RFQ加速腔内，造成RFQ加速腔的慢损害及RFQ的射频打火，影响RFQ运行的稳定性.在CSNS初期的10kW打靶束流功率调试和运行期间，切除束流对RFQ的稳定运行几乎毫无影响.但在2018年5月，随着CSNS打靶束流功率提高到20kW，切除束流对RFQ的稳定影响越来越大，甚至到了RFQ不能运行的程度，必须停束并进行RFQ射频高功率老练，老练后运行方能继续下去.经过理论和实验分析，RFQ打火原因聚焦在切除束流上.根据注入RFQ的束流参数，理论热分析表明损失在RFQ腔上的束流功率不可能融化RFQ的金属铜电极，只能是束流打在电极上产生的溅射，损害了电极表面的光洁度，导致高功率下电极间的耐压不够而引起射频打火.为此，我们将预切束器绕束流方向旋转45°角重新安装，使切除的束流从RFQ两个电极之间的间隙中进入RFQ腔体，打在RFQ的腔壁上.RFQ腔壁处为RF电磁场的磁场区，RF电场几乎为零.这样即使RFQ腔壁表面的光洁度变差，也不会引起RF打火.同时，物理上通过调整LEBT第三个螺旋管的聚焦，确保进入RFQ束流的包络小于RFQ电极之间的间隙；机械上通过调整RFQ入口端板束流孔径的尺寸，限制进入RFQ束流的包络，使包络小于RFQ电极间的间隙.尽管如此，在加速器的实际9。
基于电子直线加速器的中子源技术研究
基于电子直线加速器的中子源技术研究中子源技术是一项重要的科研领域，具有广泛的应用前景。
在原子核物理、材料科学、生命科学、核能、安全检测等领域，中子源都发挥着重要的作用，对于研究微观结构、功能材料和生物大分子等具有重要的意义。
而基于电子直线加速器的中子源技术是一种新兴的中子源技术，具有许多优势和应用潜力。
电子直线加速器是一种利用高频电场加速电子的设备，其作用是为产生高能电子束，中子源则是通过利用电子束与靶材相互作用产生中子。
基于电子直线加速器的中子源技术是通过将电子束与特定的靶材相互作用，产生中子束的一种方法。
这种技术有着许多优势，如高灵活性、高代谢功率、可调控性强等。
首先，基于电子直线加速器的中子源技术具有高灵活性。
传统的中子源通常需要使用加速器、裂变反应堆等设备来产生中子，而这些设备通常体积庞大、操作复杂。
而利用电子直线加速器产生中子的技术可以根据需要灵活调整中子的能量和强度，可以根据实验的需求来灵活设计实验参数，提高实验的灵活性和可操作性。
其次，基于电子直线加速器的中子源技术具有高代谢功率。
传统的中子源中，中子通常是通过裂变反应堆产生，而反应堆通常需要大量的燃料，运行成本高昂。
而利用电子直线加速器产生中子的技术可以利用电子束与靶材相互作用产生中子，不需要耗费大量燃料，降低了运行成本。
另外，基于电子直线加速器的中子源技术具有可调控性强的特点。
传统的中子源产生中子的能量通常是固定的，而利用电子直线加速器产生中子的技术可以调整中子的能量和强度。
这种可调控性可以根据实验的需要来灵活调整，不仅提高了实验的灵活性，也可以满足不同实验对中子能量的需求。
基于电子直线加速器的中子源技术在许多领域具有重要的应用潜力。
在原子核物理研究中，中子源可以用于研究核结构、核反应等问题，进一步探测高能核物理的各种现象。
在材料科学领域，中子源可以用于研究材料的结构、相变等问题，提高材料设计和开发的效率。
在生命科学领域，中子源可以用于研究生物大分子的结构和功能，为药物研发和基因治疗等提供重要的依据。
移动式加速器在快中子照相中的应用
高频 离 子源 是高 压终 端 的最 重要 部件 之 一 ， 的优 点 是结 构 简 单 ， 积 小 （ 度仅 为 ２ ７ｍ） 它 体 长 ． ，重 量 轻 （ 约 １０ ０ｋ ） 工作稳 定 ， 流 品质好 。高频 振荡 器通 过 电容耦 合 和纵 向磁 场输 送 高 频功 率 到放 电管 ， ０ ｇ ， 束 高频 离 子 源 引 出离子 电流 １ｍＡ（ 大 ２ｍＡ） 最 。进 入 放 电管 的氘 气用 钯管 来 开关 与调 节 。正 常运 行 时 ， 电极 和钯 管 的外 在 壳 之 间加 １Ｖ 左 右 的交流 电压 （ 电流 约 ２ ， ０Ａ） 使钯 管 导 通 ， 氘气 进 入 离 子 源 的放 电管 。可 通 过 调节 交 流 电流
它可作 为 ｘ射 线无 损 检测 的互 补 手段 ， 有较 大 的发 展 潜力 。国 内快 中子 照相 技 术 起 步 较 晚 ， 具 北京 大 学 口 、 ］ 中
国科学 技术 大学 ＿ 、 ２ 清华 大学 与 中 国工程 物理 研 究 院合 作 进 行 过快 中子 照相 技术 研究 ， 采用 的加 速 器 中子 ］ 但 源都是 固定 的。最 近几 年 ， 士 ］ 德 国Ｉ 、 瑞 、 ５ 日本 、 罗 斯 开 展 了 快 中子 照 相 技 术研 究 ， ］ ］俄 ］ 也采 用 的是 固定 加
移 动 式 加 速 器 在 快 中 子 照 相 中 的 应 用
周长庚 ， 唐 彬， 王新华， 李 彦 ， 娄本超， 伍春雷， 胡永宏
（ 中国工程物 理研究 院 核物理 与化学研 究所 ，四川 绵 阳 ６ １ Ｏ ） ２ ９ Ｏ
摘 要 ： 介 绍 了 移 动 式 加 速 器 的工 作 原 理 、 构 和 调 试 过 程 。该 加 速 器 具 有 体 积 小 、 量 轻 、 流稳 定 度 结 重 束 高 、 斑 直 径 小 的特 点 。移 动 式 加 速 器 是 首次 在 中 国 工 程 物 理 研 究 院 应 用 于 快 中 子 照 相 。在 调 试 过 程 中测 试 束 了小 型 移动 式 加 速 器 的 束 流 稳 定 性 等 参 数 ， 用 伴 随 粒 子 方 法 测 量 了直 流 中子 产 额 。通 过 移 动 加 速 器 和 数 字 采 照 相 系 统 的组 合 ， 得 了 初 步 图 像 。 获
加速器单能中子源常用数据手册
加速器单能中子源常用数据手册
以下是一些常用的加速器单能中子源的数据：
1. 中子能量范围：通常为几百keV到几十MeV。
2. 中子通量：表示单位时间内通过单位面积的中子数。
通常以每平方厘米每秒中子数目（n/cm²/s）为单位。
3. 中子流强度：表示单位时间内通过一个平面的中子数。
通常以每秒中子数目（n/s）为单位。
4. 中子辐射角度：中子源可能采用不同的几何形状，辐射角度是指中子辐射的角度范围。
5. 中子产生位置：中子源通常可以在不同的位置进行中子产生，这些位置可能会对中子的能谱和流强度产生影响。
6. 转换率：指能量单位的加速器输入功率与中子输出功率之间的比率。
7. 谱特性：中子源的谱特性描述了中子的能量分布和速度分布。
这些数据通常会在加速器单能中子源的说明手册中提供，以帮助用户选择合适的中子源。
但需要注意的是，具体的数据可能会因不同的加速器和中子源类型而有所差异。
因此，在使用中子源之前，最好参考相关的文献资料或咨询专家以获取准确和可靠的信息。
粒子加速器产生的中子源 锂
粒子加速器产生的中子源锂锂是粒子加速器产生的中子源之一。
粒子加速器是一种用于产生高能粒子束的设备，通过加速带电粒子（如质子、电子等）并与靶材相互作用，从而产生中子源。
锂是一种轻金属元素，具有低密度、高熔点和良好的化学稳定性。
由于其丰富的中子反应截面和较高的中子释放效率，锂被广泛应用于粒子加速器中。
在粒子加速器中，锂通常作为靶材使用。
当高能带电粒子束与锂靶相互作用时，发生核反应，产生大量的中子。
这些中子可以用于各种应用，如中子散射实验、中子辐射治疗和核技术研究等。
锂作为中子源有许多优点。
首先，锂具有较高的中子释放效率，可以产生大量的中子。
其次，锂的中子反应截面广泛，包括与质子、中子和其他粒子的相互作用。
这使得锂可以应用于不同类型的粒子加速器，并产生适用于特定实验需求的中子束。
锂还具有较长的使用寿命和较低的放射性，这使得它成为一种理想的中子源。
锂的放射性非常低，因此在使用中不会产生过多的辐射危害。
这对于需要长时间运行的实验和应用非常重要。
在粒子加速器中使用锂作为中子源时，需要注意一些问题。
首先，锂必须具有足够的纯度，以避免杂质的干扰。
其次，锂靶的尺寸和形状也需要根据实验需求进行设计和选择。
最后，锂靶在加速器束流的作用下会受到较大的热和辐射负荷，因此需要进行冷却和保护。
锂作为粒子加速器产生的中子源具有许多优点，包括高中子释放效率、较长的使用寿命和较低的放射性。
它广泛应用于中子散射实验、中子辐射治疗和核技术研究等领域。
锂的使用需要考虑纯度、靶材设计和保护等问题。
通过粒子加速器产生的锂中子源为科学研究和应用提供了重要的支持。
715-中子源介绍-钱达志
中子结合能最低的两个核素，分别为1.666MeV和2.23MeV。
二 放射性核素中子源
2、(γ ,n)中子源
➢ γ发射体则应是那些能够发出高于这两个能量γ射线的放射 性核素。天然核素有226Ra（镭）等，人工的有24Na，124Sb （锑）等。后者可将23Na，123Sb在反应堆内辐照，经(n , γ) 反应生成，可反复照射，反复使用。
加速器中子源 ➢ 散裂中子源 ➢ 中子发生器 ➢ 回旋加速器中子源
放射性核素中子源
➢ 自发裂变中子源
➢ (α,n）中子源
高通量中子源：研究堆、散裂源
➢ (γ,n）中子源
二 放射性核素中子源
• 放射性核素中子源有两类：
➢ 一类是利用某些放射性核素发射的α粒子或γ射线去轰击靶物质来产生 中子；
➢ 另一类是利用一些元素的自发裂变产生的裂变中子。
Ernest Rutherford 1930年，W.Bothe和H.Becker发现α粒子轰击Be等轻 元素时会发射一种穿透性很强的中性辐
射， 9Be ?，曾认为是γ辐射，但与多个实验不
符（如在铅中的吸收系数）
WalterBothe 1932年，居里夫人和F. Joliot通过电离室实验发现上 述辐射可以从石蜡中打出质子，从而否定了γ辐射说 （能量不足）
Irene Curie
一 概述-中子的发现
1932年，J. Chadwick采用备置线性放大器和示波器 的脉冲电离室，发现α粒子轰击铍或硼后，在放出辐射 的同时产生碳或氮反冲核，即辐射粒子为与质子质量 基本相同的中性粒子---中子。
9Be 12C n
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分， 其中中央处 理 Ｃ Ｐ Ｕ部分 在控 制 台上 ， 远程
Ｉ ／ Ｏ端 Ａ在高压头部 内， 远程 Ｉ ／ Ｏ端 Ｂ在移动 平台上。３ 个部分通过光纤交换机以光纤介质 相连 ， 远程 Ｉ ／ Ｏ端将 采 集 到 的 电信号 转 换 为光
信 号传 输 回 中 央处 理 器 进行 逻辑 处 理 ， 再将 中
数＿ ３ Ｊ 。图 ２ 为控制对象及功能示意图。
移 动式加 速器 中子 源 的控制 系统 主要 控制 ３ ０ ０ ｋ Ｖ 高 压 电源 、 高压头部 、 真 空 系 统 等设 备
图１ 所示 ， 其主要被控 系统包括高压 、 离子源 、
真空 、 冷却 、 安全联 锁 等 。
的启动、 停止、 参数调节 、 测量 、 联锁和报警。具
移 动式 加 速 器 中子 源控 制 系统 的设 计 与研 制
永宏 ， 柯建林
（ 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 ， 四川绵阳 ６ ２ １ ９ ０ ０ ）
摘要： 运用数字化处理 、 计算 机网络 、 光纤通 信等 先进 技术 ， 实现 对移 动式 加速器 中子 源 的远 程控
制。该 系统运行稳定 、 操作性强 ， 很好地满足 了用户的实验需求 。 关键词 ： 加速器 ； 中子源 ； 控制 ； 连锁保护 ； 光纤通讯
中图分类号 ： Ｔ Ｐ ２ ７ ３＋． ５ 文 献 标 志码 ： Ａ 文章编号 ： ０ ２ ５ ８ － ０ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ － ０ ０ ２ ８ － ０ ３
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２— ０ ６— ２ ０
体控 制和监 测 对象 为 ：
作者简介 ： 唐君 （ １ ９ ８ ７一） ， 男， 四川人 ， 研 究实 习员 ， 双学士 ， 主要从 事加速器应用 与技 术研究 。
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开关项 ： 直流高压电源、 高频振荡 电源 、 磁
场 电源 、 钯管电源、 离 子 源 引 出 电源 、 预 聚焦 电
子束 通过 预聚 焦进入 加速 管 被加 速 。用于 加速 的直流高 压用 Ｃ ｏ ｃ ｋ ｃ ｒ ｏ ｆ ｔ —Ｗａ ｌ ｔ ｏ ｎ倍压 整 流方 法
产 生 。被 加速 的氘 离 子束 轰 击 氚 靶 ， 通 过 氘 氚 反 应产 生 中子 。加 速器 中子 源 的结构 示 意 图如
分别 对最 终对 象或 间接 对象 测量 得 到所需 的参
图 ２ 控 制 功 能 示 意 图
源、 直 联泵 、 分子 泵 电源 、 真空计 、 水 泵电源 、 真
空阀、 中子 产额监 测 系统 等 ；
调节项 ： 直流高压 、 高频振荡 电源 、 钯管 电 源 电流 、 离子 源 引 出电压 、 预 聚焦 电压等 ； 测量项 ： 直 流高 压 、 高 压 电源 负 载 、 高 频 振
制台之间仅 由 ２ 根通讯光纤相连 ， 将信号布线 集中于主体 内部 ， 简化了加速器移动后的安装 连线 ， 并 在通 讯连 接 状态 不 良时 ， 对高 压作优 先
切 断原则 。加之 ， 高 压 头 部 电位 处 于高 压 倍 加 器 的高 压 之 上 ， 所 以对 高 压 头 部 内 的采 集信 号 与控 制信 号 也需 通 过光纤 传 到地 电位 上 ｊ 。 移动 式 加 速 器 中子 源 控 制 系 统 分 ３个 部
第３ ３卷
２ ０ １ ３年
第 １ 期
１ 月
核 电子 学 与探 测 技术
Ｎｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖｏ ｌ ＿ ３３ Ｎｏ ．１
Ｊ ａ ｎ ． ２ ０ １ ３
加 速 器 中子 源 是 一种 技 术 复 杂 ， 涉及 很 多 学科 的大 型实 验 设 施 … 。本 文 介 绍 的移 动 式
离 压 头 部
加 速 管
靶 室 柬流 测 量
加 速器 中 子 源 能 够 提 供 ３ ０ ０ ｋ ｅ Ｖ 能 量 的 氘 离
子， 并产 生不 小 于 １×１ ０ “ ｎ ／ ｓ的 Ｄ—Ｔ中子 产
友好 的人机 接 口（ Ｈ ＭＩ ） ； 控 制 器对 不 同 的 电源 以及 各类泵 直 接调 节控制 ， 最 终 达到对 高压 、 离 子源 、 真空、 冷却 、 安 全 联锁 等被 控对象 的控 制 ；
１ 移 动 式 加 速 器 中子 源 工 作 原 理
移动式 加速 器 中子 源工 作 原 理 ： 在 真 空 腔 体 采用 氘气 放 电产生 等 离 子 体 ， 利 用 引 出 电极 将 等离 子 体 中 的氘离 子 引 出形 成 氘离 子 束 ， 离
额 。同时具有 重量轻 、 移 动 方便 的特 点 ， 可 用 于 中子学 参数检 验 、 中子辐 照 、 中子照 相等 Ｊ 。
为 保障移 动 式加 速 器 中子 源 的稳 定 运 行 ，
需要开发相应的仪器控制系统 ， 以实现实验操 作、 数据 采集 和 存 储 及 安全 联 锁 等 功 能 。本 文 系统 阐述 了移 动式 加速 器 中子 源控 制系统 的设
荡 电压 、 钯 管电源 电流 、 离 子 源 引 出 电 流 及 电
压、 预聚焦 电 流及 电压 、 离 子 源 引 出束 流 、 系统
央处理主站处理后发送来的光信号转换为电信 号送往各个被控单元。实现控制参数和连锁控 制信号的采集、 隔离 、 处理、 逻辑运算和驱动输 出 Ｊ 。远 程 Ｉ ／ Ｏ端 放 在 符 合 Ｅ ＭＣ要 求 等级 的
计 方案 及具体 实 现方法 。
图１ 加速器 中子 源结 构示意图
２ 控 制 系统 功 能
移 动式 加速器 中子源 控制 系统 功能 是根据 系统 需求 精 确 控 制束 流 光 学 元件 调 束 ， 获 取实 验 数据 ； 实 时显示 各束 流 收集器 参 数 ， 监 视 中子 发生 器工 作 状 态 ； 提 供 加速 器 中子 源操 作 人员