基于螺旋线强流电子束加速器初级能源的初步研究
加速器、重离子束及其应用-近代物理研究所
核 物 理 实 验
裂变现象的发 开始超（铀）重 热核物质性质(状态方程)， 现及应用 元素合成 素105—118合成
人工合成放射 新反应机制(深 超形变核(预言核形状的多样性) 性核素 部非弹，大质量 奇异核结构—晕结构， 新的衰变模 转移)高自旋 式
107号同位素264,265,266Bh的合成
宇宙射线的来源： • 银河宇宙射线－数百MeV-GeV高 能质子α粒子少量重离子； • 太阳宇宙射线－数百MeV高能质 子； • 范· 阿伦辐射带－数MeV的质子
辐射对航天器的危害 • 充放电效应 • 总剂量效应 • 单粒子效应－翻转，锁定，烧毁
高能离子
宇航元器件单粒子效应试验基地
近物所已与几十家航天单位、半导 体厂家、相关研究所和高校开展合作研 究；2010年，单粒子效应试验的束流时 间达770小时，占总供束时间1/6，2010 年用户提出了2500多小时的束流申请。
国防重大专项
利用HIRFL装置为我国 新一代卫星关键器件的选 用提供了重要参考依据。
束流需求
LET≥75 MeV·cm2/mg， >1000小时/年
国内只有HIRFL满足
LET<75 MeV· 2/mg， >1000小时/年 cm
航天—宇宙射线对宇航员的危害
造血系统，生殖系统，神经系统； 细胞变异，致癌作用，诱发白内障， 重离子辐照的地面模拟，找出预防措施！ 重离子辐射生物学研究
重离子束的特点
• • • •
高能量的载体—MeV/nGeV/n； 脉冲窄，可调性好—几纳秒几十纳秒； 重复频率高(10Hz)，重复性好—10-4 整体转换效率高—电能离子能量(感应加速）
可以用于惯性约束聚变！
环境和经济性能的考虑
质子加速器参数
质子加速器参数质子加速器作为现代物理研究和医疗治疗的重要工具，其设计和运行参数对于其性能和应用具有决定性的影响。
本文将详细探讨质子加速器的各项关键参数，包括能量、束流强度、束流品质、加速器结构以及相关的运行条件。
一、能量质子的能量是质子加速器最基本的参数之一，它决定了质子束的穿透能力和在物质中的剂量分布。
高能质子能够深入物质内部，对于放射治疗而言，这意味着可以更精确地定位肿瘤，同时减少对周围健康组织的损伤。
质子加速器的能量通常以兆电子伏特（MeV）或吉电子伏特（GeV）为单位。
在医疗应用中，质子能量通常在70 MeV至250 MeV之间，而在高能物理研究中，质子能量可以达到数百GeV甚至更高。
二、束流强度束流强度指的是单位时间内通过加速器出口的质子数量。
高强度的束流意味着在相同时间内可以传递更多的质子到目标位置，这对于提高治疗效率或实验数据的统计精度至关重要。
束流强度受到加速器源（如离子源）、加速器结构（如加速器管道的长度和直径）、以及加速电场强度等因素的影响。
在实际应用中，束流强度需要根据具体需求进行优化，以平衡治疗效率、设备成本和运行稳定性。
三、束流品质除了能量和强度外，束流品质也是评价质子加速器性能的重要指标。
束流品质主要包括束流的单能性、发射度、束斑尺寸和束流稳定性等方面。
1. 单能性：理想的质子束应具有单一的能量值，但实际上由于加速过程中的能量损失和散射等因素，质子束的能量会有一定的分布。
单能性好的质子束在治疗时能够提供更均匀的剂量分布。
2. 发射度：发射度是描述束流在相空间（位置和动量空间）中分布的物理量。
低发射度的束流具有更好的聚焦性能，能够在目标位置形成更小的束斑。
3. 束斑尺寸：束斑尺寸指的是质子束在目标平面上的投影大小。
小束斑尺寸对于实现高精度放射治疗至关重要。
4. 束流稳定性：束流稳定性指的是束流强度、能量和束斑尺寸等参数在时间上的稳定性。
稳定的束流能够保证治疗或实验的重复性和可靠性。
RFQ冷却聚束器RFQ1L的研制的开题报告
RFQ冷却聚束器RFQ1L的研制的开题报告一、项目简介本项目主要研发一种冷却聚束器RFQ1L，该聚束器具有高加速梯度和较高的输运效率，可广泛应用于各种离子加速器中。
本项目将开发新型材料和工艺，提高制造工艺水平和生产效率，从而实现高品质和高性能的聚束器。
二、项目背景和意义RFQ聚束器是一种可以将相对大量的离子加速到高能量的设备，广泛应用于医学放射学、核园艺学、超导材料等领域。
而传统的空间加速器中的聚束器存在造成高达20%的离子束损失的问题，这不仅会导致加速器效率的下降，也会增加用于冷却的氦气的消耗。
本项目旨在通过采用新的材料和工艺，设计一款高效率、低损失的冷却聚束器RFQ1L，以提高加速器的能效和降低运行成本。
三、项目技术路线本项目受到加速器技术、电子学、沉积物工程、材料学和制造工艺等多个方面的影响。
1.设计阶段。
首先，对RFQ聚束器进行研究和分析，以确定冷却聚束器RFQ1L 的设计要求；然后，采用软件工具进行3D设计和仿真分析，优化设计，确定RFQ1L 的尺寸和形状，最终形成初步设计方案。
2.材料研发阶段。
开发新型材料，具备更好的导电性，热导性和机械性能，以提高聚束器的效率和稳定性。
3.制造工艺研发阶段。
采用复合材料制造技术，提高制造效率和制造工艺水平，降低制造成本。
四、项目成果本项目将重点实现以下成果：1.确定冷却聚束器RFQ1L的设计要求和方案；2.开发新型材料；3.制造出高效率、低损失的RFQ1L。
五、项目进度安排本项目的总工期为24个月，初步进度安排如下：1.设计阶段：2个月2.材料研发阶段：8个月3.制造工艺研发阶段：12个月4.实验性能测试：2个月六、预计经费支出本项目的预计经费支出为100万美元，主要用于材料研发、制造工艺研发和实验性能测试等方面。
具体的经费支出细节将在项目启动后进行进一步的确认和制定。
七、项目团队本项目的团队将由专业的研究人员和技术工程师组成，他们在材料学、制造工艺和加速器技术领域具有相当的经验和知识。
加速器原理 第三章 倍压加速器
§3.5 离子束传输的聚焦元件
局完全击穿）。 （2）防止表面爬电（绝缘环要足够长）。 （3）防止电子负载现象。 （4）尽量采用屏蔽措施（保护陶瓷环）。 （5）加速管的束流聚焦性形能。
加速管实例
s
c s
§3.5 离子束传输的聚焦元件
概述 为了保证将加速的束流传输到 本节讨论常用的一些聚焦
靶上，必须应用电场、磁场或 元件及其聚焦性能。
§3.2、倍压电源
1、倍压原理
倍压电源由一个升压变压器和多级的由高 压电容和整流二极管组成的多级倍压线路组 成。电路如图所示。
C1、C2 Cn 为主电容（相等）。
C1、C2 Cn 为辅助电容（相等）。
升压变压器将交变电压 升到几十千伏以上。
以单极倍压线路为例 分析倍压原理。
多级倍压线路
§3.2、倍压电源
VC1 ~ 2Va
§3.2、倍压电源
对N级倍压线路，经过 n 个 周期，主电容柱端（直流柱）最高 是空载电压为：
2NVa 辅助电容柱端（交流柱）空载电 压：
2(N-1)Va-Va sin (wt)
§3.2、倍压电源
2、负载电流对倍压线路输出 电压的影响
前面已得到空载理想状态下，主 电容柱端可达到2NVa高压，实际倍 压线路总要给加速器供电，即有一定 的负载。
的改进途径
3）倍压线路的改进办法
2）电压波动的限制
#不能用减小负载电流 i 的办法来降低
V 和 V
由：
V
i
N (N 1)
fuC 4
BEPCII初步方案设计
3．4高頻系统3.4.1概述高频系统是电子储存环的基本组成部分,发射机将来自电网的电能转变为微波，经波导传输馈入谐振加速腔，在腔中建立起加速电压,当电子穿越加速腔时就获得了动能。
因此高频系统好比汽车的发动机,源源不断的为束流补充能量损失.同时,射频加速场、同步辐射和色散效应一起决定了束团纵向基本特征。
BＥＰＣ升级改造项目 (ＢEPCＩI）是一台双环高亮度正负电子对撞机和兼容模式下的同步光源。
原有高频的设备已不能满足ＢEＰCII在腔压，功率和高阶模方面的要求，为此BEＰC现有的高频系统将进行全面的更新。
新系统将采用国际上应用占主流的５00MＨz工作频率取代原有的200MHｚ工作频率,以便获得较短的束长,同时也便于借鉴国际上的先进经验和技术；由于射频超导技术的日趋成熟和广阔的应用前景，按照科学院发展加速器高新技术的指导方针,系统将采用超导高频腔。
整个高频系统包括两套独立的子系统,ｅ+ 环和ｅ-环各一套.每个子系统由超导腔，２50 ｋW速调管发射机，低电平线路和本地的低温设备构成, 图２．4-1表明系统的概貌。
在对撞模式下e+ 环和e-环的高频子系统可提供1.５ＭV腔压,15０ kＷ功率;在光源模式束流在外环运行经过两只高频腔，高频系统具备提供3。
0 ＭV腔压，４00kＷ功率的能力。
高频系统的主要参数见表2．4—1。
3。
4.1．1 BＥＰCII对高频系统的要求表2.４－2列出了在对撞模式下ＢEPCＩI总体设计对ｅ+ 环和ｅ-环的高频系统的要求，其主要参数与当今５00ＭＨＺ射频超导最高技术水平相当，超导加速腔和约1A的重束流负载是这个系统的主要特征，建成后系统能否稳定运行是对设计和建造者的严峻挑战。
表2．4-2 RF系统的设计要求３．４．1．2技术方案目前ＣＥSRc５0０MHz超导腔和ＫEKB508 MHz超导腔电压的运行值由每腔1。
4 –1．8 MV,每腔提供的束流功率在250 kW以上。
BＥＰCII选择的设计运行值为1.5 ＭV/腔,束流功率１３0 kＷ,那么ｅ+环和e-环各需１只超导加速腔即可，表２．4－3是ＲF系统主要技术参数。
紧凑高重复频率加速器的初级能源
ｌ 原 理 及 数 值 模 拟
１ １ 工 作 原 理 ．
紧凑高重 复频率 加速器初 级能 源包括 给变压器 原边 提供 能量 的充 电 回路 、 却 系统 回路 以及 漂移 管 的励 磁 冷 电流 回路 。充 电 回路结 构 如 图 １所 示 ， 由商 用 三相 电 它 源供 能 ， 利用 整流硅堆 整流 ， 通过控 制 ３个 晶闸管 （ １ 并 Ｓ，
量较 高 、 半可控 、 自关断等 优点 ， 实现 了加 速器 脉宽约 ６ｎ ， ｓ 峰值 功率达 ＧＷ 量级 ， 复频率 １ ０ 可 调的 重 ～３ ０ Ｈｚ 高 电压脉 冲输 出 。与一般 的加 速器能 源系统 相 比较 ， 系统具 有 明显 的优点 。由商用 三 相 电经半 导体 器件 整 该 流供 能 ， 无需其 他调压 、 升压设 备 ， 结构 简单 ， 获取方 便 ； 利用 晶 闸管 半可控 的特点 实现 了能量 回收 ， 提高 了能量 利用率 ； 实现 了输 出电压和频率 的可调 。另 外 ， 由于其模块 化程度 高 ， 以结构 紧凑 、 积小 、 所 体 重量 轻 ， 其是拆 尤
之 间） ， 时 回路 电 流 接 近 于 零 （ 于 晶 闸 管 的 维 持 电 流 ） 经 一 段 延 时 （ Ｓ 低 ， 由 １的 恢 复 时 间 决 定 ） Ｓ ， １自动 断 开 ； 接
着控制 ｓ ２导通 ， Ｃ 则 与 Ｓ ， ２ Ｌ构 成 回路 ， 形成 振荡 ， Ｃ 当 两端 电压 再次 反 向时控 制 Ｓ ３导通 ， 通过 Ｌ对 Ｃ再 Ｃ 充 电 ， 至Ｃ 达 到 初始 时 的 电压 （ 电压 的大 小 可 以通 过 控制 Ｓ 的导 通 时 间来 调节 ） 这 样 就完 成 了一 直 Ｃ上 ３ 。
第 ２ ０卷 第 １ ０期
加速器中的脉冲功率技术课程ppt(第2章)
参考：OrCADPSpiceAD9_21简明教程
6
Accelerator Lab of Tsinghua University
2.1 概述
第二章 脉冲功功率，积累起来得到一定的能量，然后将其以高得多的 功率释放到负载上。
3~4学时
3
Accelerator Lab of Tsinghua University
参考书目
Peter D. Pearce: Application of pulsed power technology in accelerators and industry, not published, 2006 S T Pai, Qi Zhang: Introduction to high power pulse technology, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1995 曾正中：《实用脉冲功率技术引论》，陕西科学技术出版社，2003 刘锡三：《高功率脉冲技术》，2005 韩旻：《脉冲功率技术基础》，清华大学电气工程与应用电子技术系，2002
tr I max
— 上升时间 — 峰值电流
现代大型脉冲功率装置的 K pr 已达到1018~1020 W/s ！
世界最大的发电站：
K pr Pmax tr Pmax T /4 4 f Pmax 4 50(Hz) 10 (W) 2 10
10 12
W/s
远低于脉冲功率装置所能达到的功率增长率。 TW级的束流功率并不能够使用传统的加速器得到 ！
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原子能院电子直线加速器技术的研究与应用
VACUUMELECTRONICS•加速器专辑•原子能院电子直线加速器技术的研究与应用杨京鹤，王国宝，王修龙，曾自强，朱志斌，余国龙，佟迅华，张立锋，吴青峰，韩广D,刘保杰(中国原子能科学研究院核技术应用研究所"匕京102413)摘要：加速器技术作为核技术应用的源头技术之一，推动了核科学技术与应用的发展。
中国原子能科学研究院是中国核科学技术的发祥地，在中低能电子直线加速器研究与应用方面进行了持续研究，取得了多项成果，研究开发了具有自主知识产权、型谱化、系列化的无损检测电子直线加速器和电子辐照直线加速器，在工业、农业、安全等领域得到了有效应用，在我国国防建设、国民经济发展中发挥了重要作用％关键8:直线加速器；电子束;无损检测；电子辐照中图分类号:TL53文献标志码：A文章编号:1002-8935(2021)01-0011-03doi：10.16540/11-2485/tn.2021.01.02Research and Application of Electron Linear Accelerator Technology at CIAEYANG Jing-he,WANG Guo-bao,WANG Xiu-ong,ZENG Zi-qiang,ZHU Zhi-bin,YU Guo-long, TONG Xun-hua,ZHANG Li-feng,WU Qing-feng,HAN Guang-wen,LIU Bao-jie (..Department of Nuclear Technology Application,China Institute of Atomic Energy,Beijing102413,China)Abstract:Accelerator is one of the source technologies of nuclear technology application,which promotes the development of nuclear science technology and application.China Institute of Atomic Energy is the birthplace of nuclear science technology in China.The low-energy and medium-energy electron linear accelerator technologies were researched and developed there.Serial non-destructive test and irradiation linear accelerators with independent intellectual property rights had been developed successfully.They are used in many fields such as industry,agriculture,security,etc.,and play important roles in China's national defense construction and national economic development.Keywords:Linear accelerator,Electron beam,Non-destructive testing,Electron irradiation电子加速器是研究开发历史最早的粒子加速器类型,在核科学与技术领域发重用％20世纪40年代以来,,波技术的快速进步,采用射频微波电子的电子器取式发展,在大型高能器科研设施和紧凑的中低能应用型器方到应用％原子能科研究低能电子器方的研究较早,并在80年代开始进行科技成果转化，攻克了一批技术难题,研发了一批具的电子器装置,t电子器在民用领域的发展,本文综述原子能电子直线加速器技术方面的研究与应用情况％1原子能院电子直线加速器的发展背景原子能的电子器技术用国防与科研领域(1),,民经济的发展,工业、医疗、农业等领域对应用型器的需求日趋强烈,在20世纪80年代,原子能器团队在强流短脉冲电子器研究等项目的基础上,提岀无损探伤器和电子辐器两个方向的科技化。
加速器原理 第二章 粒子源与束流品质
第二章 粒子源与束流品质
引言
★ 粒子源是产生并注入被加速粒子的装置，是加速器的
第一个元件。
★ 根据所产生的粒子种类分为电子枪和离子源。 ★ 粒子源的束流品质直接影响加速器的束流性能指标。
§2.1 电子枪
概述：
★ 电子枪是产生电子束的装置件，用来为加速器提供电子束。
★ 电子枪按工作原理分为热发射式电子枪和场致发射式电子
§2.2 离子源
1、概述
2) 离解、电离及复合过程
离解是指分子在载能电子的作用下离
解 成原子；电离是指分子或原子在载能
电子的作用下电离形成离子。以氢为例
给出其典型的离解和电离方程。
2H2 e 21H e
1H e H 2e
2H2
e
H 2
2e
（离解过程） （电离过程） （分子离子）
2H e 2H 3e （原子离子）
枪。
§2.1 电子枪
1、热发射式电子枪
1）热发射枪的结构如图所示；
2）组成：发射极（阴极）、聚焦极（栅极）
和引出极；
3）发射极（阴极）： 阴极一般由低逸出功的
材料制成，由电源加热，发射出热电子。
要求阴极材料的电子逸出功要低、熔点要
高、蒸发率要小、不易中毒。
常用的阴极材料如：
钨 （逸出功：4.55eV），
复合过程是指离子捕获电子形成中性
原子或分子的过程。 离解、电离及复合是一动态过程，当
电离过程与复合过程达到动态平衡，放电 就达到了平衡，稳定的等离子体就形成
了。
3）等离子体的密度 等离子体的密度是离子源的重要参 数。 等离子体的密度越高， 引出的离 子束流就越强。提高等离子体密度的 办法，一般是在放电室加一轴向磁 场，其主要作用为： a ）使电子作螺旋运动，提高电子
12MeV直线感应电子加速器
3国防科技基础研究基金资助课题。
1996年11月25日收到原稿,1997年10月29日收到修改稿。
石金水,男,1964年4月出生,硕士,副研究员。
12M eV 直线感应电子加速器石金水 丁伯南 邓建军 何 毅 李 劲 戴光森 文 龙 曹国高(中物院西南流体物理研究所,成都523信箱56分箱,610003) 摘要 12M eV 直线感应电子加速器(L I A )是经10M eV L I A 能量升级和系统改进而来,该机通过在10M eV L I A 加速末端续接四个加速组元并调整脉冲功率系统,将输出的电子束的能量升级至12M eV ;同时,重新设计的输运磁场分布及聚焦系统更趋于合理,使经10M eV L I A 升级和改进后的12M eV L I A ,打靶电子束能量达到12M eV ,束流约2.6kA ,脉冲半高宽约89n s ,焦斑约4mm 。
关键词 直线感应电子加速器(L I A ) 脉冲功率 束输运和聚焦 直线感应电子加速器是六十年代发展起来的一种新型加速器,它能产生强流、高亮度、低能散度的高品质电子束,而部件式结构的特点使它可大量串接获得所需要的能量。
由于L I A 具备这些优越性能,因而受到许多国家的重视,美国、法国、俄罗斯、日本已先后建成多台直线感应加速器[1～6],并已广泛地应用于闪光X 射线照相、辐照效应、自由电子激光、粒子束聚变、高功率微波等研究领域。
本文所介绍的12M eV L I A 是从1994年3月开始,在10M eV L I A (1994年研制成功)[7]基础上进行能量升级和系统改造而来。
其具体的设计指标要求为:加速电压12M V ;打靶束流≥2kA ;束流脉宽约60n s ;打靶束焦斑直径≤6mm 。
1 加速器系统简介 12M eV L I A 主要由脉冲功率系统、注入器、加速段、束输运和聚焦系统、控制监测系统及真空、油、水、气等辅助系统构成,主体概貌如图1所示。