CiADS超导直线加速器的超导腔失效补偿

发布时间：2020-04-09 05:40

【摘要】：加速器驱动嬗变研究装置(China Initiative Accelerator Driven System,以下简称Ci ADS)是国际上首台ADS的实验装置。其包含三大关键系统超导质子直线加速器系统、重金属散裂靶系统和次临界反应堆系统。其中超导质子加速器的主要作用是提供高功率的质子束流,其输出能量500Me V,束流流强5m A,设计束流功率为2.5MW,是国际上在运行的最高功率加速器的功率值的两倍。作为一个高能质子直线超导加速器,对于整个加速器系统的鲁棒性,稳定性,可用性有着极高的要求,束流丢失(Beam Trip)是加速器稳定运行的表征量,美国能源部在ADS白皮书对束流丢失提出来了严格的次数限制。通过RAMI分析发现超导腔失效对束流丢失的贡献较大。故此超导腔的失效补偿对是实现加速器稳定运行达到ADS白皮书提出束流丢失要求的可能途径。高频超导腔的失效原因十分之多,可能有温度失超,低电平故障,控制系统故障,真空故障等多个来源,根据CADS调试记录可知,RF系统故障为最主要来源。在直线加速器运行过程中,高频超导腔的失效会对束流的品质造成极大的影响。当加速器超导段中某个高频超导腔失效且未采取任何补偿措施时,无法实现同步加速,导致束流产生严重失配,能量远远低于设计值。同时,相比较于正常运行时,腔体失效后,束流损失严重,高功率束流不可控的损失在超导加速器内,会导致加速器无法工作,不及时切束甚至会造成超导腔破坏性损伤击穿腔壁。同时可以发现高频超导腔失效对束流纵向品质有非常大的影响,因此超导腔的失效补偿对于加速器的稳定运行十分关键。本文在前人研究的基础上和Ci ADS要求的驱动下,考虑经济性和工程可实现性,根据超导直线加速器分段的内禀特点,提出了分段式补偿的方法,在失效腔体附近根据局部补偿方法的特点进行束流匹配,各段具有独立性,整体上对能量进行补偿则具有全局补偿方法的特点,在出口处保证束流能量稳定,该方法充分结合了局部补偿和全局补偿的优点,同时满足以下三个条件:1.束流出口能量稳定,满足靶、堆要求。2.保证束流品质,传播过程中控制束损。3.控制工程造价,降低硬件要求。通过对于分段补偿设计的模拟,考虑各段不同超导腔失效的情况,通过Tracewin软件中的多粒子模拟进一步验证得到分段补偿可以实现Ci ADS对加速器补偿的要求。通过分段补偿,逐步提高能量,并实现横纵方向的束流发射度控制,结果发射度远小于接受度,保证了无束流损失。并且在超导腔出口处获得等量与束流品质与之前一致的束流。对Ci ADS超导直线加速器发生的各类超导腔失效情况进行重新匹配和能量补偿,失效后补偿结果表明束损得到了完全控制,可以在保证出口能量与束流品质与腔体失效前保持一致,99%发射都有7%左右的增长。在此同时,将超导腔所需的整体功率冗余由局部补偿需要的69%降低到20%。极大的降低了造价,提高了工程可实现性。
【图文】：

环形加速器,高功率,质子,粒子加速器

.1 选题背景及意义.1.1 高功率质子加速器粒子加速器是借助人工的方式通过电磁场产生高速带电粒子的科学研究置世界上首台粒子加速器建成于上个世纪三十年代，自此开始，粒子加器得到了不断的发展，粒子加速器的发展对基础物理学和高新科技领域提了强大的动力同时，基础物理学研究对粒子能量提出更高的需求，例如物理学与高能物理学的需求促进着加速器的发展；高新科技领域的广泛应诸如如今的重离子治癌散裂中子源质子治疗同步辐射光源等方面的用，也对加速器产生粒子的稳定性提出了更高的标准在此类反馈作用下加速器的发展也有了更高程度的要求而考虑到实际工程难度与造价问，，粒子加速器的建造趋势，由追求超高能加速器，逐步趋向于建设高流强速器1,2

示意图,系统原理,示意图,次临界堆

CiADS 超导直线加速器的超导腔失效补偿颗粒流散裂靶和 10MW次临界堆的ADS实验装置第三阶段，到2030建成1000MeV@15mA超导质子直线加速器颗粒流散裂靶和 500MW次临界堆的ADS工业示范装置 CiADS 建成后，将成为世界上首个建成的兆瓦级加速器驱动次临界系统研究装置，将使我国率先掌握 ADS 集成和利用嬗变处理核废料，为实现核能的可持续发展做出巨大的贡献19
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL53

【参考文献】