ADS注入器Ⅱ离子源及LEBT、真空和低温控制系统的研制

发布时间：2020-09-11 17:08

　　加速器驱动次临界系统(ADS)利用加速器产生的高能质子束轰击靶材料产生的散裂中子维持次临界反应堆运行,实现乏燃料的增殖和嬗变,被国际公认为核废料安全处置的最有效手段之一,但是仍处在前期研究阶段。2011年,中国科学院启动了“未来先进核裂变能——ADS嬗变研究装置”先导科技专项进行关键技术的攻关。近代物理研究所承担的ADS加速器注入器Ⅱ是专项的重要组成部分,它由电子回旋共振型(ECR)离子源、RFQ加速器、超导加速单元以及相关的束流传输线组成。控制系统是超导直线加速器运行的中枢神经和感官系统,其稳定性和可靠性对整个加速器乃至整个嬗变系统的性能有重大的影响。ADS注入器Ⅱ是基于EPICS架构的分布式控制系统,以高速以太网为中心,有良好的的开放性和可扩展性,其可靠性和响应速度可以满足强流直线加速器的控制要求。本论文主要是针对离子源、低能传输线(LEBT)、真空和超导加速单元低温系统的有效控制和可靠运行进行研究,在ADS注入器Ⅱ控制系统基本的框架内提出并实现了解决方案。为了满足ADS加速器的高可靠性要求,论文分析了各个被控对象对控制的特点和具体要求,并以此为基础分别构建了离子源及低能输运线、真空、低温阀箱及低温恒温器控制子系统。这套控制系统在设计时不仅考虑了远程监控功能的实现,还考虑了整个系统的可维护性,降低了各被控设备的维护工作量。系统设计从ADS可靠性的角度出发,设计了基于PLC的硬件平台可提供较为完备的连锁保护功能,在被控设备故障时可及时、可靠地采取必要的连锁保护措施,最大限度地降低故障影响的范围。论文分别从系统结构、硬件设计及软件设计方面详细论述了各个子系统的实现过程。其中硬件设计方面选用工业级的通用控制模块,并构建了相应的分布式控制系统站点,确保控制系统的灵活性和可靠性;在软件设计方面实现了EPICS架构,且程序设计上运用了自动重连技术,提高了程序的容错性能,保证了控制系统的长期可靠运行。各个控制子系统的IOC接口程序基于LabVIEW设计完成,并使用DSC模块的方式实现了Labview程序数据的EPICS接入功能,保证了ADS所有控制数据的透明性和统一性。论文在几个特殊的环节上完成了较为创新的设计:(1)完成了基于伺服控制系统的离子源进气阀门精确控制,最小控制角度达到0.01度,实现了进气量的精准调节;(2)解决了离子源高压放电对控制保护系统的干扰问题,保证了机器的长期稳定运行;(3)基于数字PID实现了低温恒温器压力和液位的闭环控制,保证正常运行时恒温器内液氦压力的波动小于±100Pa(国际上通常的设计要求为±150Pa),为超导腔创造了稳定运行的条件。本论文涉及的控制系统已经完成了现场安装、调试工作,现处于在线运行状态,已配合ADS注入器Ⅱ完成了5MeV的束流调试实验,在国际上首次实现超导直线加速器能量超过5MeV、流强超过2mA的连续束流小时量级稳定运行。本论文的工作是完成这一突破性进展的重要保障。
【学位单位】：中国科学院研究生院(近代物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL503.3
【部分图文】：

示意图,示意图,中子,级联

图 1.1 ADS 系统示意图ADS 系统由一台高功率的强流质子加速器产生强流质子束，质子束轰击次临界堆中的重金属靶并引起散裂反应，再通过核内级联和核外级联产生中子，以此来维持次临界反应堆运行或进行核废料处理。近年来世界各国对 ADS 系统的物理特性做了充分研究，确认了 ADS 系统由外源中子驱动，具有嬗变能力强

路线图,路线图,设计流,超导直线加速器

图 1.2 ADS 研究发展路线图由图 1.2 可知 ADS 系统主要由次临界反应堆、金属散裂靶、强流质子加速器及相关的其他配套设施组成，其中加速器的作用是提供连续、稳定的高能强流质子束。通过加速器产生的高能质子束轰击金属散裂靶产生散裂中子并维持次临界堆运行，从而达到减少核废料体积和毒性的效果。ADS 嬗变系统的最终目标是建成一个可用于工业推广的示范装置。ADS 系统的强流质子加速器是超导直线加速器，它由强流质子源、射频四极场加速器（RFQ）、超导直线加速器以及相关的束流传输线组成，其工作频率为 162.5/325/650/1300MHz 系列频率，最终应将能量加速到 1.5GeV。强流加速器将分三期建成：第一期输出能量为 50~80MeV，设计流强为 10mA；第二期输出能量为 0.6～1.0GeV，设计流强为 10mA；第三期输出能量为 1.5GeV，设计流强为 10mA。

控制系统结构图,探测器

分散的节点数据，应用过程中不需要关注数据的来源，整个系统就如同一个单一处理机一样透明。1.3.2 国内外发展现状目前，国内外绝大部分加速器实验室的控制系统都采用了加速器控制的“标准模型”，其系统结构具有一定的相似性，并广泛使用可编程序控制器（PLC）及其他前端控制器作为控制硬件。欧洲大型强子对撞机（LHC）的 CMS 探测器控制系统是典型的分布式控制系统，其中顶层为中央级的分布式系统，中间层为 RPC 级分布式系统，底层是各个子系统级的分布式系统。其控制硬件也大量使用了可编程逻辑控制器，软件上则使用了商业的 SCADA（Supervisory ControlAnd DataAcquisition）系统。其控制系统的结构如图 1.5 所示[32]。

【参考文献】