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[硕士论文] 楚智超
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:正电子源是通过人工的方法(核反应、放射性同位素、加速器和高能伽马光)产生正电子的放射源。基于正电子源发展出了正电子寿命谱、多普勒展宽谱和角动量分布谱测量等多种技术手段。正电子检测技术具有可测量小尺度、低浓度损伤的优势,分辨率也极高的优点,同时在表面、界面和体相都有极好发挥,是目前对原子级别的损伤最具灵敏性的探测手段,在化学、物理、生物医学以及反物质研究等领域具有很高的应用潜力。
  本论文介绍了正电子的发现及应用历史,并对国内外的正电子源深入调研,为基于加速器的快正电子源技术探究和材料表面、表层研究平台的进一步扩充搭建,完成了初步的物理设计。
  使用EGSnrc软件优化了快正电子源的转换靶物理参数的设计。靶材物理设计考虑了打靶束流的能量,靶材的温升,靶材材质和厚度等多方面因素。分析了打靶后转化的正电子的物理状态。快正电子源的打靶束流基于合肥光源高亮度注入器,打靶束流能量为30MeV,选择了钨作为靶材,最终得到的正电子转化率为2.28%。
  对匹配聚焦系统的束流运动做了理论推导,并使用Parmela软件模拟验证了理论结果。分别对四分之一波长变换器和绝热匹配聚焦螺线管进行了有效的理论计算,并对最终选择的绝热匹配聚焦螺线管引入更精确的数学模型。设计了两种接受度的匹配聚焦螺线管,且使用Parmela软件分别对其进行了模拟追踪计算,计算出传输效率分别为72%和31.5%。
  最后针对两种接受度的输运段,我们采用线性束流动力学追踪的Trace-3D软件分别进行了整体设计。在最优的匹配段和输运段设计方案中,将输运线末端的束斑尺寸压缩在±5mm。且提供了一种基于triplet的输运段设计方案,为将来优化提供更参考。
[博士论文] 曾奇
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,高电荷态离子的衰变研究得到了广泛的关注。这些研究的主要动机之一是星体核合成过程是在高温条件进行的,而在这个过程中原子都处于高电离状态。与中性原子的半衰期相比,高电荷态离子的半衰期会有较大的改变。高电荷态离子的衰变可以用离子储存环或者离子阱等装置来进行研究。
  兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)是世界上少数几个研究奇异离子的装置之一。HIRFL-CSR是一个双冷却储存环系统,由主环CSRm、实验环CSRe和连接它们的次级束流线RIBLL2构成。CSRe既是一个冷却储存环,也是一个高精度磁谱仪。中国科学院近代物理研究所的研究人员在CSRe的等时性质谱仪(Isochronous Mass Spectrometry, IMS)上已经开展了大量的短寿命核素质量的精确测量实验。本论文介绍了基于等时性质谱仪开展的首次全剥离离子的半衰期测量实验。我们选取同核异能素9444mRu作为本次实验目标核,其激发能为2.644MeV、半衰期为71(4)μs。
  实验中,我们用能量为376.42 A·MeV的主束11250Sn35+轰击10mm厚的铍靶发生弹核碎裂反应,产生次级离子束流。次级离子束流经RIBLL2的在线筛选和提纯后,注入到设置在等时性模式下的CSRe中。安装在CSRe中的飞行时间探测器来测量被用来测量储存离子的飞行时间信息。根据此时间信息,我们可以推算出相应原子核的质量。我们首次将脉冲高压电源使用到了IMS实验中,从而有效地削弱了探测器的饱和效应。脉冲高压电源设置的延迟时间为33μs。每次注入中,我们记录总共200μs的数据,以便离线分析。
  本论文介绍了在不同实验条件下计算半衰期的方法。除了一些传统方法,我们还特别讨论了当观测时间窗口低至1倍的平均寿命、衰变事例的统计量极低时,计算半衰期的方法。同时,我们对每种方法的适用范围给出了一个限定。
  数据处理主要包括两个部分的内容。一方面,我们测量了目标离子的质量。通过对数据的详细分析,我们重新测量了94Ru和94mRu的质量,其质量过剩分别为-82531(72)keV和-79905(132)keV,得到94Ru的激发能为E*=2626(150)keV。
  另外一方面,我们得到了全剥离离子9444mRu44+的半衰期。由于离子在衰变前后质量的变化,引起离子在储存环中的循环时间发生微小改变。通过观测离子在储存环中循环时间的变化,我们鉴别了衰变事例并提取了相应的衰变时刻。通过研究模拟数据,我们得到了本次实验的灵敏区间为(20μs,180μs),衰变时刻的定时误差为1μs。灵敏区间内观测到了49个衰变事例。通过修正磁场晃动对循环周期的影响,我们得到了29个未衰变的目标离子9444mRu44+以及剩余了37个衰变事件。根据这66个事例,我们得到全剥离离子9444mRu44+的半衰期为97(16)μs。结合中性原子的半衰期,我们得到了94mRu的内转换系数。同时我们用质量结果检验了同中子数链核的质量的系统性。用半衰期结果计算形变参数B(E2)值,并通过B(E2)值验证了全剥离离子9444mRu44+是一个非常好的球形核。
  本文介绍了用等时性质量谱仪首次研究了百μs量级全剥离离子,并得到了目标离子的半衰期和质量。该结果不仅有助于完善HIRFL-CSR上等时性质量谱仪的各项实验技术,同时还为将来开展μs至ms量级高电荷态离子的半衰期和质量测量实验提供技术积累和实验经验。
[硕士论文] 邓超
环境科学与工程 西南科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着人类载人航天技术的快速发展,越来越多的国家对太空环境与太空资源进行探索。宇航员的辐射防护问题和宇宙飞船元器件的损伤问题成为航天技术的一个难题,空间辐射主要来自光子、中子和重离子,由于空间中子数量多、穿透力强、伤害大而被人们特别关注。若能测得空间中子能谱,对空间中子能谱进行评估,则对航天技术的进一步发展起着不可替代的作用。
  本工作在地面上模拟太空进行中子能谱测量实验,采用清华大学的LPA(laser plasma accelerator,LPA)产生的150 MeV电子打靶产生的中高能中子,开展基于飞行时间法的中子能谱测量方法研究和中高能中子剂量估算与校准。实验分析得到了LPA电子电荷量与能量分布,采用蒙特卡罗模拟得到了光子和中子分布特性,确定了本工作的中子能谱测量位置。实验测量了不同靶条件下的中子能谱,确定了最佳铅屏蔽条件,得到了可信度较高的中子能谱。采用不同方式对中子注量剂量转换因子进行校正,计算得到了实验测量的中子周围剂量当量值。本工作以LPA作为中子源能量驱动进行实验探索,得出了该加速器下探测条件的参数,为地面中高能中子能谱测量实验提供了参考;对中高能中子周围剂量当量校准进行了初探,得到具有参考价值的中子周围剂量当量值。
[硕士论文] 王兵
电子科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着军事科技的发展以及民用需求的不断更新,对真空电子器件提出了更高的要求。频率更高、功率更大、频带更宽和器件的小型化等要求对传统真空电子器件带来了新的挑战,带状注由于其空间电荷力较小,理论上可以无限增大其宽边使得它可以传输的电流更大。因而带状注对比于传统的圆形注更适合于产生高频率大功率的辐射。且带状注的慢波结构可采用更利于加工的平板式。带状注真空电子器件的发展将会推动真空电子器件的前进,因而本文对带状注电子枪进行了初步的研究,主要的工作如下:
  1.根据教研室项目对于W波段行波管的参数要求设计了一支工作在W波段的单阳极带状注行波管电子枪,阳极工作电压为21.1kV时,可获得400mA稳定电流,此时阴极发射面电流密度为28.78A/cm2,注腰处截面电流密度约133A/cm2。并且电子枪射程约10mm,横纵比为10:3,注腰截面尺寸小于1mm×0.3mm,并对阳极电压改变以及阴阳极距离的变化对于电子枪性能的影响进行了进一步研究。
  2.根据教研室项目对于140GHz返波管的参数要求设计了一支工作在140GHz的双阳极带状注返波管电子枪,第一阳级电压15kV,第二阳极电压工作范围15kV-18kV,可获得稳定电流42mA左右,此时阴极发射面电流密度约为14.4A/cm2。电子枪射程大于11mm,横纵比为10:1,注腰处截面尺寸小于1mm×0.1mm,并对第一阳极电压改变以及阴阳极距离的变化对于电子枪性能的影响进行了进一步研究。
  3.根据教研室项目对于220GHz返波管的参数要求设计了一支工作在220GHz的双阳极带状注返波管电子枪,第一阳级电压10kV,第二阳极电压工作范围8kV-12kV,可获得稳定电流18.4mA左右,阴极发射面电流密度约为7.5A/cm2,注腰处截面电流密度约116A/cm2。电子枪射程大于7mm,横纵比20:3,注腰截面面积尺寸小于400μm×60μm,在140GHz双阳极带状注电子枪的研究基础上,对其进行进一步研究,探讨了阴极结构改变以及阳极通道的变化对于电子枪性能的影响。
  基于器件的实际需求,本文对单阳极与双阳极电子枪进行了设计,均达到参数指标要求。对于研究带状注器件具有重要的参考价值。
[硕士论文] 黄维
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:自上世纪的80年代末,ECR离子源为核物理及重离子加速器等领域做出了突出的贡献,此后世界各地的科学家们纷纷开展了对ECR离子源的研究。ECR离子源得到不断发展,其种类从早期的第一代离子源装置演变到如今以超导离子源技术为代表的第三代装置,其所能产生的离子类型也已从早期的几种气体如氮气、氧气等的中低电荷态离子,到现在从H到U的所有金属或非金属原子的高电荷态离子。
  大部分金属元素在自然界中处于固态,需要将其气态化才能进入ECR离子源中产生对应的元素离子,且气态化的金属原子(或簇团)数量需达到一定值。当前,在ECR离子源中产生这些在常温常压下只以固态形式存在的元素气态主要有以下几种方法:炉子加热法、直接等离子体加热法、等离子体溅射法、激光熔融技术以及挥发性化合物金属离子(MIVOC,Metallic ion from volatile compound)法等,其中炉子加热法具有束流强度高、稳定性好的特点。炉子加热法按其工作温区主要分为低温炉、高温炉,其中高温炉主要针对熔点1500℃以上的金属元素如钴、钛、钒、铂、铀等的强流离子束产生。
  本论文课题设计一种目标工作在1800~2000℃的高温金属炉,通过ANSYS仿真模拟分析了直流加热电阻炉中钽坩埚的温度分布及其在ECR离子源工作环境的强磁场中所受的洛伦兹力,并对坩埚高温下所受热应力进行模拟分析。根据模拟分析结果研制了直流加热电阻炉的结构,并对其进行了离线测试,实验中钽坩埚在1800℃以上发生的形变与ANSYS模拟结果相符,根据模拟分析给出了改进方案。改进后的电阻式加热高温炉能在1500℃时稳定维持48小时以上,而在1846℃时稳定维持6小时以上。对直流加热电阻炉进行了在线测试,得到了25eμA的Ni19+以及185 eμA的Pb28+,验证所设计的高温炉能在ECR离子源强磁场的环境中工作,同时针对出现的问题分析了影响高温炉稳定运行的因素。与此同时,研制了高频加热感应炉及电子束加热蒸发炉,并对两者进行了离线测试,结果表明两者均能使坩埚温度达到1800℃以上。对电子束加热蒸发炉进行了在线测试,结果表明电子束加热蒸发炉受ECR离子源弧腔内强磁场洛伦兹力的作用而无法正常工作,有待改进。
[博士论文] 王洁
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:新一代高能量、高流强、高亮度和长寿命粒子加速器的发展,对真空的要求已从超高真空向极高真空和超低温等极端条件跨越,所面临的挑战主要是:高真空梯度、电子云问题和高密集度,这些问题也成为了新一代加速器真空系统建造的难点,亟待解决。作者在国家自然科学基金的支持下,探索了新一代加速器真空室结构材料的表面处理、制备工艺、可控沉积和材料的表面成分、表面形貌及二次电子发射特性等,论文主要研究内容是:
  1.二次电子产额是新一代加速器真空室结构材料的重要指标,目前没有专门的测试仪器和成熟的测试方法,我们自主研制了国内首台高精度多功能高效率二次电子特性参数测试仪,该仪器可以测试不同入射角度(10°~90°)、不同温区(750K~20K)、和不同入射剂量下导体与绝缘体材料的二次电子产额。实验测试结果表明该仪器的测试功能和测试精度在国内处于领先水平,和国际上一些著名实验室的测试结果比对和对比表明我们的测试仪具有较高的测试精度和准确度。
  2.在国内首先研究了适用于新一代加速器真空室的低二次电子产额、长寿命和良好吸气特性的非蒸散型吸气剂TiZrV-Pd薄膜的关键制备工艺参数和薄膜的二次电子发射特性,其最低二次电子产额可降至1.38。首次研究了镀膜参数对TiZrV-Pd和TiZrV薄膜二次电子产额的影响。
  3.作者在国内首先提出了采用CST软件来模拟跑道型陶瓷真空室磁控溅射镀膜装置中不同尺寸的Ti阴极对辉光放电中镀膜装置内部电场分布的影响,从而优化了异型截面真空室镀膜装置设计、Ti阴极尺寸和安装位置。该模拟方法极大提高了TiN薄膜的均匀性,解决了异型截面陶瓷管道薄膜均匀性差的难题,降低了镀膜成本,节约了时间和能源,提高了镀膜效率。此外,为了提高陶瓷管道的镀膜速率,将跑道型陶瓷管道镀膜装置的阴极Ti丝换成Ti板,镀膜速率较之前增加了近40倍。
  4.基于Matsunami模型和YT模型的半经验公式,在国内首先对陶瓷管道内表面磁控溅射镀膜过程中TiZrV薄膜和Pd薄膜的镀膜速率进行了计算,结果表明:在圆柱型管道磁控溅射镀膜过程中,对于单一金属薄膜而言,沉积速率C可通过溅射深度D来估算。通过对比实验结果和模拟结果,找到更为接近实验值的半经验镀膜速率计算公式。
  在新一代加速器真空方面所面临的三个挑战中,电子云问题是最为关键和核心的问题,因此,真空室结构材料的二次电子产额特性也就成为研究真空室材料的重要内容。目前主要的解决方案是研究加速器真空室相关材料的二次电子产额特性,寻找低二次电子产额的新材料。以此为中心,作者探讨了多种新的低二次电子产额材料的制备、二次电子特性、应用潜力及应用方案,主要研究内容如下:
  1.掌握了真空室管道材料表面沉积低二次电子产额TiZrV-Pd薄膜和TiN薄膜的制备工艺和相关特性,同时,首次采用Monte Carol法模拟了TiZrV-Pd薄膜中二次电子发射过程,定量分析了影响TiZrV-Pd薄膜二次电子发射产额的因素。
  2.基于石墨烯的高迁移率、卓越的热导率,作者研究了铜基石墨烯材料的二次电子产额特性,首次提出了具有低二次电子产额的铜基石墨烯在新一代加速器中的应用方案。
  3.激光刻蚀材料表面技术采用原位处理的方式对样品表面进行加工,可以在大气中对材料表面进行处理以获得二次电子产额低于1的无氧铜和不锈钢样品,其制备成本低,可重复性高且适用材料范围广泛,是目前获得低二次电子产额材料的最佳方案,也是目前国际上的研究前沿。作者在国内首先开展了相关实验研究和机理分析工作,研究了激光参数、暴露大气等因素对激光刻蚀材料二次电子产额的影响,并对激光刻蚀材料表面技术所面临的管道表面处理技术难题进行了探讨和分析。
  这些研究成果为新一代加速器真空室设计和真空室材料表面处理、储存环电子云问题、加速器超高真空获得以及相关问题的解决有重要的借鉴和参考价值。
[硕士论文] 杨柳莎
物理电子学 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:对于传统圆柱状电子注微波器件,当工作频段升高时,由于受尺寸共渡效应,器件的几何尺寸逐渐减小,电子注通道变窄,传输电流减弱,导致加工困难,同时频率的增加,使得损耗增大,输入功率减少。这阻碍了高频率真空电子器件的实现。带状电子注作为一种高亮度、大电流的电子注源,因其特殊的结构特点和技术优势解决了上述难题,逐渐受到越来越多的关注。带状注微波器件具有以下技术优势:展宽电子注,维持固定空间电荷场,增加输入电流,增加功率;运行于截面很小的结构中,故而能工作于毫米波,太赫兹频段;带状电子注器件效率高;平板型慢波结构能够加工,方便安装和调试;体积小,适于模块化,其应用前景十分广阔。简而言之,带状电子注可用于高功率辐射、效率高,所需磁场强度小。为此,本文对器件的核心部件——带状注电子枪进行深入研究。
  论文首先从皮尔斯理论出发,深入研究了带状注电子枪的结构特点和工作原理,并在此基础上利用MATLAB软件根据理论公式编写了电子枪初始尺寸的计算程序。基于带状注电子枪的工作特点,设计了抛物面阴极结构、样条插值拟合的聚焦极结构,以及减小了阳极孔效应的阳极结构。联合使用CST和HFSS电磁仿真软件构建了带状注电子枪的初始模型,完成了结构优化和特性分析。
  本文主要完成了两款单边压缩电子枪和两款双边压缩电子枪的设计,电子注窄边的压缩比分别为10:1和20:1。分析了电子发射角度和温度、阴阳极间距、阴极和聚焦极的相对位置、阴极位置偏移对电子枪的影响。分析结果表明:注流发散度随着电子发射角度的增大而呈线性增大;电子注宽边方向上的注流发散度随着温度的升高而增大,而在窄边方向上,注流发散度随着温度的升高而减小;随着阴阳极间距离增大,电子注在最初的一定传输距离内快速收敛,而后又很快的发散,电子注被压缩的强度增强,此时,最大电流密度增大,电子注电流减小;当阴极发射表面从聚焦极内侧向外移动时,电子注的压缩变弱,最大电流密度减小,电流升高;阴极在窄边方向上的偏移对电子注宽边方向上的注流发散度影响不大,但是对于窄边方向,当偏移量大于0.01mm时,注流发散度增大很明显,电子注发散很严重。
[硕士论文] 郑芳
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:近年来加速器技术发展迅速,其应用范围不断拓宽,覆盖了肿瘤治疗、放射性同位素药品制备、材料辐照交联、食品及医疗消毒灭菌等生产生活的各个方面,创造了巨大的社会及经济效益。加速器辐照装置由于其安全可控、有效、环保等优点,渐渐成为辐照加工业的主流设备。加速器辐照装置辐射场通常比较复杂,还存在一些细节屏蔽设计问题如加速器屏蔽体中有较大口径管道贯穿的问题仍然研究不足,而我国辐照加速器有70%以上均用于辐照电缆电线,线缆传输管道贯穿屏蔽体是最为常见的。因此本论文的目的是针对电子辐照加速器周围屏蔽设计问题进行研究。
  本论文针对辐照线缆型电子加速器装置中预埋电缆传输管道周围辐射场进行了研究。首先采用蒙卡模拟方法对现有相关加速器影响管道内及墙外剂量率的参数进行了优化计算,使辐射剂量率在以前的基础上明显降低。按照这些优化参数及1-3MeV电子打靶后能谱分布研究了0-3MeV单能光子在管道内随距离的衰减规律,根据各单能光子衰减规律,按照某电子加速器打靶能谱分布可直接合成未知的计算点值,这对估算3MeV以下不同能量电子辐照加速器屏蔽体预埋管道中剂量率衰减问题提供了很大的帮助。研究表明,合成的计算结果与直接电子输运计算结果符合较好,并且其合成值与管道内实测数据总体变化趋势一致,证明该估算方法具有一定实用参考价值。同时也为屏蔽设计提供了一种新的研究方法,即研究某一具体问题时,探究能谱中各个特征单能粒子在屏蔽设计结构中的衰减规律,按照某一粒子能谱可直接合成得到未知的整体衰减规律。
  本论文还针对2.5MeV“L”型迷宫内侧墙厚度设置问题进行了研究分析,通过对迷宫内剂量率的模拟分析及理论计算的验证,得到迷宫内侧墙厚度在第一段迷宫中应设置为60-80cm,在第二段迷宫中应设置为110-120cm左右。
  最后本论文针对一台2.5MeV辐照线缆型电子加速器周围辐射场进行了理论计算及实际测量,并将理论计算结果与实测数据进行了对比分析,发现两者均符合较好,证明了理论估算方法的正确性。本文还将电缆传输管道内剂量率实测数据与蒙卡计算、理论计算数据三者联合进行对比分析,分析了其误差产生原因,为以后相关研究提供经验教训。
  本论文通过针对工业电子辐照加速器预埋管道的研究为相关电子辐照加速器的屏蔽设计及剂量评估提供了参考。
[硕士论文] 刘明选
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:医用电子直线加速器已经广泛应用于放射治疗领域。边耦合加速结构因其良好的工作稳定性以及紧凑的结构特性等优点,已经成为最常用的医用加速结构。本文对工作频率为2998MHz的驻波边耦合加速结构进行了设计和实验研究。
  首先,论文使用CST MWS对边耦合结构进行大量的模拟计算。为了得到高分路阻抗、高Q值的腔型,在保证单腔谐振频率为2998MHz下,论文对腔体鼻椎处的关键尺寸进行了综合优化。优化后的腔型有效分路阻抗约100MΩ/m,Q值为18730,R/Q为456。整个加速腔列由加速腔和耦合腔组合而成,基于双周期结构的色散理论,结构会引入ACA和CAC两个周期单元(A代表加速腔,C代表耦合腔)。通过对两个单元进行精确调频,优化得到了谐振于π/2模式下的加速电场。
  能量开关已是医用加速器中必不可少的装置。根据调变原理的不同,论文对三种能量调节方式进行了研究。基于操作简便的目的,本文提出单边横向插入调节活塞的方式。以4和6MeV作为电子出口的目标能量,论文进行了束流动力学仿真。结果显示,当最大电场幅值为36MV/m时,能量开关作用前后,电子可以由10keV分别加速到6.081MeV和4.001MeV,束团尺寸等特性满足设计要求。
  因独特的结构特性,边耦合结构中的电场是不对称的。首腔电场的对称性对束流品质至关重要。论文首先研究了首腔不对称电场的分析方法。为改善首腔电场的对称性,论文提出了两种改善方案。通过优化计算,两种方案可以将电场对称性分别提升5倍和10倍。
  为评估边耦合结构的结构性能,论文使用ANSYS Workbench对结构进行了热形变分析。在平均电场为23.8MV/m,占空比为2%的情况下,结构在鼻椎附近温度最高,为72.5℃。在耦合腔的外边缘形变最大,为73μm。由形变产生的频率偏移为-2.21MHz。以上数据为未来的冷却系统设计提供参考和依据。
[硕士论文] 段青明
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:工作点是储存环十分重要的参数,工作点的大小可以反映储存环能否稳定的运行。目前国内外的大型加速器都有工作点测量系统。对于同步辐射光源的电子储存环而言,由于横向beta振荡的振幅较小,进行工作点测量时通常需要外加激励信号。扫频激励信号和窄带白噪声激励信号是工作点测量中经常用到的激励信号类型,但是不同激励信号类型各有优缺点,满足不同的机器研究。合肥光源现有的工作点测量系统是基于频谱仪的扫频激励测量。本论文充分调研了多个工作点测量系统方案,在综合各个实验方案和了解了相关理论的基础上,提出了由前端电子学、FPGA、ARM和上位机构成的工作点测量系统架构,该系统架构充分发挥了FPGA的在线可编程特性,可以适应和满足多种不同的机器研究的测量需求。论文首先对工作点测量原理做了简单的介绍,并调研了目前各加速器实验室所采用的工作点测量的技术。论文第三章对基于FPGA的工作点测量系统架构和各个模块的功能以及实现方法做了详细介绍。FPGA功能模块主要包括信号激励,信号采集以及通信模块,信号激励模块包括参数化的扫频激励信号和白噪声激励信号,信号采集部分主要通过FPGA来控制ADC,并将ADC采集得到的数字信号经过滤波,抽取等操作存储到RAM中。ARM的主要功能是对数字信号进行傅里叶变换FFT以及寻找变换后的幅度的峰值,其次是起一个桥梁的作用,上位机GUI程序通过ARM可对FPGA内部状态寄存器进行读写操作。FPGA和ARM间的数据通过AXI4总线协议进行传输,ARM和上位机的数据传输通过socket编程实现。论文的第四章介绍了基于FPGA的工作点测量系统在合肥光源电子储存环进行的相关实验,在线实验结果表明,工作点在扫频激励模式下,水平和垂直方向的统计分辨率分别为0.0006/0.0001,白噪声激励模式下,水平和垂直方向的统计分辨率分别为的0.0007/0.0036。系统进一步改进,还可测量同步振荡阻尼时间、色品等,为合肥光源储存环提供更丰富的束流测量手段。系统结构紧凑,成本较低,功能丰富,可在线编程满足不同机器研究需求。
[硕士论文] 张艳梅
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:电子直线加速器从高能物理的基础研究到农业、食品、医药生产及医疗、材料改性、工业等领域以及集装箱检测等都有着广泛的应用,同时不同领域对电子直线加速器要求也各有所不同。近些年,核技术的发展使得加速器在核医学领域的应用也日渐成熟。同时,采用L-band的电子直线加速器由于可以产生较高的平均流强的束流,进而能够满足光核反应生产放射性药物的需要,使其逐渐成为重要的研究对象,目前,在国际上已有不少研究单位及企业已经着手开展这项工作。综上,本文对L波段盘荷波导直线电子结构的研究具有重要的意义。
  本文首先对L波段盘荷波导行波加速结构中的电磁场进行分析,然后使用CST和SUPERFISH软件对加速结构进行了仿真计算,得到具有高品质因数、高分路阻抗的加速结构参数。同时,本文还通过仿真计算得到了不同相速度对应的腔体的几何尺寸以及它们所对应的微波特性参数。利用所得的加速结构的参数,采用组合型聚束器的加速器物理设计方法,得到了能量增益曲线和相轨道图。最后,本文对盘荷波导行波加速结构的光速段进行了实验研究。根据仿真计算得到的加速结构尺寸,设计加工了一些模型腔,本研究对这些模型腔的微波特性进行了测试,所得测试结果与实验结果(修正后)基本一致。本文的一些工作和实验为以后设计加工L波段加速结构提供了实验数据并具有参考价值。
[硕士论文] 洪爽
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Subcritical System,简称ADS)是目前国际上公认的最优核废料处置方案,关于加速器驱动次临界系统的研究一直是近几年核能领域研究的热点。目前用于加速器驱动次临界系统的计算软件主要是由洛斯阿拉莫斯实验室开发的MCNPX程序。不过要使用MCNPX必须先得到官方的授权,这对国内的研究人员来说相对比较困难。针对这一问题,本文使用开源的蒙特卡罗程序FLUKA和OpenMC来实现ADS靶堆耦合计算,通过与MCNPX的对比计算,对这种方法的精度进行评估。
  散裂靶和次临界堆芯的耦合计算可以分为两步:散裂中子在靶区的产生以及中子在次临界堆芯内的输运。根据这一思路,首先利用FLUKA对高能质子轰击靶材料发生的反应进行模拟,使用FLUSCW用户自定义程序记录从靶区向堆芯泄露的中子的能量、位置、角度、权重等信息;然后编写源文件转换程序,将这些信息处理成为OpenMC可以读取的HDF5格式的外中子源文件;最后,利用OpenMC的固定源计算功能,对这些散裂中子在堆芯内的输运过程进行模拟,从而得到堆芯内的中子通量分布情况。在耦合计算过程中,针对OpenMC在固定源计算中存在的一些问题,对其源程序进行了修改,使其能够满足计算的需求。
  为了论证这种计算方法的可行性及准确性,本文将FLUKA-OpenMC耦合计算与MCNPX直接计算得到的堆芯中子通量进行了对比。计算分别采用OECD-ADS基准题模型以及基于中国加速器驱动嬗变研究装置CIADS建立的靶堆耦合模型。结果表明,两种方法给出的中子能谱形状一致。由于数据库能量上限的限制,在OpenMC的计算过程中忽略了20MeV以上的高能散裂中子,这导致通量计算结果比MCNPX偏小约10%~15%。本文将国际原子能机构公布的ADS-HE高能数据库用于一个简化的ADS模型的计算之中,以计入高能中子对计算结果的影响。计算表明两种方法得到的通量计算结果一致,数值相差在3%以内。这证明利用FLUKA-OpenMC耦合用于ADS系统的靶堆耦合计算是可行的,并且计算结果与MCNPX有着相似的精度。
[硕士论文] 代天立
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:加速器磁铁电源是为加速器各种类型的电磁铁供电的系统。调节磁铁电源的电流,可以改变磁铁的电磁场,从而控制粒子运动的轨道。在加速器技术领域中,电源技术是相对比较独立的一门学科,但为了适应加速器的要求,加速器磁铁电源又有它自己的特点。一般要求电压纹波在10-2量级以上,电流纹波在10-6量级以上,长期稳定度(24h)好于10-4或者更高。
  电源技术是一种应用功率半导体器件,综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着技术的发展,数字化脉冲宽度调制技术逐渐得到普及,它兼有数字控制技术的优点即抗外界干扰强、集成化程度高、很好的移植性和脉宽调制技术的长处即可以提高电源效率、实现电源小型化和轻量化,并成功于加速器磁场电源中。
  论文中对三大直流—直流变流技术即隔离式、非隔离式、谐振式作简单说明,并分别举例介绍Buck降压变换器、反激变换器、串联谐振变换器的电路工作原理、电压电流特性等。介绍了开关电源控制环路基本概念及举例介绍Buck降压变换器模拟控制环路设计流程。
  基于加速器对小功率校正磁铁电源的设计要求,本文设计了一台输出2kW以下的小功率直流电源。本设计采用了脉宽调制技术(PWM)结合数字闭环反馈技术控制方案,全桥Buck降压斩波拓扑结构;电流传感器采样负载输出电流,并转化为电压信号,微控制器通过外置ADC经模数变化得到电压信号数字量,并折算出负载输出电流值,作为反馈量;计算当前输出电流与设置电流之间误差值并保存历史差值,采用数字PI调节器计算得到控制量即当前应当设置脉宽占空比;由微控制器产生的PWM方波经驱动电路放大隔离后驱动Buck电路开关管,使输出电流值实时跟踪参考电流值,保证输出电流高稳定度。
  搭建样机并测试,测试ADC驱动输出波形验证ADC线性度,测试四路PWM驱动波形验证驱动输出正常、测试输出电压纹波并折算计算出电流纹波计算输以及短期电流稳定度,结果表明本设计为直流小功率磁铁电源提供了一条可行的技术路线。
[硕士论文] 王刘敏
光学 华中师范大学 2017(学位年度)
摘要:兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)的建成,形成了以重离子物理为核心的学科群。CSR外靶建成产生束流以后,紧接着建立的首期CSR外靶实验系统,主要进行重离子碰撞动力学以及放射性束流的研究。外靶实验装置包含γ探测器、大接受度二极磁铁、带电径迹探测器、飞行时间谱仪、起始时间探测器和中子探测器,其中起始时间探测器又称为T0探测器。首期的CSR外靶实验装置中的T0探测器采用塑料闪烁体配合光电倍增管(PMT)技术,为了提高T0探测器的接受度,需要将靶点置于磁场附近,而PMT受磁场影响,因此必须采用新的技术原理重新设计T0探测器,本文研究采用MRPC技术建造T0探测器的关键问题,以期为实际设计提供参考。研究工作主要包括两个方面:
  1、研究了MRPC的能量沉积问题。采用pi+与proton入射,选择0°到50°的入射角、100MeV到900MeV的入射动能,对粒子穿过单块MRPC的能量沉积问题进行研究。仿真结果发现粒子的能量沉积在36MeV到4MeV的范围内,且入射粒子的能量越高,能量损失越小。在CSR外靶主要使用的能量范围500MeV到900MeV内,proton能损比值最大为2.2%,pi+能损比值最大为1.4%,对后续的探测器不会产生太大影响。
  2、仿真了单层、圆筒和双层三种不同结构的T0探测器时间分辨率。根据与CSR外靶实验入射粒子能量分布类似的粒子动量分布图,拟合了产生该动量分布粒子的数学描述,取随机数作为Geant4发射的pi+粒子动能,根据Geant4给出的时间进行计算,得出了单层、圆筒和双层三种结构T0探测器的时间分辨率分别为2.37±0.08ps、2.43±0.09ps、0.306±0.005ps。可见单层和圆筒结构的时间分辨率相差无几,双层结构比单层与圆筒结构的时间分辨率好一个数量级,显然采用双层结构更能提高T0精度。
  论文介绍了用于T0探测器的各种技术,分析了MRPC作为T0探测器的优势,并对MRPC的结构及物质材料进行阐述,在此基础上仿真了粒子穿过MRPC的能量沉积情况,并对MRPC构成不同结构的T0探测器的时间分辨率进行仿真,得出了采用双层结构的T0探测器具有很好时间分辨率的结论。
[硕士论文] 娄恃语
仪器仪表工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:北京谱仪 III是改进后的北京正负电子对撞机(BEPCII)上的大型探测器,由于其内径迹室部分目前老化情况比较严重,需要预研下一代内径迹室的技术方案。为此,高能物理研究所实验物理中心探测器、电子学、数据获取和物理软件组人员联合山东大学在2012年申请了国家自然科学基金大科学装置联合基金,获准开展“北京谱仪Ⅲ主漂移室内室改进的 MAPS探测技术研究”,其中电子学系统的研究是该项目的子课题。
  电子学系统根据MAPS(Monolithic Active Pixel Sensor,简称 MAPS)项目需求,需要实现1/10内室模型的研制。考虑探测器芯片的信号特征以及项目数据传输的需求,需设计芯片的数据读出、处理相关电路以及编写相关FPGA固件程序并进行测试。
  电子学系统包括两级电路。第一级为Ladder级,该级电路将10个探测器芯片作为一个单元模块,在软板进行打线并将信号引出,传输至后端电路;第二级为前端控制板,该级电路作为数据数据处理的主要部分,需要负责DAQ、探测器与电子学的互相通信。包括配置信息的加载,控制信号的实现,Ladder采样数据的传输与处理。同时电源供电电路针对信号的特点对所有模块供电并进行监测。
  程序控制实现的主要功能是电子学系统的控制与数据的传输处理。其中包括 JTAG(Joint Test Action Group;联合测试工作组)协议对芯片配置信息的加载,数据的处理, TCP/IP网络通信协议的编写。设计中灵活利用 FPGA中的丰富逻辑资源进行数据的处理与通信协议的设计,程序中每一级均设置了缓存机制,对数据进行缓冲处理,保证了数据的稳定性。
  针对设计的功能,通过程序仿真,电脑模拟等方法验证其功能。联合 DAQ及探测器组测试并取数,测试系统整体功能,并对取数结果分析验证系统功能。
[硕士论文] 严鹏程
电子与通信工程 电子科技大学 2016(学位年度)
摘要:随着新的环保高效涂层固化技术 EB油墨固化技术的发展,对 EB固化低能电子加速器的需求也逐年增涨,但该技术在我国仍未得到推广,这其中一个重要的原因就是用于油墨固化的关键设备低能电子加速器技术被国外企业掌控,该设备价格昂贵。因此,完成加速器的核心部件加速管的自主设计和生产将是完成该设备国产化和降低设备费用关键性的一步。
  在设计与工程实现中,以降低成本,保证性能为目的。着重从电子光学和高压绝缘优化两个方面来考虑并优化加速管的设计方案。
  对于电子光学的理论设计,文章从基础的公式理论出发,导出了在加速管结构设计中影响电子光学的几个参数,并说明越是靠近发射阴极的电极对整个电子光学的影响就越大。在设计具体的结构时,以借鉴前人的设计为起点,利用相关的软件进行仿真。通过调节加速管电极开孔内径尺寸得到了最优结构。该结构输出的电子束在3米甚至更长的无场漂移空间内束流直径都很小。
  对于高压绝缘的设计,先从绝缘环境的不同将其分为真空绝缘、体绝缘、高压气体绝缘三个部分。然后以高压击穿的基本理论和经验公式为依据选出了合适的电极材料、固体绝缘材料以及绝缘气体。之后采用有限元仿真计算的方法得到了粘接加速管内凹形胶瘤对三结合点的电场影响要小于凸形胶瘤的结论。同时还对整个结构的场强分布进行了优化。并根据最终的优化结果确定了绝缘气体的工作气压。
  加速管的的实现采用了粘接的方式。文章对在加速管的粘接实现中需要注意的问题进行了总结,并结合了一些相关研究文献对粘接中的问题进行了分析,为更好的粘接加速管做出了建议。完成了最终样件的制造后,在有限的条件下对加速管的相关性能进行了测试,加速管样件的最终测试结果符合设计的预期。
[博士论文] 王静
机械制造及其自动化 兰州理工大学 2016(学位年度)
摘要:射频四极场加速器RFQ(Radio Frequency Quadruple)是现代直线加速器中低能加速段必不可少的加速结构。对于连续波(CW)运行模式的RFQ腔体来说,工作在连续波模式下的热问题是非常具有挑战性的主要问题,连续工作方式和高束流强度对RFQ加速器的冷却系统提出了很高的要求。因其平均功耗大和水冷系统复杂,RFQ加速器的热问题成为了国际技术难题,电磁、热、结构的多物理场耦合研究对于RFQ加速结构的设计至关重要。CAE技术是工程和产品分析中必不可少的数值计算工具。本课题将CAE软件跟RFQ加速器的热问题相结合,完成了腔体的多物理场耦合研究,解决了中国科学院先导专项“中国加速器驱动的嬗变装置”CADS(China Accelerator Driven Sub-critical System)中的四翼型 RFQ(CADS-RFQ)腔体的高频热带来的不能稳定运行的问题,并且基于参数化分析,对RFQ加速器的载束加速实验提供了关键的理论数据支撑。另外,本文对兰州重离子国家实验室重离子研究装置的分离扇回旋加速器SSC(Separate Sector Cyclotron)升级改造项目中的四杆型RFQ腔体(SSC-RFQ)进行了模拟分析,对其腔体冷却系统进行优化设计,保证了工程的成功实施。
  本文首先阐述了国际上RFQ加速器发展的历史以及现状,总结了高功率连续波强流质子RFQ存在的问题,多物理场耦合分析是腔体能够稳定运行的关键技术问题;之后详细介绍了多物理场耦合涉及到的相关理论知识。
  论文的主体部分详细阐述了CADS-RFQ和SSC-RFQ多物理场耦合研究过程,针对其不同的结构特点利用不同的仿真策略对腔体进行分析。针对CADS-RFQ采用了二维和三维仿真结合,并对其关键因素进行了参数化研究,并设计进行了相关的实验来验证研究结果,在RFQ加速器实际的载束运行中,参数化分析的结果,为腔体的成功运行也提供了数据支撑。对于 SSC-RFQ,采用了三维模型进行仿真,验证了冷却水路的冷却能力,保证了腔体满功率的稳定运行。
  本课题针对两种类型的RFQ——四翼型RFQ和四杆型RFQ分别做了多物理场耦合分析以及实验研究。主要研究内容以及结论如下:
  (1)主要对CADS-RFQ以及SSC-RFQ进行了多物理场耦合分析,完成了高频分析-热分析-结构分析-二次高频分析的流程,最终完成了两个RFQ冷却水路的优化分析,保证了在正常的工况下高功率的RFQ腔体可以正常运行。
  (2)针对CADS-RFQ的运行条件,对RFQ腔体运行时候的功率加载、环境温度变化、冷却水路流速、冷却水温度等进行参数化分析,据此对RFQ腔体的运行水压、流量、外部温度等进行优化选择,保证了腔体可以在满功率下正常运行。并且设计相关实验,同仿真结果比较,得到了很好的一致性。
  (3)根据参数化分析的结果,在束流加载中根据仿真数据通过改变冷却系统的水温对腔体进行调节,保证了CADS-RFQ腔体载束实验的成功,这是国内首次实现高功率连续质子束流的稳定加速。
  (4)由于 SSC-RFQ腔体结构不对称,只能对其整体进行三维多物理场耦合研究。模拟在连续波满功率的运行条件下,SSC-RFQ腔体频率漂移与馈入功率大小及冷却水流速的关系。分析得出腔体的温度变化、位移变化及频率漂移情况均与馈入功率的变化成正比,且基本呈现线性变化趋势。分析还发现过多提高流速并不能达到理想的冷却效果,将水流速度保持在2.0m/s到2.5m/s的范围内是最佳选择。SSC-RFQ腔体在完成加工、组装及测试后,进行实验并比较实验结果后发现,实验结果与模拟分析结果的误差为10%,在可接受范围内。
  本论文通过CAE软件ANSYS在设计阶段的多物理场耦合研究,就CADS注入器Ⅱ和SSC注入器两个工程中的RFQ腔体进行了分析,并对关键因素进行了参数化分析,优化设计了腔体的冷却水路及运行参数,保证了工程的可实现性。利用CADS-RFQ腔体进行了耦合实验,实验结果跟仿真结果高度一致,国内首次完成连续波RFQ腔体的耦合仿真与实验结果的相互验证。同时为CADS-RFQ载束运行提供了理论分析,实现了国内首个连续波RFQ的连续束流成功运行,性能指标达到国际领先水平,为高功率高频腔体的冷却设计提供了非常宝贵的经验。
[硕士论文] 王志鹏
机械工程 安徽理工大学 2016(学位年度)
摘要:本课题研究内容是依托“医用加速器光子水吸收剂量溯源技术与标准装置研究”项目并服务于该项目。通过自动扫描水体模系统装置研究,可以用实验方法测得加速器打出X-ray的稳定性程度。实验测出医用加速器打出的光子在水体中的分布,从而绘制并计算出该加速器的百分深度剂量曲线、对称度、平坦度以及组织模体比TPR10,20等参数,为进一步测量光子水吸收剂量提供必要的设备参数(修正项)。
  针对测量高能光子打在水体模中的分布实验,设计了自动扫描水体模装置。该装置的设计主要分为水箱、水箱平衡台和探测器电离室三维运动方案设计,其中水箱平衡台具有6个自由度用于调整水箱位置,探测器电离室可以实现3个自由度运动;在完成设计的同时并给出加工和采购方案;最后根据采购的有机玻璃板进行水箱的加工、水箱平衡台组装和探测器运动导轨组装,最终完成自动扫描水体模装置的装配与修缮。
  针对自动扫描水体模装置的远程控制、温度湿度气压信息的采集和高阻静电计电荷量采集的集成控制,在LabVIEW软件平台上设计了相应的控制系统。该系统可实现三个模块的集成控制,分别是步进电机控制、温度气压湿度采集和高阻静电计电荷采集的控制;三个模块集成控制分别采用两种通讯方式,RS232和GPIB总线通讯;控制系统主程序涉及5个子VI的调用;该控制系统在使用LabVIEW常用结构的基础上,同时又使用了VISA技术、LabVIEW调用库函数、SCPI指令等关键技术。
  最后结合6MV、10MV、25MV光子在水体中分布情况的扫描实验,又称为“自动扫描水体模实验”,详细说明了自动扫描水体模装置的调试过程及其控制系统的使用,同时结合具体情况给出相应的实验注意事项。接着通过一组实验数据并用MATLAB绘制出相对强度曲线,用实验数据说明该自动扫描水体模系统装置的实用性和可靠性,同时也说明了该系统装置满足设计要求,达到设计目的。
[硕士论文] 徐延辉
核技术及应用 中国科学技术大学 2016(学位年度)
摘要:上个世纪以来,加速器在科学研究、工农业生产、医疗卫生、国防建设等各个领域的应用越来越广泛,而且加速器物理和技术也不断取得了重大进展。同步辐射加速器作为国家大型科学实验装置,在国家基础物理的发展上起到关键作用。随着加速器束流能量和强度不断的提高,在高能物理研究领域也不断有新的突破。加速器作为一种辐射源有多种优异的性质,在众多领域都有十分重要的应用。
  获得高质量束流是设计加速器的主要目标之一,然而带电粒子与真空室内壁碰撞产生的二次电子会大大影响束流品质。特别在正电子和质子加速器中,真空室内壁在粒子轰击下产生大量二次电子,这些二次电子聚集形成电子云,会对束流的稳定性、发射度、能量、寿命等重要参数造成不利影响。因此,测量研究其常用金属材料的二次电子发射(SEE)特性很有必要。此外,材料二次电子的研究在其他方面也很广泛,如航天器表面材料及扫描电子显微镜中也有很深入的研究。
  本文设计了一台材料二次电子产额(SEY)的高精度测量装置,采用能量范围为0~5000eV的低能电子枪,可用于测量材料的二次电子产额。通过该装置,获得了加速器常用金属材料(不锈钢和无氧铜),以及新型石墨烯材料的SEE特性曲线。未来,可以使用该装置进行更多相关材料的二次电子产额测试工作,促进材料表面二次电子研究不断发展。
[博士论文] 李为
核技术及应用 中国科学技术大学 2016(学位年度)
摘要:精确地了解真实储存环上的聚焦结构对探索和提高机器性能具有极强的现实意义。本论文的前半部分主要介绍在杜克储存环(DSR)所做的关于储存环聚焦结构标定和矫正的工作。由于LOCO不能直接应用于DSR,我们采用调节四极磁铁强度和测量工作点的方法来直接测量四极磁铁位置Beta函数的平均值。通过对全环78块磁铁处的Beta函数测量,从而实现对DSR的聚焦结构标定,并在此基础上对DSR的聚焦进行校准。本文对基于四极磁铁调节和工作点测量的Beta函数测量方法进行了系统研究,通过对该测量方法的误差分析和对工作点测量系统、磁铁电源、储存环稳定性等因素的研究,对测量的相关参数和测量程序进行优化,从而设计了一套高分辨率的Beta函数测量方法。通过对全环Beta函数的多次测量,在实验上对该测量精度进行了直接证明。利用该方法测量得到的Beta函数,通过调节储存环模型参数来减小模型和测量Beta函数的偏差,从而对DSR的聚焦结构进行建模。通过对比所得到的储存环模型和设计模型,可以对全环四极磁铁进行调节以达到聚焦结构校准的目的。通过一系列的实验研究,DSR的横向Beta函数畸变被有效减小。
  利用DSR上基于横向反馈(TFB)的工作点测量系统,我们设计了一系列实验来研究储存环磁铁的磁滞效应对束流能量和聚焦结构的影响。此研究主要涉及两个方面:一是与储存环标准化和升能过程相关的(我们定义为)主磁滞效应,这方面的研究有助于我们确定机器的工作点在给定可重复性的基础上的最佳标准化速度。另一方面是对以Beta函数测量中四极磁铁的调节为例,对磁铁在小范围内调整时的局部磁滞效应进行研究。基于对局部磁滞效应的研究,我们提出了一个准确复位四极磁铁强度的方案,可以有效减小一系列Beta函数测量后的工作点漂移,该方案在聚焦结构标定中得到了成功应用。
  DSR环同时也是高亮度康普顿背散射型伽马光源装置的一部分,因而要求对撞点的束流轨道有极高的稳定性。由于观测到实时运行的增强器明显影响到储存环中束流轨道稳定性,我们设计了一套对增强器漏磁的补偿方案。我们采用了两个矫正磁铁和前馈的补偿方案,将束流轨道的扰动显著降低,提高了产生的伽马光的稳定性。
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