兰州重离子加速器冷却储存环高频加速系统

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2024年6月22日发(作者：)

维普资讯

第４０卷第４期　原子能科学技术　

Ｖｏ１．４０，ＮＯ．４　

２００６年７月　

Ａｔｏｍｉｃ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

Ｊｕｌｙ　２００６　

兰州重离子加速器冷却储存环高频加速系统　

张文志　，王凤文　，许哲　，Ｇ．Ｙ．Ｋｕｒｋｉｎ。，杨晓东　，夏佳文　，魏宝文　

（１．东北大学秦皇岛分校，河北秦皇岛０６６００４；　

２．中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州　７３００００　

３．俄罗斯科学院核物理研究所，俄罗斯新西伯利亚６３００９０）　

摘要：文章介绍兰州重离子加速器冷却储存环主环用于加速粒子的高频加速系统。加速系统的频率范　

围为０．２５～１．７　ＭＨｚ，最高峰值电压为８．０　ｋＶ。高频腔体的固有谐振频率通过调节绕在腔体加载的铁　

氧体材料上的偏磁电流来改变，所加载的铁氧体材料为６００ＨＨ。高频腔体内的真空度达到３×１０　Ｐａ，　

高频发射机的最大输出功率为３０　ｋＷ，高频系统的控制采用基于ＰＣＩ总线技术，它提供所有高频系统控　

制及监测功能。　

关键词：铁氧体；高频腔；束流加速　

中图分类号：ＴＩ　５０３．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—６９３１（２００６）０４—０４９０—０４　

ＲＦ　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｈｅａｖｙ　Ｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｆａｃｉｌｉｔｙ　

ａｔ　Ｌａｎｚｈｏｕ。Ｃｏｏｌｉｎｇ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｒｉｎｇ　

ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｎ—ｚｈｉ　～，ＷＡＮＧ　Ｆｅｎｇ—ｗｅｎ　，ＸＵ　Ｚｈｅ　，Ｇ．Ｙ．Ｋｕｒｋｉｎ。，　

ＹＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｄｏｎｇ　，ＸＩＡ　Ｊ　ｉａ—ｗｅｎ　，ＷＥＩ　Ｂａｏ—ｗｅｎ　

（１．Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ａｔ　Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ　０６６００４，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００００，Ｃｈｉｎａ；　

３．Ｂｕｄｋｅｒ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｐｈｙｓｉｃｓ．Ｒｕｓｓｉａｎ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎｏｖｏｓｉｂｉｒｓｋ　６３００９０，Ｒｕｓｓｉａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ＲＦ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉｐｕｒｐｏｓｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｒｉｎｇ（ＣＳＲ）　

ｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ａｔ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｐｈｙｓｉｃｓ（ＩＭＰ）ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ　ＲＦ　ｓｔａｔｉｏｎ　

ｗａｓ　ｔｅｓｔｅｄ　ａｔ　ＩＭＰ　ａｎｄ　ｎＯＷ　ｉＳ　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｒｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ．Ｔｈｅ　ＲＦ　

ｓｔａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｐｅｒａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　０．２５一Ｉ．７　ＭＨｚ，ａｎｄ　ｍａｘｉｍｕｍ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ　

ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｓ　８　ｋＶ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＲＦ　ｃａｖｉｔｙ　ｉｓ　ｔｕｎｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　

ｒａｎｇｅ　ｂｙ　ｂｉａｓｉｎｇ　ｏｆ　ｆｅｒｒｉｔｅｓ．ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｔｙ．Ｆｅｒｒｉｔｅｓ　ｏｆ　６００　Ｈ　Ｈ　ｔｙｐｅ　ｗｅｒｅ　

ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｔｙ．Ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｔｙ　ｖａｃｕｕｍ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｉｓ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈａｎ　３×１０一。　

Ｐａ．ＲＦ　ｃａｖｉｔｙ，ＲＦ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｉｅｓ　ａｒｅ　ｍａｄｅ　ｉｎ　ｏｎｅ　ｍｏｄｕｌｅ．Ｍａｘｉｍｕｍ　

ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＲＦ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｉｓ　３０　ｋＷ．Ｌｏｗ　ｌｅｖｅｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｒｅ　ｐｌａｃｅｄ　

ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ　ｉｎ　ａ　ｒａｃｋ．Ｔｈｅ　ＲＦ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｃｔ　ＰＣＩ　ｂｕｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　

收稿日期：２００４—１１－０１；修回日期：２００５—０７—１９　

基金项目：国家“九五”重大科学工程“兰州重离子加速器冷却储存环（ＨＩＲＦＬ－ＣＳＲ）”资助项目　

作者简介：张文志（１９６６一），男，宁夏盐池人，教授，博士，加速器物理专业　

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第４期　张文志等：兰州重离子加速器冷却储存环高频加速系统　４９１　

ａｌｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＲＦ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｅｒｒｉｔｅ；ＲＦ　ｃａｖｉｔｙ；ｂｅａｍ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　

正在建造中的国家“九五”重大科学工程兰　

互独立的偏磁绕组，通过调节偏磁绕组线圈上　

州重离子加速器冷却储存环（ＨＩＲＦＩ　一ＣＳＲ）　］　的电流来改变铁氧体材料的磁导率，从而改变　

是一个多用途的加速器组合，它由注入器　高频腔的谐振频率。偏磁绕组绕成“８”字型，使　

ＳＦＣ、ＳＳＣ，主环（ＣＳＲｍ）及实验环（ＣＳＲｅ）组　

高频磁通量密度变化而在偏磁线圈中产生的感　

成。主环和实验环的周长分别为１６１　ｍ和　

应电动势相互抵消，使偏磁电流源能够正常工　

１２８　ｍ。从注入器（ＳＳＣ或ＳＦＣ）引出的能量为　

作。共使用了９６匝偏磁绕组，互相串联（图１　

１０￣５０　ＭｅＶ／ｕ的束流，注入到主环中，采用多　

中仅画出２匝），在频率０．２５～１．７　ＭＨｚ范围　

次多圈注入或射频堆积加电子冷却的方法，将　

内，偏磁电流的调节范围为０～３５　Ａ。腔体及　

束流在横向或纵向相空间进行累积，使环内束　铁氧体材料的冷却采用水冷方式，损失在铁氧　

流流强达到１０　～１０　ＳＩ。，且在主环内形成连　

体材料中的高频功率通过夹在其间的金属冷却　

续束，用加速腔对所形成的连续束流进行捕获　板传给与其外端具有良好热接触的冷却水管，　

并加速到最终能量。文章介绍ＨＩＲＦＬ—ＣＳＲ高　

从而达到冷却的目的。同时，为增强铁氧体环　

频加速系统。　与冷却板的热接触、机械稳定度以及电绝缘强　

度，在高频腔体的自由空间填充了绝缘硅胶介　

ｌ　系统主要参数　

质。所设计的高频系统工作于脉冲模式，腔体　

ＨＩＲＦＩ　一ＣＳＲ高频加速系统主要参数列于　

内的平均功率损耗为２．２　ｋｗ，铁氧体内平均功　

表１。　

率损耗为１５　ｍＷ／ｃｍ。。经测量，铁氧体环与冷　

却水间的最大温差不超过１０℃。为使高频腔　

２　高频腔　

的谐振频率能够达到所设计频率的下端　

高频系统包括高频腔、高频发射机和高频　

０．２５　ＭＨｚ，在腔体的高频加速间隙间接有问隙　

控制系统。高频腔采用铁氧体加载的单间隙同　

电容，其值为６　２００　ｐＦ，由２８个相同的陶瓷电　

轴线型谐振腔，它由两个四分之一波长线谐振　

容并联组成，每个电容为２２０　ｐＦ，耐压值为　

腔组成，在其中间形成隙地，即高频加速间隙。　

１５　ｋＶ。从开路端，即加速间隙到短路端，其电　

图１所示为高频腔结构示意图。铁氧体环的尺　

长度为１１。。腔体真空室经烘烤后所达到的真　

寸为外径４８０　ｍｍ、内径３４０　ｍｍ、厚度２０　ｍｍ，　

空度好于３．５×１０～Ｐａ。　

每两个铁氧体环中间夹有金属冷却片，其厚度　

为１　ｍｍ。铁氧体材料的初始相对磁导率　

３高频发射机　

一

６００。整个腔体共加载６８块铁氧体环。铁　

高频发射机末级功率放大器的最大输出功　

氧体中最大磁通量密度为１．３×１０Ｉ。Ｔ。　

率为３０　ｋＷ，采用共阴极推挽放大方式（单管输　

腔体内铁氧体环共分４组，每２组绕有相　

出最大功率为１５　ｋｗ）。因使用频段较低，高频　

表１　高频加速系统主要参数　

Ｔａｂｌｅ　１　Ｍａｉｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ＲＦ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　

参数名称　量值　参数名称　量值　

频率范围０．２５～１．７　ＭＨｚ　腔体真空度　＜３．５×１０—１Ｉ　Ｐａ　

最高加速电压８．２　ｋＶ　加载铁氧体材料类型　６００ＨＨ　

高频谐波数　１　高频腔轴线高度　１　５００　ｍｍ　

发射机最大输出功率　３０．０　ｋＷ　高频腔安装长度　２　６００　ｍｍ　

运行周期　３．０　Ｓ　高频腔真空室孔径　２００　ｍｍ　

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４９２　原子能科学技术　第４ｏ卷　

高频间隙电容　

偏　

图１　高频腔体结构示意图　

Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ＲＦ　ｃａｖｉｔｙ　

功率放大部分采用功率增益较高的末级功放　

图２　高频发射机末级线路图　

管，其型号为８２８１／４ＣＸ１５０００Ａ束射功率四极　

Ｆｉｇ．２　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｏｆ　ｆｉｎａｌ　ｓｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＲＦ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　

管。功率管的冷却方式为风冷。功率管的板极　

与高频腔体的加速间隙直接相接，即高频腔体　

靠主导偏转场磁感应强度与高频电压间的精确　

直接作为末级功率放大器的槽路，末前级为　

依赖关系实现。在加速过程中，高频频率分辨　

５００　Ｗ固态宽带放大器，采用水冷却方式。在　

率小于１０　Ｈｚ，频率稳定度小于１ｏ　，所需的数　

连续波输出模式下，最大输出功率为０．５　ｋＷ。　

字控制量为１８　ｂｉｔ。传统采用的信号源ＶＣＯ　

固态宽带放大器所需的最小输入功率为　

的长期稳定度为１Ｏ＿。，数字分频ＰＬＬ合成方　

０．５　Ｗ，整个电路采用宽带不调谐，仅有腔体调　

式的频率发生速度决定于其频率分辨率，即频　

谐，这种工作方式较级间调谐式稳定。图２示　

率分辨率越高，频率发生速度越慢，这是由　

出高频发射机末级线路图。　

ＰＬＬ环路的低通滤波器决定的。在高频率分　

辨率下，当数字分频比１／Ｎ很大时，环路增益　

４高频控制系统　

将降至１／～，环路稳定性变差。采用较新的　

ＣＳＲ高频控制系统采用基于ＤＤＳ的高频　

ＤＤＳ技术能满足ＣＳＲ高频信号处理的要求。　

信号处理线路。作为同步加速器，束流的加速　

图３为ＣＳＲ主环高频加速系统的控制框图。　

图３　ＣＳＲ主环高频加速系统控制框图　

Ｆｉｇ．３　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ＣＳＲ　ＲＦ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　

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第４期　张文志等：兰州重离子加速器冷却储存环高频加速系统　４９３　

所有高频信号控制单元将采用基于　

Ｃｏｍｐａｃｔ　ＰＣＩ总线的工控机插件，所有插件是　

带有ＭＣＵ的独立系统，以缓冲工控机较慢的　

通信速度。它提供高频加速过程中所需要的所　

有高频参量（加速电压、高频相位等），这些参量　

由预先编制好的程序提供。同时，控制系统能　

够进行高频参量的微调。　

安装于Ｃｏｍｐａｃｔ　ＰＣＩ机柜的主控插件包　

括高频主振荡器ＤＤＳ，ＤＡＣ提供腔体高频电压　

幅度的直流参考信号及腔体调谐参数，ＡＤＣ提　

供整个运行周期中对高频参量的监控，ＲＡＭ　

部分存储着决定运行周期过程中最关键参量的　

信息，即ＤＤＳ的输出频率、高频腔的电压幅值　

以及偏磁电流的预值。高频系统可在本地进行　

控制，也可通过网络在远程（中央控制室）进行　

控制。　

５　机械结构　

高频腔固定在１个钢体架上，整个框架由　

４个脚固定在地面上。高频腔长度２　６００　ｍｍ，　

束流轴线高度为１　５００　ｍｍ、宽度为８７８　ｍｍ。　

腔体下安装３个机柜，从左到右分别为１号柜、　

２号柜和３号柜，１号机柜里安装有四极管的阳　

极电源、廉栅极电源，２号机柜安装有高频四极　

管、灯丝电源，３号机柜安装偏磁电流源ＤＣ放　

大器、高频发射机的控制电路以及发射机的控　

制保护电路部分。　

６　测试结果　

腔体安装后，首先进行真空测试。经烘烤　

后，腔体真空度达到设计要求。高频参数的测　

试通过７２　ｈ不间断的运行而得到。在整个运　

行过程中，高频腔体电压稳定度达到０．２　，腔　

体的频率调谐精度为１０。。图４为从电压幅度　

探测器上获取的模拟加速注入能量为　

２５　ＭｅＶ／ｕ、引出能量为９００　ＭｅＶ／ｕ的　Ｃ。　离　

子的高频电压波形。同时，测试模拟加速注入　

能量为１０　ＭｅＶ／ｕ、引出能量为４５０　ＭｅＶ／ｕ的　

Ｕ　离子过程，所得到的电压波形与设计波　

形符合。其它各项高频参数均达到设计指标。　

图４高频腔电压测试结果　

Ｆｉｇ．４　Ｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｍ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔ　

ｏｆ　ＲＦ　ｃａｖｉｔｙ　ｖｏｌｔａｇｅ　

参考文献：　

［１］ＸＩＡ　Ｊ　Ｗ，ＺＨＡＮ　Ｗ　Ｌ，ＷＥＩ　Ｂ　Ｗ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　

Ｈｅａｖｙ　Ｉｏｎ　Ｃｏｏｌｅｒ－Ｓｔｏｒａｇｅ－Ｒｉｎｇ　Ｐｒｏｊｅｃｔ（ＨＩＲＦＬ—　

ＣＳＲ）ａｔ　Ｌａｎｚｈｏｕ［Ｊ］．Ｎｕｃｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　

Ｐｈｙｓ　Ｒｅｓ　Ａ，２００２，４８８（卜２）：１１－２５．　

本文标签： 加速冷却腔体系统频率