C-ADS注入器Ⅱ束流損失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)后，很多國(guó)家把建造先進(jìn)質(zhì)子加速器作為了研究重點(diǎn)，相繼提出了一批高能量、高流強(qiáng)的質(zhì)子加速器計(jì)劃。歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC，是目前世界上能量最高的質(zhì)子加速器，質(zhì)子能量達(dá)到了7 TeV，質(zhì)心能量達(dá)到14 TeV。另一個(gè)方向是強(qiáng)流質(zhì)子加速器，代表性的有瑞士的PSI回旋加速器和美國(guó)的散列中子源SNS，運(yùn)行功率都超過1 MW。這些加速器都主要應(yīng)用于核物理研究，其實(shí)強(qiáng)流質(zhì)子加速器還可以應(yīng)用到別的領(lǐng)域，比如核廢料嬗變。ADS就是專

2、門設(shè)計(jì)用來(lái)進(jìn)行核廢料處理的裝置，具有很高的功率，中國(guó)的C-ADS計(jì)劃設(shè)計(jì)流強(qiáng)達(dá)到10mA，運(yùn)行功率超過10 MW。該項(xiàng)目采用全超導(dǎo)設(shè)計(jì)，低能質(zhì)子從2.1 MeV開始利用超導(dǎo)加速器進(jìn)行加速，直到能量達(dá)到1 GeV以上，這種設(shè)計(jì)被證實(shí)容易實(shí)現(xiàn)較高流強(qiáng)。束流損失一直是制約質(zhì)子加速器功率提高的主要因素之一。束流損失會(huì)造成較大的危害，首先是對(duì)被輻照材料造成損傷，加速器部件會(huì)出現(xiàn)故障，其次機(jī)器受到輻照會(huì)造成感生放射性，影響人工維修。減少束流損失一般

3、有兩種途徑，一種是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到束流損失最小化，另一種是研制束流損失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（下稱束損系統(tǒng)），通過探測(cè)束流損失產(chǎn)生的輻射場(chǎng)，快速檢測(cè)到束流損失，進(jìn)而減小其危害。
　　本文主要研制C-ADS低能段的束流損失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因?yàn)榈湍芏问鲹p失比較嚴(yán)重，而低能質(zhì)子丟失產(chǎn)生的次級(jí)輻射場(chǎng)比較弱，對(duì)束損系統(tǒng)的性能提出了較高的要求。本文首先分析了質(zhì)子束流丟失產(chǎn)生的輻射場(chǎng)，主要研究方法是蒙特卡洛模擬。使用SRIM、MCNPX、FLUKA等軟件模擬了質(zhì)

4、子丟失產(chǎn)生的中子、光子和電子的能譜分布、角分布等輻射場(chǎng)信息。同時(shí)分析了別的一些輻射場(chǎng)，如超導(dǎo)腔場(chǎng)致發(fā)射、電子倍增效應(yīng)、RF功率源X射線發(fā)射和活化部件衰變過程等。這些輻射場(chǎng)對(duì)于束損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言是干擾項(xiàng)，但是站在加速器保護(hù)的角度卻值得研究。
　　通過分析輻射場(chǎng)分布及各種次級(jí)粒子的產(chǎn)額，就可以確定待探測(cè)粒子及相應(yīng)的探測(cè)器。由于C-ADS采用全超導(dǎo)設(shè)計(jì)，低能段的次級(jí)輻射場(chǎng)非常微弱，而超導(dǎo)加速腔對(duì)束損的容忍度比較差，要求束損探測(cè)器有足夠快的

5、響應(yīng)速度和低溫工作能力。目前廣泛使用的束損探測(cè)器不能滿足要求，本文針對(duì)三種不同的探測(cè)粒子選擇了三種不同的探測(cè)器。分別是刮束器型探測(cè)器、金剛石探測(cè)器和塑料閃爍體探測(cè)器分別探測(cè)電子、光子和中子。結(jié)合加速器布局確定了各種探測(cè)器的安裝位置及相應(yīng)參數(shù)，并做了一定的性能測(cè)試。
　　此外，論文還討論了束損探測(cè)系統(tǒng)后端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)方案。該方案參照合肥光源和LHC的束損數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用三層控制結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了中繼站的數(shù)據(jù)處理能力和速度。該系統(tǒng)