当前位置: 首页 > 工程概况 > 装置先进性

HIAF装置先进性
发布时间:2020-03-24 18:09  访问量:280

        HIAF是世界上第一台超导直线加速器、同步加速器和储存环组合的先进重离子研究装置,完美结合了直线加速器的高脉冲流强和同步加速器的高能量特点,采用了国际上最先进的45 GHz超导ECR离子源,超导直线加速器,全储能快循环脉冲电源,快脉冲二极磁铁,高梯度、宽频带、快响应磁合金加载腔高频系统,陶瓷内衬超薄壁极高真空室,高精度多极组合超导线圈技术,低束损双平面涂抹Corner Septum等一系列先进的技术。

        一、45 GHz超导ECR离子源

        国际首台第四代ECR离子源技术,实现基于全Nb3Sn股线复合超导磁体的45 GHz 高电荷态ECR离子源核心技术的国际首创与突破。以HIAF为代表的强流重离子加速器需要提供1 emA量级的强流高电荷态重离子束(如U35+),现有离子源技术无法满足需求,极具挑战,为国际难题,必须发展更为先进的离子源技术,全新设计的45 GHz ECR离子源将为该类大科学工程提供强流高电荷态重离子注入器全新的解决方案。主要突破有以下几方面:(1)国际首台Nb3Sn全超导ECR离子源磁体,将挑战现有Nb3Sn磁体技术与工艺的极限,在国际上首次成功研制基于单股线的Nb3Sn超导六极磁铁与4个超导螺线管组合而成的复合磁体,该磁体上最高磁场约12 T,国内率先实现ms级快响应主动失超联锁保护、基于Bladder+Keys的超导磁体装配结构、基于全仿真指导的高精度(±0.05 mm)冷体装配工艺、基于Mirror结构的六极线圈测试工艺以及>10 W级大冷量冗余低温保持器系统的设计与研制;(2)国际上首次解决20 kW/45 GHz微波高效传输、耦合加热高密度高电子能量ECR等离子体的关键技术与物理问题;(3)创新性地解决>10 MW/m2高功率密度热沉积薄壁等离子体弧腔研制这一国际难题;(4)创新性地解决高于2000℃能在强磁场(>6 T)环境长期稳定运行的高温金属蒸发炉研制这一国际难题;(5)解决30~50 mA强流高电荷态重离子束流的高效引出、高品质传输以及与RFQ加速器高效匹配的关键技术与物理问题。

        二、超导直线加速器

        国内首台全超导重离子超导直线加速器,采用连续波和脉冲双运行模式,其设计流强为2emA,是目前国际上设计流强最高的超导直线加速器。主要设计特点有:(1)重离子RFQ加速器设计能量0.8MeV/u,提高了整个加速器的加速效率和束流品质,降低了超导加速段的束流损失几率;(2)采用3D虚拟集成设计、装配技术,实现“所见即所得”的场景,提高系统的可装配性、可维护性和可检测性;(3)超导加速单元采用bottom-up模式、开尔文支撑结构,精确控制在线元件低温环境的冷缩变形和位置偏移;(4)射频系统采用标准化全固态功率放大器和数字化控制技术,提高系统可扩展性、可维护性和可靠性。

        三、变前励全储能快循环脉冲电源

        国际首次提出的“变前励全储能快循环脉冲电源方案,解决了感性负载电源非谐振极快变化率的国际难题。强流重离子加速器由于空间电荷效应和强流动态真空效应的影响,离子需要快速加速到高能量,避免引起雪崩效应导致离子丢失。这要求磁铁电源输出4000A 的电流脉冲、电流上升率为38000A/s、上升时间小于100ms、跟踪误差小于±1×10-4;电源的输出和调节范围较大,而且在整个脉冲周期都要保持较高的精度。目前国际上大电感磁铁快速率脉冲电流获得采用谐振方案,脉冲电流频率一般可达几十赫兹,例如美国散裂中子源SNS、日本J-PARC RCS增强器。但是谐振方案只能产生固定频率的正弦电流波形,频率无法调节,只适用于正弦谐振模式运行的加速器。满足强流重离子加速器的极快速率、非谐振电源是国际同步加速器面临的一大技术难题。项目组提出的变强励快循环全储能大功率高精度电源方案,采用创新的全储能方式,控制能量在磁铁电感和储能电容之间的有序流动,每次只从电网补充磁铁发热消耗的小部分能量,通过矢量整流变换器控制母线电压的有序波动。变前励快循环全储能方案不仅使电源配电功率减小为原来的三分之一,而且很好地解决了电网冲击问题。

        四、高电压梯度、宽频带、快响应磁合金加载腔高频系统

        磁合金高频系统是新一代快循环同步加速器最核心技术之一,由高频腔、功率源以及低电平与计算机控制系统三大部分组成,具有高电压梯度(20kV/m)、宽频带(无需调谐)、快响应速度(<10μs)的特点。纳米晶软磁合金加载腔高频系统是近二十年来发展起来的新技术,磁合金材料具有高磁导率、高饱和磁感应强度、优良的居里温度特性、低Q值和快速响应等特点。利用高性能大尺寸磁合金环作为高频腔体的加载材料,使用大功率宽带脉冲功率源与高速全数字化低电平控制系统,不仅能提高加速电压梯度与响应速度,拓宽工作频带,还可以降低高频系统整体结构的复杂程度。磁合金加载腔技术目前已在日本KEK、德国GSI、美国FNAL使用,HIAF在国内加速器上首次采用液冷大尺寸磁合金加载高频腔,双管推挽式动态负载大功率宽带脉冲功率源,同时采用全数字化低电平控制系统实现高精度锁相、稳幅和多谐波束流负载效应补偿。国内对于磁合金加载腔体的研制处于起步阶段,而且受到国外关键核心材料禁售与技术封锁,为满足强流重离子加速器对高频系统的要求,项目组针对磁合金加载腔、大尺寸高性能磁合金环、电子管功率源和低电平控制系统的关键技术进行专项研发,对于填补国内该领域技术空白及打破国外在材料与技术上的封锁有着十分重要的意义。

        五、陶瓷内衬超薄壁极高真空室

        国际首创提出的“陶瓷内衬薄壁真空室”方案,彻底解决了强流重离子加速器薄壁真空室技术难题。目前国际上薄壁真空室普遍采用薄壁加筋结构技术方案,然而该方案占用磁铁气隙尺寸偏大,大幅度提高了磁铁、电源造价以及运维成本。基于以上原因,项目组提出了“陶瓷内衬”方案,该方案将氧化锆陶瓷环(壁厚:2~3mm)衬于0.3mm薄壁不锈钢真空室内,利用陶瓷很高的抗弯强度,来抵抗大气压强,以确保薄壁真空室的最大变形量满足物理要求。与此同时,发展了氧化锆陶瓷镀Au膜技术,有效解决了内衬陶瓷环在强流重离子加速器运行过程中带来的束流阻抗及解吸气载等问题。该设计方案为未来加速器超高薄壁真空室的发展,提供了一种全新的技术方案,对国际强流重离子加速器超高真空薄壁真空室研制具有重要意义。

        六、BRing快脉冲二极磁铁

        目前国际上已运行和在建装置中磁场上升速率最快的脉冲运行同步环二极磁铁。为了将多种重离子从低能量快速加速到高能量,从而避免由于空间电荷效应和动态真空效应引起的雪崩效应导致的离子丢失,需要采用快脉冲二极磁铁。这不仅要求磁铁在整个加速过程中宽好场区内磁场均匀度及谐波量≤3×10-4,同时要求在0.047T~1.58T的整个磁场变化范围内磁场上升速率达到12T/s。目前国际上在线运行及在建的磁场上升速率最大的脉冲运行环二极磁铁为GSI的SIS18快脉冲二极磁铁,它在1.2T内的最大磁场上升速率为10T/s,在1.2T~1.8T内磁场上升速率下降到4T/s。快脉冲运行模式下,磁铁的铁芯、线圈及真空管道等产生涡流效应,造成磁场质量变差、磁场延迟、磁铁功率损耗增加及热效应等;同时,在脉冲电流作用下,磁铁线圈所受电磁力也相应地发生脉冲变化,容易造成线圈固定装置的疲劳和松动,从而导致线圈损坏。因此,基于以上问题项目组展开详细的优化设计和结构分析,确定了磁铁的结构及工艺方案:磁铁采用直铁方案,铁芯主体通过采用0.5mm硅钢片全胶粘叠压的方式有效阻断束流方向的涡流,端板、侧板、拉板及真空管道采用低导电率304不锈钢,降低涡流效应的影响;通过详细的受力分析和抗疲劳计算,考虑采用斜拉固定和立柱顶靠相结合的固定方式来保证线圈在快脉冲下运行的稳定性;针对磁场的快速变化,开展静态和动态测量系统的详细设计及系统搭建,以探究涡流影响的大小。

        七、高精度多极组合超导线圈技术

        国际首次提出DCT(Discrete Cosine Theta) 线圈与CCT(Canted Cosine Theta)线圈多层嵌套的高精度组合功能超导多极磁体技术,解决了传统大孔径磁铁体积重量大、功耗造价高和磁场线性差等难点。由于需要对大角度大动量分散的放射性次级束流进行高效传输,HFRS对好场区孔径(φ320 mm)、场梯度(11T/m)和均匀度(±3×10-4)提出了很高的要求,目前国际上普遍采用的基于冷铁芯结构的低温超导磁体(例如美国MSU的A1900、日本Riken的BigRIPS和德国FAIR的SuperFRS等),虽然能够达到上述指标,但是存在体积大、冷质量大、液氦消耗大和造价高等问题。针对以上问题,项目组提出高精度多极DCT和CCT组合超导线圈方案,采用室温铁轭降低漏磁和增强中心磁场,避免了冷铁芯的使用,大幅降低了冷质量,从而减少了系统降温时间和低温系统的规模及造价。主要创新点包括以下几方面: (1)采用高激磁效率的DCT线圈产生主四极场,辅以低磁场误差和易于加工的CCT线圈作为磁场垫补线圈,解决了激磁效率和磁场精度的矛盾;(2)采用G10骨架多层嵌套和槽内线圈绕制工艺,实现了八极、四极、六极和二极校正线圈的径向组合,大大降低了HFRS束线的长度;(3)针对性地提出“6+1”绝缘超导缆技术、导线定位误差激光扫描及校正技术等多个专项技术,解决了高精度多极组合超导线圈加工、测量问题;(4)创新提出可调节非线性Quench-back技术,解决了失超保护难题,保证磁体的可靠安全运行。

        八、低束损双平面涂抹Corner Septum

        国际首次提出“小型化”、“多电极”、“陶瓷架”结构斜注入静电偏转板。斜静电偏转板应用于强流重离子加速器BRing环的双向涂抹注入,为降低返回束流在静电切割板(阳极)位置损失的概率,需严格要求静电切割板的尺寸,宽度不大于9mm,厚度不大于0.1mm。根据物理要求,电场的好场区为直径8mm的圆形,该尺寸接近阳极切割板的宽度,单一的高压电极不能满足束流范围内电场的均匀性,这成为电场优化的难点;同时在空间严格限制的情况下,迫切需要解决电极的固定方式。针对以上问题,项目组创新提出 “小型化”、“多电极”、“陶瓷架”结构的静电偏转板。切割板采用宽3mm,厚0.1mm的合金带材,带与带的间隔为1mm,带的直线段距离为9mm,两端向后弯折并夹紧于固定架上,其整体结构趋于“小型化”。为了满足好场区的均匀性,采用“多电极”设计,主电极用于提供好场区范围内的平均电场,而小电极用于补偿好场区内局部偏差较大的小范围场区,通过电场的优化设计,主电极宽度与切割板尺寸近似,小电极采用直径为1mm的细丝。通过使用绝缘性能良好的异形“陶瓷架”,将小电极置于其内,可很好地解决小电极的固定和绝缘难题。