回旋加速器原理及新进展

图书标准信息

• 作者 张天爵 王川 李明 殷治国 樊明武 著
• 出版社 北京理工大学出版社
• 出版时间 2022-03
• 版次 1
• ISBN 9787576309232
• 定价 148.00元
• 装帧 精装
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 516页
• 字数 561.000千字
• 丛书 ①国家出版基金项目；②“十三五”国家重点出版物出版规划项目·重大出版工程；③原子能科学与技术出版工程。

【内容简介】

本书共11章，简要介绍了回旋加速器发展历史及基本原理，系统地论述了回旋加速器束流动力学、主磁铁、谐振腔、离子源、注入系统、引出系统等相关基本理论及对应的案例，详细阐述了回旋加速器真空系统、电气电源系统、控制系统等相关工程技术原理和设计，同时对超导回旋加速器和FFA加速器的发展历史、设计原理等作了全面地介绍和分析，此外，对回旋加速器的新技术和新原理做了介绍，并探讨了它们的发展前景。

 

本书可作为回旋加速器及相关专业的研究生教学用书，也可作为本领域及相关领域科技工作者的参考书。

 

【作者简介】

张天爵，男，中国原子能科学研究院研究员，副总工程师，钱三强科技奖获得者。长期致力于强流加速器研发，先后任日本大阪大学、我国清华大学、中科大、华中科大兼职教授、联合博导，指导硕士、博士研究生40多人次。国家百千万人才工程人选，国家杰出青年基金获得者，原子能院“突出贡献人物”。发表论文300余篇，授权发明专利80余项。主持编制国际第一项回旋加速器标准，以及2项国家标准。成果两次被两院院士投票评为“中国十大科技进展新闻”。

【目录】

第 １ 章  引言 ……………………………………………………………………… 001

 

    １. １  回旋加速器的简要描述 ……………………………………………… 002

 

    １. ２  回旋加速器发展的简短历史………………………………………… 005

 

        １. ２. １  经典回旋加速器 …………………………………………… 005

 

        １. ２. ２  同步回旋加速器 …………………………………………… 006

 

        １. ２. ３  扇形聚焦回旋加速器 ……………………………………… 006

 

        １. ２. ４  分离扇回旋加速器 ………………………………………… 007

 

        １. ２. ５  超导回旋加速器 …………………………………………… 008

 

        １. ２. ６  商用回旋加速器 …………………………………………… 009

 

    １. ３  基本方程和公式 ……………………………………………………… 010

 

        １. ３. １  回旋加速器的基本原理 …………………………………… 010

 

        １. ３. ２  相对论情况 ………………………………………………… 012

 

        １. ３. ３  引出束流的动量和能量 …………………………………… 013

 

    １. ４  回旋加速器的聚焦和轨道稳定性 ………………………………… 014

 

    １. ５  回旋加速器的主要部件和子系统 ………………………………… 017

 

    参考文献 ……………………………………………………………………… 020

 

第 ２ 章  回旋加速器束流动力学 ……………………………………………… 023

 

    ２. １  运动方程 ……………………………………………………………… 024

 

        ２. １. １  中心区………………………………………………………… 024

 

        ２. １. ２  加速区………………………………………………………… 026

 

    ２. ２  共振的一般描述 ……………………………………………………… 028

 

        ２. ２. １  经典回旋加速器 …………………………………………… 028

 

        ２. ２. ２  等时性回旋加速器 ………………………………………… 031

 

    ２. ３  低能强流回旋加速器中的共振分析 ……………………………… 033

 

    ２. ３. １ ｖｒ ＝ １ 共振 …………………………………………………… 035

 

    ２. ３. ２ ２ｖｒ ＝ ２ 共振 ………………………………………………… 037

 

    ２. ３. ３ ｖｒ ＝ ２ｖｚ 共振 ………………………………………………… 038

 

    ２. ３. ４ ２ｖｚ ＝ １ 共振 ………………………………………………… 040

 

    ２. ３. ５ 空间电荷效应对ｖｚ 贡献的估计 …………………………… 041

 

        ２. ３. ６  轴向空间电荷效应的束流强度限制 ……………………… 042

 

    ２. ４  实现高能强流等时性加速的原理及其试验验证 ………………… 043

 

        ２. ４. １  一阶共振的处理及整体布局设计 ………………………… 043

 

        ２. ４. ２  径向调变磁场梯度强聚焦原理 …………………………… 044

 

        ２. ４. ３  径向调变磁场梯度强聚焦原理的试验验证 ……………… 045

 

        ２. ４. ４  小结…………………………………………………………… 047

 

    ２. ５  束流动力学分析软件及应用实例 ………………………………… 048

 

        ２. ５. １  运动方程数值求解 ………………………………………… 048

 

        ２. ５. ２  中心区轨道跟踪软件 ＣＹＣＬＯＮＥ ………………………… 049

 

        ２. ５. ３  加速轨道跟踪软件 ＧＯＢＬＩＮ ……………………………… 054

 

        ２. ５. ４  应用实例 …………………………………………………… 057

 

    参考文献 ……………………………………………………………………… 060

 

第 ３ 章  回旋加速器主磁铁……………………………………………………… 063

 

    ３. １  引言 …………………………………………………………………… 064

 

    ３. ２  回旋加速器主磁铁的作用及其质量控制 ………………………… 066

 

        ３. ２. １  等时性要求和磁场形状 …………………………………… 066

 

        ３. ２. ２  公差控制原则 ……………………………………………… 070

 

        ３. ２. ３  轴向和径向聚焦 …………………………………………… 070

 

        ３. ２. ４  共振与磁场 ………………………………………………… 071

 

    ３. ３  主磁铁设计 …………………………………………………………… 072

 

   ３. ３. １  初步给定磁铁尺寸的方法 ………………………………… 072

 

        ３. ３. ２  磁极间气隙 ………………………………………………… 073

 

        ３. ３. ３  磁极间磁感应强度 ………………………………………… 073

 

        ３. ３. ４  扇形叶片数 ………………………………………………… 074

 

        ３. ３. ５  磁铁的初步计算 …………………………………………… 075

 

        ３. ３. ６  线圈水冷计算 ……………………………………………… 076

 

        ３. ３. ７  磁铁的详细设计 …………………………………………… 077

 

    ３. ４  主磁铁施工 …………………………………………………………… 082

 

        ３. ４. １  材料特性与选择 …………………………………………… 082

 

        ３. ４. ２  加工与装配 ………………………………………………… 087

 

        ３. ４. ３  结构变形分析与控制 ……………………………………… 090

 

    ３. ５  磁场测量 ……………………………………………………………… 093

 

        ３. ５. １  电磁感应法 ………………………………………………… 094

 

        ３. ５. ２  霍尔效应法 ………………………………………………… 094

 

        ３. ５. ３  探测线圈法的具体实现过程 ……………………………… 096

 

        ３. ５. ４  基于霍尔探头的测磁仪随机误差计算 …………………… 099

 

    ３. ６  智能化回旋加速器主磁铁计算机辅助工程系统 ………………… 100

 

        ３. ６. １  ＣＹＣＣＡＥ 的整体结构 ……………………………………… 100

 

        ３. ６. ２  磁场测量数据分析与磁场垫补 …………………………… 109

 

    参考文献 ……………………………………………………………………… 117

 

第 ４ 章  回旋加速器谐振腔……………………………………………………… 121

 

    ４. １  引言 …………………………………………………………………… 122

 

    ４. ２  谐振腔设计的基本理论 ……………………………………………… 123

 

        ４. ２. １  串联和并联谐振电路 ……………………………………… 123

 

        ４. ２. ２  同轴线空腔谐振腔 ………………………………………… 126

 

        ４. ２. ３  波导空腔谐振器 …………………………………………… 130

 

    ４. ３  回旋加速器谐振腔的特点…………………………………………… 132

 

        ４. ３. １  同轴线谐振腔 ……………………………………………… 133

 

        ４. ３. ２  波导结构谐振腔 …………………………………………… 138

 

    ４. ４  回旋加速器谐振腔的设计和模型测量 …………………………… 139

 

        ４. ４. １  传输线近似法 ……………………………………………… 139

 

    ４. ４. ２  传输线有效长度和特性阻抗 ……………………………… 142

 

        ４. ４. ３  功率损耗和 Ｑ 值 …………………………………………… 144

 

        ４. ４. ４  波导结构谐振腔的基本设计 ……………………………… 145

 

        ４. ４. ５  调谐和耦合 ………………………………………………… 146

 

        ４. ４. ６  模型测试 …………………………………………………… 150

 

    ４. ５  谐振腔设计的数值分析和计算机软件 …………………………… 152

 

        ４. ５. １  二维计算软件与实例分析 ………………………………… 152

 

        ４. ５. ２  三维计算软件与实例分析 ………………………………… 157

 

    ４. ６  腔体设计应考虑的一些工程技术问题 …………………………… 161

 

    ４. ７  紧凑型回旋加速器谐振腔的设计及木模试验 …………………… 163

 

        ４. ７. １  双内杆高频谐振腔的三维数值模拟与优化设计………… 164

 

        ４. ７. ２  腔体的功率损耗及水冷等工程技术问题 ………………… 167

 

        ４. ７. ３  腔体的木模试验 …………………………………………… 172

 

    ４. ８  小结 …………………………………………………………………… 174

 

    参考文献 ……………………………………………………………………… 175

 

第 ５ 章  回旋加速器的离子源 ………………………………………………… 177

 

    ５. １  离子束参数 …………………………………………………………… 178

 

        ５. １. １  束流强度、 能量和能散度 ………………………………… 178

 

        ５. １. ２  束流的横向分布、 束流半径和发散度 …………………… 179

 

        ５. １. ３  束流发射度和束流亮度 …………………………………… 181

 

        ５. １. ４  束流在相空间中的演变 …………………………………… 183

 

    ５. ２  内部离子源 …………………………………………………………… 184

 

        ５. ２. １  热阴极潘宁离子源 ………………………………………… 185

 

        ５. ２. ２  冷阴极潘宁负氢离子源 …………………………………… 187

 

    ５. ３  外部离子源 …………………………………………………………… 189

 

        ５. ３. １  电子回旋共振 （ＥＣＲ） 离子源 …………………………… 189

 

        ５. ３. ２  会切场强流负氢离子源 …………………………………… 196

 

    参考文献 ……………………………………………………………………… 203

 

第 ６ 章  回旋加速器的注入系统 ……………………………………………… 205

 

    ６. １  引言 …………………………………………………………………… 206

 

  ６. ２  水平注入 ……………………………………………………………… 208

 

        ６. ２. １  重离子剥离注入 …………………………………………… 208

 

        ６. ２. ２  中性束流注入 ……………………………………………… 210

 

    ６. ３  轴向注入 ……………………………………………………………… 211

 

        ６. ３. １  轴向注入线 ………………………………………………… 213

 

        ６. ３. ２  轴向注入的相空间匹配 …………………………………… 215

 

        ６. ３. ３  注入偏转板 ………………………………………………… 217

 

    ６. ４  中心区 ………………………………………………………………… 223

 

        ６. ４. １  紧凑型回旋加速器 ………………………………………… 225

 

        ６. ４. ２  分离扇回旋加速器 ………………………………………… 230

 

    ６. ５  轴向注入系统与中心区的设计实例 ……………………………… 233

 

        ６. ５. １  轴向注入系统通用试验台架的设计 ……………………… 234

 

        ６. ５. ２  ＣＹＣＩＡＥ － １００ 的轴向注入线设计 ………………………… 238

 

        ６. ５. ３  ＣＹＣＩＡＥ － ３０ 螺旋形偏转板的设计与加工 ……………… 238

 

        ６. ５. ４  ＣＹＣＩＡＥ － １００ 中心区的设计 ……………………………… 246

 

    参考文献 ……………………………………………………………………… 249

 

第 ７ 章  回旋加速器引出系统 ………………………………………………… 253

 

    ７. １  引言 …………………………………………………………………… 255

 

    ７. ２  引出区的轨道分离 …………………………………………………… 256

 

        ７. ２. １  圈间距的一般性描述 ……………………………………… 257

 

        ７. ２. ２  加速过程的圈距 …………………………………………… 257

 

        ７. ２. ３  进动和共振引起的圈间距 ………………………………… 259

 

        ７. ２. ４  磁场一次谐波的作用 ……………………………………… 261

 

    ７. ３  早期同步回旋加速器的引出方法 ………………………………… 262

 

    ７. ４  进动引出 ……………………………………………………………… 264

 

        ７. ４. １  高频相位混合 ……………………………………………… 264

 

        ７. ４. ２  进动引出方法 ……………………………………………… 264

 

    ７. ５  多圈和单圈引出 ……………………………………………………… 266

 

    ７. ６  正离子回旋加速器的其他引出方法 ……………………………… 268

 

    ７. ７  束流引出的偏转与导向装置………………………………………… 271

 

    ７. ８  回旋加速器共振进动引出实例……………………………………… 273

 

  ７. ９  剥离引出 ……………………………………………………………… 275

 

        ７. ９. １  剥离引出方法介绍 ………………………………………… 275

 

        ７. ９. ２  剥离引出方法的原理 ……………………………………… 278

 

        ７. ９. ３  剥离引出的轨道跟踪 ……………………………………… 279

 

        ７. ９. ４  剥离引出方法的一些重要特性 …………………………… 282

 

        ７. ９. ５  剥离引出的能散 …………………………………………… 283

 

        ７. ９. ６  剥离膜厚度的估算 ………………………………………… 284

 

        ７. ９. ７  剥离膜引起的角度散射和能量散射 ……………………… 285

 

    ７. １０  紧凑型回旋加速器负离子剥离引出实例 ………………………… 286

 

        ７. １０. １  剥离点的计算 ……………………………………………… 287

 

        ７. １０. ２  引出开关磁铁的作用……………………………………… 288

 

        ７. １０. ３  束流光学特性分析 ………………………………………… 289

 

        ７. １０. ４  剥离靶装置 ………………………………………………… 290

 

    参考文献 ……………………………………………………………………… 292

 

第 ８ 章  回旋加速器相关工程技术 …………………………………………… 295

 

    ８. １  回旋加速器真空系统 ………………………………………………… 296

 

        ８. １. １  真空技术基础 ……………………………………………… 296

 

        ８. １. ２  回旋加速器真空系统的特点和要求 ……………………… 305

 

        ８. １. ３  回旋加速器真空技术的发展 ……………………………… 308

 

        ８. １. ４  回旋加速器真空系统设计示例 …………………………… 311

 

    ８. ２  回旋加速器的电气、 电源系统……………………………………… 318

 

        ８. ２. １  电气系统 …………………………………………………… 318

 

        ８. ２. ２  电源系统 …………………………………………………… 322

 

    ８. ３  回旋加速器的控制系统 ……………………………………………… 327

 

        ８. ３. １  控制器………………………………………………………… 330

 

        ８. ３. ２  ＰＬＣ 控制流程设计 ………………………………………… 331

 

        ８. ３. ３  前端计算机 ………………………………………………… 336

 

    ８. ４  回旋加速器的束流诊断技术………………………………………… 342

 

        ８. ４. １  束流强度测量装置 ………………………………………… 343

 

        ８. ４. ２  束流位置与截面测量设备 ………………………………… 347

 

        ８. ４. ３  束流发射度测量仪 ………………………………………… 351

 

        ８. ４. ４  径向插入探测靶 …………………………………………… 353

 

        ８. ４. ５  束流相位靶 ………………………………………………… 354

 

        ８. ４. ６  双限缝装置 ………………………………………………… 355

 

        ８. ４. ７  用于回旋加速器内部的其他诊断装置 …………………… 355

 

        ８. ４. ８  束流信号处理系统及计算机接口 ………………………… 356

 

    参考文献 ……………………………………………………………………… 357

 

第 ９ 章  超导回旋加速器………………………………………………………… 361

 

    ９. １  超导回旋加速器的发展简介………………………………………… 362

 

    ９. ２  超导回旋加速器的设计原理和关键设备研发 …………………… 363

 

        ９. ２. １  超导回旋加速器的主磁铁设计及静态轨道计算………… 363

 

        ９. ２. ２  束流动力学规划及共振分析 ……………………………… 368

 

    ９. ２. ３ ２３０ ＭｅＶ 超导回旋加速器从离子源到束流

 

引出的轨道全程跟踪 ……………………………………… 372

 

        ９. ２. ４  超导线圈与低温系统 ……………………………………… 382

 

        ９. ２. ５  磁场测量与垫补 …………………………………………… 385

 

        ９. ２. ６  高频系统 …………………………………………………… 393

 

        ９. ２. ７  离子源与中心区 …………………………………………… 397

 

        ９. ２. ８  引出系统 …………………………………………………… 400

 

        ９. ２. ９  快速调强系统 ……………………………………………… 403

 

    ９. ３  未来质子治疗系统中应用超导技术的新进展 …………………… 405

 

    参考文献 ……………………………………………………………………… 408