ADS高稳定度高可靠性强流质子源及低能束流传输线研究

强流质子加速器驱动洁净核能系统（ADS）需要一个能长期连续工作的低发射度、高稳定度和高可靠性的强流质子源和高效率低能束流传输线。2.45 GHz ECR质子源产生的质子束虽已超过ADS所需的流强，但其长期工作稳定性和可靠性尚未达到要求。该项目将研制高稳定度和高可靠性的ECR强流质子源及和RFQ加速器相匹配的低能传输线。重点研究对比全新工作机制的高微波频率和经典2.45 GHz ECR强流质子源的结构、微波耦合、磁场分布和引出系统对质子源性能的影响，以提高强流质子源长期稳定性和可靠性；并进行低能传输线强流束动力学研究和在束实验验证，确保强流质子束的高效率和高品质传输。通过该项目的实施研制能满足ADS需求的强流质子源和低能束流传输线，确定ADS直线加速器质子源和低能传输线技术路线和工程设计。期望在10－30 mA/50 KeV束流条件下，质子源连续工作300小时期间内束流瞬时中断的次数小于5。

加速器驱动的核废料嬗变系统（ADS）需要一个能长期连续工作的低发射度、高稳定度和高可靠性强流质子源和高效率低能束流传输线。项目组研制了高稳定度和高可靠性ECR强流质子源及与RFQ加速器相匹配的低能传输线，并针对强流质子束的产生、传输及质子束的束流品质、长期稳定性、可靠性开展了系统地研究，取得了具有突破性的研究成果：.（1）提出并研制成功世界上首台具有原创结构的利用14GHz微波产生强流质子束离子源，该离子源的工作机制、结构属首创，经初步束流调试，在35-40KV引出电压下，引出连续质子混合束流10mA，调试结果证明其工作机制和设计结构可行，引出束流在稳定性等方面具有明显优势。.（2）研制成功一套2.45GHz ECR强流质子源和低能传输线系统，在35kV引出高压下产生的质子束流强度5-30 mA, RMS归一化发射度小于0.2πmmmrad。 该质子源已投入ADS直线加速器样机RFQ调试和运行，束流强度、束流品质和长期稳定性、可靠性基本满足ADS直线加速器要求，并为RFQ加速器调试和试运行累计供束约5000小时。RFQ加速器成功进行了10 mA连续质子束加速实验和稳定性测试，这是目前国际上正在运行的连续波离子束RFQ加速器中束流强度最高的。.（3）利用2.45GHz质子源进行了质子束产生长期稳定性、可靠性研究。完成了CW 50mA/35kV连续306小时的长期稳定性、可靠性实验测试，在306小时内短时间失束只有5次，束流可利用率99%。这是目前国际上强流质子源领域首次开展超过300小时束流长期稳定性和可靠性测试，所达到失束次数也是最少的，是国际上质子源稳定性可靠性最好结果。.（4）首次提出并实验验证了一种“中性束荧光发射度测量方法”，实现了离子束发射度非截断式在线测量。利用空间电荷补偿过程中产生的中性原子与荧光靶作用产生的荧光来获取束流的空间分布信息和散角信息，从而实现束流发射度的实时测量。.（5）在2.45GHz质子源测试平台上完成了电荷补偿实验研究，研究发现氩气作为补偿气体具有抑制质子束的散角增加和降低发射度增长的作用。采用PIC-MCC方法模拟了质子束（25mA/40keV）传输和空间电荷补偿，模拟得到的束流强度、束流空间分布和束流归一化发射度等结果与实验中测量结果吻合得很好。