散裂中子源剥离膜寿命研究

The stripper foil is an important factor to ensure the quality of the beam in the Spallation Neutron Source, heavy ion accelerator and medical accelerator, as well as the key equipment in the design of high intensity proton accelerator. The life research of stripper foil is a basic research of accelerator stripper foil equipment's design. This study rely on the design and construction of a large scientific facility China Spallation Neutron Source (CSNS), on the base of the design and analysis of current international stripper foil test stand, by the physical characteristics of the stripper foil, and to build China's first test platform within multi-system integration, to research the working principle, states and the effects on the beam through experimental and theoretical analysis of stripper foil of low energy middleweight intensity proton accelerator, analyse the various failure factors of the stripper foil and the variety of beam loss and beam stripping efficiency effect. Develop an applicable simulation system model for stripper foil analysis, refer to the test results of the multi-system integrated test stand and amend and improve the simulation system to provide the basis for fast simulation stripper foil working state . This study provide theoretical and experimental basis for the design and construction of the stripper foil system of spallation neutron source, and will promote and use in low energy middleweight intensity proton accelerator field.

剥离膜是散裂中子源、重离子加速器及医用加速器设计中保证束流质量的重要因素，是强流质子加速器设计中的关键设备。对剥离膜的寿命研究，是加速器中剥离膜设备设计的基础研究。本研究依托中国散裂中子源（CSNS）大科学装置的设计和建造，结合当前国际上现有的剥离膜试验装置的设计及分析基础，通过对剥离膜物理特性研究，并搭建国内首个多系统集成剥离膜试验平台，通过试验和理论分析对低能量级强流质子加速器中剥离膜的工作机制、状态及其对束流的影响进行深入研究，分析剥离膜各种失效因素及其对束流损失及束流剥离效率的影响。开发适用于剥离膜分析的仿真系统模型，结合多系统集成剥离膜试验平台试验结果，修正和完善仿真系统模型，为剥离膜工作状态快速仿真提供依据。本课题的研究将为散裂中子源剥离膜系统的设计和建造提供理论和试验依据，并将推广应用到低能量级强流质子加速器领域中。

剥离膜是散裂中子源、重离子加速器及医用加速器设计中保证束流质量的重要组成，是强流质子加速器设计中的关键设备。对剥离膜的寿命研究，是加速器中剥离膜设备设计的基础研究。本项目主要开展关于剥离膜寿命的研究，包括膜片的物理性能研究，膜片在束流注入时的状态研究，包括膜片温度分布，应力应变分布，屈曲变形等，及其他影响膜片使用寿命的因素研究，包括真空获得及外界振动对膜片的物理破坏研究。通过搭建剥离膜实验系统及搭建剥离膜仿真系统两种方式开展研究，实验结果表明，双边固定，碳纤维辅助支撑的安装方式适合超薄、易碎、纳米级的剥离膜，搭建剥离膜测试系统平台可以对剥离膜片进行束流注入测试，通过模拟束流注入情况，直观的掌握膜片的状态，包括膜片的温度分布及褶皱变形。搭建的剥离膜仿真程序，通过不同束流参数设置，对剥离膜进行分析计算，可得出膜片温升情况、屈曲变形等仿真结果，经与试验对比，仿真结果与试验结果十分相近。.通过仿真计算及实验测试，厚度为100μg/cm2，双边固定，碳纤维辅助支撑的碳膜已成功运用于中国散裂中子源上并获得质子，并成功将质子束流加速到16.GeV，实现25Hz束流打靶运行，整个过程剥离膜运行稳定。经多次测试实验，其寿命满足中国散裂中子源需求。仿真及实验测试等手段的成功实现，为散裂中子源节省了宝贵的调束时间。本研究对强流质子加速器剥离膜系统的设计具有一定的参考价值。