ICS 27.120.99 F 91 DB34 安徽省地方标准 DB 34/T 34232019 超导回旋加速器 中心区设计准则 Superconducting cyclotron Design criteria for central region 文稿版次选择 2019-11-04发布 2019-12-04实施安徽省市场监督管理局 发布 DB34/T 34232019 I 前 言 本标准按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。本标准由合肥中科离子医学技术装备有限公司提出。本标准由安徽省超导回旋加速器标准化技术委员会归口。本标准起草单位：合肥中科离子医学技术装备有限公司、中国科学院等离子体物理研究所、安徽省质量和标准化研究院。本标准主要起草人：陈根、葛剑、侯小雨、周凯、尉传颂、周健、裴坤、王重、宋云涛、陈永华、杨庆喜、丁开忠、陈洁鹤。DB34/T 34232019 1 超导回旋加速器 中心区设计准则 1 范围 本标准规定了超导回旋加速器中心区的术语和定义、设计原则、设计步骤、结构设计。本标准适用于超导回旋加速器中心区设计。2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 1184 形状和位置公差 未注公差值 GB/T 1804 一般公差 未注公差的线性和角度尺寸的公差 GB/T 11345 焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定 DB34/T 3110-2018 超导回旋加速器 主磁铁气隙中平面磁场测量方法 3 术语和定义 DB34/T 3110-2018 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。为了便于使用，以下重复列出了DB34/T 3110-2018 中的某些术语和定义。3.1 中心区 central region 加速器内粒子从低能到具有一定能量，进入常规加速过程的过渡区结构。3.2 D板 dee plate 与射频腔相连，用于产生加速电压的结构。3.3 假 D 板 dummy dee plate 安装在磁极上，零电势，与高压板之间的间隙中产生高压电场，从而给粒子进行加速的结构。3.4 准直器 collimator 中心区中用于调节束流强度与品质的结构。DB34/T 34232019 2 3.5 相位选择器 phase slit 中心区中实现不同相位束流选择的结构。3.6 一次谐波线圈 first-harmonic coil 线圈通电后能调节中心区粒子对中的结构。3.7 垂直偏转板 vertical deflector 在中心区轴向产生偏转电场，使粒子偏转到准直器上，实现快速关断和束流调强功能的结构。3.8 凸形磁场 bump field 中心区实现粒子轴向聚焦的磁场。3.9 包络层 envelope layer 屏蔽射频腔外杂散场的结构。3.10 磁铁塞块 magnetic plug 在中心区产生一个凸形磁场以实现粒子在中心区的轴向聚焦的结构。3.11 绝缘子 insulator 用于垂直偏转板和假D板之间绝缘的结构。3.12 中平面 median plane 位于两组磁极气隙间的对称面。DB34/T 3110-2018，定义3.2 4 设计要求 4.1 总体 4.1.1 中心区所处区域真空度应不大于 110-3 Pa。4.1.2 轴向电场强度应不大于 80 kV/cm，水平方向电场强度应不大于 150 kV/cm。DB34/T 34232019 3 4.1.3 中心区的凸形磁场应能够实现粒子的轴向聚焦。4.1.4 包络层结构应能够屏蔽射频腔外的杂散场。4.1.5 中心区整体结构关于中平面对称，零件结构应便于制造、安装、调整和更换。4.2 外观 4.2.1 所有零件表面应无划痕和毛刺。4.2.2 D 板和假D 板所有外轮廓边缘均应圆角处理。4.2.3 D板和假D板之间的间隙圆角表面粗糙度应不大于1.6 m，其余表面粗糙度应不大于3.2 m。4.2.4 焊缝检测应按 GB/T 11345 的规定执行。4.3 尺寸 4.3.1 所有零件的螺纹孔和销孔位置度应不大于 0.1 mm。4.3.2 未注尺寸公差和未注形位公差应按照 GB/T 1804、GB/T 1184 的规定执行。4.4 材料 4.4.1 D 板、假D 板、垂直偏转板、准直器、相位选择器、一次谐波线圈冷却水管以及包络层的材质宜选择 TU1无氧铜。4.4.2 磁铁塞块材质可选择 10#钢或其他满足磁场要求的磁性材料。4.4.3 螺栓和销钉应采用奥氏体不锈钢，且磁导率不大于 1.05。4.4.4 绝缘子选择可加工陶瓷或其它绝缘材料。4.4.5 一次谐波线圈的冷却水应采用去离子水，电导率应不大于 2 s/cm。4.4.6 铜材质零件的定位销孔表面应做硬化处理，处理后的表面布氏硬度值应不小于 120。4.5 装配 4.5.1 零部件间有电连接要求的应设计金属簧片或编织网进行搭接。4.5.2 D 板和假D 板之间装配误差应控制在0.1 mm 以内，应设计相应的定位工装精准控制二者相对位置。4.5.3 应制定装配作业指导书规范装配过程。5 设计步骤 5.1 根据加速器的总体设计参数，初步确定中心区 D 板和假D 板结构的形状和尺寸。5.2 根据凸形磁场的要求初步设计磁铁塞块，并通过束流动力学计算优化 D 板和假D 板等关键尺寸。5.3 通过束流动力学的迭代计算，在假 D 板上合理布置垂直偏转板、绝缘子、准直器、相位选择器、一次谐波线圈、包络层，确定相应零件的基本形状和尺寸。5.4 校核各零件的结构强度，最大应力应不超过材料的许用应力。5.5 进行详细校核计算或做模型试验，对设计进行优化，确定最终结构和尺寸。6 结构设计 6.1 中心区的主要结构组成 DB34/T 34232019 4 中心区结构关于中平面对称，主要由D板、假D板、垂直偏转板、准直器、相位选择器、一次谐波线圈、包络层、磁铁塞块、绝缘子组成，整体结构见图1、图2。D板与谐振腔体连接，假D板与磁极相连接。图1 中心区整体结构主视图 图2 中心区整体结构左视图 6.2 D板和假 D板 6.2.1 根据设计要求，利用束流动力学计算得到 D 板和假 D 板间隙轮廓轨迹，通过工程设计得到初步结构，再根据束流对中和轴向聚焦的要求对结构进行优化。6.2.2 D 板和假D 板应设计有定位销孔。6.3 磁铁塞块 磁铁塞块应在理论设计的基础上留有不大于 3 mm 的垫补余量，磁铁塞块结构示意图见图3。DB34/T 34232019 5 图3 磁铁塞块结构 6.4 垂直偏转板和绝缘子 6.4.1 垂直偏转板和绝缘子安装在假 D 板的槽内，绝缘子将垂直偏转板和假 D 板隔离开，结构示意图见图4。6.4.2 垂直偏转板和绝缘子的高度尺寸应满足式（1）要求。图4 垂直偏转板和绝缘子结构 12=+Hhh.(1)式中：H 垂直偏转板和绝缘子安装处假D板的槽深，单位为毫米（mm）；h1 垂直偏转板的厚度，单位为毫米（mm）；h2 绝缘子的厚度，单位为毫米（mm）。6.5 一次谐波线圈 6.5.1 一次谐波线圈设计成四个相同尺寸的三角形，在假 D 板上挖槽放置，结构如图 5所示。图5 一次谐波线圈结构 DB34/T 34232019 6 6.5.2 一次谐波线圈进出水冷管路压力差应不大于 0.3 MPa，详细计算见应满足式（2）、（3）、（4）的规定。22avgu lP=fd.(2)avgudRe=.(3)12.5 1-2lg3.7=+d fR e f.(4)式中：P 一次谐波线圈进出水冷管路压力差，单位为帕（Pa）；f 沿程阻力系数，无量纲量；l 水冷管路长度，单位为米（m）；d 水冷管路直径，单位为米（m）；冷却液密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；uavg 平均流速，单位为米每秒（m/s）；Re 雷诺数，无量纲量；冷却液运动粘度系数，单位为平方米每秒（m2/s）；水冷管道内壁绝对粗糙度，单位为毫米（mm）。6.5.3 每路冷却水的流量应满足式（5）的规定。23104avgq=du.(5)式中：q 每路冷却水的流量，单位为升每秒（l/s）；d 水冷管路直径，单位为米（m）；uavg 平均流速，单位为米每秒（m/s）。6.5.4 一次谐波线圈进行检漏和压力测试，漏率应不大于 1.210-9 Pam3/s，在 1 MPa 的压力下保压30 min 无泄漏。6.5.5 一次谐波线圈表面应进行绝缘处理，如缠绕聚酰亚胺胶带或喷涂绝缘材料，绝缘程度要求不低于 100 M。6.5.6 一次谐波线圈铜管的最小弯折半径 r 可参考表1数据。表1 铜管的最小弯折半径 铜管直径 d(mm)最小弯折半径 r(mm)5 10 6 10 7 15 8 15 10 15 12 20 DB34/T 34232019 7 6.6 包络层 包络层应设计与谐振腔搭接。6.7 相位选择器 6.7.1 相位选择器结构示意图见图 6。6.7.2 相位选择器的结构应能实现快速更换。6.7.3 相位选择器应设置在束流的第一圈。图6 相位选择器结构 _