ICS 27.120.99 F 91 DB34 安 徽 省 地 方 标 准 DB 34/T 3570—2019 超导回旋质子加速器 热阴极潘宁内离子 源主体结构设计准则 Superconducting proton cyclotron Design criterion for main structure of hot cathode penning inner ion source 文稿版次选择 2019 - 12 - 25 发布 安徽省市场监督管理局 2020 - 01 - 25 实施 发 布 DB34/T 3570—2019 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：宋云涛、徐世文、陈根、陈永华、程鸣、李俊、丁开忠、杨庆喜、尉传颂、柳 旭红、黄熙、孟雪华。 I DB34/T 3570—2019 超导回旋质子加速器 热阴极潘宁内离子源主体结构设计准则 1 范围 本标准规定了超导回旋质子加速器热阴极潘宁內离子源主体结构的术语和定义、设计要求、设计步 骤、设计的合理性检测和制造要求。 本标准适用于超导回旋质子加速器热阴极潘宁内离子源主体结构的设计和制造。 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 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 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 热阴极潘宁内离子源 hot cathode penning inner ion source 放置于超导回旋质子加速器内部，通电加热阴极，利用潘宁放电原理，使中性原子或分子电离，并 从中引出离子束流的装置。 3.2 灯丝 filament 用钨或者钽等低逸出功材料制作，作为离子源阴极使用的结构。 3.3 弧室 arc chamber 用抗溅射、耐高温的非磁性金属材料制作，作为离子源阳极使用的结构。 3.4 中平面 median plane 位于两组磁极气隙间的对称面。 3.5 1 DB34/T 3570—2019 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。 4 设计要求 4.1 选材 4.1.1 热阴极潘宁內离子源主体结构材料选择无磁或弱磁材料，弱磁材料相对磁导率应不大于 1.05。 4.1.2 阴极座、阳极座采用具有良好导电和导热性能的无氧铜材质。 4.1.3 内杆外壳原材料应考虑强度、耐热性等。所选材料应保证能够满足部件设计功能和使用要求， 宜选择 316L 不锈钢。 4.1.4 绝缘材料综合考虑耐热性和强度，宜选择聚酰亚胺、陶瓷等材料。 4.2 结构 成形后的部件结构不仅需要满足强度和刚度要求，还要便于零部件安装、调整、修理和更换。 4.3 电气绝缘 在试验电压（交流有效值或直流平均值）为 500 V 的条件下，离子源主体结构独立的供电电气连 接之间的绝缘电阻应不小于 1 MΩ。 4.4 性能指标 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 5 离子源引出束流不小于 50 μA。 灯丝寿命不少于 200 h。 -5 弧室内气压应满足潘宁放电条件，应在 1.33×10 Pa ～ 1.33 Pa 范围内。 弧室头部在中心区的理论位置轴向与径向跳动应不大于 0.5 mm。 设计步骤 5.1 首先确定离子源主体结构的形状和尺寸。离子源主体结构一般包含头部、内杆、辅助功能结构和 水电气集成盒。结构见图 1。 离子源 头部 离子源辅助功能 结构 离子源内杆 图1 离子源水电气 集成盒 离子源主体结构 5.2 根据中心区束流动力学要求设计弧室的尺寸和离子源装配定位精度。 5.3 分析离子源灯丝的工作参数，进行物理上的仿真模拟，确定灯丝的材料、尺寸、工作电流。灯丝 的理想工作电流应满足式（1）的规定。 If  2 2 (a  b)ab  .................................... (1) DB34/T 3570—2019 式中： I f —— 灯丝的理想工作电流，单位为 A；  ——灯丝材料的电阻率，单位为 Ω•cm； a ——灯丝横截面的宽边长度，单位为 cm； b ——灯丝横截面的窄边长度，单位为 cm；  ——灯丝单位表面的辐射功率，单位为 5.4 2 W/cm 。 根据灯丝电流与粒子能量沉积，确定水冷结构参数。水冷管路压力差应满足式（2）、（3）、（4） 的规定，在 u avg ≤ 0.1 m/s；Re ＞ 4000 的条件下满足 0.1 MPa ≤ P ≤ 0.7 MPa。每路冷却水的 流量应满足式（5）的规定。 2 l  u avg P  f ...................................... (2) d 2 式中： P ——离子源进出水冷管路压力差，单位为 Pa； f ——沿程阻力系数，无量纲量； l ——水冷管路长度，单位为 m； d ——水冷管路直径，单位为 m；  ——冷却液密度，单位为 kg/m3； u avg ——平均流速，单位为 m/s。 Re  u avg d v ....................................... (3) 式中： Re ——雷诺数，无量纲量； v ——冷却液运动粘度系数，水冷却液在 21℃下运动粘度系数为 9.85×10-7 m2/s； u avg ——平均流速，单位为 m/s； d ——水冷管路直径，单位为 m。   2.51  2log10    f  3.7 d Re f 1   ............................... (4)  式中： f ——沿程阻力系数，无量纲量；  ——水冷管道内壁绝对粗糙度，单位为 mm； d ——水冷管路直径，单位为 m； Re——雷诺数，无量纲量。 3 DB34/T 3570—2019 q'   4 d 2uavg  103 .................................... (5) 式中： q ' ——每路冷却水的流量，单位为 L/s； d ——水冷管路直径，单位为 m； u 5.5 6 avg ——平均流速，单位为 m/s。 考虑电气水路连接方式，确定水电气集成盒内部结构的形式。 设计的合理性检测 6.1 为保证设计的合理性，进行如下相应的设计试验验证： -3 -10 3 a) 在抽口压力 1×10 Pa 条件下，不锈钢和铜管道检测漏率不大于 1.0×10 Pa•m /s； -3 -9 b) 离子源主体结构整体进行氦质谱检漏，在抽口压力 1×10 Pa 条件下，氦漏率不大于 1.2×10 3 Pa•m /s； c) 进行冷却水管耐压试验，（干燥氮气）检测不小于 0.7 MPa，保压 10 min，各支路冷却水路 进行无堵塞测试； d) 气路管道需要进行进气无堵塞测试； e) 所有无氧铜部件均需进行绝缘防护，所有带绝缘的管道需要进行耐电压测试，500 V 下绝缘电 阻均不小于 1 MΩ。 6.2 进行详细校核计算或做模型试验，对设计进行修正，确定最终结构和尺寸。 7 制造要求 7.1 装配完成后离子源主体结构与理论高度偏差应不大于 0.5 mm，未注尺寸公差和未注形位公差应按 照 GB/T 1804 的规定执行。 7.2 内杆直线度要求 0.15 mm/m。 7.3 内杆与偏心法兰面角度为 90°± 0.1°。 7.4 装配完成后灯丝与弧室之间电阻应不小于 10 kΩ。 7.5 所有零件表面进行脱脂处理，脱脂剂不应使用含氯、有机硅和硫的清洗剂，且加工完成后零件不 应有划痕、伤痕等明显缺陷。 7.6 所有真空密封焊接、钨极惰性气体焊（TIG）焊缝标准遵循 GB/T 11345 的规定，焊缝表面无刺， -3 -10 3 在抽口压力 1×10 Pa 条件下，每条焊缝漏率不大于 1.0×10 Pa•m /s。 _________________________________ 4