1、ICS 27.120.99 F 91 DB34 安徽省地方标准 DB 34/T 31132018 超导回旋加速器 输运线降能器设计准则 Superconducting cyclotron Design criteria for the degrader of beam line 文稿版次选择 2018 - 04 - 16 发布 2018 - 05 - 16 实施 安徽省质量技术监督局 发布 DB34/T 31132018 I 前 言 本标准按照 GB/T 1.12009 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。 本标准归口单位：安徽省超导回旋加速器标准化技术委员会。 本
2、标准起草单位：合肥中科离子医学技术装备有限公司、安徽省质量和标准化研究院、中国科学院 等离子体物理研究所。 本标准主要起草人：宋云涛、郑金星、江峰、沈俊松、李碧、陈永华、韩曼芬、张午权、支博、曾 宪虎、朱雷。 DB34/T 31132018 1 超导回旋加速器 输运线降能器设计准则 1 范围 本标准规定了超导回旋加速器输运线上关键部件降能器的术语和定义、物理设计、工程设计和机械 装配及精度要求。 本标准适用于超导回旋加速器输运线中降能器的设计， 其他各类加速器的输运线中提供降低束流能 量功能的部件设计可参照执行。 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，
3、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 4728 电气简图用图形符号 GB/T 6988.1 电气技术用文件的编制 第 1 部分：规则 NB/T 47013.2 承压设备无损检测 第 2 部分：射线检测 QJ 2965 氟橡胶密封超高真空法兰规范 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 束流 beam 由大量带电粒子在电磁场作用下，大体上沿某一特定方向运动时，形成的带电粒子流。 3.2 降能器 degrader 降低束流中粒子能量的设备。 3.3 输运线 beam line 由一系列不连续的磁铁元件、真空元件
4、、束流选择元件、束流测量元件组成，实现将从加速器主机 引出束流安全、高效、稳定输送到输出端的束流传输系统。 3.4 降能块 degrad er block DB34/T 31132018 2 降能器中唯一接触束流的部件。 3.5 真空室 vacuum chamber 密闭腔体，腔体内部为真空环境，腔体两侧与输运线管道通过密封件连接。 3.6 波纹管组件 bellows component 两端焊接刀口法兰并具有多个横向波纹可折叠的管状弹性敏感元件。 4 物理设计 4.1 总体要求 4.1.1 降能器应可将引出端的束流能量降低至输出端的最低束流能量。 4.1.2 输出端的最高束流能量应不大于引出
5、端的束流能量的 95。 4.2 厚度设计 4.2.1 降能块在束流方向上的厚度应满足式（1）、（2）、（3）的规定。 0 2 2 222 2 2 2 1 1 /21 2 ln L MmMmI cm A ZZ K dx dE ee e . (1) 2/1 2 1 . (2) 0 1 E E dE dx x . (3) 式中： E 粒子当前能量，单位为 MeV； x 降能块在束流方向上的厚度，单位为 cm； K 1 常数系数， 0.307075 MeVcm 2 /mol； 降能块材料的密度，单位为 g/cm 3 ； Z 1 入射粒子电荷量，单位为基本电荷 e； Z 2 降能块材料的原子电荷量，单位
6、为基本电荷 e； A 降能块材料的摩尔质量，单位为 g/mol； 入射粒子速度与光速的比值，无量纲量； m e 电子静质量， 0.510998918(44) MeV/c 2 ； I 降能块材料的平均电离能，单位为 eV； M 入射粒子静质量，单位为 MeV/c 2 ； L 0 修正项，无量纲量； E 0 粒子入射能量，单位为 MeV； E 1 粒子出射能量，单位为 MeV。 DB34/T 31132018 3 4.2.2 根据入射粒子速度，式(1)中的修正项 L 0 有不同的内容： a) 当 1 时， L 0 应包含壳修正项； b) 当 10 时， L 0 应包含密度修正项。 4.2.3 对于
7、以化合物材料制成的降能块，厚度计算应根据化合物内所有元素的比例及种类分别进行计 算后求和得到。 5 工程设计 5.1 降能块材料选择 降能块的材料宜按照如下顺序选择： a) 平均原子序数小于硅的材料； b) 中子产额小的材料； c) 相对密度高的材料； d) 单元素材料； e) 可以满足整个输运线真空要求的材料； f) 易加工的材料； g) 毒副作用小的材料。 5.2 水冷设计 5.2.1 设计输入应包括降能块所选择材料的密度、比热容、体积、重量。 5.2.2 环境温度初始为 20。 5.2.3 输入束流参数应同时选择束流流强最大值和束流能量降能最大值。 5.2.4 降能块的水冷设计应考虑次级
8、粒子的影响。 5.2.5 降能块的温升速度应不大于 0.3/s。 5.2.6 降能块在温升过程中，最大温差不应超过 20。 5.2.7 降能器进出水冷管路压力差应满足式（4）、（5）、（6）的规定。 2 2 avg u d l fP . (4) du avg Re . (5) f d f Re 51.2 7.3 log2 1 10 . (6) 式中： P 降能器进出水冷管路压力差，单位为 Pa，满足 0.1 MPa P 1 MPa； f 沿程阻力系数，无量纲量，见表 1； 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/m 3 ； u avg 平均流速
9、，单位为 m/s，满足 u avg 5 m/s； DB34/T 31132018 4 Re 雷诺数，无量纲量，满足 Re 4000； 冷却液运动粘度系数，水冷却液在 21 下运动粘度系数为 9.8510 -7 m 2 /s； 水冷管道内壁绝对粗糙度，单位为 mm，见表 1。 表1 部分材料的管道内壁绝对粗糙度 水冷管道材料 绝对粗糙度系数 /mm 铝、铅 0.0010.002 黄铜、铜 0.0015 聚氯乙烯、塑料管 0.0015 玻璃纤维 0.005 不锈钢 0.015 5.2.8 每路冷却水的流量应满足式（7）的规定。 32 10 4 avg udq . (7) 式中： q 每路冷却水的流
10、量，单位为 L/s； d 水冷管路直径，单位为 m； u avg 平均流速，单位为 m/s，满足 u avg 5 m/s。 5.3 真空设计 5.3.1 降能器宜置于真空系统中，真空系统的极限真空度应满足式（8）的规定。 P S Q PP 0 0 . (8) 式中： P 真空系统极限真空度，单位为 Pa； P 0 真空泵极限真空度，单位为 Pa； Q 0 空载时，长期抽气后真空室的气体负荷（包括漏气、材料表面出气等） ，单位为 PaL/s； S P 真空室抽气口附近泵的有效抽速，单位为 L/s。 5.3.2 降能器真空系统的真空度应不大于 510 -3 Pa。 5.3.3 降能器所选择的降能材
11、料应满足常温下 1 小时放气速率不大于 1.0 PaLs -1 m -2 ， 10 小时放气速 率不大于 0.25 PaLs -1 m -2 。 5.3.4 降能器真空静密封应选用不大于氟橡胶出气速率的材料进行密封。采用氟橡胶材料密封时，应 按 QJ 2965 的规定执行。 5.3.5 盒形真空壳体厚度应满足式（ 9）的规定。 弯 B S 224.0 0 . (9) DB34/T 31132018 5 式中： S 0 盒形真空壳体壁厚，单位为 cm； B 矩形板的窄边长度，单位为 cm； 弯 弯曲时许用应力，单位为 MPa。 注： 壳体采用加强筋时，式(9)中的 B 应以加强筋之间相应的最小距
12、离代替。 5.4 波纹管设计 5.4.1 波纹管外观应光滑，内外壁不应有飞边、毛刺、裂口、硬块等影响使用的划伤。 5.4.2 波纹管的有效长度应不大于 1.5 倍外径。 5.4.3 波纹管总刚度应满足式（10）的规定。 s F K . (10) 式中： K 波纹管总刚度，单位为 N/mm，满足 4.9N/mm K 34.3N/mm； F 作用在波纹管上的力，单位为 N； s 波纹管轴向位移，单位为 mm。 5.4.4 波纹管最大耐压力应满足式（11）、（12）、（13）的规定。 D KKKP s m 0 321 . (11) D d K 2 . (12) d a K 0 3 . (13) 式中
13、： P m 波纹管最大耐压力，单位为 kg/cm 2 ，应不小于 2.610 6 Pa； K 1 实验修正系数，根据波纹管材料牌号，见表 2； K 2 壁厚减薄系数； K 3 波厚影响系数； s 波纹管材料屈服极限，单位为 MPa，见表 2； 0 波纹管壁厚，单位为 mm； d 波纹管内径，单位为 mm。 a 波纹管波厚，单位为 mm； D 波纹管外径，单位为 mm。 表2 波纹管材料的屈服极限和实验修正系数 波纹管材料 屈服极限 实验修正系数 材料名称 牌号 s K1 黄铜 H80 180 11.2 DB34/T 31132018 6 表2 （续） 波纹管材料 屈服极限 实验修正系数 材料名
14、称 牌号 s K1 锡青铜 QSn6.5-0.1 200 12.0 铍青铜 QBe2 240 19.2 不锈钢 1Cr18Ni9Ti 270 7.7 高弹性合金（3J1） Ni36CrTiAl 320 14.7 5.4.5 波纹管受到挤压时单个波纹允许的最大位移应满足式（14）、（15）规定。 0 2 max 25.3 EK D KS b s a . (14) d a K a 0 . (15) 式中： S max 单个波纹最大允许位移，单位为 mm； K a 波厚影响系数； s 波纹管材料屈服极限，单位为 MPa； D波纹管外径，单位为 mm。 K b 相对波深系数，见表 3； E室温下波纹管
15、材料的弹性模量，单位为 MPa； 0 波纹管壁厚，单位为 mm； a波纹管波厚，单位为 mm； d波纹管内径，单位为 mm。 表3 相对波深系数 内外径比值 D / d 实验修正系数 1.20 120.0 1.25 88.9 1.30 67.7 1.35 54.4 1.40 45.5 1.45 39.0 1.50 34.3 1.55 30.6 1.60 27.7 1.65 25.5 1.70 23.5 注： 当计算值大于结构允许最大位移时，按结构允许位移值计算最大允许位移 Smax。 DB34/T 31132018 7 5.4.6 波纹管工作时允许的耐压力应不大于最大耐压力的 40。 5.4.
16、7 波纹管的焊接应满足： a) 波纹管壁厚不小于 2 mm 时，射线检测焊缝缺陷等级应不低于 NB/T 47013.2 的规定； b) 壁厚小于 2 mm 时，焊缝断裂强度应不小于波纹管材料断裂强度的 95； c) 焊缝不应出现黑色严重氧化现象。 5.5 控制系统设计 5.5.1 控制系统应采用全闭环设计。采用光栅尺等精确定位设备对降能器运动位置进行监测，光栅尺 位置读数与电机读数差值应不大于 0.03 mm。 5.5.2 电气控制系统图应按 GB/T 4728、GB 6988.1 的规定执行，至少包含电气系统图、电气原理图、 电气接线图： a) 电气系统图应可表达系统内各子系统或功能部件的相
17、互关系，及系统与外界的电气联系； b) 电气原理图应可表达系统控制原理、参数、功能、逻辑； c) 电气接线图应可表达各元件在设备中的具体位置分布，及导线走向。 5.5.3 运动部件应装有限位开关，限位设备应采用光电限位和机械限位结合的方案。 6 机械装配及精度要求 6.1 机械装配 6.1.1 在质量保证的前提下，应考虑减小装配投资，降低消耗。 6.1.2 应编制装配规程，应做到正确、完整、规范，使用的术语、符号、计量单位应做到统一，文件 格式及填写应符合国家标准规定。 6.1.3 装配过程中，应考虑安全生产，防止环境污染。 6.2 精度要求 6.2.1 降能块的前后表面平行度误差应不大于 0.1 mm。 6.2.2 降能块的前后表面与束流通道中心的垂直度误差应不大于 0.1 mm。 6.2.3 降能块的表面平面度误差应不大于 0.05 mm。 6.2.4 降能器到位误差应不大于 0.1 mm。 6.2.5 降能器最大量程的到位时间不应大于 60 s。 _
