(高清版)GBT 41985-2022 230MeV~250MeV超导质子回旋加速器

230MeV～250MeV超导质子回旋加速器2022-10-12发布2023-05-01实施I 2规范性引用文件 13术语和定义 14加速器基本组成和工作条件 24.1基本组成 24.2基本工作条件 35技术要求 45.1外观和警示标志 45.2束流品质指标 45.3主要子系统性能指标 45.4电气安全要求 55.5运行环境的辐射安全限值 65.6电磁兼容要求 65.7运行要求 66试验方法 76.1外观和警示标志检查 76.2束流品质测量 76.3主要子系统性能测量 96.4电气安全测量 6.5运行环境辐射安全试验 6.6电磁兼容试验 6.7运行试验 7检验规则 7.1概述 7.2检验项目 7.3判定规则 8.2包装 8.3运输 8.4贮存 8.5随行文件 附录A(资料性)品质因数的测量 参考文献 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国核仪器仪表标准化技术委员会(SAC/TC30)提出并归口。本文件起草单位：中国原子能科学研究院。本文件主要起草人：张天爵、李秀丽、王川、殷治国、蔡红茹、冀鲁翼、温立鹏、李鹏展、刘景源、1230MeV～250MeV超导质子回旋加速器1范围本文件规定了230MeV～250MeV超导质子回旋加速器(以下简称“加速器”)的基本组成和工作本文件适用于质子能量为230MeV～250MeV,束流强度为1nA～1000nA的超导质子回旋加速器。本文件不适用于同步回旋加速器。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；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/T191包装储运图示标志GB4793.1—2007测量、控制和实验室用电气设备的安全要求第1部分：通用要求GB4943.1—2011信息技术设备安全第1部分：通用要求GB/T9969工业产品使用说明书总则GB/T12325电能质量供电电压偏差GB/T12326电能质量电压波动和闪变GB/T14436工业产品保证文件总则GB/T14549电能质量公用电网谐波GB/T15543电能质量三相电压不平衡GB/T16895.21—2020低压电气装置第4-41部分：安全防护电击防护GB/T17045—2020电击防护装置和设备的通用部分GB/T17626.4—2018电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验GB/T17626.5—2008电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验GB18871电离辐射防护与辐射源安全基本标准GB/T19661.1—2005核仪器及系统安全要求第1部分：通用要求GB/T19661.2核仪器及系统安全要求第2部分：放射性测量计的结构要求和分级GB/T50102工业循环水冷却设计规范GB50303—2015建筑电气工程施工质量验收规范3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。超导质子回旋加速器superconductingprotoncyclotron利用超导线圈对主磁铁进行励磁，约束质子作回旋运动，质子在运动中通过高频电场反复被加速的2束流能量beamenerg:束流中带电粒子通过回旋加速器装置获得的动能。单位时间内通过某截面的带电粒子电荷总量。偏转引出deflectionextraction超导回旋加速器加速的质子束经过静电偏转板改变运动轨迹引出超导回旋加速器。偏转引出效率deflectionextractionefficiency偏转引出的质子束流强度与超导回旋加速器中进入偏转板前的质子束流强度之比。加速器谐振腔在共振频率下，内部信号振幅不随时间变化时，系统储存能量和每个周期谐振腔体内所消耗能量的比例。注：能耗，以热量的形式主要分布在腔体内表面数倍趋肤深度的范围内。储能则可分为磁储能和电储能，达到稳态谐振条件时二者大小相等。束流截面beamprofile粒子束在横截面上的密度分布。超导回旋加速器中，被加速的带电粒子从离子源产生进入中心区电极到引出加速器，整个过程所在的高真空度空间。带电粒子从离子源产生，注入到中心平面被高频俘获，且电聚焦占主导的区域。从带电粒子加速到最终能量进入引出系统的第一个部件至引出到加速器外的区域。4加速器基本组成和工作条件加速器主要包括下列组成部分：a)离子源及中心区系统；b)主磁铁系统；c)超导线圈系统；d)高频系统；3e)真空系统；f)控制系统；g)电气电源系统；h)水冷气动系统；i)偏转引出系统；j)束流诊断系统；k)剂量监测安全联锁系统；1)辐射防护系统。4.2基本工作条件加速器大厅的运行环境条件宜满足如下要求：a)环境温度：15℃~25℃;c)相对湿度：小于65%;d)室内外压差：超导回旋加速器大厅室内保持负压排风，压力范围：-20Pa～-30Pa。4.2.2电源室和控制室加速器所用电源以及控制室运行环境条件的要求如下。a)电源：低压三相四线制供电，电压应采用交流380V/220V,标称频率50Hz。设备受电端的电源质量电压偏差应符合GB/T12325要求，电源波动和闪变应符合GB/T12326要求，公用电网次波应符合GB/T14549要求，三相电压允许不平衡度应符合GB/T15543要求。b)环境温度：20℃±5℃。c)相对湿度：小于65%。4.2.3循环冷却系统要求循环冷却系统要求如下。b)水温：20℃~30℃,进加速器的水温长期工作不稳定度±0.3℃。c)系统额定出水压力：根据加速器安装的实际位置，及加速器内阻力最大的部件所产生的沿程压力损失设计。d)系统额定水流量：根据加速器内各部件总流量之和设计，系统供水流量的调节范围应满足加速器各分系统调试的需求。e)流量分配器：具有流量调节功能，各回水支路应安装流量开关与控制系统形成联锁保护。流量开关选型时，宜考虑安装位置的电磁场和辐射场对其影响。f)循环冷却系统设计符合GB/T50102要求。4.2.4压缩空气系统要求压缩空气系统要求如下：a)加速器用压缩空气：应干燥洁净、无油无尘；b)气源设备输出压力：应在0.65MPa～0.80MPa范围内可调；c)输出压力：稳定连续无脉动；4d)加速器集中式换向控制单元：应与加速器控制系统建立联锁；e)换向单元入口压缩空气的压力：应大于联锁设定压力值，一般压差宜大于或等于0.15MPa;f)加速器气源输出以及分配端宜具有能进行压力调节部件；g)加速器气动系统宜为闭环。4.2.5干燥氮气系统要求干燥氮气应采用工业氮气，供气压强范围为0.05MPa～0.12MPa。5技术要求5.1外观和警示标志加速器外观应色泽均匀协调、整洁无损伤，设备布局有利于操作人员进行设备检修、运行、调试、巡视和记录。加速器电离辐射警示标志应符合GB18871要求，高电压警示标志应符合GB/T19661.1—2005要求，磁场警示标志应符合GB/T19661.2的要求。紧急开关应设在操作人员容易接近的地方，且有明显的状态标志。安全联锁标志应设置在醒目位置。5.2束流品质指标加速器的偏转引出束流品质宜满足：a)束流能量：达到产品技术文件规定的能量，误差范围±1%;b)束流强度：大于或等于1nA;c)束流截面：小于或等于8mm;d)偏转引出效率：大于或等于50%。5.3主要子系统性能指标5.3.1离子源引出束流强度离子源引出质子束流强度：大于或等于1μA。主磁铁系统宜满足：a)中心点磁场：大于或等于2T;b)加速区等时性场平均偏差：小于1×10-4;c)磁场一次谐波分量在中心区、引出区小于或等于2.5×10-1mT;d)磁场二次谐波分量在中心区、引出区小于40×10-1mT。5.3.3超导线圈系统超导线圈系统应满足：a)线圈工作温度范围：低温超导低于7K;b)如果采用液氦零挥发设计，液氦液面高度应高于超导线圈的最上沿，补充液氦周期不得小于5c)超导线圈系统的真空容器、氦容器的真空漏率，应小于10-9Pam³/s,工作状态时夹层真空度应小于5×10-4Pa;d)超导线圈主动失超，对地绝缘电阻不小于1MΩ。高频系统在配备固定工作频率的高频发射机条件下应满足：a)系统发生有害共振的频率距离工作频率0.3MHz以上；b)系统的频率不稳定度为士5×10-8;c)品质因数比应大于85%;d)D形加速电极电压不稳定度为±5×10-¹;e)D形加速电极各加速电压不平衡度小于3%。主真空系统应满足：a)主真空室静态真空度小于2×10-4Pa;b)动态(工作)真空度宜维持在10-4Pa量级；c)具有干燥氮气对真空室进行保护，缩短真空恢复时间。控制系统应具备如下功能：a)开机和停机时能正确执行预设的开机、停机流程自动程序；b)加速器的主要参数的设定、调节、联锁和显示；c)加速器工作状态和故障的显示、报警。5.3.7剂量监测安全联锁系统剂量监测安全联锁系统应根据现场条件设计，并与控制系统相对独立。剂量监测安全联锁系统应具备以下功能。a)防护门开启时，加速器不能供束。b)加速器大厅内剂量率(包括瞬发伽马和中子)超过设定阈值时，系统报警并切断束流供应。c)当加速器大厅内残余伽马剂量率超过设定阈值时，触发声光报警装置。d)按下紧急停机按钮，加速器应停止供束。e)当加速器运行时，安装在防护门外的加速器运行指示灯应有明确显示。f)加速器大厅内和靶室内按清场顺序设置清场按钮，加速器开机前按清场顺序依次按下清场按钮完成清场。若清场时，任何清场按钮未按下，加速器不应运行。g)监测点剂量达到阈值100%以上报警，达到120%时停止运行并优先切断离子源输出与高频馈入。5.4电气安全要求5.4.1设备保护接地加速器属于I类防电击设备，应至少采用一种符合GB/T17045—2020规定的电击防护措施，且采用连接保护导体作为故障防护措施。6GB/T41985—20225.4.2绝缘电阻绝缘电阻应符合GB50303—2015中3.1.2和附录C的规定。5.4.3介电强度介电强度应按照GB4793.1—2007中表9的规定值进行电压试验，不应出现击穿或重复飞弧。电晕效应和类似现象可忽略不计。5.4.4可触及电流可触及电流应符合GB/T17045—20205.5运行环境的辐射安全限值5.5.1辐射剂量率限值中5.2.27和GB/T16895.21—2020中C.1.2的规定。工作场所辐射剂量率限值要求如下：a)监督区(通常不需要专门的防护手段或安全措施，但需要经常对职业照射条件进行监督和评价的区域)开机状态不超过1μSv/h;b)控制区(需要和可能需要专门防护手段或安全措施的区域)停机后，状态剂量检测数值低于保护阈值时，剂量不超过10μSv/h。5.5.2表面污染控制水平限值工作场所分为控制区和监督区，在控制区与监督区之间设置表面污染监测仪，各区放射性表面污染控制水平限值应符合表1的要求。表1工作场所的放射性表面污染控制水平限值单位为贝可每平方米表面类型α放射性物质β放射性物质极毒性其他工作台、设备、墙壁、地面控制区4监督区445.6电磁兼容要求5.6.1浪涌抗扰度要求应满足GB/T17626.5—2008中第9章b)的要求。5.6.2电快速瞬变脉冲群(EFT)抗扰度要求应满足GB/T17626.4—2018中第9章b)的要求。5.7运行要求5.7.1开机与正常运行要求开机与正常运行要求如下。7a)在超导低温系统和对应的水冷机组运行正常，保持超导线圈的液氦温度状态下，加速器开机到正常运行的次序宜为：1)检查加速器各子系统状态正常；2)抽真空至真空度应小于5×10-4Pa;3)主磁铁励磁达到额定电流；4)高频开启闭环运行；5)引出静电偏转板加高压；6)离子源状态正常，具备供束条件。b)在保持真空和主磁场待机状态下，加速器开机推荐次序为：从上述步骤3)开始至6),参考时间宜控制在2.5h之内。其中步骤3)在待机状态下进行磁场微调。5.7.2连续运行要求加速器在设定的束流能量和束流强度条件下，连续正常运行时间应大于或等于8h。6试验方法6.1外观和警示标志检查用目测法检查加速器的外观和警示标志。6.2束流品质测量6.2.1束流标称能量测量宜使用三维水箱和电离室探测器测量束流在水中沿束流前进方向的剂量分布，将剂量分布与离子和物质相互作用的计算结果进行剂量峰位置及峰宽的比对，由此可得束流能量。6.2.2束流强度测量在加速器束流引出口，利用法拉第筒和纳安电流表或其他等效测量装置测试束流强度。6.2.3束斑截面测量在束流引出口采用丝扫描装置或等效的其他测量装置进行测量，如图1所示，得到束流截面分布。选定电流最大值I和0.1I两个位置为束流截面边缘。两个位置之间的距离d即为束斑直径，如图2所示。8GB/T41985—2022标引序号说明：I——选定电流最大值，单位为纳安(nA);d——束斑直径，单位为毫米(mm)。6.2.4偏转引出效率测量采用法拉第筒和纳安表或等效的其他测量装置分别测量引出偏转板前束流强度I₁和加速器束流式中：I₁——偏转板前束流强度，单位为纳安(nA);I₃——加速器束流引出口束流强度，单位为纳安(nA)。9GB/T41985—20226.3主要子系统性能测量6.3.1离子源引出束流强度测量采用法拉第筒和纳安电流表或等效的其他测量装置对离子源质子束流强度进行直接测量。6.3.2主磁铁磁场测量利用超导励磁电源为超导线圈供电励磁，达到额定运行电流时，测量主磁铁中心点的磁场。6.3.3超导线圈系统测量利用低温温度传感器检测超导线圈的温度。针对液氦零挥发系统，利用氦液位计检测液氦液面，液面高度应高于超导线圈的最上沿。利用高真空计检测真空容器夹层的真空度。超导线圈主动失超，测对地绝缘电阻。6.3.4高频系统测量6.3.4.1有害共振频率的测量当高频谐振腔体的耦合端口达到临界耦合时，选取谐振腔体的耦合端口和取样端口，与网络分析仪的1、2端口相连，设置带宽5MHz,动态范围90dB以上，观察S₂曲线：选取工作频率，确认为S₂曲线最大值，频率记为f₀;选取非工作频率极大峰值，依次记为f₁~f,。振的频率与工作频率之差的绝对值。用公式(2)计算：λ;——有害共振频差，i∈(i,n),单位为兆赫(MHz);f;——有害共振频率，i∈(i,n),单位为兆赫(MHz);f₀——工作频率，单位为兆赫(MHz)。有害共振频差是系统发生有害共6.3.4.2频率不稳定度测量从谐振腔体的高频取样端口取一路高频信号送入频率计，连续测量30min,每0.5min读取一次数据，最大值fmx与最小值fmn的差与频率平均值faw的比值即为高频系统的频率不稳定度μ。用公式μ——频率不稳定度；GB/T41985—2022fmax——频率最大值，单位为兆赫(MHz);fmin——频率最小值，单位为兆赫(MHz);6.3.4.3品质因数比的测量使用三维有限法开展电磁场仿真，得到腔体无载品质因数，记为Qo;参见附录A的方法测量得到无载品质因数实测值，记为Qo₁,用公式(4)计算品质因数比：式中：p——品质因数比；Q₀₁——实际测量腔体无载品质因数；Qo₀——电磁场仿真腔体无载品质因数。6.3.4.4D形盒加速电极电压不稳定度测量从高频腔取样端口取一路高频信号送入信号源噪声分析仪，设置信号源噪声分析仪的触发模式为幅度噪声模式，设置测量的起始频率为1Hz,设置测量的截止频率为100kHz,平均次数为16次，利用游标功能分析1Hz～20kHz内的幅度噪声，得到幅度噪声的百分比表示方式，用公式(5)进行计算：式中：r——电压不稳定度；NA——幅度噪声，单位为分贝每赫兹(dB/Hz);f₁——幅度噪声分析频率范围的下限频率，单位为赫兹(Hz);f₂——幅度噪声分析频率范围的上限频率，单位为赫兹(Hz)。6.3.4.5D形盒加速电极各加速电压不平衡度的测量宜使用柔性PCB材料刻蚀出等大小电容取样片，并安装在不同谷区相对称的位置。确保安装引线及位置对称性大于0.99。加高频功率至加速束流所需。从多个谷区的高频取样端口，用矢量电压表每30秒测量一次，连续测量3min,同一位置电压取平均。D形超导回旋加速器电极电压不平衡度为不同谷区射频取样电压的最大值Umx和最小值Umin之差与平均值U的比值，用公式(6)计算：………(6)式中：σ——电压不平衡度；Umax——最大取样电压，单位为伏特(V);Umin——最小取样电压，单位为伏特(V);——平均取样电压，单位为伏特(V)。6.3.5主真空系统测量6.3.5.1用高真空计对主真空室静态真空度进行测量。6.3.5.2用高真空计对主真空室动态真空度进行测量。6.3.5.3用干燥氮气破坏主真空室真空后，重新启动真空系统恢复到所需的静态真空度。6.3.6控制系统试验6.3.6.1开机和停机的试验：根据产品使用说明书规定的开机和停机步骤，进行开机和停机演示。6.3.6.2加速器主要参数设定、调节和显示功能的检查：根据产品使用说明书进行检查，主要对真空系6.3.6.3加速器工作状态和故障显示、报警的检查：在加速器正常工作状态下，使用目测法对各子系统设备工作状态显示功能进行检查。在设定故障条件下，使用目测法检查系统显示、报警功能。6.3.7剂量监测安全联锁系统试验6.3.7.1与防护门位置的联锁的检查：当加速器开机时，断开防护门限位开关输出节点，通过束流测量装置观察控制屏幕束流示值变化。6.3.7.2与现场剂量监测装置联锁的检查：监测加速器大厅内剂量率(包括瞬发伽马和中子),降低剂量监测仪器保护阈值(略低于天然本底)后，当监测剂量率超过设定阈值，检查系统是否报警并自动关闭加速器。检测结束后恢复监测仪表剂量率阈值。6.3.7.3与剂量监测指示信号灯、警告装置联锁的检查：通过降低保护阈值的方法按下述试验步骤进行检测。a)首先检查剂量监测指示信号灯。当低于设定阈值时，显示绿色灯光；当高于设定阈值值时，闪烁红色灯光。b)加速器大厅内残余γ的剂量率的监测。当监测剂量率达到设定阈值的100%～120%时，声音报警器发出低重复频率的音频警报；当监测剂量率超出设定阈值120%时，声音报警器发出高重复频率的音频警报。试验检测结束后恢复剂量阈值。6.3.7.4紧急停机试验：紧急停止按钮被按下时，在控制屏幕上看到加速器应有高频电压降低、离子源电压降低，并目测到束流阻挡靶插入的联锁动作。紧急停机按钮应手动复位。6.3.7.5与加速器运行指示信号灯联锁的检查：当加速器运行时，安装在防护门外的指示灯清晰、明亮。6.3.7.6与清场按钮联锁的检查：清场按钮未完成清场流程前，加速器应具备不允许出束的联锁条件，如在控制屏幕上显示离子源束流为零，束流阻挡靶处于阻挡状态等。6.4电气安全测量6.4.1设备保护接地测量用接地电阻测试仪，测试电流为保护电流的200%,施加试验电流时间、测试方法应符合GB4943.1—2011中2.6.3.4和2.6.3.5的规定，测量电气设备外壳与接地连接端子间的电阻。6.4.2绝缘电阻测量根据低压设备的工作电压采用500V或1000V绝缘电阻测量仪，检测相线对地及设备金属外壳之间的绝缘电阻。6.4.3介电强度试验按照GB4793.1—2007中6.8规定的程序进行介电强度试验。6.4.4可触及电流测量按照GB/T19661.1—2005中5.7.2.1的试验方法，用交流电压表并联2kΩ电阻在超导质子回旋加速器正常运行条件下，直接测量待测可触及零部件与安全接地端子间的电压值，计算电流。6.5运行环境辐射安全试验6.5.1辐射剂量率限值测量在加速器开机状态时，使用剂量当量率表测量监督区的屏蔽门口、操作工位、设备间等部位的剂量当量率值。在加速器停机后，使用剂量当量率表测量控制区靠近加速器的墙面、门口部位的剂量当量率值。6.5.2表面污染测量在控制区和监督区分别测量，使用便携式表面污染测量仪测量加速器的工作台、墙壁、地面的表面污染。6.6电磁兼容试验6.6.1浪涌抗扰度试验按照GB/T17626.5—2008进行浪涌抗扰度试验。6.6.2电快速瞬变脉冲群(EFT)抗扰度试验按照GB/T17626.4—2018进行电快速瞬变脉冲群抗扰度试验。6.7.1开机与正常运行在超导低温系统和对应的水冷机组运行，保持超导线圈的液氦温度状态下，从开机到正常运行和在保持真空和主磁场待机状态下，恢复运行过程等采用演示法进行试验。在设定的束流能量和束流强度条件下，测量连续正常运行的时间。7检验规则7.1概述7.1.1加速器的检验分为型式检验和出厂检验。7.1.2在下列情况之一时，应进行型式检验：a)新产品或转产产品；b)正式生产后，如结构、材料、工艺有较大改变，考核对产品性能影响时；c)出厂检验结果与上次型式检验结果有较大差异时；d)国家质量监督机构提出型式检验的要求时。7.1.3每个产品出厂前均应做出厂检验。7.1.4由于加速器的批量较小，无论是型式检验还是出厂检验均应采用全项目检验。7.2检验项目加速器的检验项目见表2。通常按表2的序号顺序逐项进行检验；需要时也可以调整部分项目的检验顺序或将一些项目合并进行检验。表2230MeV～250MeV超导质子回旋加速器检验项目序号型式检验出厂检验技术要求章条号试验方法章条号1外观和警示标志▲2束流能量△6.2.13束流强度▲6.2.24束流截面▲6.2.35偏转引出效率▲6.2.46离子源引出束流强度△5.3.16.3.17有害共振频率△6.3.4.18频率不稳定度△5.3.4b)6.3.4.29品质因数比△6.3.4.3D形盒加速电极电压不稳定度△6.3.4.4D形盒加速电极电压不平衡度△6.3.4.5主真空系统▲5.3.56.3.5控制系统5.3.66.3.6剂量监测安全联锁系统5.3.76.3.7设备保护接地5.4.16.4.1绝缘电阻5.4.26.4.2介电强度5.4.36.4.3可触及电流5.4.46.4.4失超试验△6.3.3.4浪涌抗扰度△5.6.16.6.1电快速瞬变脉冲群(EFT)抗扰度△5.6.26.6.2开机与正常运行▲5.7.16.7.1连续运行5.7.26.7.27.3判定规则7.3.1型式检验中如发现不合格项，允许对加速器的相关部件或分系统进行调整或更换，并重新检验；7.3.2出厂检验中通过所有检验项目的产品为合格品。检验中如发现不合格项，允许对产品的相关部件或分系统进行返修或返工，并重新检验。8.1标志8.1.1加速器标牌加速器应在显著位置设置字迹清楚的永久性标志或标牌，其内容主要包括：a)制造商名称；