GB/T 41985-2022 230MeV~250MeV超导质子回旋加速器

　　ICS 27 . 120 . 99 CCS F 92

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 41985—2022

　　230 Mev~250 Mev超导质子回旋加速器

　　230 Mev~250 Mevsuperconductingprotoncyclotron

　　2022-10-12 发布 2023-05-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 41985—2022

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 加速器基本组成和工作条件 2

　　4 . 1 基本组成 2

　　4 . 2 基本工作条件 3

　　5 技术要求 4

　　5 . 1 外观和警示标志 4

　　5 . 2 束流品质指标 4

　　5 . 3 主要子系统性能指标 4

　　5 . 4 电气安全要求 5

　　5 . 5 运行环境的辐射安全限值 6

　　5 . 6 电磁兼容要求 6

　　5 . 7 运行要求 6

　　6 试验方法 7

　　6 . 1 外观和警示标志检查 7

　　6 . 2 束流品质测量 7

　　6 . 3 主要子系统性能测量 9

　　6 . 4 电气安全测量 11

　　6 . 5 运行环境辐射安全试验 12

　　6 . 6 电磁兼容试验 12

　　6 . 7 运行试验 12

　　7 检验规则 12

　　7 . 1 概述 12

　　7 . 2 检验项 目 12

　　7 . 3 判定规则 13

　　8 标志 、包装 、运输 、贮存和随行文件 14

　　8 . 1 标志 14

　　8 . 2 包装 14

　　8 . 3 运输 14

　　8 . 4 贮存 14

　　8 . 5 随行文件 14

　　附录 A (资料性) 品质因数的测量 16

　　参考文献 17

　　I

　　GB/T 41985—2022

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 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 、朱晓锋 、侯世刚 、潘高峰 、邢建升 。

　　Ⅲ

　　GB/T 41985—2022

　　230 Mev~ 250 Mev超导质子回旋加速器

　　1 范围

　　本文件规定了 230 Mev~250 Mev超导质子回旋加速器(以下简称“加速器”)的基本组成和工作条件 、技术要求 、试验方法 、检验规则以及标志 、包装 、运输 、贮存和随行文件 。

　　本文件适用于质子能量为 230 Mev~250 Mev , 束流强度为 1 nA~1 000 nA 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/T 191 包装储运图示标志

　　GB 4793 . 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

　　GB 4943 . 1—2011 信息技术设备 安全 第 1 部分:通用要求

　　GB/T 9969 工业产品使用说明书 总则

　　GB/T 12325 电能质量 供电电压偏差

　　GB/T 12326 电能质量 电压波动和闪变

　　GB/T 14436 工业产品保证文件 总则

　　GB/T 14549 电能质量 公用电网谐波

　　GB/T 15543 电能质量 三相电压不平衡

　　GB/T 16895 . 21—2020 低压电气装置 第 4-41 部分:安全防护 电击防护

　　GB/T 17045—2020 电击防护 装置和设备的通用部分

　　GB/T 17626 . 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/T 17626 . 5—2008 电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验

　　GB 18871 电离辐射防护与辐射源安全基本标准

　　GB/T 19661 . 1—2005 核仪器及系统安全要求 第 1 部分:通用要求

　　GB/T 19661 . 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/T 50102 工业循环水冷却设计规范

　　GB 50303—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 。

　　3.1

　　超导质子回旋加速器 superconducting proton cyclotron

　　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

　　1

　　GB/T 41985—2022

　　装置 。

　　3.2

　　束流能量 beam energy

　　束流中带电粒子通过回旋加速器装置获得的动能 。

　　[来源: GB/T 34128—2017 , 3 . 2] 3.3

　　束流强度 beam intensity

　　单位时间内通过某截面的带电粒子电荷总量 。

　　[来源: GB/T 34128—2017 , 3 . 3] 3.4

　　偏转引 出 deflection extraction

　　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 。

　　3.5

　　偏转引 出效率 deflection extraction efficiency

　　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 。

　　3.6

　　品质因数 quality factor

　　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 。

　　3.7

　　束流截面 beam profile

　　粒子束在横截面上的密度分布 。

　　3.8

　　主真空室 main vacuum chamber

　　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 。

　　3.9

　　中心区 central zone

　　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 。

　　3 . 10

　　引 出 区 lead area

　　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

　　4 . 1 基本组成

　　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 ;

　　2

　　GB/T 41985—2022

　　e) 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 ;

　　l) 辐射防护系统 。

　　4 . 2 基本工作条件

　　4 . 2 . 1 加速器大厅

　　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 ℃ ;

　　b) 温度控制精度: ±1 ℃ ;

　　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: —20 pa~—30 pa 。

　　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 380 v/220 v , 标称频率 50 Hz 。设备受电端的电源质量电压偏差应符合 GB/T 12325 要求 , 电源波动和闪变应符合 GB/T 12326 要求 , 公用电网次波应符合 GB/T 14549 要求 , 三相电压允许不平衡度应符合 GB/T 15543 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 。

　　a) 水质:去离子水 , 电导率 0. 2 μs/cm~0 . 5 μs/cm 。

　　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/T 50102 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. 65 Mpa~0 . 80 Mpa 范围内可调 ;

　　c) 输出压力:稳定连续无脉动 ;

　　3

　　GB/T 41985—2022

　　d) 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. 15 Mpa ;

　　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. 05 Mpa~0 . 12 Mpa 。

　　5 技术要求

　　5 . 1 外观和警示标志

　　5 . 1 . 1 外观

　　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 。

　　5 . 1 . 2 警示标志

　　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/T 19661 . 1—2005 要求 , 磁场警示标志应符合 GB/T 19661 . 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 1 nA;

　　c) 束流截面:小于或等于 8 mm ;

　　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 1 μA。

　　5 . 3 . 2 主磁铁系统

　　主磁铁系统宜满足:

　　a) 中心点磁场:大于或等于 2 T;

　　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 — 1 mT;

　　d) 磁场二次谐波分量在中心区 、引出区小于 40× 10 — 1 mT。

　　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 7 K;

　　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

　　4

　　GB/T 41985—2022

　　1 年 ;

　　c) 超导线圈系统的真空容器 、氦容器的真空漏率 , 应小于 10 — 9 pam3 /s , 工作状态时夹层真空度应小于 5 × 10 —4 pa ;

　　d) 超导线圈主动失超 , 对地绝缘电阻不小于 1 MΩ。

　　5 . 3 . 4 高频系统

　　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. 3 MHz 以上 ;

　　b) 系统的频率不稳定度为 ±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 —4 ;

　　e) D形加速电极各加速电压不平衡度小于 3% 。

　　5 . 3 . 5 主真空系统

　　主真空系统应满足:

　　a) 主真空室静态真空度小于 2 × 10 —4 pa ;

　　b) 动态(工作)真空度宜维持在 10 —4 pa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 。

　　5 . 3 . 6 控制系统

　　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/T 17045—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 。

　　5

　　GB/T 41985—2022

　　5 . 4 . 2 绝缘电阻

　　绝缘电阻应符合 GB 50303—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/T 17045—2020 中 5 . 2 . 27 和 GB/T 16895 . 21—2020 中 C. 1 . 2 的规定 。

　　5 . 5 运行环境的辐射安全限值

　　5 . 5 . 1 辐射剂量率限值

　　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 1 μsv/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 10 μsv/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

　　4 × 10

　　4 × 10

　　监督区

　　4 × 10 — 1

　　4

　　4

　　5 . 6 电磁兼容要求

　　5 . 6 . 1 浪涌抗扰度要求

　　应满足 GB/T 17626 . 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/T 17626 . 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 。

　　6

　　GB/T 41985—2022

　　a) 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 —4 pa ;

　　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 . 5 h 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 8 h 。

　　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 。

　　7

　　8

　　GB/T

　　

　　41985—2022

　　

　　图 1 束流截面测试示意图

　　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) 。

　　图 2 束斑直径测试结果示意图

　　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 I 1 和加速器束流引出口的束流强度 I 3 ,偏转引出效率 η t 是 I 3 与 I 1 之比 。用公式(1)计算 :

　　……………………( 1 )

　　式中 :

　　η t — 偏转引出效率 ;

　　I 1 — 偏转板前束流强度,单位为纳安(nA) ;

　　I 3 — 加速器束流引出口束流强度,单位为纳安(nA) 。

　　GB/T 41985—2022

　　6 . 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

　　6 . 3 . 3 . 1 温度测量

　　利用低温温度传感器检测超导线圈的温度 。

　　6 . 3 . 3 . 2 液位测量

　　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 。

　　6 . 3 . 3 . 3 真空测量

　　利用高真空计检测真空容器夹层的真空度 。

　　6 . 3 . 3 . 4 失超测量

　　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 5 MHz,动态范围 90 dB以上,观察 S21 曲线:选取工作频率,确认为 S21 曲线最大值,频率记为 f 0;选取非工作频率极大峰值,依次记为 f 1 ~fn 。有害共振频差是系统发生有害共振的频率与工作频率之差的绝对值 。用公式(2)计算 :

　　λ i =| fi — f 0 | ……………………( 2 )

　　式中 :

　　λ i — 有害共振频差,i∈ (i,n),单位为兆赫(MHz) ;

　　fi — 有害共振频率,i∈ (i,n),单位为兆赫(MHz) ;

　　f 0 — 工作频率,单位为兆赫(MHz) 。

　　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 30 min,每 0. 5 min读取一次数据,最大值 f max与最小值 f min 的差与频率平均值 faveR 的比值即为高频系统的频率不稳定度 μ 。 用公式(3)计算 :

　　……………………( 3 )

　　式中 :