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粒子加速器技术(上)  022M1005H

学期:2016-2017学年秋 | 课程属性:一级学科核心课 | 任课教师:潘卫民等
课程编号: 022M1005H 课时: 50 学分: 3.0
课程属性: 一级学科核心课 主讲教师:潘卫民等
英文名称: Technology of Particle Accelerator

教学目的、要求

本课程为培养研究生掌握粒子加速器相关的技术而设立。重点以高能粒子加速器为蓝本介绍粒子加速器的概况,以及相关的磁铁、电源、高频、真空、注入引出、控制、束流测量和辐射防护技术。粒子加速器技术课程(上)将介绍高能粒子加速器导论、加速器磁铁技术、磁铁电源技术、高频技术和真空技术。
	通过本课程的学习使学生了解、掌握粒子加速器的结构以及组成粒子加速器的各种设备的工作原理,为从事粒子加速器的研究准备必要的基础知识。

预修课程

理工类相关课程

教 材

赵籍九、尹兆升主编“粒子加速器技术”高等教育出版社,2006

主要内容

第一章	高能加速器导论(2学时)
	简要介绍粒子加速器原理及技术的发展及应用,以国内外几个重点加速器为代表,介绍加速器技术发展的现状及未来发展的方向。
第二章	加速器磁铁技术(12学时)
	本章讲述加速器磁铁技术,包括磁铁在加速器中的地位和作用,加速器所需的磁场形态分布,加速器磁场形态的建造方法,铁心磁铁设计与工作特性,永磁磁铁设计与工作特性,超导磁铁设计与工作特性,磁场测量和磁场质量分析等。
1. 磁场的基本规律及加速器磁铁的分类(2学时,教学难点)
	简要介绍磁场的基本概念、基本原理和基本形态,介绍加速器磁铁的主要类型及其在加速器磁聚焦结构中起到的作用。
2. 常规电磁铁的设计和制造(3学时,教学重点)
	介绍加速器常规电磁铁在设计时的基本考虑和设计原理,以二极磁铁和四极磁铁为例,详细说明常规电磁铁的优化设计的流程、各种参数的计算方法以及磁铁在制造、使用中需要注意的事项。通过对磁铁设计和制造过程的学习,建立基本工程观念,理解工程建设,尤其是大科学工程建设中工程人员应该具备的基本素质。
3. 永磁磁铁(2学时)
	介绍永磁材料和永磁磁铁的特性,介绍永磁多极磁铁的工作原理及磁场调整优化的方法。
4. 超导磁铁(2学时)
	介绍超导材料的发展历史及工作特性,介绍超导多极磁铁的工作原理和磁场调整优化的方法,介绍超导磁铁失超保护系统的相关知识。
5. 插入件磁铁(1学时)
	介绍插入件磁铁工作原理、发展历史以及在同步辐射光源中的应用。
6. 磁场的测量(2学时)
	介绍霍尔传感器测磁系统、平移长线圈测磁系统、旋转线圈测磁系统以及张力线测磁系统的工作原理和应用范围。
第三章	加速器电源技术(12学时)
	本章介绍电源技术的发展及加速器磁铁电源的作用、特点和工作原理。电源设备的分类及技术指标,磁铁电源常用拓扑结构分析,并介绍BEPCII磁铁电源系统及加速器磁铁电源技术的未来发展趋势。
1. 介绍电力电子技术的基本内容,及电子电源发展历史。(1学时)
2. 介绍加速器磁铁电源中常用的电力电子器件,主要包括电力二极管,晶闸管,电力MOSFET和绝缘栅双极型晶体管IGBT,介绍其结构和等效电路,特性和特点及应用等。(1学时)
3. 介绍加速器磁铁电源的特点,输出特性要求,对加速器性能的影响,及三种常用的基本结构。(1学时)
4. 介绍晶闸管相控直流电源的工作原理,包括单相/三相的半波和桥式可控整流电路等拓扑结构。(2学时,教学难点)
5. 介绍开关型直流电源的工作原理,包括串联式开关直流电路,PWM DC/DC全桥变换电路等拓扑结构。最后介绍了软开关和硬开关的基本工作原理。本讲为教学难点。(2学时)
6. 介绍直流稳定电源的工作原理和稳定性分析。包括稳定电源的基本结构,工作原理,自动控制系统的数学描述及稳定电源的稳态误差分析。(2学时,教学重点)
7. 介绍BEPCII储存环磁铁稳流电源系统,包括该电源系统的设计要求,衡量性能的基本技术指标,系统的构成,及关键部件。(1学时)
8. 介绍全数字化电源的研究和设计,包括国内外数字化电源的研究现状,瑞士光源全数字化电源简介,及全数字化电源设计实例分析。(2学时)
第四章	加速器高频技术(12学时)
	本章讲述高频系统在加速器中的地位与作用,高频加速与自动稳相原理高频的作用分析,介绍高频系统的构成,高频系统的工作原理和设计方法。
1、 电磁场基本概念和高频系统及其电场在加速器中的作用(2学时)
2. 速调管工作原理,高频传输线(1学时)
3. 漂移管式加速器工作原理和高频技术(2学时)
4. 回旋加速器高频技术,同步相位,滑相以及克服滑相的手段(2学时)
4. 准共振加速条件和在各类加速器中的应用(2学时)
6. 自动稳相原理,注入粒子的俘获、积累和聚束(2学时)
7. 高频电路基本特性(1学时)
第五章	加速器真空技术(12学时)
	本章讲述真空物理基础,超高真空获得,真空测量和检漏,超高真空系统诊断,高真空材料与工艺,材料热放气与储存环真空系统的设计与计算。
1. 加速器真空系统基本要求,重点介绍储存环真空系统的特点。(2学时)
2. 真空物理基础,包括真空概念、测量单位和常用公式。难点是抽气方程建立和压强分布计算。(2学时)
3. 真空获得方法,包括各种真空泵的结构、工作原理和特点。(2学时)
4. 真空测量方法及检漏技术,重点介绍热阴极规、冷阴极规、四极质谱仪和氦质谱检漏仪的工作原理。(2学时)
5. 讲述真空所用材料和表面处理工艺。(2学时)
6. 储存环真空系统设计方法,包括束流寿命、同步辐射功率和气载计算,国际上各种加速器真空盒的结构。(2学时)

教学手段与方法:以课堂讲授为主,配以少量习题和课外阅读材料

考核方式:课堂开卷考试

参考文献

1) 谢家麟主编 《北京正负电子对撞机和北京谱仪》
浙江科学技术出版社,1996年
(2)Alex. Chao and M. Tigner《Accelerator Physics and Engineering》 World Scientific, Singapore, 1998
(3)金明玉编 《电子储存环物理》中国科技大学出版社,1994年

授课时间: 星期三, 第5、6、7节
授课地点: 教1-405
授课周次: 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20

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