合肥光源注入器条带检测器的设计与计算

根据合肥光源升级改造的要求,为进行合肥光源注入器的束流位置、发射度和能散的非拦截测量,设计了新的条带束流位置检测器（BPM）和八电极束流能散检测器（BESM）。计算了条带BPM和八电极BESM通过电信号提取x2－y2以及灵敏度的公式。通过条带电极的时域频率分析、阻抗匹配等计算确定了两个检测器的具体物理参数。在CSTmicrowavestudio中按照计算的物理结构进行建模仿真,得到了电极间的耦合且考虑了电极耦合对灵敏度的影响。计算了条带BPM的位置分辨率,符合设计要求。     

束流能散度和传输管道孔径变化对束流尾场效应的影响

采用双粒子模型，讨论了束流能散度和传输管道孔径变化对由第一个宏粒子产生的束流尾场的影响。并将所得的计算尾场效应的公式，变换成六维传输矩阵的形式，使之能用于束流传输系统的模拟计算。     

CSNS/LRBT优化设计及空间电荷效应影响研究

中国散裂中子源（CSNS）直线加速器至快循环同步加速器（RCS）的束流输运线（LRBT）传输80 MeV H^-束流至RCS注入点,由于较小的束流发射度和较高的峰值流强,空间电荷效应在LRBT中的影响非常显著,是引起LRBT中发射度增长和束流损失的主要因素,也是LRBT优化设计中的重要问题。文章利用TRACE 3-D程序进行带有空间电荷效应的twiss参量和消色散匹配,比较研究LRBT不同聚焦结构和不同初始束流分布条件下发射度的增长情况。对于采用Triplet结构作为标准单元的结构,研究发现,通过优化LRBT前端匹配段能有效控制发射度的增长。多粒子模拟跟踪结果表明,峰值流强为15 mA时,现有物理孔径下基本无束流损失发生。对LRBT上散束器的参数和位置进行了优化设计,可减少动量散度和中心能量抖动,优化RCS注入束流参数。     

高频噪声对上海光源储存环束流品质的影响

为了向用户提供高品质的同步辐射光,储存环束流应具有好的性能.储存环高频噪声的存在会影响到束流品质.本文基于DKW理论,研究了高频幅度噪声与相位噪声对束流能散度的影响,并分析了束团长度拉伸效应,以及对小间隙插入件U27上微聚焦光束品质的影响.模拟结果显示,位相噪声对束流品质以及辐射光品质的影响比较显著,且阶次越高的辐射光受高频噪声的影响越大.     

减小直线加速器耦合腔中不对称性的方法

随着高能物理的发展,特别是大型对撞机、FEL和高亮度同步辐射光源,均对直线加速器的性能提出了更高的要求。单边耦合器结构的不对称性破坏了耦合腔中场的对称性分布,降低了束流的品质。为了改善不对称性,利用CST微波工作室模拟设计了X波段偏心耦合器、双对称耦合器以及介质棒加载耦合器,并对腔中场分布的均匀性进行了分析,而且进行了粒子跟踪。计算结果表明采用新方法设计的加载介质棒耦合器耦合腔中场分布的对称性较好。粒子束团通过该种耦合器和一段加速结构后,束团的分布几乎完全处在束流孔中心,而且束流能散有明显改善。     

边界元法计算束流位置探测器的灵敏度系数

为满足高能同步辐射光源（High Energy Photon Source,HEPS）束流位置测量的需求,研制了各种类型的束流位置探测器（Beam Position Monitor,BPM）。位置灵敏度系数是BPM的一项重要参数,通过它可以精确计算束流的位置。使用边界元法计算束流位置探测器的灵敏度系数,适用于在无法使用天线模拟束流进行实际测量和有限元软件进行模拟的场合。以HEPS储存环BPM的参数为例,首先用边界元法分析计算了具有圆形横截面的BPM的位置灵敏度系数,在此基础上,分析了椭圆形（HEPS增强器）与八边形（BEPCⅡ储存环）管道的系数。将该方法应用于BPM的设计与分析中,确定了高能光源增强器BPM纽扣电极的方位角和北京正负电子对撞机BPM的纽扣电极间距。此外,计算了上述BPM的位置灵敏度系数分布Mapping图。圆形管道BPM的位置灵敏度系数结果与解析值接近,相对误差在1%左右,椭圆形与八边形管道BPM的计算结果与实际测量结果的偏差都在2%左右,证明了边界元法计算束流位置探测器的位置灵敏度系数是一种可靠的方法,可用于BPM的设计与相关问题的分析。     

低发射度L波段光阴极微波电子枪物理设计

太赫兹(THz)光源对电子束的能量、能散及发射度有极高要求,研发高性能电子源是基于自由电子激光(Free Electron Laser,FEL)的THz光源的重要挑战。对电子腔中束团发射度增长机制的研究,有助于设计针对有效的发射度补偿方案。本文首先描述了L波段光阴极微波电子枪腔的设计,利用POISSON Superfish软件给出了腔内电磁场分布,详细分析了束流发射度增长的因素,讨论发射度补偿原理。由此提出基于主副螺线管线圈抑制发射度增长的补偿方案,并用ASTRA程序对补偿效果进行模拟计算。结果表明,采用该补偿方案后,电子腔输出束团的能散和发射度有显著改善,达到THz光源对于电子源的要求。     

CSNS RCS环BPM电子学实现

中国散裂中子源(CSNS)快循环同步环(RCS)上需要束流位置检测器(BPM)来检测束流位置偏移。论文介绍该系统中读出电路的设计和实现。设计BPM读出电路的最大挑战就是接收和处理大动态范围(5.8 mV~32 V)和变化宽度(80~500 ns)的探头引出信号。文中介绍的模拟电路,采用由模拟运放和模拟开关构成可变增益放大器的结构,能够接收和处理该探头引出信号。另外,对于一个BPM系统,精确的实时束流位置检测是必须的。本设计基于FPGA,开发了计算逐束团位置信息和束流闭轨模式位置信息的实时算法。此外,设计实现了工程所需的各种功能,包括30 s逐束团位置缓存、基于VME总线的数据读出和控制、FPGA程序的在线加载等。初步测试显示,在最小信号10 mV时,逐束团位置分辨是0.9 mm,束流闭轨模式位置分辨为50μm。     

合肥光源钮扣型束流位置检测器的设计计算

对合肥光源中使用的钮扣型束流位置检测器进行了相关参数的计算,计算了水平和垂直方向的灵敏度。对内在分辨率和传输功率进行了估算。用优化后的检测器安装位置参数对束流位置进行了高精度数值仿真,对测量数据用差比和和对数比方法进行处理,得到直观的mapping图和拟合多项式。对束流和信号进行仿真拟合,当束流位移从（0mm,0mm）到（4mm,4mm）时,归一化和信号的变化小于5×10－3。     

弗瑞曼型离子源能散度测量

从离子源中引出束的能散度,是源的一个重要性能指标,因为能散度将影响束的发射度和束的聚焦质量等,尤其在采用后减速得到低能(几十至几百eV)离子束的情况下,离子束的能散度对其轨迹及沉积能量的影响就更为严重了。弗瑞曼(Freeman)型离子源能够提供强流的重离子束,在低能离子束机上得到日益广泛的应用,因而有必要测定这种源     

合肥储存环电子束能散测量研究

测量了合肥储存环流强变化的电子束相对能散展宽,用测量光学速调管自发辐射谱调制率的方法,计算出低流强下的电子束能散值。还通过测量了电子回旋中心频率测出了电子束中心能量的相对变化,与由测闭 轨和色散函数计算的结果相互吻合。     

兰州高能电子成像实验平台电子束团长度测量研究

为提高高能电子成像的时间和空间分辨率,实验需低能散、低发射度、短脉冲的高品质束流。本文利用相干渡越辐射能谱分析法测量基于热阴极微波电子枪的高能电子成像用直线加速器的电子束团长度。通过用迈克尔逊干涉仪测量太赫兹辐射能谱,利用自相关曲线拟合法得到电子束团长度。实验结果表明,当束流宏脉冲峰值强度约为24 mA,即电荷量约为15 pC时,电子束团均方根长度约为0723 5 ps。另外,用Kramers Kronig(K K)相位分析法可重建一种可能的电子束团纵向分布。电子束团长度测量的研究可优化束流品质,对后续高能电子成像实验有重要的参考意义。     

CSR ns级重离子束动力学研究

采用束团在纵向相空间快速旋转的非绝热压缩方法研究了在兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)上获取高能ns量级短脉冲重离子束的可行性,利用K-V包络方程对能量为250MeV/u、初始纵向束团长度为200ns、初始动量分散为5×10-4的238U72+离子束团的非绝热压缩过程进行了束流动力学模拟,给出了在束团压缩过程中束流相关参数的变化。结果表明,在CSR上可取得最短为16ns长度的238U72+离子束团,可满足用于高能量密度物理研究的50ns束团长度的要求。     

Simulation studies on two-frequency RF gun

Photocathode RF gun is widely used for particle accelerators as an electron source.When driving an RF electron gun at the fundamental frequency and a higher harmonic frequency simultaneously with proper field ratio and relative phase,it generates electron beams of ultralow emittance and a linear longitudinal phase space distribution.Such a gun provides high quality electron beam with low energy spread,small traverse emittance and high brightness.In this paper,the RF design of a 1.5 cell cavity is presented.Simulation results of beam dynamics for the two-frequency gun and a standard single-frequency RF gun are also shown in this paper.In addition,bunch compression with a two-frequency gun is explored.     

Energy-spread measurement of triple-pulse electron beams based on the magnetic dispersion principle

The method of energy dispersion in magnetic field is used to analyze the energy spread of the triple-pulse electron beam generated by the Dragon-II linear induction accelerator.A sector magnet is applied for energy analysis of the electron beam,with a bending radius of 300 mm and a deflection angle of 90°.For each pulse,the time-resolved and integral images of the electron position at the output port of beam-bending line are recorded by a streak camera and a CCD camera,respectively.Experimental results demonstrate an energy spread of less than ±2.0%for the electron pulses.The cavity voltage waveforms obtained by different detectors are also analyzed for comparison.     

中国散裂中子源快循环同步加速器束团长度研究

束团长度是中国散裂中子源（CSNS）快循环同步加速器（RCS）束流动力学的关键参数,通过对束团长度的研究,可了解RCS的机器性能并进一步指导机器优化研究。本文对RCS 100 kW时的束团长度进行精确测量,100 kW引出时的束团长度为105 ns。RCS 500 kW时束团长度可能超过无损引出允许值,需压缩束团长度。理论上提高腔压可压缩束团长度,本文模拟研究500 kW时束团长度随腔压曲线的变化规律,模拟结果表明提高加速后半阶段的腔压可压缩束团长度,给出了500 kW时无束流损失引出的腔压曲线。基于100 kW束流条件实验验证了通过提高加速后半阶段腔压来压缩束团长度的有效性和可行性,实验测量结果与模拟结果一致。因此,提高加速后半阶段腔压是500 kW时无损引出束流的有效方法。     

PIC方法在RFQ加速器z-code和t-code模拟程序中的应用研究

本文介绍了二维PIC(Particle in cell)方法,这种方法常用于粒子动力学模拟中空间电荷作用的计算。并比较了以时间为自变量(t-code)和以纵向位置为自变量(z-code)的两种动力学模拟程序;针对“国家重点基础研究发展规划”洁净核能项目中的射频四极(RFQ)加速器结构参数,给出了单束加速和正、负离子束同时加速两种情况下,t-code和z-code模拟得出的传输效率。结果表明,当束团的相位宽度大或能散大时,z-code在计算空间电荷作用时会引入相对较大的误差,从而应该使用t-code来进行动力学模拟,以获得更准确的结果。     

Simulation study of transverse optical klystron radiation

The radiation from a transverse optical klystron(TOK) is calculated by far field approximation and numerical integration,in which the effects of electron-beam emittance and energy spread are considered.Accurate electron-beam profiles have been experimentally determined and modeled by the Monte Carlo method.The calculated spectra illustrate the emittance of Hefei storage ring imposes on the spontaneous radiation of TOK.