强流束空间电荷力导致的发射度增长

强流束的空间电荷效应是决定加速器束流动力学的基本因素之一，低能强流束中发射度增长的１个主要原因是束流自身的空间电荷力。文章综合介绍了国内外有关空间电荷力导致强流束中发射度增长４种机制的研究成果。     

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。     

FEL中的束流发射度分析

根据自由电子激光器(FEL)对电子束流品质的要求,对束流发射度以及引起束流发射度变化的因素,诸如加速过程中微波场的突变、能量增加、波导结构的尾场效应和传输过程中的空间电荷效应、粒子密度分布的影响及偏转系统中的尾场效应等等,进行了物理上的分析,对其中某些情况,给出了束流发射度变化量的具体估算。     

单粒子微束品质优化装置研制的设想

对影响单粒子微束装置束品质的因素进行了全面分析，并提出了一种优化单粒子微束装置束品质的方法——用束流发射度精确测量与粒子束聚焦自动调节装置改进单粒子微束装置瞄准器出口束斑。     

螺线管透镜像差导致的束流发射度增长研究

螺线管透镜常作为低能束流的聚焦元件,不可避免地具有像差,导致束流发射度增长,降低束流传输效率。本文通过理论推导和计算机模拟,给出了不同束流包络、不同磁感应强度和不同磁场形状的情况下束流经过实际透镜后的发射度增长。结果表明,发射度增长主要与束流包络和磁感应强度有关。但在一定范围内,优化磁场形状也能起到控制发射度增长的作用。     

强流负氢离子源发射度测量仪研制

在加速器技术研究中,束流发射度是反映束流品质的重要物理参数,也是加速器和束流传输线设计的重要依据。100 MeV回旋加速器采用18 mA强流负氢离子源来产生负氢束,为了准确测量离子源的发射度,研制了一台强流负氢离子源发射度测量仪,介绍了其基本原理、机械设计和实验结果,得到了离子源的发射度信息,为100 MeV回旋加速器的设计提供了发射度参数。     

脉冲离子束流聚焦装置的研制

用小型化的质量分析系统进行脉冲离子束流实验研究时,从真空弧离子源中引出的束流脉冲幅度大、能量低,由于空间电荷效应使脉冲束流发散度很大,使得离子束流成分分析的不确定度增大。为克服在有限的空间范围内脉冲离子束流聚焦的困难,研制了一种新的双限束光阑三膜片透镜离子束流聚焦装置。双限束光阑着重减少束流发射度,三膜片透镜则适合小尺度空间的脉冲束流聚焦。计算机模拟的结果符合这种大脉冲离子束流聚焦的设计思想。磁质谱仪应用该聚焦装置后,发散到质量分析器分析盒上的脉冲离子束流幅值从未加聚焦前的115 mA减少至0.06 mA,脉冲离子束流质量分析的不确定度降低。     

脉冲高频加速器束流动力学计算

用增补后的Parmela程序模拟了脉冲高频加速器中粒子的三维运动,给出了粒子在各相平面上的发射度大小和图示,同时简述了谐振腔的载束性能,并讨论了螺线管里束流横向发射度的变化。     

强流离子束的最佳聚焦

在同时考虑束流发射度和空间电荷效应情况下,推导出了轴对称强流离子束的最佳聚焦条件,并根据数值计算结果,绘制出了最佳聚焦条件下确定束腰半径、束腰位置和固定靶上最小束半径的通用关系曲线。     

重离子同步加速器中剥离累积时碳膜对束流的影响研究

治癌专用重离子加速器HITFiL中同步加速器的注入系统采用了剥离注入方式。剥离膜的存在使束流克服了刘维定理的限制从而累积达到较高流强,但粒子多次穿越剥离膜也会造成束流损失并使得束流品质变坏,其中包括:1)粒子从膜原子中俘获电子使粒子电荷态发生改变而导致束流损失;2)剥离膜对束流的多重库仑散射导致束流发射度增长;3)束流在剥离膜中的能损及能量岐离导致束流中心动量减少并使得动量分散增长。本文通过研究剥离注入过程中粒子与物质的相互作用规律,用蒙特卡罗方法建立了剥离膜与粒子的作用模型,在对ACCSIM程序改进的基础上研究了剥离膜对束流的影响。     

Computer investigation of ion beam optics for a Freeman type ion source system

The present work investigates the computer analysis of the ion beam properties produced by a Freeman type system. The extraction for such system is composed of four electrodes that permit to keep a fixed output energy by means of two accelerating gaps and one decelerating gap. The latter allows reducing the beam divergence angle. The combination of the acceleration/deceleration sections provides to keep a low beam emittance at the source outlet. The simulation of single charged argon ion trajectories for a plasma concave of curvature 4 mm was first studied with and without space charge effect using acceleration/deceleration extraction system with the aid of the SIMION computer program. The voltage applied to the accelerating electrode was optimized to accomplish the suitable ion trajectories without hitting the extraction electrode. Then, two additional studies were performed: the influence of the acceleration voltage and extraction voltage on the beam emittance and beam diameter; and the effect of the extraction gap width (distance between the plasma emission surface and the acceleration electrode) on the shape of the ion beam envelope and the position of the ion beam waist. Last, the influence of the space charge on the ion beam envelope was also investigated.     

尼尔逊离子源重离子束流的发射度

尼尔逊离子源已广泛地应用于重离子加速器、同位素分离器及研究用离子注入机。用于C-600离子注入机的尼尔逊离子源,目前已获得达100μA的三十余种重离子束,其中有近二十种固体元素。     

Accelerating Trajectory Simulation With COMA for CYCIAE-100

With multi-particle tracking code COMA, the process of accelerating for CYCIAE-100 is simulated and the beam dynamics such as the energy spread, phase slip, emittance, envelope etc. of the beam with the acceleration are studied in detail.     

Diagnosis and dynamics in a simple low energy medium current electron beam channel

We present a simple experimental setup and an associated method enabling both the non-destructive diagnosis and the calculation of the beam evolution in a low energy medium current electron beam channel, where the space-charge and emittance effects are comparable. The diagnosis makes use of an axially symmetric magnetic lens while a second lens is added to increase the flexibility in the beam processing. The paper emphasizes the three steps involved in the method: the evaluation of the lenses' magnetic field by numerical simulation, the beam diagnosis, and the computation of the beam envelope. The calculation of the magnetic field is based on the finite element method. Subsequently, the beam parameters at the electron source exit – emittance and cross-over radius and position – are found with the modified three gradient method. Finally, the beam dynamics are modeled with the K–V equation adapted for the particular case of axial symmetry. The results obtained in this paper can be used to optimize technological processes, such as welding, hardening, cladding, and surface alloying.     

准周期聚焦-加速耦合系统的‘均温’设计方法(英文)

强流质子直线加速器要求严格控制束流损失和束流发射度增长。理论已经证明,强的空间电荷作用在不同自由度之间的耦合,会因为其间的‘温度’差异,通过束流的相干不稳定性,使束流发射度增长。因此,有必要按照‘均温’的原则设计强流加速器。但是,由于质子直线加速器的各种加速结构均为准周期耦合系统,使得‘均温’设计十分繁琐而难以达到完全‘均温’。利用国际上通用的束流动力学软件TRACE3-D,给它补充了‘均温’设计功能,通过与PARMILA程序的配合使用,可以方便地在加速器设计中实现‘均温’条件。介绍了对TRAcE3-D的修改补充,并以强流质子直线加速器设计实例,说明均温设计的必要性。     

横向和纵向耦合束流系统束流发射度增长分析

分析了初始无关联无耦合的束流通过存在横向和纵向耦合的束流系统后发射度的增长。结果表明，束流的有效发射度随着束流初始条件的变化明显地增长。给出了束流有效发射度的增长关系和边界方程式。     

束流发射度的测量

在束流输运系统中,快速而精确地测定束流的发射度,对于提高束流传输效率、调节并保证束流达到预期的场所,是十分重要的。通常在测定束流发射度时采用移动缝隙法或电磁偏转方法。这些方法不仅需要附加一些较复杂的装置,而且测量时费时费力。特别是这些方法都必须采用缝隙装置,在测量时截留了大部分束流流强,因而必须强迫冷却,而在测量后,这些缝隙装置又带有很强的放射性。除了以上这些问题以外,由于束流在缝隙上的散射,又使测量结果的误差增大。Fermi实验室的E.R.Gray、CERN的G.Baribaud和C.Metzger曾用测量束流剖面的方法来测定束流的发射度。他们测量一段漂移空间内三点的