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。     

400 kV强流中子发生器的物理设计

对400 kV强流中子发生器进行了物理设计。采用Poisson/Superfish软件对中子发生器高压电极和加速管的电场分布进行了模拟,结果显示,各关键区域的空间电场最大值远低于击穿电场限值。以强流束旁轴包络方程为基本模型,发展了强流束传输系统束包络的计算机模拟程序IONB1.0,模拟了中子发生器传输系统中40 mA的D束流包络。结果显示,设计方案中所采取的两间隙高梯度加速结构有较强的聚焦性能,能有效抵消强流束空间电荷效应造成的束流发散,加速管出口处的束包络半径约3 cm,由加速管出口处的空间电荷透镜和三重四极磁透镜组成的传输系统能将束流聚焦在约140 cm处的靶上,且束斑直径小于2 cm。     

BESⅢ dE/dx中空间电荷效应修正

dE//dx在物理分析中是粒子鉴别一个非常重要的量,要求测量值必须是对电离强度的无偏估计.所以对空间电荷效应做出修正是非常必要的.论文对不同βγ范围的各种粒子以及不同高压下的空间电荷效应进行了修正.检验结果表明,空间电荷效应的影响非常明显,修正后的结果增加了dE/dx粒子鉴别的可靠性.     

强流相对论电子束二极管的模拟计算

文章用一个2 1/2维二极管模拟程序,研究了不同形状的无箔二极管在不同电压、不同导引磁场下的电子束输出特性。程序考虑了空间电荷效应,束流自磁场的各个分量及电子的三维运动,并使用了Child-Langmuir发射定律,计算上采用非均匀差分网格。计算结果表明,二极管形状及所加电压和磁场对输出电子束都有很大影响。导引磁场越强,输出束流越大,发散性越小。磁场大到一定程度后,束流不再增加,反而稍有降低。     

强流相对论电子束传输过程中的电荷中和理论

讨论了有外加磁场情况下,强流相对论电子束传输过程中的电荷中和理论,着重讨论了二次电子逃逸时间和外加磁场对空间电荷中和的影响。得知当电子束半径大于2.0 cm 时,在计算空间电荷中和时间时就得考虑二次电子逃逸时间的影响。在一定条件下,外加磁场对空间电荷中和有阻碍作用,对于长漂移室,存在空间电荷中和允许的磁感应强度上限。     

磁场非线性误差效应的模拟研究

磁场非线性误差效应涉及一组非线性微分方程,直接求得其解析解是困难的。本文叙述了计算机模拟研究的方法,可用以对磁铁的场公差进行蒙特卡罗计算,也可用以模拟粒子在磁铁实测误差场中的运动。这一方法在北京正负电子对撞机(BEPC)磁铁场公差的确定和磁铁场性能研究中已得到有效的应用。     

强流回旋加速器并行束流动力学程序的初步开发

粒子束自场的求解是强流束流动力学PIC（Particle-In-Cell）程序的一核心部分。PIC技术通常采用基于网格的P—M（Particle-Mesh）方法求解空间电荷场。P-M方法求解空间电荷力可分为4个主要步骤：生成离散网格、把电荷量分配到网格、求解离散的Poisson方程、从网格插值得到空间电荷场。由于求解离散的Poisson方程所需时间只与网格节点规模有关,而与粒子数目无关,所以在大规模宏粒子的模拟中,P—M方法具有很高的计算效率。     

波导管毫米波自由电子激光的一维和三维数值模拟

用单粒子理论三维毫米波方形波导自由电子激光放大器程序FEL-2-A,对由可实现的摇摆器-线极化平面Wiggler外加四极子聚焦或平面抛物极面Wiggler-组成的自由电子激光放大器的非线性演变进行了计算、分析并同实验结果作了比较。FEL-2-A程序是由一组耦合非线性微分方程组构成的。它包括用来描写在无损、矩形波导中TEmn和TMmn 模自洽演变的光场模拟方程和用来描述电子束的轨迹及其与光场相互作用的电子模拟方程。文中采用了傍轴近似以及绝热慢变近似。不考虑电子束群聚的纵向空间电荷力。电子束在相空间中(γ,ψ,χ_j,υ_(xj),j=1,2)的初始分布由蒙特卡罗随机抽样给出。FEL-2-A的数值模拟结果已经与LLNL的实验结果和FRED程序的模拟结果进行了比较(TE01模),其间的符合程度是十分令人满意的。此外还用此程序研究了Wiggler的不同极化形式,不同注入功率及各种其他相关参量对FEL输出功率的影响,所有这些对4MeV FEL放大器的设计和实验都具有一定的参考意义。在该程序中,考虑空间电荷力对输出功率的影响和使用共振粒子近似方程设计Wiggler的振幅和周期,使得Wiggler参数与电子束的能量相匹配以提高输出功率的计算,分析以及同实验结果的比较将在另外的文章中给出。     

波导管毫米波自由电子激光的一维和三维数值模拟

用单粒子理论三维毫米波方形波导自由电子激光放大器程序FEL-2-A,对由可实现的摇摆器-线极化平面Wiggler外加四极子聚焦或平面抛物极面Wiggler-组成的自由电子激光放大器的非线性演变进行了计算、分析并同实验结果作了比较。FEL-2-A程序是由一组耦合非线性微分方程组构成的。它包括用来描写在无损、矩形波导中TEmn和TMmn模自洽演变的光场模拟方程和用来描述电子束的轨迹及其与光场相互作用的电子模拟方程。文中采用了傍轴近似以及绝热慢变近似。不考虑电子束群聚的纵向空间电荷力。电子束在相空间中(r,φ,x_j,v_(xj),j=1,2)的初始分布由蒙特卡罗随机抽样给出。FEL-2-A的数值模拟结果已经与LLNL的实验结果和FRED程序的模拟结果进行了比较(TE01模),其间的符合程度是十分令人满意的。此外还用此程序研究了Wiggler的不同极化形式,不同注入功率及各种其他相关参量对FEL输出功率的影响,所有这些对4MeV FEL放大器的设计和实验都具有一定的参考意义。在该程序中,考虑空间电荷力对输出功率的影响和使用共振粒子近似方程设计Wiggler的振幅和周期,使得Wiggler参数与电子束的能量相匹配以提高输出功率的计算,分析以及同实验结果的比较将在另外的文章中给出。     

束流传输系统的图解设计法的应用

本文提出一个对于具有初始发散度的粒子束流在四极透镜对的作用下,实现X、Y平面同时腰腰传输的图解设计方法。理论包括图解法和传输矩阵法以及设计图表。利用它们,可以大量地节省计算机计算的时间。文章还给出具体的束流线设计实例,以示上述理论之应用。     

用于预测带电粒子非线性行为的新型神经网络层

基于加速器高阶传输映射的非线性效应解析分析,具有物理图像清晰、守辛、准确的优点,但其缺点是适用范围较窄。为了扩展非线性效应解析分析的适用范围,提出一种模拟李指数运算过程的神经网络层并构建了用于预测带电粒子非线性行为的新型神经网络。经过大量粒子跟踪数据的学习,可用于预测带电粒子复杂的非线性运动行为,并从中提取线性传输矩阵与表征非线性运动的指数因子。为了验证该新型神经网络的有效性,跟踪一段由薄透镜磁铁组成的磁聚焦结构得到大量的训练数据,并对所提出的神经网络进行训练。训练后的神经网络在测试数据集上表现良好,测试数据的损失函数方均根小于8×10-4,达到了预测带电粒子非线性行为的目的。     

电荷束团非均匀密度分布引起的发射度增长

直线加速器中电荷束团的非线性效应是导致束流发射度增长的一个重要原因。文中给出了直线加速器中几种常见的非均匀密度分布的有限长空间电荷束团所具有的非线性自场能，即纵向非均匀电荷密度分布分别为水袋型，抛物线型，而横向密度分布为均匀型，水袋型，抛物线型及高期型等各种组合非均匀密度分布的自场能公式，并得到了由束团非线性的均匀电荷密度分布引起的束流发射度增长。     

增强器共振补偿方案

强流重离子加速器的增强器用于强流重离子的极限累积和加速,其强流束产生的空间电荷效应使束流的工作点分布发散和漂移,并在工作点跨越低阶共振时造成离子束发射度增长甚至带来较大的束流损失。为消除低阶共振对离子束的不利影响,采用多极磁场来对6个低阶共振进行补偿。本文分析了增强器工作点附近的低阶共振,探讨了共振禁带的贡献项及相应的补偿方案,并通过数值模拟验证了增强器的共振补偿方案。结果表明,由增强器色品校正六极场引起的共振增强能通过补偿六极场进行消除,这将有利于增强器强流重离子束的实现。     

The influence of magnetic field on the beam quality of relativistic electron beam long-range propagation in near-Earth environment

In recent years,it has been proposed to use satellite-mounted radio-frequency(RF)accelerators to produce high-current relativistic electron beams to complete debris removal tasks.However,when simulating the long-range propagation(km-range)process of the electron beam,it is difficult to directly use the particle-in-cell method to simultaneously consider the space charge effect of beam and the influence of the geomagnetic field.Owing to these limitations,in this paper,we proposed a simplified method.The ps-range electronic micropulses emitted by the RF accelerator were transmitted and fused to form a ns-range electron beam;then,combined with the improved moving window technology,the model was constructed to simulate the long-range propagation process of the relativistic electron beam in near-Earth environment.Finally,by setting the direction of movement of the beam to be parallel,perpendicular and at an inclination of 3° to the magnetic field,we analyzed and compared the effects of the applied magnetic fields in different directions on the quality of the beam during long-range propagation.The simulation results showed that the parallel state of the beam motion and magnetic fields should be achieved as much as possible to ensure the feasibility of the space debris removal.     

空间电荷透镜电子云状态研究

本文分析了新型空间电荷透镜磁镜的轴对称磁场(z,r)平面的磁感应强度的变化曲线,由电子的磁流体运动方程组,推导了处于动态平衡状态下电子云中电子密度的波尔兹曼分布。结合磁镜场的磁感应强度分布和电子的波尔兹曼分布,采用四阶龙格 库塔公式对泊松方程进行二阶微分方程数值求解,得到了理想空间透镜中电子云的电势分布。在磁镜场的磁场基础上分析了空间电荷透镜中心轴线的磁约束因子沿z轴方向变化的趋势和数值模拟中心电子密度、磁约束因子、电子温度对电子云状态的影响。磁约束因子越大,对电子云的约束能力越强,电子集中在空间电荷透镜中心轴附近区域的现象越明显;电子温度越高,电子运动越活跃,弥散空间越大,电子集中在空间电荷透镜中心轴附近区域的现象越不明显。     

纵向高斯型密度分布下电荷束团的自场能与发射度增长

在直线加速器中纵向高斯型密度分布的假定下，推得了纵向高斯型密度分布与横向密度分布分别为均匀型（Ｋ－Ｖ）、水袋型（ＷＢ）、抛物线型（ＰＡ）和高斯型（ＧＡ）相组合情况下的非均匀密度分布的自场能公式及相应的束流发射度增长；并且通过数值计算，给出了束团自场能及发射度随加速器和束团参数变化的图表。     

The Self-Consistent Nonlinear Theory of Charged Particle Beam Acceleration by Slowed Circularly Polarized Electromagnetic Waves

The relativistic interaction of charged particle beams with a circularly polarized electromagnetic wave propagating along a uniform guiding magnetic field in the tunneling of a dielectric medium is analyzed. The acceleration mechanism and a self-consistent nonlinear theory are presented for the interaction of relativistic charged particle beams with electromagnetic waves. Numerical results show that the beam particle can be efficiently accelerated in the interaction process.