中国极化电子离子对撞机计划

轻子散射实验是探索核子与原子核结构的理想工具。中国电子离子对撞机(Electron Ion Collider in China,EicC)建议书设想在已开建的强流重离子加速器装置(High Intensity heavy ion Accelerator Facility,HIAF)的基础上,升级质子束流为20 GeV的极化束流,并建造2.8～5 GeV极化电子束流,从而实现质心系能量为15～20 GeV的双极化电子-离子对撞。EicC设计的亮度为(2～4)×1033cm~(-2)?s~(-1),质子束流极化率达到70%,电子束流极化率达到80%。该装置除了能提供极化轻离子束流(例如:氦-3)外,也可产生非极化重离子束流(碳-12～铀-238)。EicC将聚焦核子海夸克部分子结构、原子核物质结构与性质、奇特强子态三个方面的物理研究。高亮度、高精度的对撞机有助于精确地测量核子结构函数并对核子进行三维成像,揭示强相互作用的动力学规律;原子核部分子分布包括核子短程关联以及原子核介质效应同样是该提案的重要科学目标;EicC能区接近重味夸克产生阈值,在研究重味强子谱方面拥有低背景的独特优势,有助于发现研究新的奇特强子态。质子质量起源问题也可以通过重味矢量介子的产生来研究。为了完成上述物理目标,我们将利用最先进的探测器技术建造接近全立体角覆盖的EicC对撞机谱仪。在准备EicC白皮书的过程中,我们得到世界各国专家的支持。EicC的物理与已有的实验和美国即将建设的EIC中的物理项目相互补充。EicC的建成及运行有望引领前沿的中高能核物理研究,使我国在加速器和探测器先进技术等领域实现跨越式发展,为我国核物理与强子物理以及相关科学领域提供大型综合实验平台与人才培养基地。     

壁电流探测器在中国散裂中子源快循环同步加速器调束中的应用

快循环同步加速器（RCS）是中国散裂中子源（CSNS）的重要组成部分。负氢粒子束经直线加速器加速至80 MeV,剥离成质子束注入至RCS环并加速累积至1.6 GeV引出打靶。束流通过安装在RCS环的壁电流探测器（WCM）感应得到束流的强度信息,环高频与环主二极磁铁的失配会导致束流的实际振荡偏离理论预测。本文通过对WCM的数据进行分析得到了纵向工作点、束流的实际振荡频率、束团的电荷量、束团的形状变化等信息,方便了加速器的调束,并对参数测量中的测量误差进行了分析。     

强激光与电子束相互作用实验平台设计研究

超短强激光与电子束相互作用实验平台需要加速器尽量减小对撞点的β函数,同时消去色散,使电子束在局部达到极小尺寸以获得高通量的康普顿散射光子。基于上海深紫外自由电子激光装置的激光电子束相互作用平台可利用空间非常狭小,因此满足这些要求是一项非常大的挑战。本文重点研究了Mini-beta对撞区的聚焦结构,比较了不同束流匹配条件下的束流特性,并给出了误差分析。结果表明,在目前的边界条件下,可以找到满足高亮度的超短激光-电子束相互作用要求的解决方案。     

CSNS/RCS粒子散射束流损失研究

在中国散裂中子源快循环同步加速器（CSNS/RCS）中,质子束流在加速过程中会与一些器件（如剥离膜、准直器、散射引出膜等）相互作用,产生粒子散射并导致束流损失。本工作首先利用ORBIT模拟RCS束流注入过程,并用FLUKA模拟注入束流穿过剥离膜的粒子散射过程,计算剥离膜散射所造成的束流损失。其次,模拟质子束流与准直器相互作用的粒子散射,计算质子束流与不同尺寸的次级准直器相互作用的吸收效率,作为对次级准直器优化的依据。最后,研究CSNS/RCS膜散射引出方案,利用FLUKA对不同引出方案进行模拟并比较,得到最佳的可行性方案。     

NSRL电子储存环束流损失过程的Monte—Carlo计算

高能电子和物质相互作用是一个级联簇射（shower)物理过程,NSRL电子储存环（HLS）束流损失监测系统利用这一原理,通过探测束流损失电子在储存环真空室外表面产生的shower电子,给出束流损失的有关信息,本文利用Monte-Carlo方法,采用EGS4软件包,对束流损失电子与真空室壁相互作用的过程进行模拟,给出了真空室外表面shower电子的分布特点：（1）shower电子在真空室外表面是前冲性很强的粒子;（2）在垂直方向的分布是比较窄的对称分布,对束流损失探测器的安装有一定的要求;（3）打在真空室内侧壁上的电子及其产生的shower电子有机会反射到外侧壁,并进一步发生shower过程,但其影响会低两个量级以上;（4）shower电子在真空室外表面上的分布,外侧峰位要比内侧峰位位置在束流方向上后移。     

射频四极场加速器低能强束流传输注入系统的实验研究

对加速器驱动的次临界系统（ADS）的射频四极场（RFQ）加速器的低能强流束流传输系统进行实验研究,给出了在强流离子束束腰附近测量束流参数的方法,并测量了强流质子注入系统在RFQ入口处的束流参数。目前,该系统已成功地应用于强流射频四极场质子加速器中。     

逐束团位置对束流横向反馈的影响分析

为了提升上海光源储存环横向反馈系统的性能,进一步优化抑制束团串内部横向耦合不稳定性,需要更深入了解现有束流反馈系统模式下的工作状态。用逐束团位置在线采集的方法,在束流诊断实验中获取横向反馈系统不同反馈作用力条件下的逐束团位置信息。通过离线频谱分析,得到束团串横向不稳定振荡振幅随反馈作用力及束团分布的变化规律,表明了横向反馈作用力对束流的整体作用具有正相关性,但对不同束团及束团串的作用效果具有较大差异。为更深入的研究束流不稳定性及束流优化提供了数据支持。     

BEPCⅡ超导插入四极磁体冷却流程的数值分析

按北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCⅡ）计划，为压缩束团尺寸、提高探测器的分辨率以及粒子识别能力，在南对撞区分别安装1对强聚焦超导插入四极磁体（SCQ）和1台超导螺线管探测器磁体（SSM）。本文针对1对超导插入四极磁体的冷却，采用数值模拟的方法给出了SCQ磁体分别采用超临界氦流和过冷氦流两种冷却方式下冷却流程的热力参数，通过对模拟结果的分析，给出了适合该超导插入四极磁体的冷却方式和正常运行的热力参数。还给出了该低温系统关键设备之一的过冷器的设计方法以及设计参数。      

电子束焊缝自动跟踪系统设计

叙述了一种用于局部真空电子束圆形焊缝的自动跟踪系统的设计和试验过程。在局部真空电子束焊接精密结构件的圆形法兰焊缝时，由于加工偏差、工装累计误差等原因，出现电子枪回转中心与焊缝圆心不同心现象。使用本控制系统，使转台在起始位置时，用小束流电子束对准工件扫描，利用电子束在焊缝上和在工件上产生的二次电子数量不同而检测出焊缝起始点位置。利用相同工作原理，再用小束流对整条圆焊缝进行扫描，并由计算机实时记录整个圆形焊缝上各点与扫描线圈电流过零时电子束束斑间的偏差值，完成一个示教过程；然后由计算机处理与分析所获取的数据并存贮；在焊接时利用处理后的偏差值在圆形焊缝相应位置不断修正电子枪的位置，从而达到电子束束斑与焊缝自动对中的目的。     

用于自由电子激光装置的丝扫描束流横向截面测量系统原型机

基于丝扫描系统的束流横向截面测量为半阻拦式的测量方法,相比于截面靶测量对束流影响较小。上海高重复频率硬X射线自由电子激光装置(SHINE)束团截面在线测量系统计划采用丝扫描技术实现,为此设计研制了由丝靶探头、机械运动机构、束损探测器、电子学系统构成的丝扫描束流横向截面测量系统原型机。本文介绍了该原型机的工作原理、具体设计及在丝扫描探头上游安装腔式束流位置测量(CBPM)系统进行束流中心位置和束团电荷量精确补偿的优化方案。为精确评估该样机系统性能,在上海软X射线自由电子激光(SXFEL)中相邻位置布局了丝扫描探头和YAG靶截面探头,通过同时测量并对比同样束流截面的方法,对丝扫描系统原型机性能进行了束流实验评估。束流实验结果表明,在束团电荷量500 pC、电子能量0.84 GeV的条件下,丝扫描技术可用于电子束团的在线半阻拦式截面测量,测量不确定度好于30μm,测量结果与SXFEL装置标配的YAG靶截面靶测量系统结果一致。     

Initial test results of an ionization chamber shower detector for a LHC luminosity monitor

A novel segmented multigap pressurized gas ionization chamber is being developed for optimization of the luminosity of the Large Hadron Collider (LHC). The ionization chambers are to be installed in the front quadrupole and 0/spl deg/ neutral particle absorbers in the high luminosity interaction regions (IRs) and sample the energy deposited near the maxima of the hadronic/electromagnetic showers in these absorbers. The ionization chambers are instrumented with low noise, fast pulse-shaping electronics to be capable of resolving individual bunch crossings at 40 MHz. In this paper, we report the initial results of our second test of this instrumentation in a super proton synchrotron (SPS) external proton beam. Single 300 GeV protons are used to simulate the hadronic/electromagnetic showers produced by the forward collision products from the interaction regions of the LHC. The capability of instrumentation to measure the luminosity of individual bunches in a 40 MHz bunch train is demonstrated.     

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。     

Space Charge De-Bunching in Charged-Particle Beams

One of the factors influencing the properties of a pulsed beam is the growth of the charge bunches due to space charge forces. The growth along the direction of motion of the bunch degrades the time-structure of the pulsed beam and the growth transverse to the direction of motion de-focuses the beam. Although the space charge effect is only important at high current densities, it must be considered a limiting factor in any pulsed beam system. A general method of obtaining the field in the bunch to second order in v/c was developed. From this the motion of charges in the bunch was obtained by numerical integration for the case of a Gaussian distribution of space charge under the assumption that the charge distribution remains Gaussian. Solutions are presented in a dimensionless, graphical form which can easily be scaled for a particular problem.     

Improving Touschek lifetime and synchrotron frequency spread by passive harmonic cavity in the storage ring of SSRF

Beam lifetime of a synchrotron is dominated by Touschek scattering.In the beamline Phase Ⅱ project of Shanghai synchrotron radiation facility,a passive third harmonic cavity is to be installed for bunch lengthening and instability suppressing.In this paper,the beam dynamics of the cavity is investigated.The parameters of passive operation are optimized to cancel the slope of RF voltage and lengthen the bunches.The Touschek lifetime increases are estimated for optimum and non-optimum voltage flattening.A tolerance of the operation is studied in case that there is a shift on detuning angle.The effect caused by reduction in harmonic voltage generated by lengthened bunch distribution is also estimated using iteration method.An increase in synchrotron frequency spread due to nonlinearity of the voltage giving to the bunch is found by using tracking simulation.This spread can help in damping coupled bunch instability through Landau damping.     

BEPCⅡ快亮度监测系统的信号处理

针对北京正负电子对撞机(BEPCⅡ)逐束团（bunch-by-bunch）亮度监测系统需求,设计了高速亮度信号的采集、存储和显示系统。实现了4ns束团间隔亮度信号的放大甄别、远距离传输、反符合判别,以及对应束团亮度信号的累加,利用乒乓存储技术解决了高数据产生率和CAMAC低数据读出率间的矛盾。测试结果表明,该设计能够满足BEPCⅡ4ns间隔的逐束团亮度监测系统的要求。     

基于CSNS壁电流探测器数据采集的定制示波器的研制

壁电流探测器是观测粒子加速器瞬时束流信息的一种重要手段。中国散裂中子源（CSNS）快循环同步加速器中安装了两个壁电流探测器,其中一个壁电流探测器用来测量束流的微脉冲信息。本文介绍了壁电流测量系统的硬件和软件,鉴于传统示波器在垂直分辨率及存储深度等方面的局限性,提出了一种定制示波器来进行壁电流的信息读取,并利用LabVIEW编程实现了20 ms内束流信息的宏脉冲读取及微脉冲结构的分析,使用同步的环高频信息分析能得出快循环同步加速器中双束团关于相位、圈数、每圈束团形状等方面的相关信息。     

基于相干渡越辐射的束团长度测量研究

电子束团长度是束流诊断中的重要参数,基于相干渡越辐射(Coherent Transition Radiation,CTR)的测量方法是一种简单易行的高时间分辨率测量方法。本文调研并分析了不同电子束团长度测量方法的优缺点,选择基于CTR方法作为主要研究方向,主要针对上海深紫外自由电子激光实验装置(Shanghai Deep Ultra-Violet Free Electron Laser,SDUV-FEL)和X射线自由电子激光试验装置(Shanghai X-ray Free Electron Laser,SXFEL)进行了实验方案设计和模拟分析。结果表明,通过合理的参数选择和方案优化,用该方法可对飞秒至皮秒范围内的束团长度进行测量,时间分辨率能到达飞秒量级,满足SDUV-FEL的实验需求和SXFEL的工程需求。     

Multi-bunch injection for SSRF storage ring

The multi-bunch injection adopted at Shanghai Synchrotron Radiation Facility(SSRF) increases the injection rate greatly, with much less injection time than that of single bunch injection. It reduces massively the beam failure time during users' operation and prolongs the pulsed injection hardware lifetime. In this paper, the scheme to produce multi bunches for the RF electron gun is described. The filling result and beam orbit stability for top up operation is discussed.