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。     

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。     

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。     

兰州重离子加速器冷却储存环主环加速过程的束流反馈

正在建设中的兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）主环用于束流的加速。在加速过程中,为了保证束流的谐振加速,须准备2个束流反馈环(相位反馈环和束流径向位置反馈环)来保证主导磁场与高频频率的同步。本文基于Laplace变换及数值计算结果，分析了束流反馈环对同步加速器中束流动力学行为的影响。     

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。     

高亮度电子束相空间重建技术的实验研究

束团相空间是描述加速器中束流运行状态的重要参数,了解相空间的真实分布对于加速器设计、束团操纵具有非常重要的意义,利用相空间重建技术能够直观地得到束团二维相空间分布。本文结合计算机断层扫描技术(Computer Tomography,CT)与归一化相空间理论,在理论推导和模拟验证的基础上,分别利用MENT(Maximum Entropy)算法和FBP(Filtered Back Projection)算法在上海X射线自由电子激光装置(Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser facility,SXFEL)专用束测段(BI1)对电子束团的横向归一化相空间进行重建。通过重建算法变换得到电子束团的真实相空间分布,并对重建结果进行对比和误差分析。实验结果表明,MENT算法能够精确测量电子束团横向相空间分布。     

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。     

串列加速器束流的纵向输运特性分析

本文论述了串列加速器纵向束流光学的分析方法,利用极值方法解决了束团纵向传输中的聚束器的非线性效应,利用此方法可获得束流纵向特性的各有关参数。并对HI-13串列加速器的重粒子脉冲性质进行了分析。     

采用辐射变色薄膜的束流位置诊断研究

依据SC200超导质子回旋加速器的束流特性及调试需求,在质子束加速及引出的过程中需精确测量主机束流的位置信息。提出了采用辐射薄膜进行加速器束流位置诊断的方法,通过剂量计算得到了不同测量位置的薄膜最佳使用类型,借助测试平台对所有选型的薄膜进行实验验证。为优化薄膜的辐照变色效果,结合剂量及实验分析给出了不同测量位置的最佳照射时间。完成了所测位置的薄膜固定装置设计,并提出将薄膜变色区域可视化得束流位置信息的处理方案。     

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。     

回旋加速器中的空间电荷效应和束晕(英文)

在考虑束团内粒子之间的空间电荷相互作用力的条件下,对日本理化研究所(RIKEN)现有的一台注入器(加速常数为K70的AVF型回旋加速器)中束团的演变过程进行了模拟计算。模拟结果表明,束团的形变、束晕现象同样发生在回旋加速器中,不过,其产生机制不同于直线加速器。它不是由共振和混沌引起,而是由于粒子的排斥运动和束团内粒子的涡流运动引起的。     

基于示波器嵌入式IOC技术的逐束团位置监测系统研制

为研究尾场引起的束团不稳定性,本工作开发了基于高速宽带示波器嵌入式IOC的逐束团位置测量系统。该系统通过直接获取加速器储存环中钮扣型电极的原始束流信号,进行在线计算独立的水平和垂直方向的逐束团位置。介绍了此系统的需求分析、硬件结构以及嵌入式IOC软件结构。利用在上海光源储存环上获取的逐束团位置数据,对系统性能进行了评估。实验显示,不同束团感应到的工作点及横向振荡振幅与束团编号间的依赖关系,结果证明该系统是一个有效的机器研究工具。     

NSRL注入器束团长度测量系统初步设计

合肥光源注入器升级改造接近完成。为了更好地分析其束流品质,为储存环提供更高品质的束流,针对合肥光源设计了一套利用横向偏转腔(Transverse Deflecting Structure,TDS)测量分析束流纵向品质的系统。利用TDS分析束流纵向品质精度高,功能多样,优势明显。本文TDS采用外围开槽盘荷波导结构,给出了该结构具体尺寸及相关参数计算,并对计算结果做了简要分析处理。根据该结构在注入器的安装位置,对束团长度测量系统进行了物理设计,并分别使用MATLAB程序和PARMELA模拟了束团通过该结构的状态分布,得到了符合预期的纵向束团长度测量结果。     

同步加速器束流能量自动切换控制系统

带电粒子放射治疗中3D主动治疗方式需要不同的束流能量照射不同的病灶切面,这就需要同步加速器控制系统能实现多级束流能量的自动切换控制并提供接口对接治疗计划进行自动变能控制。本文开发了同步加速器束流能量切换控制系统,同步加速器的前端服务器中存储着执行1个同步加速器加速周期所需的全部控制数据集,其中控制数据通过索引标号对其进行区分,同步事例信息是同步加速器多级束流能量切换的触发信号。当前端控制器被同步时间系统的同步事例触发激活后,从DSP波形发生器的SDRAM空间中读出磁铁电源、高频等控制数据进行数据切换。同步事例信号包含同步触发信息、束流能量控制数据的索引信息和控制数据的更新操作信息。多级束流能量自动切换控制系统能实现255级束流能量间自动切换控制（碳束能量在50～500 MeV间切换,步长可控制在1.77 MeV）,完全能满足实际中碳束能量在50～500 MeV间以10 MeV为步长的自动切换控制。     

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。     

中国散裂中子源加速器注入束流损失调节研究

注入系统是中国散裂中子源（CSNS）加速器的核心组成部分,对束流功率提升和稳定供束运行具有重要意义。注入束流损失是快循环同步加速器（RCS）能否在高功率下运行的决定因素之一。本文首先研究CSNS加速器注入束流损失的主要来源,包括注入参数不匹配、注入方式选择、剥离膜散射粒子损失、未被剥离的粒子损失等。其次,根据加速器的束流调节进程,对不同来源的束流损失进行调节和优化,降低注入束流损失,提高注入效率。最后,总结注入束流损失调节结果,初步测量得到注入效率约99%,并对进一步降低注入束流损失、提高注入效率提出改进方法和意见。     

基于FPGA的电子直线加速器低电平系统前馈功能的实现

用于驱动光中子源装置(TMSR Photo-Neutron Source Phase1,TDSN1)的15 Me V直线加速器,由于腔体中瞬态束流负载效应的存在使得束团在经过腔体后头部的能量过高,会导致束流能散变大,降低了束流的传输效率。"数字前馈补偿"方法在原有的数字低电平控制系统的现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)中加入前馈模块,通过直接削弱输入腔体的射频场的头部场强来达到降低束团头部能量的目的。实际数据表明,低电平系统前馈功能工作稳定,束流能散降低,束流的传输效率显著变高,克服了传统束流补偿法不能在大束团、高流强模式下工作的缺陷。     

纵向和横向高斯型束团发射度增长的比率关系

采用直线加速器中的有限圆柱空间电荷模型,并假设该有限圆柱体电荷密度分布在纵向z和横向γ都满足高斯分布,推导得到了该电荷束团的自场能与发射度增长公式;通过数值模拟计算,给出了束流发射度增长随束团参数和加速器系统参数变化的图表曲线,讨论了     

100 MeV回旋加速器不同初始相宽下引出束流纵向特性的数值模拟

正中国原子能科学研究院研制成功的100 MeV紧凑型强流质子回旋加速器(CYCIAE-100),通过剥离引出的方式引出75～100 MeV、200μA的质子束。该加速器2014年首次出束,2017年实现双向同时引出。为了分析引出质子束流特征和控制强流下的束流损失,利用多粒子模拟程序COMA对CYCIAE-100的加速和剥离引出过程进行了详细的模拟研究。本工作主要是对初始束流相宽为40°、30°、20°、5°等4种不同初始相宽下的加速的束流引出特性进行了模拟。模拟结果表明,初始相     

电子储存环注入过程中补注电荷的三维位置信息提取

电子储存环的注入过程是特殊的瞬态过程,研究补注电荷和储存电荷的三维位置融合过程可在线评估注入器与储存环的匹配度,也可为下一代光源诊断系统的搭建奠定技术基础。目前,上海同步辐射光源束流检测组研发了一套基于纽扣电极拾取信号和高速采集板卡的三维逐束团诊断系统,可精确测量逐束团三维位置。注入过程中补注电荷的三维位置信息可通过电荷加权平均法和比例系数法分别提取。通过对补注电荷横向betatron振荡和纵向同步振荡的分析,可原位提取betatron振荡振幅、同步振荡振幅、初始到达时间、同步振荡阻尼时间等多个动态参数,不需提供特别的机器研究时间,为储存环动力学研究提供了有力工具。