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。     

空间电荷引起的非线性共振与束晕形成

采用束核－单粒子模型研究强流束中由是电荷引起的非线性共振与束晕形的关系。借助Ｐｏｉｎｃａｒｅ截面技术,对粒子在相空间的运动进行数值分析。从束核包缝振荡的两个本征模出发,推志得到强流束中非线性共振范围随束流空间电荷效应化变化的表达式,以及由非线性共振而激发的束晕形成的空间电荷极限的形式,并给出相应的结果。     

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。     

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。     

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。     

直线加速器中电荷束团非均匀密度分布引起的发射度增长(英文)

束流发射度的明显增长与束团中电荷密度分布的均匀化密切相关,是空间电荷自场能转换成粒子横向动能的结果。作者推得了在直线加速器屏蔽筒中的几种常见的非均匀密度分布的有限长空间电荷束团的非线性自场能,并给出了它们与均匀分布束团之间的剩余场能以及由此引起的直线加速器中非均匀密度分布的电荷束团发射度增长的数值计算结果图表。     

纵向和横向高斯型束团发射度增长的比率关系(英文)

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r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,讨论了该纵向和横向高斯型密度分布电荷束团发射度增长的比率关系。     

强流RFQ注入系统研制

本文介绍研制的强流RFQ注入系统。系统包括强流离子源、聚焦透镜、束流切割器等,注入系统在RFQ入口处形成了束流能量75keV、流强42mA、α参数为1．79、β参数为0．0596mm／mrad、束流脉冲频率1-100Hz、束流占空比1％-100％、发射度小于95．2πc mm mrad的质子束,可满足强流RFQ对束流注入品质的要求。     

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     

CSNS束流剖面测量系统前端模拟电路设计

剖面测量系统是强流质子加速器低能量直线段的关键束流诊断系统之一,开展束流剖面研究对直线加速器调试非常重要,其中前端模拟电路设计是该研究工作的核心内容。本文介绍了中国散裂中子源(CSNS)束流剖面测量系统前端模拟电路的功能设计、指标测试、工程应用。本前端模拟电路同样适用于CSNS的发射度测量,本电路已经在CSNS离子源发射度测试中使用,通过发射度测试、束流剖面测量证明了该电路完全满足了系统的要求。     

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。     

Simulation of a low energy beam transport line

A 2.45 GHz electron cyclotron resonance intense proton source and a low energy beam transport line with dual-Glaser lens were designed and fabricated by Institute of Modern Physics for a compact pulsed hadron source at Tsinghua. The intense proton beams extracted from the ion source are transported through the transport line to match the downstream radio frequency quadrupole accelerator. Particle-in-cell code BEAMPATH was used to carry out the beam transport simulations and optimize the magnetic field structures of the transport line. Emittance growth due to space charge and spherical aberrations of the Glaser lens were studied in both theory and simulation. The results show that narrow beam has smaller aberrations and better beam quality through the transport line. To better match the radio frequency quadrupole accelerator, a shorter transport line is desired with sufficient space charge neutralization.     

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。     

Longitudinal and Transverse Space Charge Limitations on Transport of Maximum Power Beams

The maximum transportable beam power is a critical issue in selecting the most favorable approach to generating ignition pulses for inertial fusion with high energy accelerators. Maschke and Courant1 have put forward expressions for the limits on transport power for quadrupole and solenoidal channels. We have included in a more general way the self consistent effect of space charge defocusing on the power limit. The results show that no limits on transmitted power exist in principal. In general, quadrupole transport magnets appear superior to solenoids except for transport of very low energy and highly charged particles. Longitudinal space charge effects are very significant for transport of intense beams.     

Two-plane painting injection scheme for BRing of HIAF

The high-intensity heavy-ion accelerator facility(HIAF)is under design at the Institute of Modern Physics(IMP)and will provide an intense ion beam for nuclear physics,atomic mass measurement research,and other applications.As the main ring of HIAF,the BRing accumulates beams to high intensity and accelerates them to high energy.To achieve high intensities up to 1×10~(11)(~(238)U~(34+)),the injection gain of the BRing must be as high as 88.However,multiple multiturn injection supported by the electron cooling system takes a long time,causing substantial beam loss under a strong space charge effect.Hence,a two-plane painting injection scheme is proposed for beam accumulation in the BRing.This scheme uses a tilted injection septum and horizontal and vertical bump magnets to paint the beam into horizontal and vertical phase space simultaneously.In this paper,the two-plane painting injection parameters are optimized,and the resulting injection process is simulated using the Objective Ring Beam Injection and Tracking(ORBIT)code.An injection gain of up to 110.3 with a loss rate of 2:3%is achieved,meeting the requirements of BRing.     

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.     

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。     

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。     

束流发射度和亮度与束流密度分布的关系

束流发射率和束流亮度是表征加速器束流品质的主要指标。理论和实验研究都已发现,它们与束流空间电荷的非均匀分布有密切关系。