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。     

CSRm束流准直器模型腔设计

目前国际上的强流重离子加速器通常在机器中安装镀有低解吸率材料的束流准直器用于阻挡由于电荷态变化而损失的离子,降低解吸出的粒子数以维持真空系统的稳定。本文计划在现有的加速器冷却储存环主环(CSRm)上开展准直器模型腔测试、真空解吸率测量方面的研究。首先将介绍在CSRm上开展准直器系统研究的意义,其次根据实验室开发的损失率模拟计算软件确定准直器模型腔的安装位置,对安装位置中的真空设备进行了描述。随后重点阐述了CSRm准直器模型腔的硬件设计、控制系统及将来的测试方案。     

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。     

高能同步辐射光源中的耦合阻抗及束流集体效应研究

在高能同步辐射光源（HEPS）的储存环中,由于真空盒尺寸较小、束团中电子密度较大,全环耦合阻抗将显著增加,束流集体效应成为限制机器性能的重要因素。本文基于解析理论和数值模拟程序对HEPS储存环耦合阻抗进行了逐元件建模,并对环中可能发生的束流集体效应进行了系统评估。建立了合理的阻抗模型,给出了不稳定性阈值和增长时间,并对关键的不稳定性问题提出有效的抑制措施。     

高频单腔加速器的束流负载效应

一、高频单腔加速器束流负载特点加速谐振腔经耦合环与高频系统耦合并建立高频电磁场。馈送到谐振腔的高频能量,一部分损耗在谐振腔内壁,其余部分传递给束流。束流形成的负载场与高频电磁场相互作用,使腔内的场分布发生变化,最后达到稳定平衡。与一般驻波型加速器相比较,高频单腔加速器的显著特点之一是能在较宽的高频相位     

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。     

中能衍射极限环中电阻壁和高频系统阻抗计算与优化

在衍射极限环中,由于采用了高梯度小孔径磁铁,真空盒尺寸相对于第3代同步辐射光源大幅减小,全环阻抗明显增大,因此在设计阶段需要对真空元件阻抗进行精准的评估与模型优化。本文计算了中能衍射极限环的多层电阻壁阻抗,针对衍射极限环给出了优化的电阻壁的材料选择;利用数值模拟程序,完成了对高频腔与三次谐波腔的设计、优化与阻抗计算;分析了由电阻壁阻抗、高频腔和三次谐波腔中的高次模引起的束流不稳定性,并对不稳定性问题提出了抑制方案。     

230 MeV超导回旋加速器轴向偏转板物理设计

正在230 MeV超导回旋加速器的高频腔头部放有一件轴向偏转板,用于实现束流的快速通断,在相对的高频腔头部内侧位置放有配套的准直器。轴向偏转板在粒子轨迹前几圈起作用,对粒子施加轴向动量,粒子同时受固有的轴向振荡和偏转板电场力的作用,当粒子的轴向坐标过大时,在准直器上损失掉。轴向偏转板的角度约为30°,在计算程序中添加电场分布较为困难,因此将偏转板的作用视为δ函数。粒子每次运动到偏转板中心的方位角时,附加1个轴向动量并继续跟踪。偏转板的电压、准直器的孔径均会影响粒子通过准直器的效率。     

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。     

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。     

合肥光源的新高频腔阻抗谱计算

用电磁场计算软件MAFIA，在时域和频域两种情况下，对高频腔的耦合阻抗及电子束在此结构中产生的尾场进行了计算。结果表明，新高频腔里存在较强的高次模，需要采取措施加以抑制。     

230 MeV超导回旋加速器高频腔体的研制

中国原子能科学研究院目前正在研制一台用于质子治疗的230 MeV超导回旋加速器。本文设计用于230 MeV超导回旋加速器的高频腔体,其采用螺旋结构,由4个腔体组成,高频系统采用二次谐波加速,高频腔体工作频率约71.25 MHz。4个半波长的电容加载型谐振腔工作于Push-Pull模式,其中两个腔体在中心平面直连,另外两个腔体在中心区下方使用过桥连接,两组腔体之间存在电容耦合,相差180°。在腔体的设计过程中,采用计算机对4腔体进行联合仿真,经优化后,腔体加速电压分布在中心区部分的为75 kV,大半径部分的提升至110 kV,腔体的无载品质因数仿真结果约8 800。为保证腔体的高频性能,腔体主体材料采用无氧铜材料,其加工难度在于上、下外壳需分别焊接成一个整体,同时要控制其形变量。目前,腔体已完成加工,单个腔体的无载品质因数的测试表明,腔体的无载品质因数均好于7 000,满足要求。     

基于千兆以太网的CSNS RCS射频分布式控制系统架构

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)快循环同步加速器的射频系统的远程控制系统采用基于千兆以太网的分布式体系结构,其软件架构使用国际加速器界广泛使用的开源软件工具EPICS(Experimental and Industrial Control System)进行开发。系统主要由CPCI低电平控制器、高功率四极管放大器和偏流源机器状态监控网络、联锁保护系统、中控中转服务器和人机交互界面组成。论文主要介绍了该系统的基本功能和拓扑结构,以及各个组成部分软硬件的设计和实现。     

热阴极微波电子枪中建场瞬态过程的研究

通过对热阴极微波电子枪中建场瞬态过程的研究，在考虑了阴极发射电流的Ｓｃｈｏｔｔｋｙ效应等因素的基础上，给出了建场过程的微分方程及电子能量增益与耦合度的关系式。并以用于北京自由电子激光器的多腔热阴极微波电子枪为例，给出了其最佳耦合度以及建场过程的计算结果     

用于2 GeV固定场交变梯度质子加速器的高品质因数、高分路阻抗波导型高频腔设计

在核工业、民用及基础研究领域，高能强流质子加速器有着十分广泛而重要的应用，中国原子能科学研究院提出了1台2 GeV连续波固定场交变梯度质子加速器的解决方案。在该方案中，工作在44.4 MHz的大功率高品质因数、高分路阻抗波导型高频腔研制极其重要。本文首先对工作在44.4 MHz的矩形、欧米伽形、跑道形及船形等4种形状的波导型高频腔进行了模拟计算研究，经比较发现，船形高频腔具有最高的品质因数和分路阻抗，是2 GeV连续波固定场交变梯度质子加速器的较好选择。在此基础上，为掌握船形高频腔的实际加工工艺，同时利用现有230 MeV超导回旋加速器的功率源设备开展高功率实验研究，设计了71.26 MHz的缩比例船形高频腔样机。     

Optimization and comparison of accelerating cavities for the SSRF

The two kinds of cavities commolny used,the nose-coned and the bell-shaped cavities,are investigated for the RF cavity optimum design of the SSRF(Shanghai Synchrotron Radiation Facility).The maximum shunt impedance available for the former is about 45% higher than for the latter,and the latter has the stronger HOM(High order modes).     

Design and study of a C-band pulse compressor for the SXFEL linac

A C-band RF pulse compressor is in development at SINAP It comprises of two resonant cavities,two mode convertors and a 3 dB power divider.TE_(0.1.15)mode is selected for obtaining higher quality factor Q_0 of the RF pulse compressor cavities,so that the power gain factor can be 3.2,which is supposed to multiply the RF power from 50 MW to 1 60 MW.In this paper,we report our work on C-band RF pulse compressor,namely the design simulation and cold test results.     

Theory on dynamic matching with adjustable capacitors for the ICRF system of ASDEX Upgrade

The coupling of electromagnetic waves in the Ion Cyclotron Range of Frequencies (ICRF) is an important method to heat magnetically confined plasmas. Changing plasma conditions, which originate from processes like L-mode to H-mode transition or gas puffing, vary the load impedance of the ICRF antennas. To optimize the power transfer from the radio frequency (RF) generators to the antennas and consequently to the plasma, as well as to protect the RF sources against too high reflected power, a system that matches (i.e. transforms) the antenna input impedance to the impedance required by the generator is necessary. At ASDEX Upgrade this matching system consists of two stub tuners for each antenna, which match the antenna impedance for a value preset before the discharge. The length of the stubs cannot be changed fast enough to compensate plasma variations even on the moderate timescale of the confinement time in ASDEX Upgrade. The use of 3 dB-couplers allows operation even with varying load, at the cost of a reduced power to the plasma.When adjustable capacitors are applied in parallel to the stubs, dynamic matching becomes possible on the tens of ms timescale. The paper describes first the calculation of the required capacitance using transmission line theory. In a second model a minimum search algorithm finds, for a given antenna impedance, the length of the stubs needed for matching, now including the initial values of the capacitors. For the chosen pre-match point in the Smith chart, the range of impedances around this point is calculated for which the voltage standing wave ratio (VSWR) can be lowered below a minimum value by readjusting the capacitors within their maximum and minimum values. The matching range is thereby significantly larger than without the application of adjustable capacitors, at least with a frequency of 30 MHz and 36.5 MHz.     

高质量类金刚石薄膜的制备与性能分析

采用直流/射频耦合磁控溅射法在Si(100)衬底上成功制备出类金刚石(DLC)薄膜。利用Raman光谱仪、X射线光电子能谱仪表征不同射频功率下所制备薄膜的化学结构,讨论射频功率对薄膜化学结构的影响。采用X射线小角反射法表征薄膜的质量密度,利用曲率弯曲法表征薄膜的残余内应力,采用扫描电镜和原子力显微镜表征所制备薄膜的表面形貌与粗糙度。研究表明:薄膜中sp3键的含量随着射频功率的增加而呈现出先增大后减小的趋势,且在射频功率为40 W时达到最大值45.6%。随着射频功率的增加,薄膜的表面粗糙度呈现出先减小后增大的趋势,当射频功率为40 W时薄膜的表面粗糙度最小,为1.6 nm。直流/射频耦合磁控溅射法在不同射频功率下制备出的薄膜,其内应力均低于1.0 GPa,薄膜质量密度的变化范围为2.26~2.44 g/cm~3,有望成功制备出内应力低、密度高的高质量DLC薄膜。