“神龙—Ⅰ”直线感应加速器束流输运系统设计

系统分析了强流相对论电子束在输运过程中影响束流品质的几种因素,针对束流不同能区凸现的主要矛盾,采取对应性措施以抑制空间电荷效应,束包络振荡和束心横向运动,所有措施归结到束流输运系统设计上表现为合适的束输运半径和匹配磁场的选取,提出了束流输运磁场配置的一般策略,初步设计了“神龙－Ⅰ”直线感应加速器束流输运系统的总体布局。     

直线感应加速器束包络数值计算模型

给出的直线感应加速器束输运的计算模型,能够计算束流从注入器经加速器直到最后聚焦的束包络.利用该编码可以方便地研究各种磁场位形及隙压参数对束流输运的影响.作为算例,给出了束流为3kA在长达40余米直线感应加速器的多种磁场位形下的束包络.     

法兰-螺栓连接对加速器对中装配同轴度的影响

由于直线感应加速器束输运系统磁场准直偏差和束脉冲期间所引起的束流Corkscrew运动是导致发射度增长的重要原因之一，因而提高磁场准直精度是抑制和减小Corkscrew振幅的重要措施。机械轴的精密对中是磁轴准直及磁场误差校正的基础。     

3.5 MeV无箔注入器束流调试

 3.5 MeV 注入器是“神龙一号”直线感应加速器的束源，在注入器束流调试中，首先通过数值模拟方法，初步确定束流过聚焦和聚焦不足两种极端情况下引出线圈输运磁场峰值的变化范围；然后以注入器出口束流波形为参考，通过实验调试找到了这两种情况下引出线圈输运磁场峰值的实际配置；再通过测量束流的剖面或发射度，在这两种配置中选定一个折中的引出线圈磁场配置，并最终确定了注入器输运磁场的总体配置。经过调试完成后的注入器束流为3.6 MeV，流强为2.8 kA，归一化边发射度为1 040 mm·mrad，达到了预期的指标。     

非理想氢原子束真空环境长程传输模拟研究

模拟研究了非理想氢原子束在真空环境下的长程传输效应。根据中性化程度的不同,将非理想束分为欠中性束和过中性束。通过建立束流传输的准电磁模型,研究了束流密度、中性化因子、空间磁场和弹性散射等因素对非理想氢原子束的影响。结果表明:对于欠中性束,负氢离子的存在对氢原子的传输几乎没有影响,因此欠中性束的发射装置可以考虑去除偏置磁场,以减小设备体积和质量;对于过中性束,束流损失率与束流密度和中性化因子有关,即束流密度越大,束流损失越大;中性化因子越高,束流损失就越高;而无论是欠中性束还是过中性束,空间磁场和粒子间的弹性散射对其传输都没有影响。     

直线感应加速器输运磁场遗传算法优化

以直线感应加速器（LIA）匹配磁场设计和束线调谐为背景,提出解决强流相对论电子束长距离、小波动、多元件磁约束的输运优化问题的数值优化办法,建立基于遗传算法的优化程序。结合束质心轨迹及束包络耦合模型,设计描述束传输半径波动大小的评价函数,采用励磁元件馈入电流为优化对象,解决LIA磁场配置组合爆炸优化问题。计算结果表明:优化程序可依据不同的初始束流,有针对性地快速给出一组符合束输运要求的励磁电流配置。研究成果为在建的LIA装置束线调谐提供一种重要的数值分析工具。     

“神龙一号”直线感应加速器多功能腔设计

 多功能腔集真空泵安装、束流过渡漂移、束流在线测量及方便机器检修等诸多功能于一体，是“神龙一号”加速器束流传输系统的一个关键部件。简要介绍了多功能腔设计中的磁轴准直、输运磁场的连续性以及横向阻抗几个关键问题，阐明了多功能腔的可维修特性和磁轴准直性能，分析了多功能腔对输运磁场连续性的影响，计算了多功能腔的低横向耦合阻抗，并提出了降低横向耦合阻抗的措施。多功能腔的应用简化了束流传输线的结构，提高了束流传输线的性能，将在“神龙一号”直线感应加速器的调试中起到非常重要的作用。     

10MeVLIA强流电子束的输运

介绍了１０ＭｅＶ直线感应加速器（ＬＩＡ）束输运系统布局及实验的调试规律。分析了束横向运动对束稳定输运的影响，理论分析和实验调试的结果表明，抑制束稳定输运的主要障碍来自束的横向运动。当束稳定输运时，可获得束能１０．４ＭｅＶ，束流强度２．６ｋＡ，束半高宽约１００ｎｓ的强流脉冲电子束。     

Corkscrew运动影响束流发射度的数值分析

在直线加速器中，始终存在束流质心轴、束流传输管道几何轴、束流聚焦传输磁场磁轴等三轴不一致问题。当束轴与磁轴存在夹角，而且束流脉冲（平顶）期间存在能量差别时，将引起束心的Corkscrew运动。斜入射的束流在轴向磁场中传输时，由于束流脉冲（平顶）期间不可避免的能量差别，导致不同时刻的束片质心螺旋运动的相位不同，在束流到达同一个位置时，不同时刻束片的质心在同一个考察点具有不同的横向位置。束心Corkscrew运动会造成很多不良后果。针对束心Corkscrew运动造成束流积分发射度的增长情况开展数值模拟研究，为采取相应的抑制措施提供参考和依据。     

加速器驱动次临界系统阶梯场磁铁设计

为保证加速器驱动次临界系统输运线靶站的使用寿命,采用了一种基于阶梯场磁铁的方案将质子束在水平、垂直两个方向进行扩展。对阶梯场磁铁进行了三维磁场模拟和物理设计,根据联合模拟的磁场分布进行了束流动力学跟踪研究,证实阶梯场磁铁方案对均匀化束流有很好的效果。为了使阶梯场磁铁磁场的台阶状分布更加明显,提出了一种更为紧凑的阶梯场磁铁设计方案。     

“神龙一号”加速器束流输运系统研制

文章系统介绍了“神龙一号”直线感应加速器束流输运系统的研制过程和取得的成果, 重点阐述了螺线管线圈、二极校正线圈、多功能腔等关键单元部件的设计、传输元件的磁轴测量和准直安装、束线的总体布局、束流调试等研究内容. 束流调试结果表明, 该束流传输线的设计是成功的, 并且具有较宽的动态适应范围. 最后, 结合束流调试的经验, 提出了一些建议供以后工作参考.     

“三剖面”法对HIRFL束流发射度的测量

通过三个多丝剖面监测器测量漂移空间三点处的束流剖面,对HIRFL加速器横向束流发射度(_(12)C~(+6)束)进行了测量。文章给出了测量综合结果,并着重计算分析了“三剖面”法发射度测量中,三个探测器之间的距离、测量区间束腰的位置和束腰的大小对测量误差的影响,最后给出了测量最佳条件。     

Performance of a slow positron beam using a hybrid lens design

The University of Hong Kong positron beam employs conventional magnetic field transport to the target, but has a special hybrid lens design around the positron moderator that allows the beam to be focused to millimeter spot sizes at the target. The good focusing capabilities of the beam are made possible by extracting work-function positrons from the moderator in a magnetic field free region using a conventional Soa lens thus minimizing beam canonical angular momentum. An Einzel lens is used to focus the positrons into the magnetic funnel at the end of transportation magnetic field while at the same time bringing up the beam energy to the intermediate value of 7.5 keV. The beam is E × B filtered at this intermediate energy. The final beam energy is obtained by floating the Soa-Einzel system, E × B filter and flight tube, and accelerating the positrons just before the target. External beam steering saddle coils fine tune the position, and the magnetic field around the target chamber is adjusted so as to keep one of the beam foci always on the target. The system is fully computer controlled. Variable energy-Doppler broadened annihilation radiation (VEDBAR) data for a GaN sample are shown which demonstrate the performance of the positron beam system.     

电子束在磁透镜场中压缩传输理论

 给出了强流相对论电子束在磁透镜场中压缩传输系数的理论公式和计算结果，其结果说明能量传输效率随磁透镜比的增大而减小，随阴极处磁感应强度的增大而增大，对于一个特定的系统存在一个能通量密度的极限值。     

Electromagnetic modeling of the CSNS Hion source extraction system

A Penning surface H^- ion source test stand has been developed for the China Spallation Neutron Source (CSNS) at the Institute of High Energy Physics (IHEP). H^- beams with a current up to 50 mA and a pulse length up to 520μs at a repetition rate of 25 Hz are obtained at present. In order to improve the extraction system based on both the results of the emittance measurements in experiment and the simulation results of the effect of the extraction system on the beam emittance, three dimensional electromagnetic finite element analysis and particle tracking are undertaken. First, the magnetic field of the deflecting magnet is studied in detail, and then the effect of the extraction geometry on the beam transport is also investigated.     

北京慢正电子强束流磁场输运系统设计研究

针对基于北京正负电子对撞机的慢正电子强束流系统对输运磁场的设计要求,本文对不同规格的磁场输运线圈模型、长螺线管端口处磁场的补偿以及地磁场和弯管道对正电子束流的影响等进行了计算,提出适用于本系统传输慢正电子束流的输运磁场分布、补偿线圈、调整线圈的加工参数,计算表明,系统的总体磁场不均匀度小于10髎.实际运行束流测试表明,所设计的磁场系统能够很好的将慢正电子束流输运到约16m远的样品测量室,慢正电子束斑尺寸基本没有变化,满足慢正电子束流系统的设计要求.     

带电粒子束传输的相图函数理论

带电粒子束发射相图的形状可用相图函数描述.本文利用相图函数理论和Lie代数研究非线性传输系统中束相图的变化.同时研究了它的逆问题──根据束特性选择传输系统参数.作为例子,讨论了利用非线性元素改善束质量和非线性周期场系统中的束匹配问题.     

Investigation of intense sheet electron beam transport using the macroscopic cold-fluid model and the single-particle orbit theory

The focusing and the stable transport of an intense elliptic sheet electron beam in a uniform magnetic field are investigated thoroughly by using the macroscopic cold-fluid model and the single-particle orbit theory.The results indicate that the envelopes and the tilted angles of the sheet electron beam obtained by the two theories are consistent.The single-particle orbit theory is more accurate due to its treatment of the space-charge fields in a rectangular drift tube.The macroscopic cold-fluid model describes the collective transport process in order to provide detailed information about the beam dynamics,such as beam shape,density,and velocity profile.The tilt of the elliptic sheet beam in a uniform magnetic field is carefully studied and demonstrated.The results presented in this paper provide two complete theories for systemically discussing the transport of the sheet beam and are useful for understanding and guiding the practical engineering design of electron optics systems in high power vacuum electronic devices.