用于激光驱动质子束测量的腔式束流位置探测器模拟研究

根据激光驱动质子束流低发射度、短脉冲、单束团低电量的性质,研究腔式束流位置探测器(BPM)测量激光加速器产生的质子束团横向位置的可行性问题。针对质子束团的大横向分布和发散角问题,推导了其通过腔式BPM的输出信号,结果表明该信号与集中从束团对称中心、倾斜一定角度通过的束流产生的输出信号相同。依据上述原理,使用CST软件进行了腔式BPM的设计和仿真,确定了矩形谐振腔波导耦合的方案。讨论了该方案的腔式BPM对于激光加速束流的适用性和不同激光驱动质子束流参数的分辨率,并针对PW级激光加速系统进行了分辨率估算。     

超导加速器CW模式的高阶模初步分析

 超导加速器由于具有极高的Q值,因此表现出较强的腔束相互作用,尤其是在以CW模式运行下,严重时会产生束流崩溃(BBU)效应。德国TESLA式的9-cell超导串腔在束流负载为1 mA,束团重复频率为81.25 MHz情况下,对其高阶模的产生及相应的功率水平进行了分析。结果表明：对于该腔的主要高阶模,谐振偏差值在π/4以上,束流没有发生谐振,高阶模功率在mW量级。     

新型跑道腔式束流位置监测器

系统提出了一种新的腔式束流位置监测器(BPM),即跑道型腔式BPM,并使用微波工作室软件进行了理论研究和模拟计算,提出了通用设计方法。跑道型腔式BPM的金属腔部分具有跑道形横截面,引出束流位置偏移激励起的一对偶极模式作为束流位置信号。该方案的偶极模式极化方向固定,频率分离,可以解决随机误差产生的横向串扰问题,其理论位置分辨力可以达到15 nm。     

X波段介质和金属膜片混合加载行波加速结构的传播特性计算及模型腔的有关研究

计算了X波段(f=9.37GHz)介质和金属膜片混合加载行波加速结构的TM₀₁模和HEM₁₁模的色散曲线, 结果表明HEM₁₁模的截止频率比TM₀₁模的低, 说明与盘荷波导相比, 该种新加速结构单束团的BBU效应得到改善.实验研究优选得到了适用于该种新加速结构的介质(ε_r=5.812). 采用MAFIA程序优化设计了模型腔, 测试频率与设计的数值吻合得很好.     

基于束流位置探测器的束团长度测量

分析了驱动电子束团的频域特性,研究了基于该特性进行长度测量的理论基础;使用三维模拟软件对束流位置探测器(BPM)进行建模,用模拟的方法对传输阻抗进行了数值计算;对不同长度的束团进行了测量和计算,并且分析了束团位置在真空管道中偏移对束团长度测量的影响。由测量结果可见,电子束团长度在10~100 ps(3~30 mm)时,测量误差均小于2%,满足中国工程物理研究院高平均功率自由电子激光太赫兹实验测量的使用要求。     

一种新型同轴TEM-圆波导TE11模式变换器

 提出了一种新型同轴插板式模式变换器，可以实现同轴TEM到圆波导TE₁₁模式的变换。介绍了这种模式变换器的工作原理：即通过在同轴波导中沿轴向插入金属板，将同轴TEM模变换成扇形截面波导TE₁₁模，进而利用不同扇形截面波导中的相移改变电场分布的轴对称性，在同轴波导中形成同轴TE₁₁模，最后将同轴TE₁₁模转换为圆波导TE₁₁模式。基于这一原理设计了一个中心频率为3.8GHz的同轴TEM-圆波导TE₁₁模式变换器，并进行了数值模拟。模拟结果表明：这种模式变换器可以承受高功率，中心频率上转换效率为98.5%，转换效率大于90%的带宽超过10%，在3.5~4.1GHz的频率范围内反射损耗低于0.3dB。     

束流负载与束团相位补偿

分析研究了电子储存环上的势阱扰动,分析解给出了各束团同步相移、频移随高次模参数变化的规律.该研究结果可帮助我们优化高频腔的工作模式(通过调节调谐杆的位置来改变高次模的频率)和环上束团的分布,以减小束流负载效应,还可帮助我们利用谐波腔来补偿束团相位的变化.     

合肥光源逐束团测量和横向束流反馈系统设计

 介绍了在合肥光源开展逐束团测量（横向和纵向）和横向束流反馈系统研究和研制的重要性,同时还介绍了设计思想。合肥光源高频频率为204 MHz，因此，系统至少需要100 MHz的带宽。还较详细地介绍了宽带部件和系统参数的选择原则。该系统不仅可用于研究由于高频腔中的高阶模和真空室的阻抗壁效应所引起的耦合束团不稳定性，而且还能抑制耦合束团不稳定性振荡、快速束流离子不稳定性和注入大幅度振荡等，从而将提高机器的运行性能。     

磁旋管谐振腔旋转TMn10模的冷品质因数

 从场的表达式出发, 根据Bessel函数的积分公式,推导了旋转TMn₁₀模的腔内储能,时均损耗功率,和冷品质因数等公式。求得了与静态TMn₁₀模不同的相应公式, 它更接近于实验值。为了比较,又推导了该静态模的相应参数公式,得出与现有静态模固有冷品质因素不同的公式。     

回旋速调管加载损耗介质群聚腔的研究

 用模式场匹配理论建立了散射矩阵,数值模拟并分析了加载损耗介质层对群聚腔Q值、谐振特性以及群聚腔两端漂移段半径的大小对谐振特性的影响。研究表明：加载损耗介质在高频率下使群聚腔主要寄生模式EH₂₁₂和EH₃₁₁得到极大的抑制,对工作模式H₀₁模更有利;衰减常数随损耗层厚度的增加而迅速增加,Q值随介质厚度的增加迅速减小,因此在设计腔体时必须严格控制损耗材料厚度。最后为正在研制的回旋速调管设计了满足要求的低Q群聚腔,该腔冷测实验结果与计算结果基本一致。     

Design and cold test of S-BAND cavity BPM for HLS

An S-band cavity BPM is designed for a new injector in National Synchrotron Radiation Laboratory. A re-entrant position cavity is tuned to the TM110 mode as position cavity. Cut-through waveguides are used as pickups to suppress the monopole signal. Theoretical resolution of this design is 31 nm. A prototype cavity BPM system is manufactured for off-line cold tests. The wire scanning method is used to calibrate the BPM and estimate the performance of the on-line BPM system. A cross-talk problem has been detected during the cold test. Racetrack cavity BPM design can be used to suppress the cross-talk. With the nonlinear effect being ignored, transform matrix can be used to correct cross-talk. Analysis of cold test results shows that the position resolution of prototype BPM is better than 3 μm.

     

SSC直线注入器RFQ腔体多物理场分析

SSC-LINAC是为兰州重离子研究装置（HIRFL）设计的直线注入器,它将U34+离子加速到1 MeV/u注入到分离扇回旋加速器（SSC）中,为冷却储存环（CSR）提供10 MeV/u的U34+。该注入器可以将SSC引出的重离子流强提高一个量级以上。SSC-LINAC由一个RFQ（Radio Frequency Quadrupole）加速器和4个DTL（drift tube linac）组成,设计频率为53.667 MHz。RFQ工作在连续波模式,设计功率30 kW,如果不能有效地冷却,高频电流在电极表面产生的热量会使RFQ的腔壁和电极发生形变,从而导致腔体频率的漂移以及加速和聚焦电场的改变。因此,为了保证连续波工作的RFQ加速器稳定运行,对水冷模式和通道设计提出了很高的要求。作者用有限元软件ANSYS对RFQ进行高频电磁场、温度场、结构应力的耦合分析,验证了冷却方案设计的可行性和可靠性。Heavy Ion Research Facility at Lanzhou(HIRFL) consists of SFC, SSC, CSRm and CSRe. A new linac injector, which will increase U34+ to 1 MeV/u, is designed for SSC to increase the beam intensity to ten times higher. The new injector, whose frequency is 53.667 MHz, is composed by a RFQ (Radio Frequency Quadrupole) cavity and four DTL(Drift Tube Linac) cavities. The RFQ cavity, whose RF power is 30 kW, is operated at CW(continuous wave) mode. The heat produced by HF (high frequency) electromagnetic will cause deformation of RFQ structure, lead to the resonant frequency shift, and reduce the focusing efficiency of the cavity. An efficient cooling system is necessary to ensure that the RFQ cavity can stably be operated at the nominal frequency. A detailed multi-physics field coupling analysis of RFQ has been finished with 3D finite elements software ANSYS. The result of the analysis shows that the water cooling system can cool the RFQ cavity fully and keep the frequency drift be in a acceptable level.     

RF measurements of a C-band cavity beam position monitor

RF cold test of a novel C-band cavity beam position monitor (PBM) to be used in the SDUVFEL Test Facility is described.The test results are presented and some characteristics discussed.The main parameters obtained are in reasonable agreement with the analytical estimations.Effective suppression of the common mode has been demonstrated.The position sensitivity over the test region of±0.5 mm is about -21.58 dB/10 μm for the TM110 mode and is linear in the central region of the BPM cavity.     

加速器束流诊断技术的新进展

介绍了加速器束流诊断技术的新进展, 包括束流位置测量技术、束团横向尺寸测量技术和束团长度测量技术. 束流位置测量技术主要介绍具有高位置分辨率的腔型束流位置检测器和数字束流位置处理技术. 束团尺寸测量技术主要介绍高空间分辨率的激光丝扫描器、光学渡越辐射和光学衍射辐射技术. 束团长度测量技术主要介绍高时间分辨率的相干辐射光谱技术、RF横向偏转腔、RF零相位技术和电光采样技术.     

Thermal analysis of DTL in the SSC-LINAC

A linear accelerator as a new injector for the Separated Sector Cyclotron at the Heavy Ion Research Facility of LAN Zhou is being designed. The Drift-Tube-Linac (DTL) has been designed to accelerate ²³⁸U³⁴⁺ from 0.140 MeV/u to 0.97 MeV/u [1]. The 3D finite element analysis of thermal behavior is presented in this paper. During operation, the cavity will produce Joule heat. The cavity will not work normally due to the high temperature and thermal deformation will lead to frequency drift. So it is necessary to perform thermal analysis to ensure the correct working temperature is used. The result of the analysis shows that after the water cooling system is put into the cavity the temperature rise is about 20 degrees and the frequency drift is about 0.15%.     

APTR质子同步加速器RFQ直线注入器的优化设计

为实现质子治疗装置的国产化和小型化,基于已完成安装调试的上海先进质子治疗装置(APTR),开展质子治疗注入器系统的升级设计研究,利用PARMTEQM设计软件和快聚束策略,针对APTR同步加速器RFQ直线注入器进行动力学设计模拟。RFQ工作频率为325 MHz,流强18 mA,对从离子源引出的低能质子束流进行匹配俘获、横向聚焦、纵向聚束和预加速,引出能量为3.0 MeV。通过优化预注入器RFQ动力学设计方案和极头参数,有效避免参数共振,减小束流损失,使其整体传输效率达到98.0%,在水平和垂直方向上的发射度增长分别为1.2%和3.3%,出口束流满足下一级腔体的注入需求,开展设计模拟验证和相关冗余度分析,为质子同步加速器的治疗设备和直线注入系统提供参照依据。     

紧凑型高平均流强光阴极注入器

根据北京大学1+1/2单元超导腔直流--超导(DC-SC)光阴极注入器的实验研究结果, 证明了这种新型光阴极注入器的可行性, 在此基础上对这种新型注入器进行了升级设计, 使之成为实用的紧凑型高平均流强的光阴极注入器, 为北京大学自由电子激光装置提供品质良好的电子束流. 给出了升级的3+1/2单元超导腔注入器的详细设计, 包括注入器核心结构的电磁场设计、束流动力学模拟、机械设计. 并对整个注入器的恒温器进行了初步设计.