750 keV射频四极注入器束流动力学设计

 描述了一台750 keV，201.25 MHz的射频四极注入器束流动力学设计。在考虑与35 MeV质子直线加速器匹配、功耗小、传输效率高等原则的基础上，提出了加速器的技术要求。给出了两套设计方案的主要参数和设计结果。分析了能散度、发射度、Twiss参数、注入流强和能量等参数在非理想匹配条件下对束流传输效率的影响。比较了两套方案的异同点。模拟计算结果表明，两套设计方案均可以满足物理要求，传输效率都在99.3%以上。     

加速器驱动次临界系统注入器Ⅰ束测系统（英）

加速器驱动次临界系统注入器Ⅰ,包括ECR离子源、低能传输线、射频四极加速单元、中能传输段和超导腔,注入器Ⅰ出口能够获得能量10 MeV的强流质子束流。为了调束和运行的需要,注入器Ⅰ将安装束流位置测量、束流截面测量、束流流强测量、束流发射度和能量测量,以及束流损失测量等束流参数测量装置。介绍了这些束流测量系统设计及其他方面的一些考虑。     

高能光源增强器束流横向尺寸测量系统设计

高能同步辐射光源的增强器将直线加速器注入的束流加速到储存环所需的能量,为储存环提供高品质的电子束。为了对增强器的束流横向截面尺寸、发射度及能散进行测量,设计了两条可见光-紫外波段的束测光束线。两条光束线分别选取无色散和色散较大的两处弯铁位置作为光源点,使用两套同步光成像系统来监测光源点的束流截面尺寸,并计算束流发射度及能散。介绍了同步光引出真空室及光学成像系统,对影响成像质量的空间分辨率进行了分析,并针对升能过程中不同能量下束流光斑变化的测量进行了设计。     

国产首台交变相位聚焦漂移管加速器的冷测与试运行

质子直线注入器是质子治癌系统的重要组成部分。出于项目进度的考虑,上海先进质子治癌示范装置APTRON采用了进口自美国的直线注入器。为了加快质子治癌产业进程,掌握质子放疗关键技术,保证产业链安全可控,注入器团队研发了国产医用质子直线注入器。该直线注入器采用了电子回旋共振（ECR）离子源和四翼型射频四极加速器（RFQ）的技术方案,并在漂移管加速器（DTL）段创新性地采用了交变相位聚焦（APF）结构。在这个过程中,通过研究APF DTL的束流运动规律和设计思想,自主开发了APF DTL的底层物理设计软件,相继完成了物理设计、电磁设计、机械设计、加工建造、腔体冷测、高频老练和载束实验等多个阶段的工作,最终成功引出了7 MeV、7 mA的质子束流。经过束诊系统的测量分析,认定束流中心能量为6.975 MeV,动量分散在±0.35%以内的束流流强为6.07 mA。成为国产首台医用质子直线注入器和首个实现成功载束的APF加速腔。     

二次电子发射对质子束流测量精度的影响

二次电子发射直接影响法拉第探测器测量质子束流的精度,减小或消除二次电子发射的影响是提高束流测量精度的关键。根据二次电子补偿原理设计了二次电子补偿型同轴法拉第探测器,实验发现探测器测量质子束流强度时不能完全实现二次电子补偿。为改进和完善探测器的设计,从理论上分析了补偿片未能完全消除二次电子对束流测量影响的原因,是由于补偿片前向发射二次电子数目大于收集极后向发射二次电子数目所致。为此设计了质子束穿过金属箔发射二次电子测量装置,测量得到能量为5~10MeV质子穿过10μm厚铜箔时前向与后向发射二次电子产额,验证了理论分析的正确性。     

电扫描型单缝单丝强流离子束发射度测量仪

 介绍了一台基于电偏转扫描方法的强流离子束发射度仪，讨论了发射度仪硬件的系统构成和设计要点，该发射度仪采用阶梯型电压对通过前缝的束流进行扫描来获得束流散角信息。并对测量计算软件和数据处理方法进行了介绍，采用了先扣除本底，再设置阈值的方法进行数据处理。处理后的数据利用程序可获得均方根和边界发射度、束斑大小、最大正负散角以及发射度相图。利用该发射度仪对ECR离子源引出的强流质子束的发射度进行了测量，并对测量数据进行了分析。对于引出电压为50 kV、脉冲重复频率为166 Hz、脉冲宽度为1 ms、平均束流强度为4 mA的质子脉冲束，其归一化均方根发射度为0.27 pmm·mrad。     

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。     

BEPCⅡ直线加速器的束流调试和稳定运行

BEPCⅡ重大改造工程要求将对撞机的峰值亮度提高近百倍,并具有高积分亮度,为此必须对作为注入器的直线加速器进行重大改造,提供高能、强流、小发射度和小能散度的正负电子束,达到高注入速率(正电子50mA/min.)的要求.这对直线加速器各系统和束流调试是一个挑战.在成功建造了新电子源、新正电子源、新微波功率源、相位控制系统和束流轨道测量系统等的基础上,着重叙述了束流参数的调试结果,束流能量、能散度、发射度、传输效率均达到(或优于)设计指标.描述了束流参数稳定性的研究、改进和成功地达到稳定运行.最后简述了新建中的次谐波聚束系统,以进一步提高束流性能和注入速率.     

BEPCⅡ直线加速器的束流调试和稳定运行

BEPCⅡ重大改造工程要求将对撞机的峰值亮度提高近百倍, 并具有高积分亮度, 为此必须对作为注入器的直线加速器进行重大改造, 提供高能、强流、小发射度和小能散度的正负电子束, 达到高注入速率(正电子50mA/min.)的要求. 这对直线加速器各系统和束流调试是一个挑战. 在成功建造了新电子源、新正电子源、新微波功率源、相位控制系统和束流轨道测量系统等的基础上, 着重叙述了束流参数的调试结果, 束流能量、能散度、发射度、传输效率均达到(或优于)设计指标. 描述了束流参数稳定性的研究、改进和成功地达到稳定运行. 最后简述了新建中的次谐波聚束系统, 以进一步提高束流性能和注入速率.     

一种在线式电子束能量测量方法

针对直线感应电子加速器中的束流特点,设计了一种在线式电子束能量测量方法。该方法使用分析磁铁和束位置探测器对电子束团切片平均能量进行测量,避免了束团取样带来的误差及测量过程对束流的影响,可以实现电子能量的在线测量。使用该方法对某强流直线感应电子加速器的电子束团能量进行了测量,获得了电子束团切片平均能量随时间变化的曲线,能量测量不确定度为0.177 MeV,能散度测量不确定度为0.39%。     

Physical design of FEL injector based on the performance-enhanced EC-ITC RF gun

To meet the requirements of high performance THz-FEL (Free Electron Laser), a compact scheme of FEL injector was proposed. A thermionic cathode was chosen to emit electrons instead of a photo-cathode with its complex structure and high cost. The effective bunch charge was improved to ～200 pC by adopting an enhanced EC-ITC (External Cathode Independently Tunable Cells) RF gun to extract micro-bunches; back bombardment effects were almost eliminated as well. Constant gradient accelerator structures were designed to improve energy to ～14 MeV, while the focusing system was applied for emittance suppressing and bunch state maintenance. The physical design and beam dynamics of the key components for the FEL injector were analyzed. Furthermore, start-to-end simulations with multi-pulses were performed using homemade MATLAB and Parmela. The results show that continual high brightness electron bunches with a low energy spread and emittance could be obtained stably.     

Wakefield Effects on the BEPCII Injector Linac

The high current and short bunch of the electron beam in the BEPCII injector linac cause the wakefield effects on the beam performance dilution. These wakefield effects on longitudinal and transverse beam dynamics are systematically studied with analysis and numerical beam modeling, including the single bunch short-range wake effects and the multi-bunch long-range wake effects on beam energy, energy spread, emittance, orbit offset and primary electron beam spot size on the positron production target. The measures to effectively cure these wake effects are also studied.     

Design studies on a 500 kV DC gun photo-injector for the BXERL test facility

BXERL is a proposal for a test facility(Beijing X-ray Energy Recovery Linac),which requires its injector to provide an electron beam of 5 MeV,77 pC/ bunch at a repetition rate of 130 MHz(average current of 10 mA).In this paper,we present the design of the injector,which consists of a 500 kV photocathodeDC gun equipped with a GaAs cathode preparation device,a 1.3 GHz normal conducting RF buncher,two solenoids,and one cryomodule containing two 1.3 GHz 2-cell superconducting RF cavities as the energy booster.The detailed beam dynamics show that the injector can generate electron bunches with a RMS normalized emittance of 1.49 7rmm-mrad,a bunch length of 0.67 mm,a beam energy of 5 MeV and an energy spread of 0.72%.     

BEPCII直线注入器的尾场效应

BEPCII直线注入器中的强流、短束团的尾场效应将损害束流的性能.用分析解和数值模拟计算的方法,系统地研究了尾场对纵向和径向束流动力学的影响,包括单束团的短程尾场和多束团的长程尾场对束流能量、能散、发射度、轨道和初级电子束在正电子产生靶上束斑尺寸的影响等.研究了有效抑制这些尾场效应的措施     

北京大学DC-SC光阴极注入器的升级设计

 基于直流电子枪-超导加速腔（DC-SC）光阴极注入器样机的初步实验结果，北京大学提出了新的注入器的改进设计。新注入器核心结构包括皮尔斯枪和3+1/2超导腔。文章给出了它们的详细结构参数，然后采用程序，对注入器的束流动力学进行了模拟。结果发现：新注入器可以提供具有高束流品质、高平均流强的电子束，束团的电荷量100 pC，横向发射度低于2 mm·mrad,脉宽5 ps,rms束斑可达0.5 mm，重复频率81.25 MHz；也可以提供电荷量为300 pC低重复频率的高峰值流强的电子束，其横向发射度小于3 mm·mrad,脉宽约为9 ps，以满足北京大学自由电子激光（PKU-FEL）实验平台的要求。     

三种高密度强流束亮度测量技术

利用已经建成的4 MeV LIA注入器,结合时间分辨测量系统研究了三种测量技术:发射度测量法、无场准直器和磁场准直器测量法。介绍了强流束亮度定义和典型方法理论分析及测量技术的物理概念,提出了用于猝发多脉冲电子束发射度测量装置的设计与调试,通过对时间分辨测量系统的分幅相机记录的光强度分布信息处理,得到电子束束斑均方根半径和发射角,分析某一时刻数据,即可得到电子束某一时刻发射度,从而获得多脉冲电子束时间分辨发射度。在4 MeV LIA注入器上对多脉冲电子束流的发射度进行测量,得到电子束归一化均方根发射度约为114 mmmrad、双脉冲456 mmmrad的归一化发射度。最后结合电子束的高斯分布初步分析并给出均方根发射度、实测发射度和边发射度的关系。