BEPCⅡ-Linac束流光学和轨道校正的优化研究

为实现BEPCⅡ的总体要求,对直线注入器的强流电子束和正电子束进行了系统的束流光学模拟和优化研究.提出了束流光学的自动校正环路.系统地研究了束流初始偏轴和加速器部件的安装误差对束流归一化发射度和轨道偏移的影响.提出了采用“一对一”的束流轨道校正机制,以有效抑制这些影响,确保直线注入器的束流性能.     

CYCIAE-100轴向注入线设计及中心区束流匹配

采用包含空间电荷效应的束流光学计算软件TRANSOPTR对CYCIAE-100回旋加速器轴向注入线进行设计,在综合考虑空间布局、元件选择、真空度、空间电荷效应、轴向磁场和造价等问题后,最终确定了轴向注入线的聚焦结构。将数值跟踪获得的真实磁场下螺旋偏转板传的输矩阵编写到TRANSOPTR程序中,从而实现了从离子源出口至偏转板出口的束流光学匹配。介绍了CYCIAE-100回旋加速器轴向注入线的设计思想、布局结构和束流光学计算结果,并给出了主要元件的设计结果。在确定中心区结构和对中轨道后,采用多粒子轨道跟踪的方法进行中心区束流匹配的研究,通过对数值模拟的结果进行椭圆拟合并结合解析公式计算得到注入点处匹配矩阵,为注入线的设计提供拟合条件。     

基于LOCO的上海光源储存环线性光学参数校正

 为了测量和校正线性光学参数,在上海光源储存环调束过程当中使用了基于响应矩阵的线性光学参数分析(LOCO)的方法。介绍了应用LOCO进行计算和校正的过程,包括：数值模拟得到束流位置探测器的测量精度对拟合结果的影响,调整四极铁电源电流强度来校正工作点和beta函数周期性的恢复。测量结果表明,在四极铁强度调整幅度在1.5%以内的情况下,储存环的束流光学参数成功地恢复到和设计值相当接近的状态,beta函数和色散函数畸变小于1%。通过束流光学参数的校正,使得在今后的工作当中可以轻松地控制储存环的工作模式。     

束流光学中的变换群──(Ⅱ)束流光学单元与系统

在研究束流光学中的各种变换群的基础上讨论了周期场聚焦、束的匹配、色散和象差等问题．     

基于MATLAB的合肥光源储存环束流轨道校正系统

 闭轨畸变对合肥同步光源的束流质量产生负面影响，因此必须对闭轨畸变进行校正。本文介绍了基于MATLAB的合肥光源储存环束流轨道校正系统的工作原理、开发过程及测试结果。该系统由束流轨道测量系统、校正铁系统和控制系统组成，基于MATLAB开发的束流轨道校正程序运行于操作员界面工作站上。首先对获取的束流轨道数据进行分析和计算，然后通过控制系统改变校正铁电源的电流以改变校正铁磁场强度，从而实现轨道校正。测试结果表明：束流轨道的最大畸变由校正前的4.468 mm下降到校正后的0.299 mm；标准方差（SDEV）由校正前的2.986 mm下降到校正后的0.087 mm。该系统达到了设计目标。     

中国散裂中子源快循环同步加速器中色品校正及六极磁铁非线性效应

中国散裂中子源（CSNS）快循环同步加速器（RCS）把能量为80 MeV的束流储存并加速到1.6 GeV然后引出到靶站。为了减少RCS中的束流损失，有必要对RCS做色品校正，并减小动量偏移对束流光学的影响。尝试了多种色品校正方案并对不同色品校正方案做了比较。用三维跟踪程序SIMPSONS研究了色品校正六极铁与空间电荷效应对束流的影响。色品校正六极铁可以有效减小色品引起的频散，但是由于六极铁为非线性元件，导致不同振幅的粒子间有一定频散。模拟发现同时存在空间电荷效应和色品校正六极铁时，会有少量的束流损失。     

CSRm束流累积阶段闭轨校正系统设计

为测量兰州重离子加速器冷却储存环主环(CSRm)束流累积阶段的闭轨畸变并进行闭轨校正,开发了闭轨校正系统,该系统由轨道测量系统、闭轨控制系统和校正磁铁系统构成。轨道测量系统实现对束流轨道的实时监测;闭轨控制系统读取束流轨道信息,然后进行闭轨校正计算,并将计算后的校正值传输给校正磁铁系统;校正磁铁系统通过改变校正电源的值,改变校正磁铁的强度,实现对束流轨道的调整,完成闭轨校正。模拟测试结果表明,束流轨道水平方向的最大畸变由校正前的3.37 mm减小为校正后的0.39 mm,垂直方向的最大畸变由校正前的4.21 mm减小为校正后的0.31 mm。该系统能够实现响应矩阵的自动测量和束流轨道的自动校正,满足设计要求。     

基于深度强化学习的自由电子激光优化研究

束流轨道优化是短波长自由电子激光调试放大过程的关键环节。在实际实验中，需要花费大量的时间来调整参数，以校正轨道。为简化该多参数调优过程，研究了基于深度强化学习的自动优化技术，在仿真环境中使用SAC、TD3和DDPG算法调整多个校正磁铁，以优化自由电子激光的输出功率。为模拟实际实验中非理想的轨道状态，在第一节波荡器入口处设置一磁铁以偏转束流轨道。随后利用深度强化学习算法自动调节后续7个磁铁以校正轨道。结果表明，通过引入偏差将输出功率降低一个数量级后，基于最大熵原理的SAC算法将功率恢复到初始值的98.7%，优于TD3与DDPG算法。此外，SAC算法表现出更强的鲁棒性，有望后续应用在我国X射线自由电子激光装置中实现自动调束。     

轴对称静电场的束流光学模拟与设计

为了对高压倍加器和静电加速器等低能加速器中一些具有特殊结构的轴对称静电元件进行模拟和设计,采用传输矩阵法编写了直流束的束流光学计算程序,并利用该程序对高频离子源预聚焦系统和移动式加速器中子源的束流光学系统进行了模拟和设计。程序将整个轴对称静电场区域看作厚透镜,并均分成若干个小区间,先利用其他电磁场软件计算区域内的轴上电势分布,然后根据该电势分布计算每个小区间内的束流传输情况得到束流的包络曲线。该程序可以用于计算非线性效应可忽略的复杂轴对称静电场中强流和弱流束的传输,且所需计算时间很短。     

斜光束对校正滤光片匹配准确度的影响

光电积分式的测色仪器中,光探测器的响应必须满足卢瑟条件.这一般是通过精确的匹配校正滤光片来实现的,匹配的准确度与入射光束在校正滤光片中的实际光程有关.由于测量条件的影响,入射光束不可避免地包含各个方向的入射光线,斜光束的存在会使理论计算出的匹配准确度降低.本文采用总误差面积比例最小法来评价校正滤光片的匹配准确度,阐述了校正滤光片匹配的理论依据,验证了斜光束光谱透射对于整个校正滤光片匹配准确度的影响,并提出了考虑到斜光束影响的校正滤光片厚度的修正公式.以"Y"滤光片的匹配为例,证明了修正后的公式对提高匹配准确度的意义.     

HIRFL新的束流分配系统

随着CSR的建成和兰州重粒子加速系统(HIRFL)实现质子加速,HIRFL现有的束流传输系统已不能满足越来越多的物理实验对供束时间的要求,为此,对原有的HIRFL的束流输运系统进行了分时供束改造,新的束流分配系统可以在给CSR供束和不供束两种情况下,同时使用SFC和SSC的束流在多个实验终端进行物理实验,介绍了新设计的HIRFL束流分配系统的布局和束流光学计算结果.     

CRAFT负离子源中性束注入系统400 keV加速器束流光学特性分析

负离子源中性束注入（NNBI）系统是聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）的组成部分,其目标是开展NNBI相关的科学与工程问题研究,为未来聚变堆NNBI系统的研制与运行积累经验。加速器的束流光学特性决定着最终形成束流的发散性,进而影响着束流在加速器和束线中的传输效率,这对NNBI系统的高功率、高能量、长脉冲运行至关重要。为此,采用IBSimu离子束流模拟程序对目前CRAFT NNBI的400 keV加速器电极系统的物理设计进行束流光学特性分析与评估。目前该套电极结构的设计与ITER负离子源类似,束发散的计算结果满足设计要求。在负离子束流密度较高时（100～300 A/m2范围内）,具有更小束发散角;引出距离（5～7 mm范围内）和加速距离（88～110 mm范围内）的适当增加,也呈现出束发散角下降趋势。     

基于机器学习的轨道校正方法

轨道校正是加速器束流调节最基本的步骤之一,也是目前各加速器实验室共同面对的问题之一。在传统方法中,线性代数工具被应用于各种类型的响应矩阵,以解决响应矩阵的奇异性等问题。提出一种基于机器学习的加速器轨道校正方法,可以避免处理响应矩阵的问题通过直接读取BPM数据和校正磁铁强度值实时构建机器学习模型快速地对轨道进行修正。对机器学习的轨道校正方法进行了介绍,并从数学公式、算法模型、在模拟和真实数据上的测试等方面对该方法进行了讨论。结果表明,在误差范围内该方法能有效的对加速器束流轨道进行校正。     

2000kV电子帘加速器的电子束轨迹的计算

采用法国的ＭＡＦＩＡ程序计算电场。编制了ＴＲＡＪ程序，用逐点跟踪计算电子轨迹，得到了束流包络。观察了在高压电场中栅压对束流光学传输的影响，并获得了在不同能量范围内的栅压聚焦作用，为册压调节提供了理论依据，也为将来对其它规格的电子帘加速器的物理设计积累了十分宝贵的经验。     

基于Lattice Server中间件的束流光学参数测量

根据合肥先进光源(HALF)的需求,在合肥先进光源预研项目中,开展了Lattice Server中间件技术的应用研究,开发出Lattice Server中间件。为验证Lattice Server中间件软件结构的可行性,利用合肥光源储存环,采用Python语言开发了基于Lattice Server中间件的束流光学参数测量。测量结果表明,该Lattice Server中间件实现了加速器上层物理应用与控制系统的交互,所测束流光学参数准确,证实了Lattice Server中间件软件结构的可行性。     

基于响应矩阵和SVD算法的输运线束流轨道校正

在输运线中, 磁铁的加工及安装误差所产生的二极磁场分量会导致束流运动轨道偏离理想轨道. 采用基于Matlab的AT程序, 利用响应矩阵和SVD算法, 对SSRF高能输运线磁铁布局方案进行了轨道畸变校正, 对不同的校正子和BPM放置方案作了比较研究, 并对SVD算法中截断阈值的选取对输运线束流轨道畸变校正的效果作了比较研究.     

基于极线局部校正的特征匹配方法

针对利用多视图像进行目标三维测量、结构重建时在极线约束下对直接区域灰度相关进行同名特征匹配常常失效的问题,提出了一种基于极线局部校正的特征匹配算法。介绍了极线约束匹配的原理,分析了相关方法在极线约束匹配中的缺陷以及在多种像机位姿配置下的图像特征间的约束关系,在此基础上提出了一种极线局部区域校正的方法,对待匹配区域进行校正使自动相关匹配能有效执行,结合最小二乘匹配得到了高精度的匹配结果。实验结果证明了新算法的有效性,大大提高了自动匹配的可靠性、速度和精度。     

100MeV强流质子回旋加速器轴向注入系统和中心区物理设计

100MeV强流质子回旋加速器设计的引出质子束流强为大于200μA, 并计划提供脉冲束流. 轴向注入系统设计有两条注入线, 即1#和2#注入线. 1#注入线利用负氢束的中性化以解决强流连续束流的注入,为保证达到高中性化程度, 横向聚焦均采用磁元件; 2#注入线的设计目的主要是提供一定流强的脉冲化束流,由于脉冲化负氢束的中性化过程难以建立, 因此, 横向聚焦元件均为静电元件. 两条线合理的结构设计使得注入系统可方便切换运行模式. 采用包含空间电荷力的光学计算程序, 匹配不同中性化程度的注入束流光学特性, 匹配工作的重点在于高达40°的高频相位接收度. 从离子源出口到粒子加速前15圈的连续匹配计算结果表明: 所设计的注入系统可有效地控制束流包络, 减少束流损失; 中心区高的高频接收度使设计的100MeV质子回旋加速器具有加速强流负氢束的能力.     

强流直线感应加速器中束流质心横向运动初步计算

 “神龙一号”强流脉冲加速器由72个直线感应加速腔和18个用于测试和真空泵接口的多功能腔组成。直线感应加速器的研制建造中磁轴对中偏差和聚焦磁场的自然偏差所引起的束流质心偏移轨道中心是不可避免的，由于束脉冲期间存在能散，使束流产生Corkscrew运动,导致束流品质变坏。而束脉冲期间的能散只能减小到一定水平，因此必需采取一定的措施抑制Corkscrew幅度的增长。在加速器的安装阶段，脉冲悬丝技术被应用于准直加速段聚焦磁场，并在磁轴准直测试的同时对磁场固有倾斜偏差进行初步校正。根据脉冲悬丝测试所得实验数据，采用传输矩阵法对加速段束质心轨迹进行了初步估计，计算中考虑了各加速腔聚焦磁场的倾斜和偏移误差。给出了计算结果和分析。     

200kV电子帘加速器的电子束轨迹的计算

采用法国的MAFIA程序计算电场.编制了TRAJ程序,用逐点跟踪计算电子轨迹,得到了束流包络.观察了在高压电场中栅压对束流光学传输的影响,并获得了在不同能量范围内的栅压聚焦作用,为栅压调节提供了理论依据,也为将来对其它规格的电子帘加速器的物理设计积累了十分宝贵的经验.