“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。     

“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。     

直线感应加速器中聚束磁场的数值计算方法

为了准确模拟出直线感应加速器中聚束磁场的值,首先利用单积分法计算出理想情况下的聚束磁场的值,再进一步用磁路分析的方法考虑直线感应加速器的加速腔中匀场环对聚束磁场的影响,然后推导出一组偏离角度与磁场分量相关的公式。将最终得到的聚束磁场分量与直线感应加速器模型结合起来,采用粒子模拟的方法来模拟电子束在加速段中的输运过程,并对结果加以分析。     

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。     

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。     

直线感应加速器束心偏移轨迹的计算

给出了直线感应加速器在磁体失准情况下电子束质心运动轨迹的计算机模型.利用坐标变换求磁体失准后的三维磁场分布,并采用束包络方程和束心偏移方程耦合求解的方法计算束心的运动轨迹.磁体失准度与束流质心偏移的定量关系的计算研究对磁体安装定位及校正线圈使用是有意义的.     

直线感应加速器输运过程模拟

对直线感应加速器中电子束的输运过程进行数值模拟研究,采用了时域有限差分与粒子模拟相结合的方法。在对直线感应加速器建模的过程中,成功地使用了非均匀网格模型,实现了对加速腔精细结构的建模。并在加速间隙处加入了加速场。通过3个步骤实现了直线感应加速器加速腔中聚束磁场的模拟,最后将聚束场与加速段结合起来模拟电子束的输运过程,并对结果加以分析,验证了方法的正确性。     

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。     

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。     

强流电子束聚焦数值模拟

采用粒子模拟（PIC）方法模拟了强流电子束在薄磁透镜中的聚焦。建立了强流电子束的聚焦模型,模拟了神龙一号加速器某次实验的结果,得到的模拟结果非常接近实验值,证明采用建立的PIC模型模拟强流束经过磁透镜时的聚焦是可信的。应用此模型模拟了电子束参数（入射半径、发射度、能散度、相位角等）对焦斑直径的影响, 结果表明:在模拟条件下,电子束平行入射时最佳束包络半径位于20.0~22.5 mm;发射度和能散度对焦斑直径的影响和理论公式吻合得较好;只有入射电子束包络半径和相位角匹配时才能得到小的焦斑直径。     

神龙二号注入器阳极杆内电子束包络测量技术

在注入器段阳极杆内不同位置进行电子束包络的测量可以为多脉冲电子束在注入器段的传输磁场配置调试提供最直接的支撑,也是研究热阴极发射性能的重要手段,测量工作具有极为重要的意义。神龙二号采用热阴极作为多脉冲电子束源的发射体,对真空的要求极高,且加热及降温周期较长,不适合频繁地破坏真空进行测量位置的调整;针对这样的特点,设计了一套可伸缩式的测量装置,结合多幅分幅相机,在不破坏真空的情况下,可以完成多个位置的束包络的时间分辨测量,在提高测量效率的基础上进一步提高了注入器的调试效率。     

强流束晕-混沌的外部磁场滑模变结构控制

 研究了周期性聚焦磁场通道中,束晕-混沌的外部磁场滑模变结构控制方法。通过选择适当的滑模函数,根据李雅普洛夫稳定性条件,推导出外部磁场的滑模变结构控制器。模拟结果表明,在控制条件下,混沌变化的束包络半径能被控制到匹配半径。将该方法应用在多粒子模型中,实施每隔一个磁场周期就调节一次磁场幅度的控制策略,可实现对初始分布为K-V分布离子束的束晕-混沌的有效控制,束平均发射度降低了80%左右,束晕强度因子变为0,束流质量得到了很好的改善,消除了束晕及其再生现象。由于外部磁场是可测和可调的物理量,控制器简单且利于实现,研究结果可为强流离子加速器中周期性聚焦磁场的设计与试验提供参考。     

带有质量分析系统的强流质子束低能传输线研究

强流质子源与低能传输线（LEBT）是作为CIADS注入器的超导强流质子直线加速器的关键前端系统。目前LEBT采用双螺线管匹配结构设计,并安装有限制锥,但仍然不能避免少量H₂+和H₃+进入后端加速装置,这对直线加速器长期运行稳定性与可靠性会产生一定影响。为此,在LEBT加入分析磁铁对混合束（H+,H+2,H₃+）进行分离再注入后端加速器腔体,将是一个有效的方案。本研究对经过带有30度分析磁铁的LEBT的强流质子束的束流品质进行了模拟与实验测量。结果表明,分析磁铁高阶磁场的影响使经过分析磁铁的强流质子束束流品质变差,并且该影响随着束流包络的增大而增大。这些结果为CIADS注入器的低能传输线设计提供了参考依据。High current proton source and the low energy beam transport(LEBT) are the key front-end systems for CIADS injector:high current proton linac accelerator. CIADS injector's LEBT adopts double solenoid matching structure, using a limit cone which can partially avoid H₂+ and H₃+ which injecting into the back-end linac accelerator may impact the long-term stability and reliability of the whole system. It will be an effective method to separate the hybrid ions (H+, H₂+, H₃+) by adding a dipole magnet at LEBT. In this article, we simulated and mesasured the high current proton beam quality behind the LEBT with a 30 degree dipole. The results show that the the proton beam quality is significantly effected by high-order magnetic fields of the dipole magnet, and the effect increases with the increase of the beam envelope. The achieved result is useful for the LEBT design of CIADS injector.     

Alignment techniques for DRAGON-Ⅰ LIA

DRAGON-Ⅰ designed and manufactured by CAEP is a linear induction accelerator which can produce a 20 MeV-3 kA-60 us electron beam. The high performance required for the machine is determined by the beam quality and thus is greatly dependent on the accelerator alignment. In order to reduce the chromatic effect of the beam, the stretched wire technique has been developed to measure magnetic axes of the cells precisely, and the dipole steering magnets have been equipped into each cell to correct its magnetic axis misalignment. Finally, the laser tracker has been used to examine the installation error of the accelerator. In this paper, different alignment techniques and the primary results are presented and discussed.     

Time-resolved measurement technique for pulsed electron beam envelope basing on framing and streaking principle

The time-resolved electron beam envelope parameters, including cross sectional distribution and beam centroid position, are very important for the study of beam transmission characteristics in a magnetic field and for verifying the rationality of the magnetic field parameters employed. One kind of high time-resolved beam envelope measurement system has recently been developed, constituted of a high-speed framing camera and a streak camera.It can obtain three panoramic images of the beam and time continuous information along the given beam profile simultaneously. Recently obtained data has proved that several fast vibrations of the beam envelope along the diameter direction occur during the front and the tail parts of the electron beam. The vibration period is several nanoseconds. The effect of magnetic field on the electron beam is also observed and verified. Beam debugging experiments have proved that the existing beam transmission design is reasonable and viable. This beam envelope measurement system will establish a good foundation for beam physics research.     

用钮扣电极测量强流直线感应加速器束流位置

 介绍了钮扣电极测量强脉冲束流位置的基本原理，以及针对钮扣电极所设计的一套模拟实验标定装置；着重介绍了钮扣电极测量束流位置的实验过程，以及在实验中所遇到的问题和对实验平台所做的改进。实验表明钮扣电极对束流位置的测量精度达到亚mm量级，对于束位置偏心测量的相对误差范围在10％以内。     

Controlling Beam Halo-Chaos by Adaptive Control Exterior Magnetic Field

In this paper, the parametric adaptive method for controlling the beam halo-chaos in the periodic focusing channels of high-current proton linacs is presented. The study of proton beam halo-chaos based on controlled beam envelope equation and the results of particles-in-ceU simulations for macro-particle beam show that the proton beam chaotic envelope as well as the beam rsm radius can be controlled to the beam matched radius using this method. For the Kapchinskij-Vladimirskij (K-V) distribution of initial proton beam, all statistical physical, quantities of the beam halo-chaos are largely reduced. This control method has an advantage of the control halo-chaos since the exterior magnetic field as controlled parameter can be rather easily adjusted in the periodical magnetic focusing channels for the experiment.