“神龙一号”加速器聚焦磁场准直

 “神龙一号”是一台正在建造中的脉冲强流加速器。这台加速器的主体由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。为获得高品质的电子束流，减小发射度的增加，抑制corkscrew的增长，聚焦磁场的磁轴准直精度要求很高。在使用激光跟踪仪对机械轴进行准直的前提下，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（tilt）进行初步校正。介绍和讨论了测试方法，测试精度以及测试结果。     

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。     

采用脉冲悬丝法测量强流加速腔聚焦场磁轴

 介绍了利用脉冲悬丝法校正、测量加速腔磁轴，以及对10MeV LIA束输运系统中40cm长聚焦线圈磁轴偏差的测量，详细描述了实验装置和实验方法。从测得的电压波形可区分出磁轴的倾斜与偏移，并可辨别出倾斜与偏移的方向，在聚焦线圈轴向磁场最强为0.072T的条件下，通过多次实验改变悬丝电流从0 .3A到3.8A，并改变电流脉冲宽度从0.3ms到1.5ms，测出了40cm聚焦线圈磁轴的偏差，并给出了磁轴偏差分布的对应波形。测试灵敏度估计为磁轴倾斜1mrad, 偏移0.2mm。     

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。     

“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。     

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.     

利用交变极性聚焦磁场抑制束质心的Corbcrew运动

提出可以利用交变极性磁场聚焦抑制Corkscrew运动，一方面可以抑制束脉冲顶部Corkscrew振荡的幅度，并提高电子束打靶位置的稳定性；另一方面通过聚焦布局的精心设计，可剔除束脉冲前后沿能散度较大的束流。数值计算结果表明，在采用交变周期为0．81m、峰值磁场设为0．2T，对能量为11．2MeV的电子束，当聚焦布局长为2．5m时，束质心位移从5mlTl(始端)被抑制至趋近于0(终端)。实验时，采用了数值计算相近的聚焦布局。     

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。     

“神龙一号”直线感应加速器物理设计

 介绍了 “神龙一号”直线感应加速器物理设计的主要考虑。“神龙一号”加速器是一台电子直线感应加速器，由3.6MeV感应迭加型注入器、72个感应加速腔、脉冲功率系统、束流输运和聚焦系统、控制系统和真空、绝缘油、绝缘气体以及去离子水系统组成。能产生20MeV、束流大于2.5kA，脉冲宽度为60ns的强流脉冲电子束，X光焦斑均方根直径为1.5mm。     

Corkscrew运动影响束流发射度的数值分析

 根据Corkscrew运动的特征，建立了束心Corkscrew运动及其对束流发射度的影响的理论模型，并进行了数值计算，揭示了束心Corkscrew运动造成束流积分发射度增长的一般规律，分析了有关参数对积分发射度的影响。计算结果显示，束心Corkscrew运动是叠加在束心平均偏轴上的一种横向运动，同时也是一种色散效应。虽然束心Corkscrew运动与束心平均偏轴具有很多相同的激励因素，但二者具有截然不同的机理。束流的能散度和初始入射角是Corkscrew运动的两个基本因素，而传输磁场、线圈磁轴倾斜及线圈安装方式对Corkscrew运动的幅度和频率构成较大的影响，并引起束流发射度的增长。只要存在初始入射角、初始入射偏轴或线圈磁轴倾斜中的任何一种因素，就会出现束心偏轴。在数值分析的基础上，针对减小束心Corkscrew运动和束轴的偏心提出了相应的抑制措施。     

强流电子束束心横向运动调谐技术研究

 介绍了为抑制“神龙一号”加速器束流束心螺旋运动而开展的强流电子束束心轨迹的调谐技术研究和实验结果。通过束质心轨迹校正调谐,使“神龙一号”输出束流脉冲50 ns平顶部分螺旋模的振幅由大于4 mm减小到小于1 mm。同时介绍了调谐原理和方法,相关的数值模拟结果与实验结果的比较以及正在进行中的计算机智能调谐研究。     

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。     

直线感应加速器束流崩溃不稳定性数值模拟

 在理论分析的基础上，开发了直线感应加速器束流崩溃不稳定性数值模拟程序。描述了利用该程序开展的研究工作，这些研究揭示了束流崩溃不稳定性的一般规律，分析了相关参数对束流崩溃不稳定性的影响，最后提出了直线感应加速器束流崩溃不稳定性抑制方法。     

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.     

Equilibrium and stability of off-axis periodically focused particle beams

A general equation for the centroid motion of free, continuous, intense beams propagating off axis in solenoidal periodic focusing fields is derived. The centroid equation is found to be independent of the specific beam distribution and may exhibit unstable solutions. A new Vlasov equilibrium for off-axis beam propagation is also obtained. The properties of the equilibrium and the relevance of centroid motion to beam confinement are discussed.     

高功率激光驱动器光束自动准直目标定位算法

为满足高功率激光驱动器光束自动准直的高精度和实时性要求,提出了一种快速高精度的自动准直目标定位算法。首先利用变结构元广义数学形态学边缘检测算法在充分提取图像边缘细节信息的同时抑制图像噪声的影响,然后采用拉格朗日多项式插值算法对圆目标轮廓进行快速亚像素定位,最后利用最小二乘拟合以及几何形心拟合的方法实现图像中光斑目标中心的精确定位。该算法在神光Ⅱ升级装置的光路自动准直中得以验证,实验结果表明八路预放光路准直时间小于3 min,主放光路准直时间小于7 min,主放输出光束近场准直准确度优于0.2%,远场指向准确度优于0.2(RMS)。     

包含波面校正的四程放大系统的准直问题研究

为了解决高功率激光系统中, 尤其是多程放大系统中波前畸变校正和光路准直之间的相互干扰问题, 针对包含自适应光学系统的四程放大系统, 利用菲涅耳衍射积分理论, 建立了310 mm×310 mm大口径光束的四程传输模型, 采用坐标扩展变换的方法解决了传统计算中同时需求近、远场高分辨率带来的计算量过大问题; 基于此模型, 比较了质心法、圆拟合法和纯相位匹配滤波等三种图像处理算法对存在波面差的光束的远场中心的处理精度; 分析了波面校正对焦斑位置的影响; 本文内容为四程放大系统准直调整方案的优化提供了重要依据. 关键词： 光束准直 坐标扩展变换 自适应光学 四程放大