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直线加速器重大改造和束流调试进展

BEPCⅡ直线加速器的重大改造旨在获得高流强、小发射度和小能散的正负电子束, 以满足对撞机亮度提高两个两级的要求. 这对直线加速器各系统和束流物理是一个挑战. 文章介绍了直接决定束流性能的新电子源、新正电子源、新微波功率源、相位控制系统和束流测量系统等的改造情况; 叙述了束流物理研究; 介绍了束流调试进展情况和进一步改进计划.     

BEPCⅡ直线加速器发射度测量

BEPCⅡ直线加速器采用改变四极磁铁励磁电流, 测量获取的束流横截面荧光图像得到束流包络, 进而通过对束流包络和励磁电流的拟合计算得到束流发射度和Twiss参数. 在BEPCⅡ直线加速器的改进过程中, 发现并解决了影响发射度测量结果准确性的多个问题, 改进了束流横截面测量方法和发射度计算方法, 提高了测量结果的准确性. 根据BEPCⅡ直线加速器的具体情况, 还编写了束流截面测量程序和发射度计算程序, 提高了发射度的测量和计算速度, 方便了发射度测量实验的使用.     

BEPCⅡ直线注入器重大改进进展

BEPCⅡ是“工厂”型的高亮度正负电子对撞机.它要求其直线注入器提供高能(1.89GeV)和强流(40mAe+,30 0mAe- )的正负电子束以实现全能量注入和高注入速率(5 0mA/min .e+) ,并要求直线注入器出口正负电子束的发射度低(1.6πmm·mrade+,0.2πmm·mrade- )、能散小(±0.5 % )以满足储存环接受度的要求.因此,必须对现有BEPC的直线注入器作重大改进,包括新电子枪及其束流调整系统、新正电子源及其磁号装置、新微波功率源及其相位控制系统、新的束流轨道和光路调整系统等.这些新系统和装置大多已完成了设计、研制、测试和试组装等,将在今年的春夏安装于隧道,并期望在年底前获得正负电子束.     

高能同步辐射光源直线加速器初期调束取得重要进展

高能同步辐射光源（HEPS）是中国第一台第四代高能同步辐射光源,其加速器由直线加速器、增强器、储存环及输运线组成。报道了HEPS直线加速器的初期束流调试重要进展。HEPS直线加速器是一台500 MeV S波段常温直线加速器,由热阴极电子枪、聚束系统、主直线加速器构成。在按时完成设备加工、安装和老练的基础上,于2023年3月9日启动束流调试,当天实现束流全线贯通。3月14日束流能量达到500 MeV,束团电荷量达到2.5 nC。经过测量,直线加速器出口束流能散0.4%,能量稳定度0.06%,水平和垂直几何发射度分别为233 nm和145 nm。目前直线加速器束团电荷量可达到7.0 nC,相关束流调试正在进行。     

“神龙一号”直线感应电子加速器

"神龙一号"加速器是一台20 MeV直线感应电子加速器. 本文介绍了"神龙一号"的物理设计、研制过程和调试结果. 物理设计主要分析了加速器研制的技术难点,并给出各分系统应达到的技术要求和具体结果. 文中重点介绍了脉冲功率系统、注入器、束流的调试情况,调试结果表明,"神龙一号"加速器输出电子束的参数为：电子能量20MeV、束流强度2.5kA、束流脉冲宽度～70ns、能散度0.64%、发射度2060mm·mrad、打靶焦斑尺寸1.2mm .     

BEPCⅡ直线加速器的误差和抖动效应

为达到BEPCⅡ 直线加速器的设计指标，系统地研究了误差和抖动(Jitter)效应对束流性能的影响。误差效应包括束流的初始偏轴和聚焦透镜偏轴导致的色差效应；束流的初始偏轴和加速结构偏轴导致的尾场效应等。主要的抖动效应包括相位漂移抖动和高频功率源中调制器电压的抖动影响等。确定了在BEPCⅡ直线加速器上对误差和抖动的限制，如来自电子枪的束流的初始偏轴应小于等于0.3 mm，加速结构和聚焦磁铁的安装误差应小于等于0.2 mm，相位漂移抖动误差应小于等于2°，调制器的电压抖动误差应小于等于0.1%。并进一步确认了必须采用相位控制系统和束流轨道校正系统，以抑制这些误差效应的影响，达到正、负电子束流能散度小于等于0.5% 和电子束束流发射度小于等于0.25 mm·mrad，正电子束束流发射度小于等于1.60 mm·mrad 的设计目标。     

BEPCⅡ直线加速器发射度测量

BEPCⅡ直线加速器采用改变四极磁铁励磁电流,测量获取的束流横截面荧光图像得到束流包络,进而通过对束流包络和励磁电流的拟合计算得到束流发射度和Twiss参数.在BEPCⅡ直线加速器的改进过程中,发现并解决了影响发射度测量结果准确性的多个问题,改进了束流横截面测量方法和发射度计算方法,提高了测量结果的准确性.根据BEPCⅡ直线加速器的具体情况,还编写了束流截面测量程序和发射度计算程序,提高了发射度的测量和计算速度,方便了发射度测量实验的使用.     

神龙一号加速器调试

介绍了神龙一号直线感应加速器脉冲功率系统、注入器、束流输运系统、轫致辐射转换靶的调试情况, 给出了调试结果, 并对下一步工作进行了展望. 调试结果表明, 神龙一号加速器全面达到设计指标.     

HLS-Ⅱ直线加速器能量调节及应用

为了高效地对直线加速器输出束流能量进行调节,设计了合肥光源（HLS-II）直线加速器束流能量调节方案。该方案在调试阶段通过能谱分析系统观察束团状态并测量束流能量,储存环注入阶段使用3个束流位置探测器（BPM）对束流能量进行在线测量;使用自动相位扫描程序对速调管输出相位进行扫描,获得各加速段的能量增益公式;定量调节速调管的输出相位和高压,实现直线加速器输出束流能量的快速调节。在线应用结果表明,该方案能快速实现束流能量调节,调节后的束流具有良好品质,束流横向能散小于0.22%,注入速率明显改善。     

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．     

神龙一号加速器调试

介绍了神龙一号直线感应加速器脉冲功率系统、注入器、束流输运系统、轫致辐射转换靶的调试情况,给出了调试结果,并对下一步工作进行了展望.调试结果表明,神龙一号加速器全面达到设计指标.     

电子直线加速器束流动力学的三维理论和计算

本文提出了电子直线加速器束流动力学计算的三维理论。将注入的脉冲束流划分为等电荷的环,追踪这些环在三维几何空间的运动,并在六维相空间内讨论束流的性能,给出束流在(r,p_r),(rθ,p_θ),(z,p_Z)三个相平面上的图象以及均方根发射度的数值。本文还介绍了应用三维理论的实例计算结果,并对影响径向发射度的因素作了讨论。     

100 MeV电子直线加速器的物理设计

 能量为100 MeV左右的高性能电子直线加速器是第三代同步辐射光源注入器和自由电子激光注入器的重要组成部分,采用热阴极栅控电子枪、聚束系统和4根SLAC型加速管作为加速器主体结构,一套45 MW的速调管调制器系统和波导系统作为微波功率源系统。设计中,使用了国际通用的模拟软件对加速器的动力学特性进行了数值模拟和参数优化,电子束能量达到100 MeV以上,能散小于1%,归一化发射度小于30 mm·mrad。     

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。     

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.     

BEPC II直线加速器数字BPM前端调理电路的研制

针对北京正负电子对撞机改造工程（BEPC II）直线加速器束流位置测量电子学系统故障率上升这一现状,结合BEPC II直线加速器束流参数以及BPM电子学ADC芯片带通采样的需求,设计了隔离度高、幅相一致性好的数字BPM射频前端电子学模块。数字BPM电子学系统采用MicroTCA 4.0系统架构,以FPGA作为主控制器,基于EDA软件开发设计。重点介绍了射频前端电子学模块中射频功率放大器、数字可调衰减器、带通滤波器等设计和实验室及在线测试结果。BEPC II对撞模式下,使用正电子束流,完成电子学系统在线测试,x方向位置测量精度约为38.46 μm,y方向位置测量精度约为26.16 μm,其测量精度和系统稳定性优于商用模拟BPM电子学模块,能够满足BEPC II直线加速器束流位置测量需求。     

BEPCⅡ直线加速器的双脉冲加速研究

 为了将BEPCⅡ直线加速器的正电子注入速率提高到单脉冲运行时的两倍左右, 提出了双脉冲产生和加速的方案。对BEPCⅡ直线加速器双脉冲加速的束流动力学进行了模拟, 首次给出了双脉冲的模拟方法。此外, 还在BEPCⅡ直线加速器上进行了双脉冲加速的初步实验研究, 为以后BEPCⅡ直线加速器的进一步改造提供了参考。     

神龙一号加速器束参数测量

文章全面介绍了在神龙一号直线感应加速器的研制过程中, 发展的一系列束参数测量手段. 光测方面, 介绍了利用光学渡越辐射和切伦柯夫辐射测量束剖面、发射度、能散度的工作; 电测方面, 介绍了利用电阻环、磁探针、纽扣电极方法测量束位置和强度, 以及利用返磁回路方法测量束流均方根半径的工作. 这些工作极大地提高了束流测量的水平.     

“神龙一号”加速器束流输运系统研制

文章系统介绍了“神龙一号”直线感应加速器束流输运系统的研制过程和取得的成果, 重点阐述了螺线管线圈、二极校正线圈、多功能腔等关键单元部件的设计、传输元件的磁轴测量和准直安装、束线的总体布局、束流调试等研究内容. 束流调试结果表明, 该束流传输线的设计是成功的, 并且具有较宽的动态适应范围. 最后, 结合束流调试的经验, 提出了一些建议供以后工作参考.