中国散裂中子源π模加速器的电磁设计和分析

中国散裂中子源(CSNS)一期工程现处于调束运行阶段,未来二期工程考虑采用π模加速器将直线段能量从80 MeV升级到300 MeV,对该加速器进行了预研究。利用2D程序SUPERFISH设计出了π模加速器的单元尺寸,其中工作频率为324 MHz,β为0.4。通过3D程序CST优化了耦合系数、耦合孔的个数以及耦合孔的形状。耦合系数的设计值定为6.53%。利用尾部调谐环和7个固定调谐器将电场平整度调至2.18%,满足运行要求。     

非均匀加速结构腔间耦合系数模拟计算

电子直线加速器的聚束段对于会聚入射电子相位,提高电子直线加速器出射束流性能起着至为关键的作用. 而准确计算聚束段腔间耦合系数又是设计聚束段耦合孔几何结构的关键. 本文利用电磁场计算软件MAFIA的特征值计算模块E模块, 分别计算出单腔频率, 双腔腔链的两个本征频率,从而得到聚束段腔间耦合系数. 采用该方法,可以设计聚束段腔间耦合孔的几何参数. 与实验结果的对照表明, 这是一种非常有效的非均匀加速结构腔间耦合孔设计方法.     

双周期加速结构腔间耦合系数的模拟计算

在直线加速器加速管的设计中, 腔间耦合系数是一个关键参量, 它的误差是影响场分布误差的主要因素. 准确计算耦合系数，对于腔间耦合孔几何参数的设计十分重要. 目前, 采用电磁场计算软件进行数值模拟是计算耦合系数的主要 方法. 文献调研发现, 使用MAFIA程序计算耦合系数, 对于单周期的盘荷波导结构, 根据MAFIA程序内部电(磁)边界条件和周期性边界条件, 对应两者有行波模拟、驻波模拟两种方法计算色散曲线. 本文结合这两种方法, 对计算双周期加速结构耦合系数的方法进行了探索, 它们可得到相近的结果, 与实验测量值的差别小于15%.     

合肥光源200MeV直线加速器束流位置检测器的计算

 采用Oprea程序对合肥光源200MeV直线加速器束流位置检测器(BPM)的电磁场进行了计算，由2 D的静电场来模拟计算BPM的特性阻抗和耦合系数，采用2 D的静磁场来模拟计算其位置灵敏线性曲线。由此，进行了直线加速器束流位置检测器的优化设计，得到了4个60°电极的位置检测器。它具有非常好的线性，在位置上具有足够大的信号强度，并且较好地满足了直线加速器的几何与机械要求。     

1.6Cell光阴极微波电子枪冷测及初步高功率实验研究

介绍了清华大学加速器实验室BNL/KEK/SHI型1.6cell微波枪调谐以及老练的初步结果. 调谐过程中, 测量了耦合孔尺寸与外部品质因数之间的关系; 给出了0模和π模的频率、单腔频率以及场分布. 目前, 该微波电子枪正在进行高功率微波老练, 给出了该枪初步的微波老练的情况及测量结果.     

S波段6 MeV边耦合电子直线加速器的设计研究（英文）

近年来,对紧凑、稳定及可靠型电子直线加速器的需求越来越多,其能量主要分布在几百keV到十几个MeV的范围内,其中需求最多的则是能量在MeV量级的微波电子直线加速器。在这种形势下,中国科学院高能物理研究所正在研制一台S波段6 MeV的边耦合电子直线加速器,本文对基于该加速器的模拟计算研究进行了介绍。EGUN和HFSS分别用来设计电子枪和边耦合加速结构。通过将EGUN计算得到的电子束流参数和HFSS计算得到的三维电磁场分布数据引入到PARMELA中,完成了对该加速器的多粒子动力学研究。模拟结果显示,所设计的加速器完全能够满足设计指标的要求。最终,在考虑束流负载效应的因素后,完成了边耦合加速结构的微波结构设计。     

S波段6 MeV边耦合电子直线加速器的设计研究（英文）北大核心CSCD

近年来,对紧凑、稳定及可靠型电子直线加速器的需求越来越多,其能量主要分布在几百keV到十几个MeV的范围内,其中需求最多的则是能量在MeV量级的微波电子直线加速器。在这种形势下,中国科学院高能物理研究所正在研制一台S波段6 MeV的边耦合电子直线加速器,本文对基于该加速器的模拟计算研究进行了介绍。EGUN和HFSS分别用来设计电子枪和边耦合加速结构。通过将EGUN计算得到的电子束流参数和HFSS计算得到的三维电磁场分布数据引入到PARMELA中,完成了对该加速器的多粒子动力学研究。模拟结果显示,所设计的加速器完全能够满足设计指标的要求。最终,在考虑束流负载效应的因素后,完成了边耦合加速结构的微波结构设计。     

强流射频四极加速器耦合单元的物理设计研究

 用二维程序SUPERFISH 和三维程序MAFIA对射频四极加速器进行了计算机模拟。通过模拟，确定了射频四极加速器中工作模的射频电场的分布, 完成了射频四极加速器的耦合单元、调谐块和起始单元的设计。设计耦合单元必须使射频四极加速对干扰不敏感。对设计的方案进行了讨论和分析。     

休斯结构多间隙耦合腔的稳定性分析

基于空间电荷波理论,导出了N间隙休斯结构耦合腔中注-波耦合系数和电子注电导计算公式,通过计算耦合腔中电子注的品质因数来分析电路的稳定性.研究表明,随着间隙数目N的增加,工作模式(2π模)稳定性对直流工作电压更加敏感,同时其他寄生模式的抑制会愈加困难.以三间隙休斯结构耦合腔为例,通过合理选择工作电压,2π模可以稳定工作,通常靠近2π模的π/2模可能更容易引发自激振荡. 关键词： 休斯结构多间隙耦合腔 耦合系数 电子注电导 稳定性     

大功率辐照加速器的研制

介绍了10MeV/20kW大功率辐照加速器的设计. 该加速器采用返波型行波加速结构加速管, 综合了常规行波加速结构微波反射小、频率稳定性好和驻波加速结构分流阻抗高的优点. 加速器工作于S波段, 中心频率为~2856MHz. 利用自编的模拟程序AccDesign进行物理设计, 设计输出电子束能量为10MeV, 脉冲流强300mA, 加速管总长1.5m, 模拟计算结果显示微波至电子束的转换效率为66%. 同时利用计算机仿真程序对加速腔的温度和应力分布进行了计算, 得到了微波功率损耗对加速腔频率的影响.     

平行光子晶体波导的传输特性及应用

采用时域有限差分法研究两平行光子晶体波导的传输特性及模场分布,利用耦合模理论计算光子晶体波导的耦合系数。计算结果表明,在不同的频率范围内两平行光子晶体波导之间表现出不同的耦合特性:在高频段(0.32~0.44)(ωa/2πc)的范围内两直波导表现出相互的能量交换,实现光耦合,耦合系数随入射波 频率增加而减小;而在低频段(0.29~0.32)(ωa/2πc)的范围内,两波导的传输谱图几乎重合。最后,提出一种采用固定波导耦合长度同时实现光分束及光均分器的方案,当耦合长度取34a时,可将频率为0.333 (ωa/2πc)和 0.357(ωa/2πc)的两入射波分束传播,同时将低频段中的任意频率波进行能量均分。     

散裂中子源漂移管直线加速器功率耦合器的冷测及分析（英文）

功率耦合器是中国散裂中子源(CSNS)漂移管直线段(DTL)的关键部件之一,其耦合系数通常通过调节耦合孔尺寸得到,为了确保耦合系数达到设计值,制造了一个冷模进行耦合度的调节。在冷模测量过程中,发现了仅通过改变耦合孔尺寸耦合系数达不到目标值的问题,因此提出了一种与测量结果对比有良好仿真精度的新模型用于分析,并使用该仿真模型分析了PEFP使用的理论及影响耦合度的主要参数。最终耦合度被调节至目标值,正式件的冷测结果也表明其与仿真结果基本相同。     

圆波导-矩形波导小孔耦合定向耦合器设计

 设计了圆波导-矩形波导通过小孔耦合的定向耦合器装置,应用于高功率微波器件输出功率测量。利用弱耦合波理论分析了单孔耦合,对单孔耦合进行了理论分析和数值计算,并在HFSS中模拟了中心频率34 GHz、耦合度－40 dB的TE₀₁TE₁₀单孔耦合,将数值计算结果和模拟结果进行了对比,两者最大差值为0.4 dB, 相对误差近1%,从而证实理论分析和数值计算的正确性,证实了此种单孔耦合器不具备定向耦合的条件。在单孔耦合的基础上利用相位叠加原理详细分析了多孔定向耦合阵列原理,得出多孔耦合器且满足反向相位相消的条件才具备定向耦合;为设计此种定向耦合器提供了设计理论和参考依据。在实际加工中只要给出标定的耦合度和方向性系数就可以确定耦合孔尺寸。     

散裂中子源漂移管直线加速器功率耦合器的冷测及分析(英)

功率耦合器是中国散裂中子源(CSNS)漂移管直线段(DTL)的关键部件之一,其耦合系数通常通过调节耦合孔尺寸得到,为了确保耦合系数达到设计值,制造了一个冷模进行耦合度的调节。在冷模测量过程中,发现了仅通过改变耦合孔尺寸耦合系数达不到目标值的问题,因此提出了一种与测量结果对比有良好仿真精度的新模型用于分析,并使用该仿真模型分析了PEFP使用的理论及影响耦合度的主要参数。最终耦合度被调节至目标值,正式件的冷测结果也表明其与仿真结果基本相同。     

高阶不对称体模回旋管Denisov型准光模式变换器（英文）

详细研究了Denisov型准光模式变换器的原理和设计方法。应用几何光学理论对Denisov型开口辐射器的工作过程进行了分析,并给出了基于耦合模理论的辐射器不规则扰动段的设计方法。开发了基于耦合模理论、矢量衍射积分和物理光学法的仿真程序GQOMC-D,并将该程序的计算结果与文献报道结果进行了对比验证。利用该程序设计了一种110GHz TE22,6模回旋振荡管准光模式变换器,仿真结果显示在输出窗上得到了场型较好的高斯波束,其模式纯度为98.4%,模式变换器的能量转换效率为94.7%。     

高阶不对称体模回旋管Denisov型准光模式变换器（英）

详细研究了Denisov型准光模式变换器的原理和设计方法。应用几何光学理论对Denisov型开口辐射器的工作过程进行了分析,并给出了基于耦合模理论的辐射器不规则扰动段的设计方法。开发了基于耦合模理论、矢量衍射积分和物理光学法的仿真程序GQOMC-D,并将该程序的计算结果与文献报道结果进行了对比验证。利用该程序设计了一种110 GHz TE22,6模回旋振荡管准光模式变换器,仿真结果显示在输出窗上得到了场型较好的高斯波束,其模式纯度为98.4%,模式变换器的能量转换效率为94.7%。     

分离作用RFQ加速系统研究进展

介绍了SFRFQ加速系统的最新研究进展.为验证SFRFQ结构的抗打火性能,设计了一个高功率模型腔,进行了高功率打火实验,并最终证明了该结构的可行性.为验证SFRFQ加速器的载束性能,设计了一台长度仅为lm的600keV O+SFRFQ加速器,它将把从1MeV ISR RFQ引出的O+离子加速到1.6MeV.为解决1MeV ISR RFQ引出柬流与SFRFQ加速器的横向匹配问题,在其间插入了一个三单元磁四极透镜.SFRFQ加速器加工和1MeV ISR RFQ改造的进展顺利.     

大功率辐照加速器的研制

介绍了10MeV/20kW大功率辐照加速器的设计.该加速器采用返波型行波加速结构加速管,综合了常规行波加速结构微波反射小、频率稳定性好和驻波加速结构分流阻抗高的优点.加速器工作于S波段,中心频率为2856MHz.利用自编的模拟程序AccDesign进行物理设计,设计输出电子束能量为1OMeV,脉冲流强300mA,加速管总长1.5m,模拟计算结果显示微波至电子束的转换效率为66%.同时利用计算机仿真程序对加速腔的温度和应力分布进行了计算,得到了微波功率损耗对加速腔频率的影响.     

用于硼中子俘获治疗的FFAG加速器Lattice设计

研究设计了一种用于硼中子俘获治疗(BNCT)的紧凑型固定磁场交变梯度(FFAG)加速器。首先采用FFAG加速器磁铁的线性简化模型,计算确定了加速器的基本结构参数;再用WIN.AGILE程序进行了磁聚焦结构的设计和优化,得到了Beta函数、色散函数、包络函数及工作点等;采用MAD程序对设计结果进行了复算,并对两种程序的计算结果作了进一步的对比分析;最后采用ZGOUBI程序进行非线性磁场下粒子追踪。FFAG加速器的超周期为6,能量为11 MeV,场指数k为1.9,周长为11.1795 m,结构紧凑。分析结果表明,优化设计的FFAG加速器达到了预期的设计目标。     

直线对撞机用的RF超导多胞加速腔和陷阱模研究

为下世纪直线对撞机设计了一个9胞RF超导加速腔,其加速模的E_pk/E_acc=2.024.胞-胞间耦合系数高达1.95%.高次模通带分布均匀合理,带间无重叠,不存在陷阱模.CSE新形胞结构也保证了加速腔的机械强度.根据目前可实现的铌腔表面处理技术,束载加速梯度达到25—30MeV/m是可能的.