中国散裂中子源直线射频功率源系统的研制

中国散裂中子源加速器质子束流加速能量为1.6 GeV,重复频率为25 Hz,撞击固体金属靶产生散射中子,一期工程的打靶束流功率为100 kW。直线加速器的设计束流流强为15 mA,输出能量为81 MeV。射频加速和聚束系统包括一台射频四极场加速器、中能束流传输线的两个聚束器、四节漂移管直线加速器加速腔和直线-环束流传输线的一个散束器,与之相对应,共有8个单元在线运行的射频功率源为其提供所需的射频功率。目前,直线射频功率源系统预研项目已全部完成,各项性能参数均已达到设计指标,当前正处在批产安装调试阶段。151013     

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。     

CiADS束流负载效应前馈补偿的仿真评估

在高功率超导质子直线加速器中，束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型，开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序，分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响，并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序，评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度，以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下，为满足超导腔中电磁场0.1%与在高功率超导质子直线加速器中，束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型，开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序，分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响，并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序，评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度，以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下，为满足超导腔中电磁场0.1%与$0.1^{\circ}$的幅相稳定度指标，前馈时序抖动的偏差不能超过0.79 μs，束流流强的直流偏差不能超过0.9%，并且给出了束流纹波的最大抖动幅值与纹波频率之间的关系。这些结果将为CiADS超导直线加速器相关子系统技术指标的确定提供依据。     

1.5MeV直线感应加速器的初步调试

本文介绍了新近在中国工程物理研究院建成的一台直线感应加速器。这台加速器由六个250kV的加速组元构成。其中四个用于构成电子源,另外两个用作后加速。输出电子束能量为1.5MeV,束流2—3kA,束脉冲宽度90ns,束的非归—化均方根发射度70mrad-cm。     

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。     

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。     

神龙二号加速器及其关键技术北大核心CSCD

神龙二号加速器是一台以M H z 猝发率猝发工作的三脉冲直线感应电子加速器.该加速器输出的三脉冲电子束,相邻两脉冲间最小时间间隔300 n s ,而且可调,每个脉冲电子束的电子能量1 8 -20 M e V 、束流强度大于等于2 k A .当电子束与轫致辐射转换靶相互作用时,可产生三个强X 光脉冲,X 光斑点尺寸小于等于2 m m （ F W H M ）,距靶1 m 处照射量大于等于7 . 7 4 × 1 0^- 2C /k g （ 0 0 R ）.该加速器涉及的主要关键技术包括三脉冲功率源设计、三脉冲强流高品质电子束源的产生、加速场建造、束流传输线设计、轫致辐射转换靶设计、测量与诊断技术等.     

SXFEL阻抗壁尾场对束流相空间畸变的影响

X射线自由电子激光器（FEL）由于其超高亮度、超短脉冲等特点,在世界范围内得到广泛应用。 基于尾流场理论,我们计算了上海X射线自由电子激光器（SXFEL）中从直线加速器出口到波荡器末端,束流在245 m不锈钢传输线和波荡器中的阻抗壁尾场。通过对两种不同的阻抗壁尾场的叠加,发现将导致束流纵向相空间的畸变。在SXFEL上进行束流物理的实验,并得到与理论预测非常吻合的实验结果。 结合之前对主要直线加速器部分的详细模拟和实验研究,为后续FEL整体束流优化提供了参考。     

SXFEL阻抗壁尾场对束流相空间畸变的影响（英文）

X射线自由电子激光器（FEL）由于其超高亮度、超短脉冲等特点,在世界范围内得到广泛应用。基于尾流场理论,我们计算了上海X射线自由电子激光器（SXFEL）中从直线加速器出口到波荡器末端,束流在245 m不锈钢传输线和波荡器中的阻抗壁尾场。通过对两种不同的阻抗壁尾场的叠加,发现将导致束流纵向相空间的畸变。在SXFEL上进行束流物理的实验,并得到与理论预测非常吻合的实验结果。结合之前对主要直线加速器部分的详细模拟和实验研究,为后续FEL整体束流优化提供了参考。     

ADS注入器Ⅱ热冲击损伤研究(英文)

由于束流脉冲无法控制而引起直线加速器的热冲击损伤是造成加速器无法完成聚束及偏转的主要因素,而对热冲击进行定量的热应力评估可以有效地避免RFQ、超导腔以及其他加速元件等加速器设备的损伤,这在研制强流直线加速器的过程中至关重要。本研究引用一种新颖的计算方法定量分析整个注入器的热冲击损伤并明确了三种不同材料高纯铌、无氧铜和不锈钢对应的加速器件的热冲击的特征。基于有限元方法对瞬态热应力进行分析,得出三种不同材料对应的加速器件在入射角度为90度时的温度分析结果。对于所研制的注入能量低于10 MeV的强流直线加速器来讲,得到可允许的入射时间为20μs。     

基于激光等离子体加速的自由电子激光研究新进展

激光等离子体加速器能够在cm尺度内产生GeV量级的高品质电子束,为研制台式化自由电子激光提供驱动源。但是受限于激光等离子体加速中的难点和现有技术发展,电子束的品质难以达到自由电子激光的需求,尤其在稳定性、发散角和能散等方面,阻碍了台式化自由电子激光的研制。介绍了基于激光等离子体加速器的自由电子激光的最新进展,整理了目前高增益自由电子激光实验过程中存在的主要挑战和对应的解决方案与实验进展,并展望未来的发展方向。最近的研究结果证明,通过控制和优化激光等离子体加速器的注入和加速过程产生的高品质电子束可以在指数增益区域实现自发辐射放大,产生高增益的辐射,这也推动基于激光等离子体加速器的自由电子激光研究进入了一个新的阶段。     

A massive-ion beam driver for high-energy-density physics and future inertial fusion

Several heavy ion drivers for heavy ion inertial fusion have been proposed in the US and Europe, based on linear induction accelerator technology [1] and existing RF technology [2], respectively, although they have not been realized on a large scale. Developing accelerator technology may provide an alternative efficient, robust, and relatively cheap massive-ion beam driver for future particle beam inertial fusion. Here, we propose an accelerator complex for accelerating giant cluster ions, instead of lead or bismuth ions, toward 120 GeV by using induction acceleration over the entire energy region. The proposed two-way multiplex induction synchrotron that is the main accelerator for the giant cluster ion beam would be equivalent to 10 synchrotrons of the same size for a single beam.     

介质壁加速器加速场建立过程中波传输分析

 介绍了介质壁加速器(DWA)的原理和几种可能实现的结构。通过对多层介质圆柱的平面波电磁散射的研究,用FORTRAN语言编写程序计算和分析了DWA加速管三层介质柱体结构的平面波电磁散射的散射宽度与几何结构参数、材料参数的关系,用以优化设计介质壁加速管结构。计算结果表明：当加速管材料和等势环介电常数一定时,平面波电磁散射宽度随半径增大而增大;当加速管内外径一定时,加速管材料和等势环介电常数增大时散射宽度变化不明显,但最小散射宽度显著减小。当加速管半径和材料一定时,总能找到使散射宽度达到最小的等势环介质厚度。     

利用电压异步调节束流能散度

对直线感应加速器加速电压的同步性对束流能散度的影响进行了分析,结果表明:考虑束流负载效应后,束流的不同部分将得到不同的能量增益,前后沿部分相对于平顶部分得到更多的能量增益,从而在一定程度上增加整个束流的能散度,限制了加速器光源尺寸的进一步减小。因此,提出利用调节加速电压异步的方法来调节束流不同部分得到的能量增益,从而在一定程度上降低整个束流脉宽期间的能散度。初步的试验结果也证明,加速电压的异步调节可以明显改变束流整体的的能散度。     

Effect of photoconductivity and dielectric constant of the photorefractive materials on two-beam coupling gain and phase-shifts for a single unidirectional photorefractive ring resonator

Photoconductive dependence of two-beam coupling between the pump beam and the signal beam in photorefractive materials have been analyzed in case of non-degenerate wave mixing under the undepleted pump approximation method. During the two-wave mixing in photorefractive materials, steady state amplification of the signal beam and oscillation characteristics of a single unidirectional ring resonator has been studied. The domination of the two-beam coupling gain over the combined absorption and resonator losses such as Fresnel reflections from the crystal and imperfect mirrors builds up unidirectional oscillation. The buildup of such an oscillation leads to a saturation of the gain, which can be explained in terms of the photorefractive phase-shift. The existence of this phase-shift between the photorefractive index grating and the illumination intensity pattern, which is of characteristic of the photorefractive effect, leads to an energy transfer between the two beams. For a single unidirectional ring resonators, the effects of photoconductivity of the materials, two-beam energy coupling coefficient, dielectric constant, crystal thickness, and material's absorption coefficient on amplification of the two-beam coupling gain and photorefractive phase-shifts of the signal beam have also been studied in detail. It has been found that amplification of the signal beam and phase-shift can be enhanced by taking the photorefractive crystal having higher photoconductivity and lower dielectric constant, which improves performance of the resonators.     

Influence of spatiotemporal coupling on the capture-and-acceleration-scenario vacuum electron acceleration by ultrashort pulsed laser beam

This paper investigates the properties of the ultrashort pulsed beam aimed to the capture-and-acceleration-scenario (CAS) vacuum electron acceleration. The result shows that the spatiotemporal distribution of the phase velocity, the longitudinal component of the electric field and the acceleration quality factor are qualitatively similar to that of the continuous-wave Gaussian beam, and are slightly influenced by the spatiotemporal coupling of the ultrashort pulsed beam. When the pulse is compressed to an ultrashort one in which the pulse duration T_FWHM <5T₀, the variation of the maximum net energy gain due to the carrier-envelope phase is a crucial disadvantage in the CAS acceleration process.     

Overview of plasma-based accelerator concepts

An overview is given of the physics issues relevant to the plasma wakefield accelerator, the plasma beat-wave accelerator, the laser wakefield accelerator, including the self-modulated regime, and wakefield accelerators driven by multiple electron or laser pulses. Basic properties of linear and nonlinear plasma waves are discussed, as well as the trapping and acceleration of electrons in the plasma wave. Formulas are presented for the accelerating field and the energy gain in the various accelerator configurations. The propagation of the drive electron or laser beams is discussed, including limitations imposed by key instabilities and methods for optically guiding laser pulses. Recent experimental results are summarized     

光子晶体耦合波导实现光开关效应的研究

提出了一种基于光子晶体耦合波导实现光开关效应的方法:将线缺陷引入二维光子晶体以形成两平行的邻近波导,两邻近波导及其中间的两排介质柱构成了光开关模型耦合区;利用平面波展开法计算了不同介质填充率情况下的色散特性.结果发现:减小介质填充率可以实现波导耦合长度的减小;分段调整中间介质柱的填充率和选择不同的耦合搭配长度,定向耦合...     

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.     

介质壁加速器尾场阻抗的模拟计算

为了研究尾场效应引起的束流不稳定性,建立了由非对称Blumlein脉冲形成线、导体层和微堆层构成的介质壁加速器单元模块模型,用有限积分法对强流电子束在此结构中产生的尾场进行了计算,分别计算单组元和2组单元加速模块中的尾场势和尾场阻抗。从模拟的结果来看,x,y方向的尾场势和尾场阻抗都很小,束流尾场对横向的影响比较小。z方向的尾场势和尾场阻抗影响较大,尾场阻抗达到100Ω量级。证明了由于介质壁加速器结构在加速腔长度和束流通过路径的连续性方面都具有很大的优势,横向阻抗小,束流尾场效应在束流不稳定性方面的影响相对较小,束流传输时的要求也会降低。