双平面多圈注入模拟优化程序TPIS的初步开发与验证

为满足短时间内达到高累积流强要求,HIAF/BRing采用了一种新的注入方法--双平面相空间多圈注入。该注入方法与传统单平面多圈注入方法不同,而且在国际上是首次在实际项目中采用,尚无实际运行经验。因此,对注入过程进行程序模拟研究是验证双平面多圈注入方案可行性的必要手段。为详细模拟研究BRing双平面多圈注入过程,并克服已有程序跟踪速度较慢且注入参数修改不便的缺点,本文根据双平面多圈注入的特点,建立了双平面多圈注入模型,编写了双平面多圈注入模拟优化程序TPIS（Two-Planemultiturn Injection Simulation）。通过与ORBIT程序模拟结果对比,验证了TPIS程序模拟双平面多圈注入过程的正确性。在此基础上,在TPIS程序中加入了粒子群优化算法,并对BRing注入参数进行了优化。结果表明,TPIS程序可以对注入参数进行有效优化,经过优化后,束流损失减少了28%,最终剩余累积粒子数满足BRing的流强设计指标要求,进一步验证了双平面多圈注入设计的可行性。     

HIAF-BRing束团合并过程中的束流负载效应模拟

强流重离子加速器HIAF-BRing在加速完成后进行束团合并，为研究BRing中的束流负载效应对束团合并的影响，对238U35+束流进行了粒子跟踪模拟。模拟结果显示，在束团合并过程中，束流负载效应引起束团长度和束团中心位置的振荡，导致束流动量分散和束团长度的增长。束团合并过程中尾场电压以及不同束团间尾场的耦合导致的势阱畸变，是引起束团长度和束团中心振荡及束流发射度增长的原因。为了降低束流负载效应的影响，采用多谐波前馈系统进行补偿，达到了补偿束团合并过程中的束流负载效应的目的，从而确保了BRing中引出束流的品质，同时根据模拟结果确定了前馈系统需要覆盖的频率范围和需要补偿的最大尾场电压。     

300 MeV质子重离子同步加速器慢引出动力学研究

300 MeV质子重离子同步加速器是SESRI(空间环境模拟研究装置)的重要组成部分，慢引出系统动力学研究是该同步环设计的关键。引出系统采用三阶共振慢引出与RF-Knockout(RF-KO)方案为终端提供2～8 s准连续束，在引出静电偏转板处利用3-bump局部凸轨可适当调节螺距和引出角度，但同时也会减小水平工作点，缩小相空间稳定区面积，影响束流正常引出。模拟结果表明，凸轨内二极磁铁和六极磁铁会引起水平工作点减小，造成引出初始阶段粒子大量溢出。因此，基于自主编写的粒子追踪程序SESP对束流时间结构进行了分析，并通过优化激励调幅曲线改善了束流时间结构的均匀性。     

强流重离子加速器装置的增强器慢引出系统（英文）

中国科学院近代物理研究所承担的强流重离子加速器装置目前已进入了初步设计阶段。增强器作为该装置的主加速器,可利用双向涂抹技术将~(238)U~(35+)束的粒子数累积至1.0×10~(11),并将其从注入能量为17 MeV/u加速至高能量,引出能量的范围为200-835 MeV/u。为了提供s量级的准连续束以开展辐照实验,增强器中设计了慢引出系统,该系统将采用三分之一共振与RF-knockout的引出方法。同步加速器中有两种不同种类的六极磁铁,用于实现色品校正与共振驱动,并在设计中考虑了两者能同时运行并互不影响。针对增强器中不同引出能量的~(238)U~(35+)束,对其相应的稳定接受度模拟结果进行了比较,并给出了在引出静电偏转板处的光学匹配参数,这将为增强器中重离子束的慢引出及放射性次级束流分离器的入口光学设计提供重要的理论依据。     

BRing中电荷交换引起的束流损失分布模拟计算

在强流重离子加速器运行中,带电粒子与真空管道中的残余气体分子相互作用发生的电荷交换反应是影响重离子束流寿命的关键因素。这种电荷交换过程导致的束流损失将解吸出真空管壁上吸附的气体分子,进而引起真空压力的动态变化,将严重影响加速器的稳定运行和最终束流引出流强。中国科学院近代物理研究所将在广东省惠州市建造的强流重离子加速器装置（High Intensity heavy-ion AcceleratorFacility,简称HIAF）利用增强器（Booster Ring,简称BRing）提供束流流强高达2×1011 ppp的238U35+用于核物理及原子物理等实验研究。对强流重离子加速器BRing中238U35+束流发生电荷交换反应,损失一个电子成为238U36+的过程进行了追踪模拟,计算得到了U36+损失前的运动径迹和全环粒子损失位置分布,模拟结果显示U36+受到色散元件的影响,将集中损失在位于二极磁铁后的漂移节区域中。基于模拟结果,在束流损失位置处设计安装由低解吸率材料制作的准直器,优化设计后的准直效率高达95%以上;并模拟计算了有无准直器时真空压力和束流流强的变化,安装准直器后BRing的平均真空度变化小于10%,将确保BRing加速器的稳定运行。During heavy ion accelerator operation, the charge exchange effect between ions and residual gas molecules is the key factor to influence beam lifetime. The charge exchange process has ions lost on the wall and leads to a dynamical vacuum change, which will seriously affect the accelerator operation and reduce the extraction beam intensity. The Institute of Modern Physics' future project, called High Intensity heavy ion Accelerator Facility (HIAF), will be built in Huizhou city, Guangdong Province, China. The Booster Ring (BRing) will provide 2×11 ppp 238U35+ for nuclear physics experiments. This article studies the track of particle U36+ before impacting on the wall, which is the reference particle U35+ losing one electron, and gets the U36+ loss distribution along the BRing. The simulation result shows that U36+ will be influenced seriously by dispersion elements, and will be lost in the drift sections after the dipoles. Collimators made out of materials with low desorption will be installed in the particles lost positions. The collimator efficiency after optimization can be larger than 95%. It also shows BRing average pressure change and beam intensity change between collimators on and off. The result points out that the BRing average pressure change will be less than 10% with collimators on, which makes BRing operate stably.     

HIAF-CRing 中的俘获加速效率研究(英文)

以HIAF-CRing上典型离子238U34+为研究对象,对其纵向俘获和加速的动力学过程进行了研究。累积后的粒子能量为800 MeV/u, 经过绝热俘获和加速后,粒子被加速至1 130 MeV/u。研究结果表明,通过选择适当的俘获时间、绝热参数以及相空间面积因子等参数,应用优化后的高频俘获加速曲线,可以获得更高的俘获和加速效率。通过粒子纵向动力学追踪软件ESME 上进行模拟,得到了优化后的高频相位、高频电压曲线,使得俘获效率达到99.3%,加速效率近乎100%。同时确定出了CRing 高频腔加速U34+ 所需满足的特性参数,即电压需达到40 kV,频率范围是0:31s0:34 MHz。To reduce the beam loss during the capture and acceleration processes of CRing in HIAF project, the longitudinal beam motion is investigated using the typical ion of 238U34+during the two processes mentioned above. The ions will be captured adiabatically firstly and then will be accelerated from 800 to 1130 MeV/u with a high efficiency using optimized RF voltage and RF phase program. After that the bunched beam will be debunched for the later beam compression. Simulation of these processes by tracking appropriate distributions with the longitudinal beam dynamics code ESME has been used tofind optimum parameters such as RF phase, RF voltage. The variation of the parameter during the RF cycle and the character parameters of the RF cavity are presented.      

IH型漂移管直线加速器的束流动力学研究（英文）

为了提高兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）的运行效率、改善加速器输出束流品质,并实现几个加速装置分时供束,提高整个重离子加速装置的利用率,特为（HIRFL-CSR）增建一台新的注入器--CSRLINAC。在108.48 MHz的RFQ之后的CSR-LINAC主加速段,主要由一台108.48 MHz和两台216.96 MHz的IH型漂移管直线加速器组成,用于加速荷质比为1/8.5~1/3之间的重离子,其最大的束流流强为3 mA,并将粒子从0.3 MeV/u加速到3.71 MeV/u。运用KONUS动力学原理,在满足设计指标的情况下,首先利用TraceWin程序进行中能束线MEBT设计,后针对高频腔体设计和束流匹配的基本参数的系列讨论,特别是对CSR-LINAC的中能束流匹配线、参数选择和IH型KONUS结构的漂移管直线加速器进行设计模拟优化。最终得出,在保证腔体设计指标和95.3%的传输效率的情况下,该紧凑型直线加速结构经过三个腔体的加速后,束流的纵向归一化均方根发射度增长仅有25%;同时发现,当流强达到3 mA时,存在空间电荷效应,导致其纵向相宽增长约25%,最大横向包络也存在16.5%的涨落。In order to improve the operation efficiency of the Cooling Storage Ring of Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL-CSR), a heavy ion linac (linear accelerator) was proposed and designed as a new injector for HIRFL-CSR. Following the 108.48 MHz Radio-Frequency Quadrupole (RFQ), three tanks in total with Interdigital H-mode drift tube linac (IH-DTL) structure are installed to boost the beam energy from 0.3 to 3.71 MeV/u, and the beam current of ions with charge-to-mass ratio from 1/8.5 to 1/3 can reach to 3 mA. The first tank operatesat the same frequency as the RFQ, and the rest two operate at 216.96 MHz. The “Combined Zero-Degree Synchronous Particle Structure” (KONUS) beam dynamics was used in the beam dynamics design. The overview of the physics design on the main accelerating components, including RF design and beam dynamics design are introduced in this paper. The optimized structure design, fabrication status and simulation results are presented in this contribution. It shows that under the condition of assurance of 95.3% transmission efficiency, the normalized rms emittance is about 25%. When the beam current is up to 3 mA, owing to the space charge effect, the increase of longitudinal phase spread and transverse envelope are about 25% and 16.3%, respectively.     

放射性次级束流分离器的分离性能北大核心CSCD

放射性次级束流分离器(HFRS)是强流重离子加速器装置(HIAF)上开展放射性次级物理研究的重要装置。HFRS是飞行时间型(PF)碎片分离器,具有大磁刚度、大接受度、大孔径磁铁以及高动量分辨的特点。HFRS采用Bρ-ΔE-Bρ方法纯化弹核碎裂或裂变反应产生的放射性核素,是开展高精度储存环内实验及环外实验研究的重要工具。主要介绍HFRS分离纯化奇异核的能力,采用MOCADI程序模拟单降能器与双降能器下典型弹核碎裂反应和裂变反应中粒子的鉴别和纯化。模拟结果表明:HFRS具有很好的消色散和聚焦特性,对于弹核碎裂反应中轻核的分离采用单降能器系统即可得到很好的纯化效果;而弹核碎裂反应中重核的分离则需采用双降能器系统才可得到很好的纯化效果;对于裂变反应,由于裂变反应的能散较大,则在采用双降能器系统时也仅仅能得到一定的纯化效果。     

HIRFL-CSRm冷却束流寿命

实验研究了HIRFL-CSRm中电子冷却装置对C6+,Ar15+两种束流寿命的影响。首先,通过对比实验的测量确定电子冷却可以有效提高束流寿命;其次,探究了电子冷却装置中的各项参数（主要是电子束密度分布、流强、能量、绝热展开因子）是如何影响束流寿命的,通过改变电子束参数,测量束流寿命的变化趋势和规律,并且结合电子冷却相关理论对实验结果给予解释,最终通过实验优化和确定最佳的冷却装置参数,使束流在HIRFL-CSRm上获得了较高的寿命,从而提高HIRFL-CSRm束流累积过程中的流强增益。     

空间辐射地面模拟装置(SESRI)同步加速器注入设计和模拟研究

国家"十二五"工程将在哈尔滨工业大学建造一台空间辐射地面模拟装置（SESRI）,该装置能够模拟空间辐照环境,对研究离子辐照材料、生命体等具有重要意义。SESRI主要由双ECR离子源,直线注入器,同步环和3个高能实验终端组成。周长为43.9 m的同步环作为装置的核心部分,能够向3个实验终端输送离子种类多、能量范围广的粒子束。为了保证环内有足够的粒子数,注入系统的设计至关重要,SESRI同步环采用多圈注入方案,并利用ACCSIM程序模拟粒子真实运动情况。结果表明,粒子的注入效率为85.5%,离子数增益可达17.1,可满足设计要求。Space Environment Simulation and Research Infrastructure (SESRI), which is one of the large-scale scientific projects proposed in National Twelfth Five-Year Plan of China, will be constructed in Harbin Institution of Technology. The SESRI project dedicated to space radiation consists of two ECR ion sources, a high intensity ion linac, a synchrotron and 3 research terminals. As the key part of the complex, a 43.9 m synchrotron can provide broadest energy range and variable ion beam for each terminal. To obtain required intensity in the synchrotron, the injection system is significant. A multi-turn injection scheme is adopted in the synchrotron and the injection process is simulated by ACCSIM with multi-particle tracking method. The results show that the injection efficiency and intensity gain factor can reach 85.5% and 17.1 respectively. The multi-turn injection system can meet the design requirement.