脉冲感应加速在环形加速器中的应用

环形加速器将射频加速单元替换为高重复频率连续运行的脉冲感应加速组元后,将具备新的性能特点和应用领域。日本高能加速器研究机构(KEK)在脉冲感应加速与环形加速器的结合方面开展了大量的研究和实验工作,通过对其相关研究的详细调研,结合在感应同步加速器实验研究中所遇到的具体问题,针对脉冲感应加速组元的固有特性对该类加速器的优势和局限进行了分析,对环形加速器中感应加速组元的发展方向提出了建议。     

MHz重频双极性脉冲感应加速组元研制

采用感应同步加速原理,能在MHz重复频率下连续运行的双极性脉冲感应加速单元可以替代传统的射频加速单元应用于环形加速器中。针对MHz重频双极性脉冲功率源设计、感应腔负载特性等关键技术开展了实验研究,研制了一套MHz重频双极性脉冲感应加速单元。相比于日本高能加速器研究机构（KEK）研制的感应同步加速单元,该加速单元对电路结构进行了优化, 在加速脉冲具备相同顶降的前提下,将加速腔纵向尺寸缩小了5倍以上,可有效改善现有脉冲感应加速单元在加速电压调节方面的局限性,提高了功率系统的稳定性,减小了组元连续运行时的功率损耗,更加适应各类环形加速器对重频脉冲感应加速组元的应用需求。     

直线感应加速器组元的双脉冲改造

 对用于单脉冲直线感应加速器的加速组元进行了双脉冲改造的初步尝试：利用传输线延时获得了双脉冲馈入；用铁氧体作为磁芯材料，在感应腔上得到了双脉冲腔压波形。结果表明，现有组元功率系统经过简单的改造，可以获得两个甚至多个脉冲输出；在伏秒值允许的范围内，铁氧体磁芯的感应腔可以感应出双脉冲波形。为以后多脉冲直线感应加速器的改造和设计提供了一个方向，也提出了一些有待解决的问题。     

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。     

直线感应加速器输运过程模拟

对直线感应加速器中电子束的输运过程进行数值模拟研究,采用了时域有限差分与粒子模拟相结合的方法。在对直线感应加速器建模的过程中,成功地使用了非均匀网格模型,实现了对加速腔精细结构的建模。并在加速间隙处加入了加速场。通过3个步骤实现了直线感应加速器加速腔中聚束磁场的模拟,最后将聚束场与加速段结合起来模拟电子束的输运过程,并对结果加以分析,验证了方法的正确性。     

直线感应加速器输运过程模拟

对直线感应加速器中电子束的输运过程进行数值模拟研究,采用了时域有限差分与粒子模拟相结合的方法。在对直线感应加速器建模的过程中,成功地使用了非均匀网格模型,实现了对加速腔精细结构的建模。并在加速间隙处加入了加速场。通过3个步骤实现了直线感应加速器加速腔中聚束磁场的模拟,最后将聚束场与加速段结合起来模拟电子束的输运过程,并对结果加以分析,验证了方法的正确性。     

猝发双脉冲直线感应加速器组元研究

在原单脉冲直线感应加速器（LIA）组元的基础上,利用电缆延时和电缆反射两种方式获得了间隔500～1 000 ns的猝发双脉冲输出。在感应加速腔上进行了双脉冲实验,获得了幅度大于200 kV、前沿小于35 ns、平顶大于60 ns的双脉冲加速电压波形。两种方式中第一个脉冲的前沿和幅度都达到了原单脉冲组元的水平,表明加速腔负载的变化对波形没有明显影响,但由于电缆对波形的损耗,第二个脉冲的幅度和前沿比第一个脉冲略差。可以利用水介质传输线来代替长电缆,减小传输线的长度及其对波形的损耗。两个脉冲间的幅度差异可以通过改变长电缆的阻抗来调节。实验表明,通过这两种猝发双脉冲的产生方式并结合加速腔磁芯的改进,可简单高效地完成原单脉冲LIA的双脉冲改造。     

猝发双脉冲直线感应加速器组元研究

在原单脉冲直线感应加速器（LIA）组元的基础上，利用电缆延时和电缆反射两种方式获得了间隔500～1 000 ns的猝发双脉冲输出。在感应加速腔上进行了双脉冲实验，获得了幅度大于200 kV、前沿小于35 ns、平顶大于60 ns的双脉冲加速电压波形。两种方式中第一个脉冲的前沿和幅度都达到了原单脉冲组元的水平，表明加速腔负载的变化对波形没有明显影响，但由于电缆对波形的损耗，第二个脉冲的幅度和前沿比第一个脉冲略差。可以利用水介质传输线来代替长电缆，减小传输线的长度及其对波形的损耗。两个脉冲间的幅度差异可以通过改变长电缆的阻抗来调节。实验表明，通过这两种猝发双脉冲的产生方式并结合加速腔磁芯的改进，可简单高效地完成原单脉冲LIA的双脉冲改造。     

猝发双脉冲直线感应加速器组元研究

 在原单脉冲直线感应加速器（LIA）组元的基础上，利用电缆延时和电缆反射两种方式获得了间隔500～1 000 ns的猝发双脉冲输出。在感应加速腔上进行了双脉冲实验，获得了幅度大于200 kV、前沿小于35 ns、平顶大于60 ns的双脉冲加速电压波形。两种方式中第一个脉冲的前沿和幅度都达到了原单脉冲组元的水平，表明加速腔负载的变化对波形没有明显影响，但由于电缆对波形的损耗，第二个脉冲的幅度和前沿比第一个脉冲略差。可以利用水介质传输线来代替长电缆，减小传输线的长度及其对波形的损耗。两个脉冲间的幅度差异可以通过改变长电缆的阻抗来调节。实验表明，通过这两种猝发双脉冲的产生方式并结合加速腔磁芯的改进，可简单高效地完成原单脉冲LIA的双脉冲改造。     

脉冲馈入方式改变对束流传输的影响

利用加速器原有的束流传输及检测系统,在单脉冲直线感应加速器上分别对双边馈入和单边馈入情况下强流束的传输情况进行了实验测量。实验结果表明：在改变加速脉冲的馈入方式后,传输过程中电子束在加速段的束心位置发生了明显改变,将对加速器的束流输运产生非常不利的影响。通过对实验数据的比较和分析,提出了传输线延时产生双脉冲可能采用的脉冲馈入方案。     

高重复率猝发高压多脉冲加速组元

详细介绍了基于形成线并联和传输线延时两种不同技术路线的MHz重复率猝发多脉冲加速组元的工作原理、应用背景和技术特点,针对现有传输线延时双脉冲加速组元的主要问题提出了一种新的猝发高压双脉冲加速组元设计思路并进行了实验验证,使双脉冲加速组元在兼顾更高稳定性和更好波形品质的同时,解决了双脉冲电压独立调节、间隔调节及单双脉冲模式转换的问题。     

脉冲馈入方式改变对束流传输的影响

利用加速器原有的束流传输及检测系统,在单脉冲直线感应加速器上分别对双边馈入和单边馈入情况下强流束的传输情况进行了实验测量。实验结果表明:在改变加速脉冲的馈入方式后,传输过程中电子束在加速段的束心位置发生了明显改变,将对加速器的束流输运产生非常不利的影响。通过对实验数据的比较和分析,提出了传输线延时产生双脉冲可能采用的脉冲馈入方案。     

Acceleration modules in linear induction accelerators

The Linear Induction Accelerator （LIA） is a unique type of accelerator that is capable of accelerating kilo-Ampere charged particle current to tens of MeV energy. The present development of LIA in MHz bursting mode and the successful application into a synchrotron have broadened LIA＇s usage scope. Although the transformer model is widely used to explain the acceleration mechanism of LIAs, it is not appropriate to consider the induction electric field as the field which accelerates charged particles for many modern LIAs. We have examined the transition of the magnetic cores＇ functions during the LIA acceleration modules＇ evolution, distinguished transformer type and transmission line type LIA acceleration modules, and re-considered several related issues based on transmission line type LIA acceleration module. This clarified understanding should help in the further development and design of LIA acceleration modules.     

双脉冲感应腔磁芯自动复位

对采用电缆延时方法的双脉冲直线感应加速器组元感应腔磁芯的自动复位进行了模拟和实验研究。利用Pspice软件对Blumlein线充电预脉冲积分的影响因素进行了模拟,将预脉冲伏秒值与主脉冲幅度之比定义为“复位脉宽”,作为评判预脉冲对感应腔磁芯复位能力的判据。不同负载情况下的高压双脉冲实验结果表明,该判据有较高的准确度,依照判据要求调节Blumlein线负载后,可在基本不影响主脉冲的前提下解决双脉冲感应腔磁芯的复位问题。     

双脉冲感应腔磁芯自动复位

 对采用电缆延时方法的双脉冲直线感应加速器组元感应腔磁芯的自动复位进行了模拟和实验研究。利用Pspice软件对Blumlein线充电预脉冲积分的影响因素进行了模拟,将预脉冲伏秒值与主脉冲幅度之比定义为“复位脉宽”,作为评判预脉冲对感应腔磁芯复位能力的判据。不同负载情况下的高压双脉冲实验结果表明,该判据有较高的准确度,依照判据要求调节Blumlein线负载后,可在基本不影响主脉冲的前提下解决双脉冲感应腔磁芯的复位问题。     

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.