强流AVF型迴旋加速器中的空间电荷效应和束晕

详细推导了AVF型迴旋加速器中束团粒子在曲线坐标系中的动力学方程(考虑和不考虑空间电荷相互作用力两种情况).在假定动力学方程中各参数值的前提条件下,用Lunge-Kutta方法对考虑空间电荷时的动力学方程进行了数值计算.结果表明,束晕的形成和发展同样也是强流迴旋加速器中束流损失的一个主要原因.但束晕形成的机制不同于直线加速器的情况,它不是由共振和混沌引起,而是由于粒子的排斥运动和束团内粒子的涡流运动引起的.     

强流AVF型騒旋加速器中的空间电荷效应和束晕

详细推导了AVF型験旋加速器中束团粒子在曲线坐标系中的动力学方程(考虑和不考虑空间电荷相互作用力两种情况).在假定动力学方程中各参数值的前提条件下,用Lunge-Kutta方法对考虑空间电荷时的动力学方程进行了数值计算.结果表明,束晕的形成和发展同样也是强流験旋加速器中束流损失的一个主要原因.但束晕形成的机制不同于直线加速器的情况,它不是由共振和混沌引起,而是由于粒子的排斥运动和束团内粒子的涡流运动引起的.     

100MeV强流质子回旋加速器高频腔公差研究

针对中国原子能科学研究院正在设计的IOOMeV强流质子回旋加速器,研究并提出高频腔公差.高频腔的误差包括加工安装的误差和重力引起的D板变形.加工安装误差的存在干扰束团的径向和轴向运动,用理论分析和数值模拟相结合的方法给出加工安装的公差;D板的重力变形引起加速间隙的轴向错位从而使束团产生轴向的相干振荡,计算结果表明目前结构的D板变形在允许范围内     

强流AVF型Hui旋加速器中的空间电荷效应和束晕

详细推导了AVF型Hui旋加速器中束团粒子在曲线坐标系中的动力学方程（考虑和不考虑空间电荷相互作用力两种情况）,在假定动力学方程中各参值的前提条件下,用Lunge-Kutta方法对考虑空间电荷时的动力学方程进行了数值计算,结果表明,束晕的形成和发展同样也是强流Hui旋加速器中束流损失的一个主要原因,但束晕形成的机制不同于直线加速器的情况,它不是由共振和混沌引起,而是由于粒子的排斥运动和束团内粒子的涡流运动引起的。     

100MeV强流质子回旋加速器高频腔公差研究

针对中国原子能科学研究院正在设计的100MeV强流质子回旋加速器, 研究并提出高频腔公差. 高频腔的误差包括加工安装的误差和重力引起的D板变形. 加工安装误差的存在干扰束团的径向和轴向运动, 用理论分析和数值模拟相结合的方法给出加工安装的公差; D板的重力变形引起加速间隙的轴向错位从而使束团产生轴向的相干振荡, 计算结果表明目前结构的D板变形在允许范围内.     

麦克米伦（McMillan．Edwin Mattison，1907-1991）美国物理学家（Physicist．America）

20世纪40年代，建成的回旋加速器已很大，粒子被加速到很高的速度，相对论质量增加很显著。质量增加会引起速度减慢，并使粒子和原先加速它的作用不能同步。这样，带电粒子上所得到的能量就不能超过某个上限。麦克米伦等人在1945年提出了一种对付这种质量增加的有效方法，以使加速粒子的周期性电场和粒子运动保持同步，这便导致了同步回旋加速器的出现。     

直线加速器中的非线性空间电荷效应和发射度增长

直线加速器中束团的非线性空间电荷效应是引起发射度增长的重要原因之一.根据计算在屏蔽筒中非均匀分布京团的空间电荷效应的普遍方法,推导了直线加速器圆波导中几种非均匀分布束团的非线性场能公式,并给出数值计算结果.讨论了由非线性所引起发射度增长.     

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。     

束流传输管道孔径变化引起的束团场能差

由直线加速器提供的用于自由电子激光(FEL)的电子束团,在其传输过程中常会遇到传输管道孔径变化的情况.本文在电荷密度均匀分布假定下,应用直线加速器中空间电荷束团的有限长柱模型,推导得到了束流传输管道孔径变化引起的束团场能变化及场能差公式.数值计算结果表明,它与国外以往所采用的以连续束流来代表直线加速器中电荷束团而得到的结果,有很大的差别,并且是更符合直线加速器中的电荷束团的实际情况,因而是更精确和可靠的.     

普物教材中的一个插图

目前我国《普通物理学》教材的几个通用版本[1],[2],[3],[4],在阐述回旋加速器时所用插图,都是把带电粒子在两个D形电极内加速回旋时的两相邻圆轨道半径增量△R,看成是恒量而绘制的.其实粒子圆轨道半径的增量△R不是恒量,而是随着粒子加速次数n的增加而递减的变量.因此它的加速运行轨道应如图所示. 设一质量为m的粒子,经第n次加速后的回旋半径和速度分别为Rn和vn,则两相邻圆轨道的半径增量△R应为式中B为回旋加速器给定的磁感强度,e为粒子电量.显然,(1)式右端的分子,正是粒子经第n次加速后的动量变化.它应为 th(。一,.l)。F’t。 (2式中…     

Effects of the Space Charge Forces and the Beam Halo in an AVF Cyclotron with Intense Beam Currents

The equations of motion of particles in an AVF cyclotron in a curvilinear coordinate system are derived for the cases with and without space charge forces. Assuming a set of the parameter values in the equations, numerical calculations are carried out by using Lunge-Kutta methods in the case with space charge forces. The results show that the formation of the beam halo is also a main reason of the beam losses, but the mechanism here is different from that in a linear accelerator. It is not given rise by resonance and chaos but the outward repellent motion and the vortex motion of the particles in the bunch.     

Halo formation and emittance growth of positron beams in plasmas

An ultrarelativistic 28.5 GeV, 700-microm-long positron bunch is focused near the entrance of a 1.4-m-long plasma with a density n(e) between approximately equal to 10(13) and approximately equal to 5 x 10(14) cm(-3). Partial neutralization of the bunch space charge by the mobile plasma electrons results in a reduction in transverse size by a factor of approximately equal to 3 in the high emittance plane of the beam approximately equal to 1 m downstream from the plasma exit. As n(e) increases, the formation of a beam halo containing approximately 40% of the total charge is observed, indicating that the plasma focusing force is nonlinear. Numerical simulations confirm these observations. The bunch with an incoming transverse size ratio of approximately 3 and emittance ratio of approximately 5 suffers emittance growth and exits the plasma with approximately equal sizes and emittances.     

均匀聚焦磁场中束晕-混沌的孤子控制

采用粒子.束核模型,对均匀聚焦磁场中满足K-V分布的离子束进行模拟研究.观察到束晕.混沌现象,基于束晕.混沌的非线性控制策略,提出控制束晕.混沌的孤子函数控制器,并给出具体的实施方案.模拟研究表明,运用这种方法可以消除束晕及其再生现象,达到对束晕.混沌的有效控制.     

周期聚焦磁场中束晕-混沌的简单函数控制

本文采用粒子-束核模型,基于束晕-混沌的非线性控制策略,对周期性聚焦磁场中满足K—V分布的离子束进行模拟研究,提出了控制其束晕-混沌的简单函数控制器,并给出具体的实施方案．数值模拟研究表明,运用这种方法可以消除束晕及其再生现象,达到对束晕-混沌的有效控制．     

Electro-optical sampling non-synchronous delay scanning measurement of electron beam bunch length at BFEL

The Electro-optical sampling delay scanning technique can be used for electron beam bunch length measurement. A novel non-synchronous delay scanning technique based on the electro-optical sampling measurements is presented. Based on Beijing Free Electron Laser （BFEL）, the electron beam bunch length was measured with the electro-optical sampling technique for the first time in China. The result shows that the electron beam bunch length at BFEL is about 5.6±1.2 ps.     

Beam distribution reconstruction simulation for electron beam probe

An electron beam probe(EBP) is a detector which makes use of a low-intensity and low-energy electron beam to measure the transverse profile, bunch shape, beam neutralization and beam wake field of an intense beam with small dimensions. While it can be applied to many aspects, we limit our analysis to beam distribution reconstruction.This kind of detector is almost non-interceptive for all of the beam and does not disturb the machine environment.In this paper, we present the theoretical aspects behind this technique for beam distribution measurement and some simulation results of the detector involved. First, a method to obtain a parallel electron beam is introduced and a simulation code is developed. An EBP as a profile monitor for dense beams is then simulated using the fast scan method for various target beam profiles, including KV distribution, waterbag distribution, parabolic distribution,Gaussian distribution and halo distribution. Profile reconstruction from the deflected electron beam trajectory is implemented and compared with the actual profile, and the expected agreement is achieved. Furthermore, as well as fast scan, a slow scan, i.e. step-by-step scan, is considered, which lowers the requirement for hardware, i.e. Radio Frequency deflector. We calculate the three-dimensional electric field of a Gaussian distribution and simulate the electron motion in this field. In addition, a fast scan along the target beam direction and slow scan across the beam are also presented, and can provide a measurement of longitudinal distribution as well as transverse profile simultaneously. As an example, simulation results for the China Accelerator Driven Sub-critical System(CADS) and High Intensity Heavy Ion Accelerator Facility(HIAF) are given. Finally, a potential system design for an EBP is described.     

强流质子加速器束流剖面分布及束晕测量系统设计

 针对一台用于加速器驱动洁净核能源系统研究、高占空比的强流质子加速器,开展强流质子直线加速器束晕产生的研究工作,其中的束流剖面分布特别是束晕部分测量的束流诊断系统是研究工作的核心内容。束晕的产生在低能量段尤其重要,且对整个直线加速器的设计有重要影响。介绍了研究束晕增长的束流输运线和测量系统的布局设计,并根据所研究的加速器束流的情况进行束流剖面探测器和束晕测量的设计和预研,包括丝靶材料的模拟计算和选择、机械驱动的控制系统设计和研究、前端模拟电路的设计和仿真模拟、以及整个系统与EPICS和VxWorks的计算机控制接口等。     

基于束流位置探测器的束团长度测量

分析了驱动电子束团的频域特性,研究了基于该特性进行长度测量的理论基础;使用三维模拟软件对束流位置探测器(BPM)进行建模,用模拟的方法对传输阻抗进行了数值计算;对不同长度的束团进行了测量和计算,并且分析了束团位置在真空管道中偏移对束团长度测量的影响。由测量结果可见,电子束团长度在10~100 ps(3~30 mm)时,测量误差均小于2%,满足中国工程物理研究院高平均功率自由电子激光太赫兹实验测量的使用要求。     

合肥光源基于同步光的测量与研究

介绍了合肥光源同步光测量系统, 包括条纹相机系统、快速光电测量束团长度系统、束团横向截面测量系统和光位置测量系统. 利用条纹相机系统和快速光电测量束团长度系统进行了束团长度测量和束团伸长效应的研究. 利用束流截面测量系统进行了六极铁对横向不稳定性抑制效果和横向反馈系统反馈效果的测量研究. 光位置测量系统采用丝型光位置检测器和自行研制了对数处理器, 用于测量光源点的束流位置和角度.