基于Geant4的回旋加速器束流动力学计算

针对回旋加速器的束流动力学设计,基于Geant4模拟研究,提供一种可行的数值模拟方法。通过电磁场仿真软件Opera建立相应的电磁场数据导入到Geant4中进行插值计算,利用Geant4自带的电磁场微分方程与微分方程求解器计算粒子的平衡轨道,振荡频率以及加速轨道。其结果表明:对于横向运动而言,Geant4的计算结果与传统数值方法计算结果趋于一致;对于轴向运动而言,由于磁场插值方法的差异性,二者有一定的区别,对于在加速过程中的非平衡粒子,其能量变化围绕平衡粒子振荡。对于束损,通过限制粒子的运动时间,轴向位移加快计算效率,加入电极碰撞的判定使模拟更趋近实际情况。     

紧凑型回旋加速器物理问题及调束技术

介绍了紧凑型回旋加速器CYCIAE-100的特点及设计过程中重点考虑的一些物理问题,如紧凑型直边扇磁铁结构的轴向聚焦、异性高频谐振腔的设计、空间电荷效应等。研究了该加速器的调束技术,包括调束方案、诊断设备布局及径向靶测量的束流信息、物理图像。CYCIAE-100的主磁铁设计中,为降低磁铁和高频腔的加工难度而采用直边扇形磁极,为解决直边扇形磁极在大半径处的轴向聚焦力下降的问题,采用变气隙技术,从而有效提高轴向聚焦力。采用自行开发的基于PIC技术的宏离子模拟程序OPAL-CYCL进行了空间电荷效应的研究,结果表明,CYCIAE-100的极限流强为10 mA。     

紧凑型回旋加速器物理问题及调束技术

介绍了紧凑型回旋加速器CYCIAE-100的特点及设计过程中重点考虑的一些物理问题,如紧凑型直边扇磁铁结构的轴向聚焦、异性高频谐振腔的设计、空间电荷效应等。研究了该加速器的调束技术,包括调束方案、诊断设备布局及径向靶测量的束流信息、物理图像。CYCIAE-100的主磁铁设计中,为降低磁铁和高频腔的加工难度而采用直边扇形磁极,为解决直边扇形磁极在大半径处的轴向聚焦力下降的问题,采用变气隙技术,从而有效提高轴向聚焦力。采用自行开发的基于PIC技术的宏离子模拟程序OPAL-CYCL进行了空间电荷效应的研究,结果表明,CYCIAE-100的极限流强为10 mA。     

L波段强流单束团注入器的束流动力学计算

自由电子激光器要求高亮度、低能散度的电子束注入波荡器(Undulator)。本文叙述提供高亮度电子束的高频电子直线加速器中的注入器部分的设计计算。注入器由L波段(1300MHz)的十二分频和三分频两个谐振腔预聚束器和一个基波频率的变相速聚束器组成。粒子运动方程中考虑了空间电荷效应和束流负载效应。电子枪的注入参数:脉冲宽度T=4ns;电流I=5A;电子的初始动能E_0=100keV;电子束分布为高斯型。参数优化设计结果:单束团宽度小于25ps,峰值电流达400A以上,电子的平均归一化能量>4,束团内的能量差小于200keV。     

回旋加速器中的空间电荷效应和束晕

在考虑束团内粒子之间的空间电荷相互作用力的条件下,对日本理化研究所(RIKEN)现有的一台注入器(加速常数为K70的AVF型回旋加速器)中束团的演变过程进行了模拟计算.模拟结果表明,束团的形变、束晕现象同样发生在回旋加速器中,不过,其产生机制不同于直线加速器.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.     

用于放射性核束设施驱动加速器的100MeV强流质子回旋加速器

中国原子能科学研究院得到批准建设HI-13串列加速器升级工程, 目前完成了该工程的初步设计.文章报告主工艺设备——100MeV强流质子回旋加速器的设计方案、设计特点, 总体设计结果及主要技术指标、关键设备(离子源、轴向注入线、中心区、主磁铁、高频系统、引出系统、诊断系统等)的简要设计结果等.     

基于BEM泊松方程求解的空间电荷效应数值模拟

 为了模拟强束流在加速器及其传输线中的行为,用C++语言开发了一种包含空间电荷效应的多粒子跟踪程序(PTP-SC),它在经典的PIC方法基础上,基于边界元法(BEM)和非等距的网格求解泊松方程。束流在自由空间分布的仿真结果与解析结果保持较好的一致性。给出了一条注入线的模拟计算结果,并与ORBIT,TRACE 3-D的计算结果进行比对。结果表明：该程序与采用数值方法的ORBIT程序的计算结果有较好的一致性。该程序可用于直线加速器及回旋加速器中的空间电荷效应模拟。     

二维粒子模拟方法及在空间物理中应用

在粒子模拟的PIC(particle in cell)模式中,与场有关的物理量如电磁场等分配在固定的网格点上,而粒子则可在计算区域的任意位置上.设计了一个二维三分量的粒子模拟程序,并用它计算了空间物理中两种常见的物理现象:束流不稳定性和磁场重联.在束流不稳定性问题中,一束速度为V_b=10V_A(V_A为Alfvén速度)的等离子体在背景等离子中运动,通过波粒相互作用可激发沿磁场方向传播的Alfvén波.在磁场重联问题中,具有Harris形态的电流片可自发地引起磁场重联,并且B_y分量的磁场具有四极形分布.     

一种基于多普勒频移光谱的中性束注入器气体靶厚度诊断的新方法

中性束注入是等离子体加热和电流驱动的最有效方法之一。中性束注入的三个基本过程为：离子束的产生,离子束的中性化和中性束的传输,其中,离子束的中性化是关键环节之一。对于EAST-NBI气体中性化室而言,中性化室内气体靶厚度会直接影响离子束的中性化效率,而且还会进一步影响到中性束的传输效率。基于多普勒频移效应,提出了一种新的诊断气体靶厚度的方法,并且已经被应用于EASTNBI测试平台上。该方法主要是基于中性束的束成分随气体靶厚度的演化过程,利用中性束发射Dα光谱线强度完成计算。因此,它被应用于中国科学院等离子体物理研究所EASTNBI装置上。在中性化室出口处的观测窗口上进行测量,在束能量为40~65 keV时,气体靶厚度值为(0.16~0.22)×1016 cm-2,随着引出束流的变化,气体靶厚度随之改变。根据质量守恒定律,对中性化室内的气体靶厚度进行一个粗略的估算,估算的结果与测量的结果基本保持一致,从而证明了该诊断方法的合理性。综上,实验结果表明,该种基于多普勒频移效应的光谱诊断法可以被用于测量中性化室内的气体靶厚度。     

基于CT算法的旋转多丝靶二维束剖面测量

介绍了一种用于低能电子束的基于CT算法的二维束剖面测量方法及其初步实验结果.该束剖面测量方法首先利用多丝靶进行旋转获得不同角度下的一维束剖面信息,然后采用CT算法对这些信息进行处理重建出二维束剖面.本文对该束剖面测量方法的原理进行了详细分析,并通过实验初步验证了该束剖面测量方法的可行性.     

TOPOPIC对强流束流在周期FODO结构中的传输研究

粒子云网格(Particle In cell,PIC) 方法是研究带电粒子在加速器中运动的关键工具之一。基于PIC 算法,开发了模拟强流条件下的束流动力学模拟程序TOPOPIC(Trace of Particle Orbit with PIC method),并且利用TOPOPIC,研究了束流在四极铁周期结构(FODO) 中的传输问题。结果表明,在强流条件下空间电荷效应显著地影响了束流的整体行为和单粒子的运动轨迹。最后比较了TOPOPIC 程序和通用的BEAMPATH 程序在相同条件下的计算结果,可以看到两个程序给出的模拟结果吻合得非常好,这表明TOPOPIC程序的计算结果是合理、可靠的。The Particle in cell (PIC) method is one of the key techniques in the research of charged particles in accelerators. Based on the PIC method, a new beam simulation code for high intensity beam named TOPOPIC (Trace of particle orbit with PIC method) has been developed. With the code TOPOPIC,the beam behavior during passing through the periodic quadrupole (FODO) structure has been studied. The results show that the nonlinear space charge affects the single particle behavior and beam envelope a lot. At last, the PIC code BEAMPATH is used for benchmark, the results given by TOPOPIC and BEAMPATH show good agreements,which means the code TOPOPIC is reliable.     

CSR实验环电子冷却装置的纵向电子束温度

电子冷却装置中, 电子束纵向温度是计算冷却力的主要参量之一. 当电子与被冷却离子的相对速度很小时, 纵向冷却力与离子速度呈线性关系, 并且线性区域的宽度与电子束纵向温度有关. 通过分析影响电子束纵向温度的主要因素, 得到了兰州重离子冷却储存环实验环(CSRe)电子冷却装置中电子束纵向温度的大小.     

高斯光束的数值模拟新方法

基于高斯光束的单叶双曲面特征,给出了一种新的模拟高斯光束的数值方法.该方法将高斯光束视为由无数个共轴单叶双曲面构成的双曲线体,由束腰截面发射的光子传播方向是在经过该光子发射点的双曲面内两条直母线中等概率选择.这不仅符合光子沿直线传播,而且意味着大量光子的“平均”传播方向与相应高斯光束的波印廷矢量相同.数值模拟结果表明：该方法可高准确度地模拟高斯光束的几何构形、光强分布、光子的光程分布和波前曲率半径,而且模拟效率与现有的方法相近.     

基于"块-单元"数据结构的分子动力学并行计算

开发了一种基于"块-单元"数据结构的可扩展并行算法,以实现大规模、非均匀分子动力学模拟.它采用空间填充曲线将三维区域分解转换为-维负载平衡问题,然后用基于实测的多层均权法求解,以保持处理机间负载均衡.在一个MPP并行机的500个CPU上,模拟包含2.1×108个粒子的三维金属微喷射模型,该算法获得了420倍的加速比.     

核素等时性质量测量实验中一种基于离子速度纯化次级束的方法

等时性质量谱仪（Isochronous Mass Spectrometry,IMS）是测量短寿命核素质量的有效实验装置。在IMS核素质量测量实验过程中,目标核素通过弹核碎裂反应产生,并被次级束流线分离、传输后注入到储存环内。由于远离稳定线的目标核素产额非常低,经常伴随大量杂质核素产生,这些杂质离子会加重飞行时间探测器（Time of Flight,TOF）系统的工作负担。在HIRFL-CSR利用IMS进行核素质量测量实验过程中,发展了一种进一步纯化筛选次级离子的方法,以减轻TOF系统的工作负担。基于次级离子在束流线中飞行速度的差异性,利用HIRFL-CSR踢轨磁铁（Kicker）系统,调节次级束流注入CSRe的时间,使次级离子得到进一步筛选和纯化后注入到CSRe内。在实验中,我们测试并验证了该方法的可行性,并讨论了它在纯化次级束流方面的作用。The isochronous Mass Spectrometry (IMS) is a powerful experimental instrument for measuring masses of short-lived nuclides.In the IMS,the nuclides of interest are produced via the projectile fragmentation reaction,then injected into the storage ring after the in-flight separation with beam line.The yields of the nuclides of interest are usually very small accompanying a huge amount of contaminant nuclides,aggravating the load of time-of-flight (TOF) detector.In the IMS nuclear mass measurement experiment conducted at the HIRFL-CSR,we developed a method of purifying the secondary beam fragments to ease the burden of the TOF detector,which is based on the differences of the ions' velocities in the beam line and realized by adjusting the injection time of secondary fragments using the Kicker system of the HIRFL-CSR.We tested and verified the method in an online experiment,and its performance is discussed in this paper.     

一种检测原子束激光准直效果的多狭缝技术

针对激光汇聚铬原子束沉积,提出了一种定性评价原子束横向准直度的多狭缝技术。与其他检测技术相比,它设计简单,使用方便,能够非常直观快捷地定量评价原子束横向准直度。理论模拟的结果显示,在我们实验条件下这种技术给出的铬原子束准直前横向宽度为13.8mm,半高宽为12mm,发散角为4.1mrad,准直后横向宽度为12.2mm,半高宽为4.8mm,发散角为1.6mrad。     

HIV-1 蛋白酶与抑制剂3G3相互作用机制的分子动力学研究

HIV-1蛋白酶已经成为艾滋病治疗药物设计的重要靶标。本文采用分子动力学模拟和MM-PB/SA方法计算了抑制剂3G3与HIV-1蛋白酶的结合自由能,结果表明范德华作用驱动了3G3与蛋白酶的结合。同时也采用了基于残基的自由能分解方法计算了抑制剂-残基相互作用,结果证明残基Ala28,Val32/Val32′,Ile47,Gly49,Ile50/Ile50′,Ile84/Ile84′和Pro81′ 能与蛋白酶产生较为强烈的相互作用,同时也表明CH-π,π-π和 CH-O相互作用控制了3G3与蛋白酶的结合。我们期望这个研究能为抗艾滋病的药物设计提供理论上的指导。