Beam transport design for a 1 MeV prototype dielectric wall accelerator

The beam transport design of a novel proton dielectric wall accelerator is introduced in this paper. The protons will be accelerated from 40 keV to nearly 1 MeV under an accelerating gradient that is as high as 20 MV/m. A consideration of the beam line as well as the transport simulation is presented. The influences of the injection timing jitter and the accelerating pulse timing jitter are also discussed.     

三腔介质壁质子加速器时序优化模拟及设计

采用自主研发的三维粒子模拟软件对三腔介质壁加速器进行系统仿真, 在此基础上, 计算三个腔质子的渡越时间并实现腔体间的时序优化设计。外加电压峰值100 kV, 顶宽1 ns, 半高宽10 ns, 绝缘微堆厚度2.0 cm, 质子初始束能40 keV, 加速电极添加钨网, 模拟结果显示：当电压持续6.5 ns时, 进入高梯度绝缘微堆的H+通过第一腔能得到最大加速效率90.84%, 相应的渡越时间为5.668 ns;当第二腔电压触发落后第一腔4.5 ns时, H+通过第二腔获得最大加速效率94.77%, 相应的渡越时间为3.545 ns;当第三腔电压触发落后第二腔3.0 ns时, H+通过第三腔获得最大加速效率97.30%, 相应的渡越时间为3.018 ns;最大能量H+渡越三个腔体的总时间为12.231 ns, H+总体加速效率94.31%;当质子束中心进入第一腔时刻落后脉冲电压触发6.5 ns, 且一二腔和二三腔电压触发延时分别为4.5 ns和3.0 ns情形下, 能将2.5 ns长度的质子束中的H+实现90%以上的加速, 4.0 ns长度的质子束中的H+实现80%以上的加速。     

介质壁加速器高梯度绝缘子研制

与普通绝缘子相比,高梯度绝缘子(HGI)的金属层与绝缘介质层交替排列结构可以抑制真空沿面闪络过程,从而提高沿面闪络场强。使用不同绝缘介质材料和金属材料采用不同加工制备工艺制备的HGI样品其沿面闪络场强差别较大。对所制备的绝缘介质层分别为聚酰亚胺、交联聚苯乙烯和尼龙,金属层为不锈钢箔,形状分别为圆柱与圆环型的HGI样品进行了真空沿面耐压测试,并对相同尺寸的纯绝缘介质样品进行了对照实验,得到了不同材料不同制备工艺HGI样品的耐压性能差异。结合样品表面显微照片观察得到的样品表面状况,分析了影响样品沿面闪络场强的因素。     

介质壁直线加速器加速单元间的电路耦合及解耦

中国工程物理研究院流体物理研究所研发的介质壁直线加速器是基于固态脉冲形成线、GaAs光导开关和高梯度绝缘介质壁三项关键技术的新型直线脉冲加速器。在加速器调试阶段,测量出获得加速的质子束流能量远低于预期值,在排除功率源负载能力因素之后,发现脉冲功率源因连接回路引起的电路耦合效应是导致束流能量低的主要原因。基于介质壁直线加速器加速单元放电回路结构的分析,确认了加速单元之间的电路耦合的必然性。并通过测量回路电流,研究了几种不同工作模式下的电路耦合效应。结合电路耦合的特点,给出了两种基于磁芯隔离的解耦方法,并测量了这两种方法的解耦效率。     

介质壁加速腔加速结构优化

为了在介质壁加速器中增大轴向加速电场, 提高加速梯度的同时抑制径向电场对束包络的扩张, 提出了在每个加速电极上添加金属栅网结构。采用基于粒子云网格方法的电磁粒子模拟软件对不加栅网与添加栅网的电极结构进行了数值仿真, 分析了不同结构下加速管道中的电场分布和束包络变化。通过实验对比了两种不同结构下经过相同的加速长度获得的粒子能量。结果表明：添加金属栅网结构相对于不加栅网的金属小孔式结构, 轴向加速电场强度提高20%, 同时径向电场得到有效抑制;栅网结构下, 被加速的粒子束在自由漂移空间中的径向发散基本得到抑制;在相同的加速长度下加速H3+粒子, 栅网结构得到的能量增益提高了一倍。     

绝缘微堆质子直线加速器关键技术研究进展

基于绝缘微堆技术的直线加速器由于其能够实现较高的粒子加速梯度,尤其在质子加速及肿瘤治疗领域的优势得到高度关注。目前该种加速器处于研发阶段,有一系列技术和工程问题有待解决。介绍了课题组在过去的两年里围绕建立一台1 MeV质子注入器原型样机在固态脉冲功率系统、绝缘微堆及质子束源等方面取得的研究进展。实现了耐压梯度接近20 MV/m的环形绝缘微堆样品,样品内径30 mm,外径50 mm,厚度15 mm,基本达到设计要求;固态脉冲功率系统实现了光导开关多路稳定工作模式,开关直流偏置耐压达到20 kV,采用激光二极管触发同步系统在15路同步时实现了低于1 ns的抖动,输出300 kV的电压脉冲,输出电压脉冲宽度10 ns;进行了低能质子加速束流动力学的初步分析和模拟工作,模拟结果表明采用微堆结构可以实现质子束的有效加速和传输。     

绝缘微堆质子直线加速器关键技术研究进展

基于绝缘微堆技术的直线加速器由于其能够实现较高的粒子加速梯度,尤其在质子加速及肿瘤治疗领域的优势得到高度关注。目前该种加速器处于研发阶段,有一系列技术和工程问题有待解决。介绍了课题组在过去的两年里围绕建立一台1 MeV质子注入器原型样机在固态脉冲功率系统、绝缘微堆及质子束源等方面取得的研究进展。实现了耐压梯度接近20 MV/m的环形绝缘微堆样品,样品内径30 mm,外径50mm,厚度15mm,基本达到设计要求;固态脉冲功率系统实现了光导开关多路稳定工作模式,开关直流偏置耐压达到20kV,采用激光二极管触发同步系统在15路同步时实现了低于1ns的抖动,输出300kV的电压脉冲,输出电压脉冲宽度10ns;进行了低能质子加速束流动力学的初步分析和模拟工作,模拟结果表明采用微堆结构可以实现质子束的有效加速和传输。     

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。     

3.5 MeV无箔注入器束流调试

3.5 MeV 注入器是“神龙一号”直线感应加速器的束源,在注入器束流调试中,首先通过数值模拟方法,初步确定束流过聚焦和聚焦不足两种极端情况下引出线圈输运磁场峰值的变化范围;然后以注入器出口束流波形为参考,通过实验调试找到了这两种情况下引出线圈输运磁场峰值的实际配置;再通过测量束流的剖面或发射度,在这两种配置中选定一个折中的引出线圈磁场配置,并最终确定了注入器输运磁场的总体配置。经过调试完成后的注入器束流为3.6 MeV,流强为2.8 kA,归一化边发射度为1 040 mm·mrad,达到了预期的指标。     

介质壁加速器用固态脉冲形成线设计与实验

设计和研制了一种CaO-TiO2-Al2O3复合陶瓷平板固态脉冲形成线,以期用于介质壁加速器。该脉冲形成线的几何参数为：陶瓷介质长度300 mm,宽度15 mm,厚度1 mm;银电极长度280 mm,宽度2 mm。电性能参数为：相对介电常数约23.5,特征阻抗约26 ,电长度约4.5 ns,直流耐压场强大于20 kV/mm,在s量级上升时间的脉冲电压下绝缘强度大于25 kV/mm。该固态脉冲形成线设计兼顾了光导开关的使用要求、高梯度绝缘子的设计指标、带电粒子束的输运及加速器的结构设计要求。结合GaAs光导开关,开展了固态Blumlein脉冲形成线实验研究工作,在脉冲充电电压约25 kV的条件下,固态Blumlein脉冲形成线实现脉冲电压输出约23 kV。     

Preliminary design of a laser accelerator beam line

A compact laser plasma accelerator(CLAPA) is being built at Peking University, which is based on an RPA-PSA mechanism or other acceleration mechanisms. The beam produced by this laser accelerator has the characteristics of short duration, high pulse current, large divergence angle, and wide energy spectrum. The beam cannot be produced by a normal ion source and accelerator. The space charge field in the initial is very strong.According to the beam parameters from preparatory experiments and theoretical simulations, a compact beam line is preliminarily designed. The beam line mainly consists of common transport elements to deliver proton beam with the energy of 1–50 MeV, energy spread of 0–±1% and current of 0–108 proton per pulse to satisfy the requirement of different experiments. The simulation result of a 15 MeV proton beam with an energy spread of ±1%, current of 400 m A, and final spot radius of 9 mm is presented in this paper.     

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。     

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。     

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100 Ω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。     

1.2MeV电子加速器束流聚焦性能的研究

用二维全电磁PIC方法模拟了1.2MeV电子加速器束流聚焦过程,分析了计算结果. 特别研究了电子枪结构、阳极结构和极间电压分布等初始条件的影响, 得到了一些有价值的物理规律.     

100 MeV强流质子回旋加速器束流调试靶系统

中国原子能科学研究院正在建造一台100 MeV,200 A的强流质子回旋加速器,需要使用束流调试靶来调试加速器,为此设计了一套束流功率为20 kW的质子束调试系统。对该系统的束流输运线、靶材料的选取、靶结构、水冷计算、屏蔽结构等作了介绍。给出了整条束流输运线的匹配计算结果;通过对质子打靶后的中子产额、角通量、靶的活化等方面的比较,最终选用铝作为靶材料;根据加速器引出束流能量和功率,设计了分层式靶结构,同时对靶进行了水冷计算;打靶产生的出射粒子平均能量较高,导致产生的辐射剂量很大,考虑到对环境与工作人员的影响及费用,需要对其进行局部屏蔽,给出了屏蔽计算结果及屏蔽结构的设计。     

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。     

Beam dynamics studies on the 100 MeV/100 kW electron linear accelerator for NSC KIPT neutron source

We designed a 100 MeV/100 kW electron linear accelerator for NSC KIPT, which will be used to drive a neutron source on the basis of subcritical assembly. Beam dynamics studies have been conducted to reach the design requirements (E=100 MeV, P=100 kW, dE/E<1% for 99% particles). In this paper, we will present the progress of the design and the dynamic simulation results. For high intensity and long beam pulse linear accelerators, the BBU effect is one big issue; special care has been taken in the accelerating structure design. To satisfy the energy spread requirement at the linac exit, the particles with large energy difference from the synchronous particle should be eliminated at a low energy stage to ease the design of the collimation system and radiation shielding. A dispersion free chicane with 4 bending magnets is introduced downstream of the 1st accelerating section; the unwanted particles will be collimated there.     

“神龙一号”直线感应加速器物理设计

介绍了 “神龙一号”直线感应加速器物理设计的主要考虑。“神龙一号”加速器是一台电子直线感应加速器,由3.6MeV感应迭加型注入器、72个感应加速腔、脉冲功率系统、束流输运和聚焦系统、控制系统和真空、绝缘油、绝缘气体以及去离子水系统组成。能产生20MeV、束流大于2.5kA,脉冲宽度为60ns的强流脉冲电子束,X光焦斑均方根直径为1.5mm。