质子直线加速器超导腔速度接收特性研究

给出质子在多单元π模加速腔中的能量增益和加速腔的渡越时间因子的表达式.在此基础上利用解析方法和数值方法研究质子直线加速器超导腔的速度接收特性,并且讨论了超导质子直线加速器的分段问题.     

医用质子直线加速器的设计研究

讨论用于治癌的低束流高能量质子直线加速器的初步物理设计.采用短脉冲和高重复频率的S波段的加速结构,类似于医用电子直线加速器.总长26m,由离子源、RFQ、DTL、SCDTL及SCL组成,能量经70—200MeV有八档可调,平均束流强度10—40nA.     

用于散裂中子源直线加速器超导段相速度设计分析

对用于散裂中子源的质子直线加速器的超导加速段进行了初步设计,其中,包括加速腔腔形的设计和优化、超导加速段的结构布局.另外,对超导加速腔的加速单元数的选择及设计值β_G的确定、加速腔的优化原则及束流的动力学性质进行了讨论.     

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。     

能量回收型直线加速器

 能量回收型直线加速器(EnergyRecoveringLinacs,简称ERL),是一种新型的、发展中的加速器,它具有直线加速器的优质束流性能,具有接近环型加速器的高效率。已在自由电子激光等方面投入应用,并具有多方面的发展和应用前景。一、由来和优势我们知道,高频电子直线加速器是用高频电场加速沿直线轨道运动的电子束的装置。通常,电子束只通过直线加速结构一次,在达到要求的能量后,即离开直线加速器,或直接用于科学实验、医学放疗、材料辐照、自由电子激光驱动等;或注入到环型加速器中继续加速和积累,用于同步辐射光源或高能物理实验等。     

准周期聚焦–加速耦合系统的均温设计方法

强流质子直线加速器要求严格控制束流损失和束流发射度增长.理论已经证明,强的空间电荷作用在不同自由度之间的耦合,会因为其间的温度差异,通过束流的相干不稳定性,使束流发射度增长.因此,有必要按照均温的原则设计强流加速器.但是,由于质子直线加速器的各种加速结构均为准周期耦合系统,使得均温设计十分繁琐而难以达到完全均温.我们利用国际上通用的束流动力学软件TRACE3-D,给它补充了均温设计功能,通过与PARMILA程序的配合使用,可以方便地在加速器设计中实现均温条件.本文将介绍我们对TRACE3-D的修改补充,并以强流质子直线加速器设计实例,说明均温设计的必要性.     

北京质子直线加速器及其应用研究装置建成

 北京质子直线加速器及其应用研究装置,包括35兆电子伏质子直线加速器、快中子治癌研究装置、医用短寿命同位素制备装置和正电子断层照象(PET)试验装置.这些装置的建成,是在中央的关怀下,在国家计委、国家科委和中国科学院的领导下,由全国上百个厂家、研究所大力协作、奋战攻关的结果.北京质子直线加速器,是我国自行设计和建造的第一台质子直线加速器,也是我国目前最高能量的质子加速器.这台大型科研装置,综合了许多门类的尖端技术,如超高频无线电、高电压、高真空、精密机械、高精度的光测和电磁测量、计算机自动控制技术等.     

绝缘微堆质子直线加速器关键技术研究进展北大核心CSCD

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。     

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。     

北京散裂中子源RCS注入系统物理设计和研究

北京散裂中子源(BSNS)的主加速器——快循环同步加速器(RCS)采用H^－剥离注入方法, 将从直线加速器预加速的束流进行累积和进一步加速. 束流损失率的控制是该类高功率质子加速器所面临的关键问题之一, 而束流损失中很重要的部分是由空间电荷效应造成的. 为了减小该类束流损失, 注入系统设计中利用H^－剥离注入和相空间涂抹方法将直线加速器预加速的发射度较小的束流尽可能均匀地涂抹到较大的横向相空间中. 与其他的类似加速器相比, RCS注入系统将所有注入元件放在一个长为9m的无色散漂移节中以充分节省RCS环的纵向空间, 并使对注入系统的操作与对RCS主体的操作完全独立. 对于RCS累积的粒子数1.9×10¹³, 空间电荷效应对粒子的运动有非常重要的作用, 本文介绍了采用ORBIT程序进行三维模拟计算并进行设计优化的结果. 还介绍了系统设计时需要考虑的其他重要因素, 如质子穿越、电子收集等.     

Design study of a radio-frequency quadrupole for high-intensity beams

The Rare isotope Accelerator Of Newness(RAON) heavy-ion accelerator has been designed for the Rare Isotope Science Project(RISP) in Korea. The RAON will produce heavy-ion beams from 660-MeV-proton to200-MeV/u-uranium with continuous wave(CW) power of 400 k W to support research in various scientific fields.Its system consists of an ECR ion source, LEBTs with 10 ke V/u, CW RFQ accelerator with 81.25 MHz and 500 ke V/u, a MEBT system, and a SC linac. In detail, the driver linac system consists of a Quarter Wave Resonator(QWR) section with 81.25 MHz and a Half Wave Resonator(HWR) section with 162.5 MHz, Linac-1, and a Spoke Cavity section with 325 MHz, Linac-2. These linacs have been designed to optimize the beam parameters to meet the required design goals. At the same time, a light-heavy ion accelerator with high-intensity beam, such as proton,deuteron, and helium beams, is required for experiments. In this paper, we present the design study of the high intensity RFQ for a deuteron beam with energies from 30 ke V/u to 1.5 MeV/u and currents in the m A range. This system is composed of an Penning Ionization Gauge ion source, short LEBT with a RF deflector, and shared SC Linac. In order to increase acceleration efficiency in a short length with low cost, the 2nd harmonic of 162.5 MHz is applied as the operation frequency in the D~+RFQ design. The D~+RFQ is designed with 4.97 m, 1.52 bravery factor. Since it operates with 2nd harmonic frequency, the beam should be 50% of the duty factor while the cavity should be operated in CW mode, to protect the downstream linac system. We focus on avoiding emittance growth by the space-charge effect and optimizing the RFQ to achieve a high transmission and low emittance growth. Both the RFQ beam dynamics study and RFQ cavity design study for two and three dimensions will be discussed.     

基于能量回收技术的光源——ERL光源

能量回收技术将使用后的电子束进行能量回收,用于加速后续束团,可大大减少加速器消耗的射频功率和有害辐射。基于能量回收技术的光源除节能环保外,还具有束团短、发射度低的特点,可有效提高光源的峰值亮度和相干性,是一种很有潜力的未来先进光源。介绍能量回收直线加速器技术的基本原理、相关关键物理问题和技术以及能量回收直线加速器发展现状,最后简要介绍几个国际上提出的典型能量回收直线加速器光源方案。     

Electro-nuclear neutron generator — XADS at ITEP

In this report, the purpose and status of the currently constructed ITEP experimental accelerator driven system (XADS) are discussed. This hybrid electro-nuclear facility of moderate power integrates the pulse proton linac (36 MeV, 0.5 mA) and heavy water sub-critical blanket assembly (heat power of 100 kW). Most parts of the equipment units are ordered for industrial manufacturing and some are under development. The facility is supposed to be used for investigations of a wide range of problems concerning both the target-blanket assembly and the accelerator-driver and at the same time explore the dynamical processes arising during their combined operation. Some other applications of the proton beam and neutron source are also discussed. It is possible in future to increase the current and energy of proton or heavy ion beam.      

Controlling Beam Halo-Chaos by Adaptive Control Exterior Magnetic Field

In this paper, the parametric adaptive method for controlling the beam halo-chaos in the periodic focusing channels of high-current proton linacs is presented. The study of proton beam halo-chaos based on controlled beam envelope equation and the results of particles-in-cell simulations for macro-particle beam show that the proton beam chaotic envelope as well as the beam rsm radius can be controlled to the beam matched radius using this method.For the Kapchinskij-Vladimirskij (K- V) distribution of initial proton beam, all statistical physical, quantities of the beam halo-chaos are largely reduced. This control method has an advantage of the control halo-chaos since the exterior magnetic field as controlled parameter can be rather easily adjusted in the periodical magnetic focusing channels for the experiment.     

Controlling Beam Halo-Chaos by Adaptive Control Exterior Magnetic Field

In this paper, the parametric adaptive method for controlling the beam halo-chaos in the periodic focusing channels of high-current proton linacs is presented. The study of proton beam halo-chaos based on controlled beam envelope equation and the results of particles-in-ceU simulations for macro-particle beam show that the proton beam chaotic envelope as well as the beam rsm radius can be controlled to the beam matched radius using this method. For the Kapchinskij-Vladimirskij (K-V) distribution of initial proton beam, all statistical physical, quantities of the beam halo-chaos are largely reduced. This control method has an advantage of the control halo-chaos since the exterior magnetic field as controlled parameter can be rather easily adjusted in the periodical magnetic focusing channels for the experiment.     

Design of a 10 MeV normal conducting CW proton linac based on equidistant multi-gap CH cavities

Continuous wave(CW) high current proton linacs have wide applications as the front end of high power proton machines. The low energy part of such a linac is the most difficult and there is currently no widely accepted solution. Based on the analysis of the focusing properties of the CW low energy proton linac, a 10 Me V low energy normal conducting proton linac based on equidistant seven-gap Cross-bar H-type(CH) cavities is proposed. The linac is composed of ten 7-gap CH cavities and the transverse focusing is maintained by quadrupole doublets located between the cavities. The total length of the linac is less than 6 meters and the average acceleration gradient is about1.2 Me V/m. The electromagnetic properties of the cavities are investigated by Microwave Studio. At the nominal acceleration gradient the maximum surface electric field in the cavities is less than 1.3 times the Kilpatrick limit,and the Ohmic loss of each cavity is less than 35 k W. Multi-particle beam dynamics simulations are performed with Tracewin code, and the results show that the beam dynamics of the linac are quite stable, the linac has the capability to accelerate up to 30 m A beam with acceptable dynamics behavior.     

高压直流连续波光阴极注入器中电子束流发射度研究

 高平均功率自由电子激光研究中，电子束质量是关键。针对高平均功率自由电子激光目标参数，提出了直流高压连续波光阴极注入器，给出了注入器的束流动力学过程。为了降低输出束流横向发射度，采用特殊结构设计的静电加速腔，加速电压1MV，最大加速梯度10MV/m。用PARMELA程序进行了粒子动力学模拟，电子束束团电荷为0.5nC，束团长度10ps时，注入器输出束流归一化发射度均方根值为5.8mm·mrad。     

束晕-混沌的复杂性理论与控制方法及其应用前景

本文系统论述涉及强流加速器等强流离子束装置中产生的束晕 混沌的复杂性理论与控制方法及其应用前景。强流离子束在核材料生产与增殖、洁净核能、放射性废物嬗变、放射性药物生产、重离子聚变、高能物理、核科学与工程、国防与民用工业和医疗等许多方面都有极其重要的应用潜力和诱人的发展前景。尤其是,近年来强流加速器驱动的放射性洁净核能系统是国内外关注的热门课题,因为它比常规核电更安全、更干净、更便宜。但是,强流离子束形成的束晕 混沌的复杂性现象已引起了国内外广泛关注,需要加以抑制、控制和消除这类现象,解决这一难题已经成为强流离子束应用中的关键问题之一。目前不仅必须深入研究这类束晕 混沌的复杂特性及其产生的物理机制,而且需要研究如何实现对束晕 混沌的有效控制,并寻求和发展其新理论、新方法和新技术。这就向强流离子束物理和非线性-复杂性科学及其技术提出了一系列极富挑战性的新课题。本文结合国内外的研究概况,根据我们多年来的研究成果,特别是我们首创性地提出了一些束晕 混沌的有效控制方法,它们包括:非线性反馈控制 法,小波反馈控制法,变结构控制法,延迟反馈控制法,参数自适应控制法等,进行重点的介绍。对上述课题当前的主要进展及相关问题进行系统的总结和比较全面综述的评论。最后 ,指出该领域今后的研究方向 ,以推动这个崭新领域的深入研究和应用发展。     

横向运动对驻波加速管电子反轰的影响

驻波加速管的电子反轰除和各种纵向运动因素有关外,还和横向运动因素有关。本文分析了横向运动因素对电子反轰的影响,指出由于横向运动,最终作反向运动的电子只有一部分能反轰到电子枪阴极表面,本文给出了计算反轰束流包络、反轰率、反轰电流及反轰功率的方法。