强流束在二极磁场中传输的模拟计算

为了研究空间电荷力对束流在二极磁场中传输的影响,从理论上用矩阵法分析非强流脉冲束流与强流脉冲束流在二极磁场中的传输矩阵,编写了束流在二极磁场等元件中传输的计算程序。用Powell优化方法计算非强流束传输实现给定的光学条件,用迭代方法计算强流束传输获得自洽解。在不同束流流强条件下,运用该程序与其他程序进行了模拟计算,并对模拟结果进行了比较分析。模拟结果表明:束流流强越大,束流包络曲线横向发散越显著,空间电荷效应越强。     

强脉冲离子束横截面分布的测量

强脉冲离子束在靶上的横截面能量密度分布和束流焦点位置是束流分析和辐照效应研究中重要的技术参数.利用红外成像诊断技术,可以以较高的空间分辨率和能量密度分辨率对束流的横截面分布进行测量,并可以实现对束流焦点的测量和束流传输特性的分析.通过该实验,可以使学生掌握强脉冲加速器诊断的基本技能,加深对加速器原理及脉冲束流分布和传输特性的认识.     

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。     

强流RFQ加速器的匹配设计方法研究

模拟计算和束流实验证明不匹配是直线加速器中强流束产生束晕的直接原因. 束晕的产生将导致束流品质下降和束流丢失, 也使得不匹配成为引起束流丢失的主要原因. 为了提高强流RFQ加速器中束流的传输品质和提高传输效率, 在分析了RFQ加速器中束流不匹配的原因之后, 提出了基于常规四部曲方法的匹配动力学设计方法. 该设计方法可以有效地抑制发射度增长和提高束流的传输效率.     

双圆筒加速透镜中强流束传输的模拟

用矩阵法分析非强流束流与强流束流在双圆筒加速透镜中的传输,编写束流在双圆筒加速透镜等元件中传输的计算程序DCALENS.采用优化方法实现给定的光学条件,用迭代方法计算强流束传输获得自洽解.在不同束流流强条件下,用DCALENS程序进行模拟计算,并对模拟结果进行比较分析.结果表明:束流流强越大,束流包络曲线横向发散越显著,空间电荷力越强;束流流强大于2 A时,束流包络曲线发散明显.     

冷链食品包装箱表面消毒灭菌小型电子帘加速器的研制

研制了冷链食品包装箱表面辐照消毒灭菌成套装置,重点针对装置的核心部件小型电子帘加速器进行设计和调试,应用E-gun电子束轨迹跟踪程序对加速器的束流光学进行了计算,合理设计了栅极和聚焦极形状,获得了对束流包络的理想控制,应用多物理场仿真软件CST进行高压结构优化,使电子帘阴极表面高压区电场分布均匀,降低了打火几率。对电子帘加速器进行了整机调试,针对调试中出现的高压打火现象进行了分析,并给出了结构优化设计方案,使得最终调试主要技术参数达到了140 keV/20 mA,束流不均匀度小于10%。通过了连续8 h稳定性运行测试,达到了工业加速器辐照应用标准。     

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。     

冷链食品包装箱表面消毒灭菌小型电子帘加速器的研制

研制了冷链食品包装箱表面辐照消毒灭菌成套装置,重点针对装置的核心部件小型电子帘加速器进行设计和调试,应用E-gun电子束轨迹跟踪程序对加速器的束流光学进行了计算,合理设计了栅极和聚焦极形状,获得了对束流包络的理想控制,应用多物理场仿真软件CST进行高压结构优化,使电子帘阴极表面高压区电场分布均匀,降低了打火几率。对电子帘加速器进行了整机调试,针对调试中出现的高压打火现象进行了分析,并给出了结构优化设计方案,使得最终调试主要技术参数达到了140 keV/20 mA,束流不均匀度小于10%。通过了连续8 h稳定性运行测试,达到了工业加速器辐照应用标准。     

CAFe DUMP前刮束器的设计研制

位于中国科学院近代物理研究所的超导直线加速器样机CAFe是一台质子超导直线加速器实验样机,围绕该装置的束流实验研究将为下一步设计研究加速器驱动次临界洁净核能系统(ADS)专用的超导直线加速器打下基础并提供经验。为了实现CAFe的10 mA束流指标,需要设计研制专门的束流收集器(DUMP)和对应的刮束器。本工作就CAFe DUMP前刮束器的研制进行了系统的设计和计算工作。刮束器面向束流侧的材料采用Al6063,确保束流轰击后的剩余放射性活度处于安全范围。基于蒙特卡罗粒子输运模拟,开展放射性核素及剩余剂量分析。结果表明,退役时刮束器外围剂量为可接受的百微希沃特每小时量级。通过ANSYS的热分析,计算了不同束流情况下刮束器的温度分布及温度变化,研究了刮束器在正常运行时移除热量的能力和在异常状况下应急保护的能力。计算结果表明,刮束器可以满足安全移除强流高功率束流束晕的设计需求。在CAFe高功率束流实验中,刮束器及DUMP运行正常,束流监测指标与设计一致,证明研制的刮束器实现了安全移除束晕、监测束流参数和保护DUMP的功能。     

100MeV强流质子回旋加速器轴向注入系统和中心区物理设计

100MeV强流质子回旋加速器设计的引出质子束流强为大于200μA, 并计划提供脉冲束流. 轴向注入系统设计有两条注入线, 即1#和2#注入线. 1#注入线利用负氢束的中性化以解决强流连续束流的注入,为保证达到高中性化程度, 横向聚焦均采用磁元件; 2#注入线的设计目的主要是提供一定流强的脉冲化束流,由于脉冲化负氢束的中性化过程难以建立, 因此, 横向聚焦元件均为静电元件. 两条线合理的结构设计使得注入系统可方便切换运行模式. 采用包含空间电荷力的光学计算程序, 匹配不同中性化程度的注入束流光学特性, 匹配工作的重点在于高达40°的高频相位接收度. 从离子源出口到粒子加速前15圈的连续匹配计算结果表明: 所设计的注入系统可有效地控制束流包络, 减少束流损失; 中心区高的高频接收度使设计的100MeV质子回旋加速器具有加速强流负氢束的能力.     

Computer simulations for intense continuous beam transport in electrostatic lens systems

A code LEADS based on the Lie algebraic analysis for the continuous beam dynamics with space charge effect in beam transport has been developed. The program is used for the simulations of axial-symmetric and unsymmetrical intense continuous beam in the channels including drift spaces, electrostatic lenses and DC electrostatic accelerating tubes. In order to get the accuracy required, all elements are divided into many small segments, and the electric field in the segments is regarded as uniform field, and the dividing points are treated as thin lenses. Iteration procedures are adopted in the program to obtain self-consistent solutions. The code can be used in the designs of low energy beam transport systems, electrostatic accelerators and ion implantation machines.     

Computer simulations for intense continuous beam transport in electrostatic lens systems

A code LEADS based on the Lie algebraic analysis for the continuous beam dynamics with space charge effect in beam transport has been developed.The program is used for the simulations of axial-symmetric and unsymmetricalintense continuous beam in the channels including drift spaces.electrostatic lenses and DC electrostatic accelerating tubes.In order to get the accuracy required,all elements are divided into many small segments,and the electric field in the segments is regarded as uniform field,and the dividing points are treated as thin lenses.Iteration procedures are adopted in the program to obtain self-consistent solutions.The code can be used in the designs of low energy beam transport systems,electrostatic accelerators and ion implantation machines.     

Two-dimensional field analysis of semiconductor lasers with small vertical beam divergence

Two-dimensional (2D) optical field distribution and the far-field patterns are analyzed for semiconductor lasers with small vertical beam divergence. The discrete spectral index method is used for the analysis and compared with other methods such as the effective index method. The discrete spectral index method is found to be much better in terms of accuracy and computation efficiency for the laser structures studied. Two laser structures with experimental counterparts are studied. The best beam aspect ratio ( <1.5) is achieved using the conventional ridge waveguide process. The calculated results compare very favorably with the experimental results. Simulations also reveal the guidelines for design of symmetric optical beam.     

合肥光源200MeV直线加速器束流位置检测器的计算

 采用Oprea程序对合肥光源200MeV直线加速器束流位置检测器(BPM)的电磁场进行了计算，由2 D的静电场来模拟计算BPM的特性阻抗和耦合系数，采用2 D的静磁场来模拟计算其位置灵敏线性曲线。由此，进行了直线加速器束流位置检测器的优化设计，得到了4个60°电极的位置检测器。它具有非常好的线性，在位置上具有足够大的信号强度，并且较好地满足了直线加速器的几何与机械要求。     

用拉盖尔-高斯激光对真空中电子直接加速

对用拉盖尔-高斯(LG)光束加速电子作了研究.结果表明，仅模指数为p和l=1的LG光束的纵向电场可用于加速电子.模指数为p和l=1的线偏振和圆偏振LG光束都对电子有加速效果.对轴上光场的相速度和群速度以及电子能量增益等物理特征作了讨论.给出了轴上光场的相速度和群速度、加速电位及电子能量增益等的解析表达式，并作了数值计算和分析. 关键词： 激光电子加速 拉盖尔-高斯光束 线偏振和圆偏振 能量增益     

强流束流偏角探测器模拟与测试

基于束流横向偏角与束流产生轴向磁场成正比的原理,设计了环状PCB结构的轴向B-dot探头,用于直接测量束流偏角。设计并搭建了标定平台对探头进行了测试,同时利用CST MWS程序对探头进行了建模计算。计算结果与实验结果一致,表明了轴向B-dot探头可直接应用于束流偏角测量。分析了影响探头频率适用范围的原因,并根据模拟计算结果给出了改进措施。该探测器在标定平台输入上升时间130ns,半高宽160ns的高压信号时,探头对偏角信号的响应灵敏度为314mV/(kA·mrad)。     

椭圆高斯光束产生近似无衍射Bessel-Gauss光

研究了轴棱锥聚焦像散椭圆高斯光束的光场分布特性,根据菲涅耳衍射积分理论导出了椭圆高斯光束经轴棱锥衍射后的光场分布,通过数值积分给出椭圆高斯光束经轴棱锥聚焦后的近轴光场强度分布情况,将其与圆高斯光束产生的近似Bessel-Gauss场进行比较,发现椭圆高斯光束经轴棱锥聚焦后的光束在一定的传播距离内也具有无衍射特性,且轴上光强分布与圆高斯光束产生的Bessel-Gauss光束的轴上光强分布具有相似的形式,而这种无衍射光场的强度在垂直于光轴的平面上不再是柱对称分布。根据近轴球面波产生近似Bessel光束的最大无衍射距离公式计算了椭圆Bessel-Gauss光束在子午面和弧矢面上的最大无衍射距离,整个光束的无衍射距离由入射到轴棱锥上的椭圆光斑短轴方向的尺寸决定。     

The aberration theory of a combined electron focusing–deflection system with a rotating deflection field following the rotation of the electrons

A new type of combined magnetic focusing–electrostatic deflection systems whose orientation of deflection field is rotated synchronously with the beam electrons is proposed. This rotation deflection field can be formed by twistification of tube wall electrode (TWE) deflectors. Formulae are derived for the first-order optical properties, third-order geometrical aberrations and first-order chromatic aberrations of this system. A program was written in FORTRAN for numerical computation. An example is given; the computation results show that compared to the conventional systems, the proposed new system has lower deflection aberration coefficients.     

CYCIAE-100轴向注入线设计及中心区束流匹配

采用包含空间电荷效应的束流光学计算软件TRANSOPTR对CYCIAE-100回旋加速器轴向注入线进行设计,在综合考虑空间布局、元件选择、真空度、空间电荷效应、轴向磁场和造价等问题后,最终确定了轴向注入线的聚焦结构。将数值跟踪获得的真实磁场下螺旋偏转板传的输矩阵编写到TRANSOPTR程序中,从而实现了从离子源出口至偏转板出口的束流光学匹配。介绍了CYCIAE-100回旋加速器轴向注入线的设计思想、布局结构和束流光学计算结果,并给出了主要元件的设计结果。在确定中心区结构和对中轨道后,采用多粒子轨道跟踪的方法进行中心区束流匹配的研究,通过对数值模拟的结果进行椭圆拟合并结合解析公式计算得到注入点处匹配矩阵,为注入线的设计提供拟合条件。     

On Solving Three-Dimensional Electrostatic Field Distribution by Multigrid Method

A highly efficient numerical algorithm using the multigrid method (MGM) is introduced to solve a three-dimensional (3-D)field distribution. Taking advantage of the restriction and prolongation in MGM computation, a more accurate field distribution can be acquired rapidly. According to the MGM algorithm, a 3-D program is accomplished, which can solve the field distributions in electron optical systems for various electrostatic lenses. The 3-D field distribution in an electrostatic concentric spherical model is tested with the MGM algorithm and with an algorithm based on the finite difference method (FDM). Comparing these two results in terms of computational efficiency and computational accuracy, it appears that MGM is superior to FDM, which is now used the most in field computations. This paper shows that the 3-D field computation using MGM greatly improves the computational efficiency of field distributions in electron optical systems and shortens the computational time.