CSR纵向束团压缩腔研究

针对兰州重离子加速器冷却储存环的发展目标,为了满足高能量密度（涉及重离子驱动惯性约束核聚变新能源）等物理研究的需要, 使用三维电磁场计算程序MAFIA研究了一种新型的适用于CSR的纵向束团压缩腔。 此纵向束团压缩腔采用高磁导率软磁合金材料进行加载,相比于铁氧体加载的高频腔, 可以得到高的电场梯度。以250 MeV/u的238U72+离子为例进行了模拟计算, 得出了此纵向束团压缩腔的工作频率为1.15 MHz, 峰值工作电压为80 kV, 由两个1/4波长同轴谐振腔组成, 每个谐振腔峰值工作电压为40 kV,能够满足在CSR上进行纵向束团压缩的要求。 The scheme of longitudinal bunch compression cavity for the Cooling Storage Ring(CSR) is an important issue. Plasma physics experiments require high density heavy ion beam and short pulsed bunch, which can be produced by non adiabatic compression of bunch implemented by a fast compression with 90° rotation in the longitudinal phase space. The phase space rotation in fast compression is initiated by a fast jump of the RF voltage amplitude. For this purpose, the CSR longitudinal bunch compression cavity, loaded with FINEMET FT 1M is studied and simulated with MAFIA code. In this paper, the CSR longitudinal bunch compression cavity is simulated and the initial bunch length of 238U72+ with 250 MeV/u will be compressed from 200 ns to 50 ns. The construction and RF properties of the CSR longitudinal bunch compression cavity are simulated and calculated also with MAFIA code. The operation frequency of the cavity is 1.15 MHz with peak voltage of 80kV, and the cavity can be used to compress heavy ions in the CSR.     

合肥光源单束团下束团长度和能散的测量

根据同步光与储存环中的束流信号具有相同的时间结构的原理,测量同步光脉冲的半高全宽值可以计算出束团的长度。根据合肥光源的特点和实际需要,选择快速光电接收器搭配高速高带宽示波器作为在线测量束团长度和纵向分布等的主要手段。对单束团模式下束团长度随流强和高频腔腔压的变化趋势进行了测量。测量结果表明：束团长度与腔压的0.3次方成反比,比理论值0.5小;而束团长度随流强的增长率为2.0 ps/mA。通过测量纵向量子寿命进行了能散随流强变化的间接测量,结果表明,束团的拉伸是能散变化和势阱效应共同作用的结果。     

合肥光源单束团下束团长度和能散的测量

根据同步光与储存环中的束流信号具有相同的时间结构的原理,测量同步光脉冲的半高全宽值可以计算出束团的长度。根据合肥光源的特点和实际需要,选择快速光电接收器搭配高速高带宽示波器作为在线测量束团长度和纵向分布等的主要手段。对单束团模式下束团长度随流强和高频腔腔压的变化趋势进行了测量。测量结果表明:束团长度与腔压的0.3次方成反比,比理论值0.5小;而束团长度随流强的增长率为2.0 ps/mA。通过测量纵向量子寿命进行了能散随流强变化的间接测量,结果表明,束团的拉伸是能散变化和势阱效应共同作用的结果。     

可变参数磁压缩系统设计

北京大学30MeV超导加速器包含3个RF加速单元: 自主研发的1.5cell DC-SC(直流-超导)注入器, 经过升级的3.5cell DC-SC注入器, 以及1.3GHz 2×9cell Telsa型超导加速腔. 为充分利用该装置上高品质电子束, 计划压缩1.5cell注入器出口电子束用于产生相干THz光, 以及压缩2×9cell超导加速腔出口电子束产生红外自由电子激光. 通过理论计算及模拟计算相结合设计了一套可变参数磁压缩系统, 该系统可以同时满足两个RF加速单元后束团压缩的要求.     

基于Hilbert变换的相空间重建方法在HLS逐束团测量系统中的应用

引入基于Hilbert变换的相空间重建手段, 对合肥光源(HLS)逐束团测量系统采集的数据进行了全面的分析, 其中包括单个束流位置监测器(BPM)数据的相空间重建, 逐圈逐束团振荡相位信息、束团振荡模式信息、逐束团横向工作点(tune值)变换. 提出了新的分析束团tune值的手段, 提供传统方法无可比拟的更高的时间和频率分辨率. 还对不同模式的阻尼率进行了计算, 这为衡量逐束团反馈系统的效果提供了确实可靠的方法.     

合肥光源测量束团纵向精细结构的单光子计数系统设计

本文介绍了用单光子计数法测量束团纵向精细结构的原理.介绍了合肥同步辐射光源测量束团纵向精细结构的单光子计数系统的设计.由于单光子计数法具有高时间分辨率(2ps)和大的动态测量范围(10⁵)等优点,所以该系统不仅可以测量束团长度,而且可以精密测量单束团的纯净度.最后,分析了该系统的性能,并讨论了该系统在尾场和纵向阻抗的研究、束团伸长效应的研究以及影响单束团不纯净机理的研究中的应用.     

相干渡越辐射束团纵向分布重建方法

实验上通过相干渡越辐射（CTR）能谱分析法测量束团长度以及进行纵向束团形状重建已成为一种有效的束流诊断手段。通过迈克尔逊干涉仪测量太赫兹辐射能谱,通常实验所用探测器只能测量辐射的强度谱的幅值,且由于缺少相位无法直接进行束团形状重建。目前重建算法主要有Kramers-Kronig(K-K)相位分析法和代数迭代重建算法。利用这两种算法分别对高斯分布和带拖尾的高斯分布模型进行验证并进行了对比,其中K-K得出的重建结果存在一定的误差,迭代算法在解决重建反转歧义、重建噪声抑制等表现良好。同时利用这两种算法对兰州高能电子成像平台CTR实验结果进行了重建及分析,得出了对应的重建结果,为后续高能电子束成像平台的束流诊断反馈提供了一种参考手段。     

束团伸长效应的理论研究

论述了束团伸长效应现有理论的不足和困难。在强流条件下,用统计力学理论解出粒子纵向分布函数,从而将目前关于束团伸长现象的平衡理论和微波不稳定性理论用统一的形式加以描述。并且在理论上证明了束团伸长效应在本质上是多束团效应,指出了窄带阻抗对束团伸长效应的重要贡献。     

束团伸长效应的理论研究

 论述了束团伸长效应现有理论的不足和困难。在强流条件下，用统计力学理论解出粒子纵向分布函数，从而将目前关于束团伸长现象的平衡理论和微波不稳定性理论用统一的形式加以描述。并且在理论上证明了束团伸长效应在本质上是多束团效应，指出了窄带阻抗对束团伸长效应的重要贡献。     

BEPCⅡ储存环逐束团丢束监测系统及应用

针对北京正负电子对撞机二期工程（BEPCⅡ）在高流强下运行经常出现的突然丢束问题,研制了基于逐束团测量的丢束监测系统。束流位置探头（BPM）的四路电极信号作为监测系统的信号源,四路高速模数转换器(ADC)和现场可编程门阵列（FPGA）进行模拟信号的数字化和数字信号的处理。通过获取丢束前每个束团的位置和流强等信息来分析引起丢束的原因。结合加速器硬件情况,长时间对丢束监测系统数据的分析,以及设计的对比实验,深入研究丢束问题。系统对高频系统故障、束流不稳定性和磁铁电源系统不稳定等原因引起的丢束现象可以做出准确的判断,进而为加速器稳定运行提供优化方向。     

CTF磁压缩器的误差研究

磁压缩器广泛应用在自由电子激光装置中. 电子束团的归一化发射度增长由二极磁铁的高阶分量误差及准直误差引起. 本文描述了CTF (CXFEL Test Facility)的第一个磁压缩器的误差研究.     

Bunch compression study using the envelope model in CSRm

The feasibility of attaining a short-pulse-duration heavy ion beam with a nanosecond pulse length is studied in the main ring of the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL). Such a heavy ion beam can be produced by non-adiabatic compression, and it is implemented by fast rotation in the longitudinal phase space. In this paper, the possible beam parameters during longitudinal bunch compression are studied by using the envelope model. The result shows that a shortest heavy ion bunch ²³⁸U²⁸⁺ of 29 ns with energy of 200 MeV/u can be obtained, which can satisfy high energy density physics research.     

多粒子模拟方法分析北京正负电子对撞机储存环束团长度拉伸效应

采用多粒子模拟方法,分析了北京正负电子对撞机(BEPC)储存环纵向不稳定性,给出了BEPC储存环束团长度与单束流强的关系,得出了阈值流强.模拟结果与BEPC95年4月实测结果符合较好.     

多束团不稳定性的模拟研究

利用模拟的方法研究了多束团不稳定性.SCBI程序(SIMULATION OF COUPLED-BUNCH INSTABILITIES)是一个用来模拟研究储存环上高频腔、真空盒内壁及其它腔形结构元件的长程尾场和中程尾场激发的多束团不稳定性的综合程序.在束团均匀分布情形下,比较了SCBI程序与ZAP程序的结果,两者非常一致.同时,利用SCBI程序对北京正负电子对撞机(BEPC)多束团改进方案(BEPCⅡ)的多束团不稳定性进行了详细的研究.     

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。     

电光采样(EOS)法测量超短电子束束团长度中的模拟计算与误差分析

随着高能物理的发展, 高能量正负电子对撞机, X射线自由电子激光器, 先进的同步光源等, 都需要产生高流强超短脉冲的相对论电子束团. 于是, 亚皮秒电子束束团诊断成为加速器物理新发展的关键技术, 电子束长度的监测是其中的一部分. 电光采样(EOS)法测量超短电子束团长度有非侵入、非破坏、实时测量的特点, 具有较好的应用前景. 本文介绍该方法的原理, 通过模拟计算分析电子束束团与探测光间距、电子束电场与电光晶体晶轴夹角、探测光偏振方向与电光晶体晶轴夹角等实验参数与束团长度测量的关系, 做系统误差分析, 对实际实验有指导意义.     

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。     

Bunch evolution study in optimization of MeV ultrafast electron diffraction

Megaelectronvolt ultrafast electron diffraction (UED) is a promising detection tool for ultrafast processes. The quality of diffraction image is determined by the transverse evolution of the probe bunch. In this paper, we study the contributing terms of the emittance and space charge effects to the bunch evolution in the MeV UED scheme, employing a mean-field model with an ellipsoidal distribution as well as particle tracking simulation. The small transverse dimension of the drive laser is found to be critical to improve the reciprocal resolution, exploiting both smaller emittance and larger transverse bunch size before the solenoid. The degradation of the reciprocal spatial resolution caused by the space charge effects should be carefully controlled.     

Bunch evolution study in optimization of Me V ultrafast electron diffraction

Megaelectronvolt ultrafast electron diffraction（UED） is a promising detection tool for ultrafast processes.The quality of diffraction image is determined by the transverse evolution of the probe bunch. In this paper, we study the contributing terms of the emittance and space charge effects to the bunch evolution in the MeV UED scheme, employing a mean-field model with an ellipsoidal distribution as well as particle tracking simulation. The small transverse dimension of the drive laser is found to be critical to improve the reciprocal resolution, exploiting both smaller emittance and larger transverse bunch size before the solenoid. The degradation of the reciprocal spatial resolution caused by the space charge effects should be carefully controlled.     

皮秒量级电子脉冲宽度测量系统

提出了一种测量皮秒量级电子脉冲宽度的新方法; 并且在二次发射微波电子枪前期研究结果的基础上利用MAFIA等数值模拟程序建立起该测量方法的数值模型进行数值分析, 讨论了其可行性; 并根据本实验室现有条件给出了测量方法的最小分辨, 说明了测量方法的可行性.