ADS强流质子加速器低能传输段发射度匹配研究北大核心CSCD

研制了一套强流质子源及低能传输线(LEBT)注入器用于ADS质子直线加速器。质子源产生35 ke V强流束经过低能传输段聚焦进入射频四极(RFQ)入口。低能传输段不匹配是强流RFQ中引起束流丢失的主要原因。不同加速段的束流匹配是减少束流损失与抑制发射度增长的重要手段。束流损失导致RFQ电极表面受热变形进而引起高频打火,降低RFQ长期运行的稳定性。针对以上问题,研究LEBT发射度在不同的实验条件下如何实现加速器更好的匹配。研究结果表明,LEBT出口束流在35 ke V,10 m A下,束流发射度小于0.2πmm·mrad,当LEBT螺线管电流为210和270 A时,束流在RFQ入口满足匹配条件。     

ADS强流质子加速器低能传输段发射度匹配研究

研制了一套强流质子源及低能传输线(LEBT)注入器用于ADS质子直线加速器。质子源产生35 ke V强流束经过低能传输段聚焦进入射频四极(RFQ)入口。低能传输段不匹配是强流RFQ中引起束流丢失的主要原因。不同加速段的束流匹配是减少束流损失与抑制发射度增长的重要手段。束流损失导致RFQ电极表面受热变形进而引起高频打火,降低RFQ长期运行的稳定性。针对以上问题,研究LEBT发射度在不同的实验条件下如何实现加速器更好的匹配。研究结果表明,LEBT出口束流在35 ke V,10 m A下,束流发射度小于0.2πmm·mrad,当LEBT螺线管电流为210和270 A时,束流在RFQ入口满足匹配条件。     

ECR氧离子源及整体分离环RFQ加速器低能输运系统的研制

根据研制分离作用RFQ和升级改造1MeV ISR RFQ的需要,设计了一台ECR O⁺离子源及低能输运(LEBT)系统. 低能输运系统使用2个静电透镜聚焦束流, 在引出电压22kV时, LEBT末端得到6mA以上总脉冲束流、束流归一化均方根发射度为0.12πmm﹒mrad. 束腰可前后移动160mm.     

ECR氧离子源及整体分离环RFQ加速器低能输运系统的研制

根据研制分离作用RFQ和升级改造1MeV ISR RFQ的需要,设计了一台ECR 0+离子源及低能输运(LEBT)系统.低能输运系统使用2个静电透镜聚焦柬流,在引出电压22kV时,EBT末端得到6mA以上总脉冲束流、束流归一化均方根发射度为0.127πmm.mrad.束腰可前后移动160mm.     

APTR质子同步加速器RFQ直线注入器的优化设计

为实现质子治疗装置的国产化和小型化,基于已完成安装调试的上海先进质子治疗装置(APTR),开展质子治疗注入器系统的升级设计研究,利用PARMTEQM设计软件和快聚束策略,针对APTR同步加速器RFQ直线注入器进行动力学设计模拟。RFQ工作频率为325 MHz,流强18 mA,对从离子源引出的低能质子束流进行匹配俘获、横向聚焦、纵向聚束和预加速,引出能量为3.0 MeV。通过优化预注入器RFQ动力学设计方案和极头参数,有效避免参数共振,减小束流损失,使其整体传输效率达到98.0%,在水平和垂直方向上的发射度增长分别为1.2%和3.3%,出口束流满足下一级腔体的注入需求,开展设计模拟验证和相关冗余度分析,为质子同步加速器的治疗设备和直线注入系统提供参照依据。     

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.     

利用激光离焦的方法优化超强激光驱动的质子加速

在中国科学院物理研究所"极光Ⅱ 号"飞秒激光装置上,对激光与薄膜靶相互作用产生的靶后质子束特性进行了实验研究.结果发现,在主脉冲前存在较强的飞秒预脉冲的情况下,通过适当地对激光束散焦,可以使质子束的转换效率提高3 个数量级,并同时改善质子束的准直性.分析表明,激光散焦的方法可以有效地抑制预脉冲的流体力学效应对质子加速的负面影响,从而提高质子的转换效率.此外,粒子模拟还发现,散焦量增大时可以产生更多的中低能超热电子,这也有利于建立高质量的质子加速电场. 关键词： 超短脉冲激光与等离子体相互作用 质子加速 转换效率     

用于强流中子发生器的低能束流传输线的设计模拟

兰州大学设计研发的ZF-400强流中子发生器设计D-T中子产额6×1012 n/s,主要由ECR离子源、低能束流传输线（LEBT）、加速管、旋转靶等部分组成。LEBT负责将从离子源引出的束流进行分析聚焦并注入到加速管中。LEBT对束流的聚焦及分析的好坏程度决定了加速管中束流的损失程度、中子的产额以及靶的寿命。本工作就该强流中子发生器所需的低能传输线进行了设计。使用螺线管、分析磁铁和四极透镜组合的方案。利用TRACK软件对此方案进行模拟,得到符合要求的束流线及元件的参数。用TraceWin进行了验证模拟,验证结果符合要求。另外,通过软件模拟确定了杂质离子损失的位置,据此设计了束流管道冷却方案。通过模拟发现,这种透镜的组合方式可以让整个LEBT以较低的功率获得低损失、高纯度的打靶束流。The ZF-400 Intense Neutron Generator, which is designed by Lanzhou University with an expected neutron yield of 6×1012 n/s, is consist of ECR ion source, low energy beam transport (LEBT) line, accelerating tube and rotating target. The beam extracted from ECR source is analyzed and focused through LEBT, then, the beam is introduced into the accelerating tube. The focus and analysis ability of LEBT is very important for the beam loss, neutron yield and target's life. A LEBT line for intense neutron generator is designed in this paper, the project consisted of a solenoid, a bend magnet and three quadrupole lens. The qualified LEBT and its parameters have been got through the simulation with TRACK code. Then TraceWin program was employed to check this simulation and the result satisfied our requirement. Besides, the loss position of impurity ions was known through the simulation, and a project of beam line's cooling system was designed according to this result. Through the simulation, we find the optimal lens combination plan which can obtain lower beam loss and higher beam purity at low running power of LEBT.     

兰州重离子加速器综述

兰州重离子研究装置(HIRFL)是由离子源,注入器(扇聚焦回旋加速器,SFC)和主加速器(分离扇回旋加速器,SSC)组成的。由离子源产生的束流经过注入器SFC的预加速后,通过前束流线注入到主加速器SSC,束流在主加速器加速到最大能量后,由后束流线送到各个实验终端。本文首先介绍了HIRFL的建造过程、束流特性和主要结构。然后描述了SSC和束流线的调束过程、调束方法及运行状态。最后展望了HIRFL广泛的应用前景。     

带有质量分析系统的强流质子束低能传输线研究

强流质子源与低能传输线（LEBT）是作为CIADS注入器的超导强流质子直线加速器的关键前端系统。目前LEBT采用双螺线管匹配结构设计,并安装有限制锥,但仍然不能避免少量H₂+和H₃+进入后端加速装置,这对直线加速器长期运行稳定性与可靠性会产生一定影响。为此,在LEBT加入分析磁铁对混合束（H+,H+2,H₃+）进行分离再注入后端加速器腔体,将是一个有效的方案。本研究对经过带有30度分析磁铁的LEBT的强流质子束的束流品质进行了模拟与实验测量。结果表明,分析磁铁高阶磁场的影响使经过分析磁铁的强流质子束束流品质变差,并且该影响随着束流包络的增大而增大。这些结果为CIADS注入器的低能传输线设计提供了参考依据。High current proton source and the low energy beam transport(LEBT) are the key front-end systems for CIADS injector:high current proton linac accelerator. CIADS injector's LEBT adopts double solenoid matching structure, using a limit cone which can partially avoid H₂+ and H₃+ which injecting into the back-end linac accelerator may impact the long-term stability and reliability of the whole system. It will be an effective method to separate the hybrid ions (H+, H₂+, H₃+) by adding a dipole magnet at LEBT. In this article, we simulated and mesasured the high current proton beam quality behind the LEBT with a 30 degree dipole. The results show that the the proton beam quality is significantly effected by high-order magnetic fields of the dipole magnet, and the effect increases with the increase of the beam envelope. The achieved result is useful for the LEBT design of CIADS injector.     

国产首台交变相位聚焦漂移管加速器的冷测与试运行

质子直线注入器是质子治癌系统的重要组成部分。出于项目进度的考虑,上海先进质子治癌示范装置APTRON采用了进口自美国的直线注入器。为了加快质子治癌产业进程,掌握质子放疗关键技术,保证产业链安全可控,注入器团队研发了国产医用质子直线注入器。该直线注入器采用了电子回旋共振（ECR）离子源和四翼型射频四极加速器（RFQ）的技术方案,并在漂移管加速器（DTL）段创新性地采用了交变相位聚焦（APF）结构。在这个过程中,通过研究APF DTL的束流运动规律和设计思想,自主开发了APF DTL的底层物理设计软件,相继完成了物理设计、电磁设计、机械设计、加工建造、腔体冷测、高频老练和载束实验等多个阶段的工作,最终成功引出了7 MeV、7 mA的质子束流。经过束诊系统的测量分析,认定束流中心能量为6.975 MeV,动量分散在±0.35%以内的束流流强为6.07 mA。成为国产首台医用质子直线注入器和首个实现成功载束的APF加速腔。     

双驱动射频负氢离子源匹配网络设计与实验研究

随着磁约束聚变实验装置对中性束注入器的输出束流强度与脉冲时间的要求越来越高,开展高功率大面积射频离子源的研究迫在眉睫。为了实现大面积、高密度均匀等离子体放电,基于多驱动射频离子源的设计是当前的发展趋势,而阻抗匹配网络是射频功率源将最大功率输送至线圈并耦合至等离子体的关键,故对其结构设计和调谐特性的研究是不可或缺的。基于前期在单驱动射频离子源的研究基础上,结合双驱动射频离子源的放电需求,开展了双驱动阻抗匹配网络优化结构的设计与分析,通过实验中对匹配网络的调谐,成功实现了140 kW高功率和25 kW/1 000 s长脉冲的稳定运行。随后在等离子体稳定放电的基础上研究了两个驱动器之间的功率分配均匀性问题,实验结果表明了该匹配网络的优化设计合理可行,上下驱动器的射频功率分配基本均匀。     

热阴极微波电子枪预测式自适应前馈控制系统

 北京自由电子激光装置采用热阴极微波电子枪作为电子直线加速器的注入器,在较长脉冲工作条件下, 热阴极微波枪固有的反轰效应使束流强度随时间增加, 能量因束负载效应而降低, 导致束流能散度变差, 并在随后的加速过程中因注入束流的纵向发射度的扩大而进一步变坏, 最终降低自由电子激光的性能。实验表明, 采用带预测的自适应前馈控制克服束负载效应以及提高微波枪束流质量切实可行。     

带空间电荷效应的横向发射度测量（英文）

CADS注入器Ⅰ试验装置由中国科学院高能物理研究所承建。其10mA的束流由RFQ结构加速到3.2 MeV,经中能传输段匹配到超导加速结构。为了减小失匹配造成的束流损失,需要测量RFQ出口束流参数,以便调整中能传输段Lattice结构,使束流能匹配进入超导腔。CADS注入器Ⅰ采用丝靶扫四极铁参数的方式测量束流截面并计算RFQ出口Twiss参数。强流加速器在低能段空间电荷力很强,常规的基于矩阵的数据处理方法会带来误差。本文分别用常规的未考虑空间电荷效应的矩阵方法和考虑了空间电荷效应的遗传算法对数据进行处理,得到的结果显示低能强流加速器进行Twiss参数测量时,必须考虑空间电荷效应的影响。     

利用密度反馈实现离子源长脉冲放电

 介绍了等离子体密度对离子源放电的影响,为了获得长脉冲放电,采用朗缪尔探针测量等离子体密度并反馈调节离子源放电。基于朗缪尔探针测量,设计了控制部分硬件与软件构架,建立了离子源等离子体密度反馈控制系统,并成功地应用于离子源等离子体放电实验,通过反馈调节实验进气,得到了长达4.5 s的长脉冲放电,为中性束注入稳态运行提供了依据。     

带空间电荷效应的横向发射度测量

CADS注入器Ⅰ试验装置由中国科学院高能物理研究所承建。其10 mA的束流由RFQ结构加速到3.2 MeV,经中能传输段匹配到超导加速结构。为了减小失匹配造成的束流损失,需要测量RFQ出口束流参数,以便调整中能传输段Lattice结构,使束流能匹配进入超导腔。CADS注入器Ⅰ采用丝靶扫四极铁参数的方式测量束流截面并计算RFQ出口Twiss参数。强流加速器在低能段空间电荷力很强,常规的基于矩阵的数据处理方法会带来误差。本文分别用常规的未考虑空间电荷效应的矩阵方法和考虑了空间电荷效应的遗传算法对数据进行处理,得到的结果显示低能强流加速器进行Twiss参数测量时,必须考虑空间电荷效应的影响。     

HL-2M装置中性束注入加热系统研制进展

为开展磁约束堆芯燃烧等离子体物理实验,正在建造的HL-2M装置拟建造3条5 MW的中性束注入加热束线。简要概述了HL-2M装置NBI加热系统的总体规划,第1条5MW-NBI加热束线的设计,离子源调试实验,注入器核心部件的安装和测试结果。通过调试,目前单个离子源引出束流达到36 A,加速电压75 kV,离子束功率达到2.4 MW,脉冲宽度3 s。通过测试发现:注入器的4条离子束汇聚角误差小于±0.1°,残留离子偏转磁体的磁场测试值与模拟计算值偏差小于±5%,注入器静态真空值达到1.0×10-3 Pa。注入器采用大型非标低温泵,低温泵的抽速达到2.40×106 L/s。第1条5MW-NBI加热束线的试装和测试结果表明,该束线能够满足HL-2M装置NBI加热的技术要求。     

HL-1M装置超声分子束流注入过程中的团簇现象

在ＨＬ－１Ｍ装置上最近改进后的超声分子束流加料实验中,发现边缘等离子体的Ｈａ线辐射信号沿大环方向同有序变化。在超声分子束注入口附近区域,Ｈａ信号为长方形正脉冲,类似于分子束注入脉冲,而在远离注入口区域的边缘Ｈａ信号为负尖脉冲。在注入口附近区域,用静电探针测得的径向电子温度和密度在超声分子束注入期间分别下降和上升了一个数量级。ＣＣＤ相机拍摄分子束与等离子体相互作用产生的Ｈａ线辐射强度分布等实验结果表     

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.     

突出电极对四杆型RFQ腔体并联阻抗及场平整性的影响

中国科学院近代物理研究所正在进行等离子体直接注入方案的研究,以便为重离子物理研究提供稳定可靠的高流强束流。由于工作频率较低,用于等离子体直接注入方案的RFQ腔体采用了适合于低频的四杆型结构。在完成束流动力学设计的前提下,研究了RFQ腔体支撑臂的各参数对并联阻抗的影响。由于突出电极之间存在着一定大小的电容,会对腔体的性能产生影响,为使腔体达到最优化的设计,进行了突出电极对并联阻抗及场平整性的影响的研究,并给出了突出电极的取值范围。