HLS-Ⅱ直线加速器能量调节及应用

为了高效地对直线加速器输出束流能量进行调节,设计了合肥光源（HLS-II）直线加速器束流能量调节方案。该方案在调试阶段通过能谱分析系统观察束团状态并测量束流能量,储存环注入阶段使用3个束流位置探测器（BPM）对束流能量进行在线测量;使用自动相位扫描程序对速调管输出相位进行扫描,获得各加速段的能量增益公式;定量调节速调管的输出相位和高压,实现直线加速器输出束流能量的快速调节。在线应用结果表明,该方案能快速实现束流能量调节,调节后的束流具有良好品质,束流横向能散小于0.22%,注入速率明显改善。     

中国加速器驱动次临界系统主加速器初步物理设计

中国加速器驱动次临界系统（C-ADS）计划采用一个平均流强为10 mA的连续波质子加速器作为次临界堆的驱动器,驱动加速器的束流功率为15 MW,最终能量1.5 GeV,其中主加速器是驱动加速器的一个重要部分,完成束流能量从10 MeV到1.5 GeV的加速,所有加速腔均采用超导结构。为了避免频繁束流中断对反应堆的损坏,设计要求驱动加速器在运行过程中束流可以中断的次数非常有限,因此加速器在设计过程植入了容错机制,尝试了各种可能的方法以最大程度地满足C-ADS加速器的高可靠性和稳定性的要求。介绍了C-ADS主加速器的基本设计: 总长度306.4 m, 束流的归一化RMS发射度增长控制在5%以内。总结了各个重要参数选择过程中的考虑以及整个加速段多粒子跟踪模拟的束流动力学结果。     

上海光源直线加速器的能量反馈控制

海光源恒流注入的运行模式,需要直线加速器提供持续、稳定和高品质的束流。阐述了八条形电极束流位置探测器(BPM)的工作原理及其对直线加速器至增强器低能运输线的束流进行能散的测量,并以（微波）幅度或相位作为调节参数,采用比例积分(PI)控制算法对束流能散进行反馈控制,实现了束流能量的长期稳定性,保证了直线加速器束流的高效率注入。     

双束等离子体尾波加速中的束流相对能散预测

针对空泡机制中的双束等离子体尾波电子加速设计,给出了能够快速得到被加速束流在最大加速距离下的相对能散的预测公式。通过加速初始时刻束流纵向分布以及束流所处位置的纵向尾波场可得到束流最终相对能散。该预测公式不仅可应用于驱动束流与被加速束流初始能量相同的情况,还可应用于两个束流初始能量不相同的情况。由该预测公式得到的束流相对能散与被加速束流和驱动束流的初始能量的比值有关,而与两个束流初始能量的数值无关。利用准静态近似的粒子网格模拟程序QuickPIC对理论进行了模拟验证,模拟结果与理论预期结果一致。     

高能光源增强器束流横向尺寸测量系统设计

高能同步辐射光源的增强器将直线加速器注入的束流加速到储存环所需的能量,为储存环提供高品质的电子束。为了对增强器的束流横向截面尺寸、发射度及能散进行测量,设计了两条可见光-紫外波段的束测光束线。两条光束线分别选取无色散和色散较大的两处弯铁位置作为光源点,使用两套同步光成像系统来监测光源点的束流截面尺寸,并计算束流发射度及能散。介绍了同步光引出真空室及光学成像系统,对影响成像质量的空间分辨率进行了分析,并针对升能过程中不同能量下束流光斑变化的测量进行了设计。     

激光等离子体稳相加速机制研究

现有激光等离子体加速机制中纵向电场对离子的有效加速长度很短(微米量级),且束流能散大,得到的离子能量较低.当采用圆偏振激光和固体靶相互作用时,如果激光的归一化光强矢量α与靶的电子面密度no/nC D/kL相当时,则存在一种稳相加速机制.此时激光和等离子相瓦作用产生的静电场不仅可以用于加速离子,而且还可以在纵向对离子进行聚束,从而可以有效地降低束流能散.数值模拟结果表明,利用激光加速可以得到能散小于5%的单能离子束,这对激光加速器走向实际应用有着重要意义.     

HIRFL-SFC采用平顶波加速的模拟研究

近代物理研究所针对改善兰州重离子加速装置注入器(HIRFL-SFC)引出束流的品质,将主要考虑改进高频系统以提高Dee盒的加速电压、增加一个相位狭缝和采用平顶波加速等。其中采用平顶波加速可以有效地减小扇形聚焦回旋加速器(SFC)引出束流的能散并且提高其自身的传输效率。采用回旋加速器束流模拟程序AGORA对SFC进行模拟计算,并比较有无平顶波加速系统下束流品质的变化。结果表明,采用平顶波加速后,SFC的引出束流能散明显减小,而且在引出偏转板入口处束流的径向尺寸及圈间距满足单圈引出的条件。     

HITFiL同步加速器剥离注入

一台新的治癌专用加速器HITFiL正在设计和建造中,其中一台同步加速器为其主加速器,以高紧凑性、高可靠性和低成本为设计目标。同步加速器的注入系统采用剥离注入方式,剥离注入与单圈注入方式相比能达到较高的注入效率,而其造价明显低于多圈注入加电子冷却的注入方式。治癌采用碳粒子束,从ECR离子源产生的C5+离子经过回旋加速器预加速后在同步加速器注入点处剥离成为C6+注入到环里。详细阐述了该注入系统的设计方案,并对整个注入过程进行了计算机模拟。在模拟过程中,对束流的注入效率、束流损失机制和粒子数增益进行了研究,得到了实空间和相空间的粒子分布和发射度增长趋势,得到了满足要求的束流流强。     

一种在线式电子束能量测量方法

针对直线感应电子加速器中的束流特点,设计了一种在线式电子束能量测量方法。该方法使用分析磁铁和束位置探测器对电子束团切片平均能量进行测量,避免了束团取样带来的误差及测量过程对束流的影响,可以实现电子能量的在线测量。使用该方法对某强流直线感应电子加速器的电子束团能量进行了测量,获得了电子束团切片平均能量随时间变化的曲线,能量测量不确定度为0.177 MeV,能散度测量不确定度为0.39%。     

BEPCⅡ直线加速器的误差和抖动效应

为达到BEPCⅡ 直线加速器的设计指标,系统地研究了误差和抖动(Jitter)效应对束流性能的影响。误差效应包括束流的初始偏轴和聚焦透镜偏轴导致的色差效应;束流的初始偏轴和加速结构偏轴导致的尾场效应等。主要的抖动效应包括相位漂移抖动和高频功率源中调制器电压的抖动影响等。确定了在BEPCⅡ直线加速器上对误差和抖动的限制,如来自电子枪的束流的初始偏轴应小于等于0.3 mm,加速结构和聚焦磁铁的安装误差应小于等于0.2 mm,相位漂移抖动误差应小于等于2°,调制器的电压抖动误差应小于等于0.1%。并进一步确认了必须采用相位控制系统和束流轨道校正系统,以抑制这些误差效应的影响,达到正、负电子束流能散度小于等于0.5% 和电子束束流发射度小于等于0.25 mm·mrad,正电子束束流发射度小于等于1.60 mm·mrad 的设计目标。     

Energy spread in plasma-based acceleration

Electron acceleration in a one-dimensional plasma wave has been simulated, with emphasis on minimizing the energy spread of an accelerated electron bunch, while keeping the mean energy gain at a reasonable level. Bunch length, beam loading, and the injection phase are tuned to reach this goal. The simulation results show that, in a wide range of initial bunch lengths and beam loading parameters, an optimum acceleration distance exists, which combines low energy spread and high energy gain. The energy spread at the optimum is found to be weakly dependent on bunch length and beam loading, while it is highly sensitive to deviations in the injection phase     

粒子束团状态对测量束流发射度及能量的影响

为了验证国产质子注入器的参数是否满足需求,注入器团队设计了束流测量系统用于测量国产质子直线注入器束流的流强、发射度、能量以及能散等关键指标。此测量系统包含了采用变聚焦法测量发散度、采用分析磁铁测量束流能量和能散的主要功能。利用束流输运线设计软件Tracewin(版本2.11.4.1)进行了系统束线的物理设计,对束测系统测量质子束流的发散度和能量的精度进行了模拟计算。由于经过RFQ-(APF)DTL加速后的粒子束团为“拖尾”的非理想粒子束团,需要针对非理想束团对束测系统测量发射度和能量产生的影响进行分析。通过对模拟计算结果的分析,发现相对于测量理想粒子束团的结果非理想粒子束团对束测系统测量发射度精度影响较大;非理想粒子束团对束测系统测量能量精度影响较小。     

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。     

Velocity bunching in travelling wave accelerator with low acceleration gradient

We present the analytical and simulated results of our study of the influence of the acceleration gradient in the velocity bunching process, which is a bunch compression scheme that uses a travelling wave accelerating structure as a compressor. Our study shows that the bunch compression application with low acceleration gradient is more tolerant to phase jitter and more successful in obtaining a compressed electron beam with symmetrical longitudinal distribution and low energy spread. We also present a transverse emittance compensation scheme to compensate the emittance growth caused by the increase of the space charge force in the compressing process, which is easy to adjust for different compression factors.     

电子在α-磁铁中的运动描述

 由于α-磁铁具有能量选择和束团脉宽压缩的功能，它是RF-gun注入器中一个非常重要的组成部分。描述了α-磁铁的结构特点，讨论了电子在α-磁铁中运动的归一化方程。采用数值计算的方法给出了与电子运动能量无关的理想轨道运动方程，并导出了α-磁铁的主要性质。     

磁压缩器中相干同步辐射对束团品质的影响

在进行束团压缩时,相干同步辐射导致束团能量再分配,这会引入一定类型的非线性,目前普遍认为该非线性会导致束团发射度的急剧增加.本文通过模拟计算发现该结论只在一定条件下成立,同时还发现相干同步辐射引入固定类型的非线性,在特定参数下,该非线性能在一定程度上抵消束团原有的非线性,最终可能对束团品质有改善作用.     

高能同步辐射光源直线加速器初期调束取得重要进展

高能同步辐射光源（HEPS）是中国第一台第四代高能同步辐射光源,其加速器由直线加速器、增强器、储存环及输运线组成。报道了HEPS直线加速器的初期束流调试重要进展。HEPS直线加速器是一台500 MeV S波段常温直线加速器,由热阴极电子枪、聚束系统、主直线加速器构成。在按时完成设备加工、安装和老练的基础上,于2023年3月9日启动束流调试,当天实现束流全线贯通。3月14日束流能量达到500 MeV,束团电荷量达到2.5 nC。经过测量,直线加速器出口束流能散0.4%,能量稳定度0.06%,水平和垂直几何发射度分别为233 nm和145 nm。目前直线加速器束团电荷量可达到7.0 nC,相关束流调试正在进行。     

Uncoupled achromatic condition of a dog-leg system with the presence of RF cavities

To merge the beam from either of the two injectors to the main linac, a dog-leg system will be employed in the second Medium Energy Beam Transport(MEBT2) line of the China ADS driving accelerator. The achromatic condition has to be guaranteed to avoid beam center excursion against energy jitter. RF cavities were found to be indispensable to control the bunch length growth in the dog-leg system of MEBT2. The full uncoupling between transverse and longitudinal plane is desired to minimize the growth of projected rms emittances. The uncoupled achromatic condition of this dogleg system with the presence of RF bunching cavities will be deduced using the transfer matrices method. It is found that, to fulfill the uncoupling condition, the distance between the bunching cavities is uniquely determined by the maximum energy gain of the RF cavities. The theoretical analysis is verified by the simulation code TraceWin. The space charge effect on the uncoupled achromatic condition and the beam emittance growth will also be discussed.     

外注入式独立调谐微波电子枪的概念设计

为得到微脉冲束团长度在百fs量级且高重复频率,设计了一种紧凑型的强流电子枪结构独立调谐微波热发射电子枪。该电子腔具有双驻波加速腔,两个驻波加速腔之间相互没有耦合,可以分别独立地馈入功率、调节相位。通过优化功率与相位,可以得到较优的束流品质,同时避免了磁铁和激光系统的使用,使得结构更加紧凑。并采用外注入式结构增大流强、降低能散度,同时消除电子反轰对阴极的负面影响。对不同结构参数的腔体进行1维和3维束流动力学计算,可以得到较为理想的腔体参数。通过调节预注入器的馈入功率和粒子入射相位,可以进一步的压缩束团长度。     

Emittance-dominated long bunches in dual harmonic RF system

The storage of long bunches for long time intervals needs flattened stationary buckets with a large bucket height. The longitudinal motion of the initially mismatched beam has been studied for both the single and dual harmonic RF systems. The RF amplitude is determined to be r.m.s wise matched. The bucket height of the single harmonic system is too small even for shorter bunch with only 20% increased energy spread. The Halo formation and even debunching can be seen after a few synchrotron periods for single particles with large amplitude. In the case of small energy spread for a cooled beam, Coulomb interaction cannot be ignored. The external voltage has to be increased to keep the r.m.s bunch length unchanged. The new voltage ratio R(N) simplifies physics for the emittance-dominated bunches with modest particle number N. For the single harmonic system, substantial amount of debunching occurs without increasing the external voltage, but very little if the RF amplitude is doubled. Results from the ORBIT tracking code are presented for the 1 GeV bunch in the HESR synchrotron, part of the GSI FAIR project.