Acceleration modules in linear induction accelerators~

The Linear Induction Accelerator (LIA) is a unique type of accelerator that is capable of accelerating kilo-Ampere charged particle current to tens of MeV energy. The present development of LIA in MHz bursting mode and the successful application into a synchrotron have broadened LIA's usage scope. Although the transformer model is widely used to explain the acceleration mechanism of LIAs, it is not appropriate to consider the induction electric field as the field which accelerates charged particles for many modern LIAs. We have examined the transition of the magnetic cores' functions during the LIA acceleration modules' evolution, distinguished transformer type and transmission line type LIA acceleration modules, and re-considered several related issues based on transmission line type LIA acceleration module. This clarified understanding should help in the further development and design of LIA acceleration modules.     

脉冲感应加速在环形加速器中的应用

环形加速器将射频加速单元替换为高重复频率连续运行的脉冲感应加速组元后,将具备新的性能特点和应用领域。日本高能加速器研究机构(KEK)在脉冲感应加速与环形加速器的结合方面开展了大量的研究和实验工作,通过对其相关研究的详细调研,结合在感应同步加速器实验研究中所遇到的具体问题,针对脉冲感应加速组元的固有特性对该类加速器的优势和局限进行了分析,对环形加速器中感应加速组元的发展方向提出了建议。     

直线感应加速器中束流负载对加速腔压波形的影响

在神龙二号直线感应加速器的调试中,虽然电容探头和电阻分压器测到的空载加速腔电压波形基本一致,但是带束流负载时两者的波形有明显差异,针对此实验现象开展了研究。仔细模拟了束流波形和电压波形相对时间差异引起的波形差异,得到束流提前、同步和滞后条件下的腔压波形,确认相对时间差是导致波形差异的一个重要原因。建立了加速腔的分布参数电路模型,模拟结果表明束流负载效应到达两种探头的时间不同,这会导致腔压波形的不同;由于电容探头距离加速间隙更近,所以电容探头测到的波形更接近束流实际得到的加速波形。后续的调试实验获得了没有加速电压时束流产生的负载效应波形,证明束流负载到达两个探头的时刻确实不同,对加速器出口束流能谱的测量结果也表明束流的能谱分布和电容探头波形的叠加结果基本符合,上述结果表明该研究所用的模拟和分析方法是有效的,可以用于加速器的调试和性能优化。     

直线感应加速器中束流负载对加速腔压波形的影响

在神龙二号直线感应加速器的调试中,虽然电容探头和电阻分压器测到的空载加速腔电压波形基本一致,但是带束流负载时两者的波形有明显差异,针对此实验现象开展了研究。仔细模拟了束流波形和电压波形相对时间差异引起的波形差异,得到束流提前、同步和滞后条件下的腔压波形,确认相对时间差是导致波形差异的一个重要原因。建立了加速腔的分布参数电路模型,模拟结果表明束流负载效应到达两种探头的时间不同,这会导致腔压波形的不同;由于电容探头距离加速间隙更近,所以电容探头测到的波形更接近束流实际得到的加速波形。后续的调试实验获得了没有加速电压时束流产生的负载效应波形,证明束流负载到达两个探头的时刻确实不同,对加速器出口束流能谱的测量结果也表明束流的能谱分布和电容探头波形的叠加结果基本符合,上述结果表明该研究所用的模拟和分析方法是有效的,可以用于加速器的调试和性能优化。     

Developments in laser wakefield accelerators:From single-stage to two-stage

Laser wakefield accelerators(LWFAs)are compact accelerators which can produce femtosecond high-energy electron beams on a much smaller scale than the conventional radiofrequency accelerators.It is attributed to their high acceleration gradient which is about 3 orders of magnitude larger than the traditional ones.The past decade has witnessed the major breakthroughs and progress in developing the laser wakfield accelerators.To achieve the LWFAs suitable for applications,more and more attention has been paid to optimize the LWFAs for high-quality electron beams.A single-staged LWFA does not favor generating controllable electron beams beyond 1 Ge V since electron injection and acceleration are coupled and cannot be independently controlled.Staged LWFAs provide a promising route to overcome this disadvantage by decoupling injection from acceleration and thus the electron-beam quality as well as the stability can be greatly improved.This paper provides an overview of the physical conceptions of the LWFA,as well as the major breakthroughs and progress in developing LWFAs from single-stage to two-stage LWFAs.     

低压重频感应加速组元参数分析

针对脉冲源+传输线+感应腔和储能电容+固态开关+感应腔两种常见的脉冲感应组元结构,对相同感应腔的腔压波形进行了实验对比和理论分析,推导出了不同组元结构下感应腔中磁芯回路电感量、匹配电阻阻值和感应脉冲幅度间的关系表达式,分析对比了两种组元结构下感应腔电感量和电阻值变化对腔压平顶影响的程度和差异,为低压重频脉冲感应加速组元的参数选择和优化提出建议和判据。     

多脉冲直线感应加速器外接复位系统

基于硅堆隔离网络的多脉冲直线感应加速器(LIA)需要外接独立的复位系统,以满足其加速腔磁芯在主脉冲励磁前的复位需求。介绍了猝发三脉冲LIA外接复位系统的工作原理、电路参数以及具体的电路设计,并针对大型LIA感应腔数量众多、运行时电磁环境复杂的特点,介绍了复位系统在工程实施中的主要技术难点和最终布局。该复位系统解决了磁芯在励磁和复位这两种高压模式间的切换问题,实现了10~20kV可调复位电压的稳定输出,建立了在复杂电磁环境下可稳定运行的远程监控系统,确保了三脉冲LIA的92个加速腔能够在主脉冲励磁前稳定、快速、充分的复位。     

多脉冲直线感应加速器外接复位系统

基于硅堆隔离网络的多脉冲直线感应加速器（LIA）需要外接独立的复位系统,以满足其加速腔磁芯在主脉冲励磁前的复位需求。介绍了猝发三脉冲LIA外接复位系统的工作原理、电路参数以及具体的电路设计,并针对大型LIA感应腔数量众多、运行时电磁环境复杂的特点,介绍了复位系统在工程实施中的主要技术难点和最终布局。该复位系统解决了磁芯在励磁和复位这两种高压模式间的切换问题,实现了10~20 kV可调复位电压的稳定输出,建立了在复杂电磁环境下可稳定运行的远程监控系统,确保了三脉冲LIA的92个加速腔能够在主脉冲励磁前稳定、快速、充分的复位。     

直线变压器驱动源感应腔电路建模方法

参照研制成功的300 kA直线变压器驱动源单级感应腔的物理设计和电气参数,在考虑气体开关火花通道电阻、放电支路间电磁耦合、磁芯磁滞及饱和特性、次级功率传输的情况下,建立了较完备的单级感应腔电路模型。实验验证了模型的有效性,感应腔正常输出和单支路开关自放电时模拟结果与实验波形均吻合较好,表明模型可以模拟腔内电气元件异常时感应腔的工作特性。     

直线变压器驱动源感应腔电路建模方法

参照研制成功的300 kA直线变压器驱动源单级感应腔的物理设计和电气参数,在考虑气体开关火花通道电阻、放电支路间电磁耦合、磁芯磁滞及饱和特性、次级功率传输的情况下,建立了较完备的单级感应腔电路模型。实验验证了模型的有效性,感应腔正常输出和单支路开关自放电时模拟结果与实验波形均吻合较好,表明模型可以模拟腔内电气元件异常时感应腔的工作特性。     

带电粒子加速器的基本类型及其技术实现

现代粒子加速器的发展已有100年的历史。给出了粒子加速器主要类型的简单分类图表,从粒子加速器发展过程中相关概念演变和加速器技术逻辑发展的角度,概述了粒子加速器的基本类型、基本工作原理、相应的技术实现途径以及各类加速器的典型的技术特征。     

“神龙一号”直线感应加速器物理设计

 介绍了 “神龙一号”直线感应加速器物理设计的主要考虑。“神龙一号”加速器是一台电子直线感应加速器，由3.6MeV感应迭加型注入器、72个感应加速腔、脉冲功率系统、束流输运和聚焦系统、控制系统和真空、绝缘油、绝缘气体以及去离子水系统组成。能产生20MeV、束流大于2.5kA，脉冲宽度为60ns的强流脉冲电子束，X光焦斑均方根直径为1.5mm。     

直线感应加速器用光阴极实验研究

通过适当地改造2 MeV注入器实验平台,使系统具备了开展光阴极研究的能力,主要的改动有：将观察窗材料改为石英,增加266 nm固体激光器,对原有的时序控制方式进行修改以满足同步触发方面的要求。研究的阴极材料为含钪储备式热阴极,实验中最高加热到了740 ℃,观测到了光电发射和光致等离子体发射现象,最大的激光功率密度为1.3 MW/cm2,最大发射电流密度约为16 A/cm2,光电发射的量子效率约为0.05‰。     

直线感应加速器用光阴极实验研究

通过适当地改造2 MeV注入器实验平台,使系统具备了开展光阴极研究的能力,主要的改动有:将观察窗材料改为石英,增加266 nm固体激光器,对原有的时序控制方式进行修改以满足同步触发方面的要求。研究的阴极材料为含钪储备式热阴极,实验中最高加热到了740℃,观测到了光电发射和光致等离子体发射现象,最大的激光功率密度为1.3 MW/cm2,最大发射电流密度约为16 A/cm2,光电发射的量子效率约为0.05‰。     

直线感应加速器输运过程模拟

对直线感应加速器中电子束的输运过程进行数值模拟研究,采用了时域有限差分与粒子模拟相结合的方法。在对直线感应加速器建模的过程中,成功地使用了非均匀网格模型,实现了对加速腔精细结构的建模。并在加速间隙处加入了加速场。通过3个步骤实现了直线感应加速器加速腔中聚束磁场的模拟,最后将聚束场与加速段结合起来模拟电子束的输运过程,并对结果加以分析,验证了方法的正确性。     

直线感应加速器输运过程模拟

对直线感应加速器中电子束的输运过程进行数值模拟研究,采用了时域有限差分与粒子模拟相结合的方法。在对直线感应加速器建模的过程中,成功地使用了非均匀网格模型,实现了对加速腔精细结构的建模。并在加速间隙处加入了加速场。通过3个步骤实现了直线感应加速器加速腔中聚束磁场的模拟,最后将聚束场与加速段结合起来模拟电子束的输运过程,并对结果加以分析,验证了方法的正确性。     

电阻环束流探测器的标定

电阻环探测技术是一种成熟、实用的在线测试束流技术,它能给出束流的大小和束流质心的位置。在即将投入使用的20MeV直线感应加速器中,该技术将作为一种精确的束流诊断手段。为此设计了一套精密的束流模拟和电阻环标定装置,其束流位置的定位精度达到0.02mm,以之对精心设计的电阻环进行标定。标定的结果表明电阻环对束流质心位置的测试精度达到0.5mm,经标定后的束位置拟合值绝对误差不大于0.2mm。     

电阻环束流探测器的标定

 电阻环探测技术是一种成熟、实用的在线测试束流技术，它能给出束流的大小和束流质心的位置。在即将投入使用的20MeV直线感应加速器中，该技术将作为一种精确的束流诊断手段。为此设计了一套精密的束流模拟和电阻环标定装置，其束流位置的定位精度达到0.02mm，以之对精心设计的电阻环进行标定。标定的结果表明电阻环对束流质心位置的测试精度达到0.5mm，经标定后的束位置拟合值绝对误差不大于0.2mm。     

“神龙一号”直线感应加速器物理设计

介绍了 “神龙一号”直线感应加速器物理设计的主要考虑。“神龙一号”加速器是一台电子直线感应加速器,由3.6MeV感应迭加型注入器、72个感应加速腔、脉冲功率系统、束流输运和聚焦系统、控制系统和真空、绝缘油、绝缘气体以及去离子水系统组成。能产生20MeV、束流大于2.5kA,脉冲宽度为60ns的强流脉冲电子束,X光焦斑均方根直径为1.5mm。     

双脉冲电子直线感应加速器实验研究

Mini-LIA为MHz重复频率双脉冲电子直线感应加速器,由双脉冲功率系统、热阴极电子枪注入器及金属玻璃磁芯感应加速腔等组成。在此平台的实验获得了数百ns间隔（即MHz重复频率）的双脉冲高压,每个脉冲幅值达到80 kV,脉冲半高全宽为80 ns;在感应腔加速间隙处测得双脉冲加速电场;在加速器出口处测量得到流强约1.1 A的双脉冲电子束流。实验结果表明：利用硅堆隔离汇流装置可实现MHz重复频率的双脉冲高压,金属玻璃磁芯感应加速腔和六硼化镧热阴极电子枪均适合MHz重复频率双脉冲工作方式。