Longitudinal RF capture and acceleration simulation in CSNS RCS

China Spallation Neutron Source (CSNS) is a high power proton accelerator-based facility. Uncontrolled beam loss is a major concern in designing the CSNS to control the radioactivation level. For the Rapid Cycling Synchrotron (RCS) of the CSNS, the repetition frequency is too high for the longitudinal motion to be fully adiabatic. Significant beam loss happens during the RF capture and initial acceleration of the injection period. To reduce the longitudinal beam loss, beam chopping and momentum offset painting methods are used in the RCS injection. This paper presents detailed studies on the longitudinal motion in the RCS by using the ORBIT simulations, which include different beam chopping factors, momentum offsets and RF voltage optimization. With a trade-off between the longitudinal beam loss and transverse incoherent tune shift that will also result in beam losses, optimized longitudinal painting schemes are obtained.     

RF trapping and acceleration in CSNS/RCS

In this paper, two injection scenarios with different chopping rate are discussed. The waveforms of the RF voltage are studied and optimized, respectively. Some suggestions are made, concerning chopping and momentum painting of the injected beam. Furthermore, the momentum spread and transverse tune shift are calculated so that the beam aperture and the beam loss can be estimated. Finally, the beam loss with magnet field error is analyzed.     

RF trapping and acceleration in CSNS/RCS

In this paper, two injection scenarios with different chopping rate are discussed. The waveforms of the RF voltage are studied and optimized, respectively. Some suggestions are made, concerning chopping and momentum painting of the injected beam. Furthermore, the momentum spread and transverse tune shift are calculated so that the beam aperture and the beam loss can be estimated. Finally, the beam loss with magnet field error is analyzed.     

CSNS RCS射频系统双谐波模式低电平控制模拟实验

介绍了中国散裂中子源/快循环质子同步加速器一期工程(CSNS-Ⅰ/RCS)拟采用的双谐波加速方案。针对该方案需要在加速周期内对8个射频腔之一进行工作模式切换的特殊要求,对设计实现的基于现场可编程门阵列（FPGA）技术的数字化低电平控制系统采取了一系列优化措施,包括模式切换时段控制回路的开环、功率源两级调谐回路的错时闭环等。在射频系统样机平台开展的模拟实验表明该低电平控制系统动态性能良好,双谐波方案可行性得到了一定程度的验证。     

Beam-loss driven injection optimization for CSNS/RCS

This paper summarizes the painting injection optimization for the Chinese Spallation Neutron Source (CSNS) ring. This optimization focuses on two main design goals: the lower beam loss and a space-charge tune shift low enough to avoid strong resonances. Finally, the 3-D particle tracking is performed and we get some important results about the beam properties and beam loss.     

Beam-loss driven injection optimization for CSNS/RCS

This paper summarizes the painting injection optimization for the Chinese Spallation Neutron Source （CSNS） ring. This optimization focuses on two main design goals： the lower beam loss and a spacecharge tune shift low enough to avoid strong resonances. Finally, the 3-D particle tracking is performed and we get some important results about the beam properties and beam loss.     

Beam collimation for CSNS/RCS

The current design of the CSNS/RCS beam collimation system consists of a two-stage betatron collimation and a single momentum collimator. This paper summarizes various aspects of collimator design, including collimation principle and layout, material choice and collimator mechanical structure, etc. At last,radiation and thermal analysis are carried out to illustrate the feasibility of the current beam collimation scheme.     

Beam collimation for CSNS/RCS

The current design of the CSNS/RCS beam collimation system consists of a two-stage betatron collimation and a single momentum collimator. This paper summarizes various aspects of collimator design, including collimation principle and layout, material choice and collimator mechanical structure, etc. At last, radiation and thermal analysis are carried out to illustrate the feasibility of the current beam collimation scheme.     

CSRm变谐波加速

在研究兰州重离子冷却储存环(HIRFL-CSR)纵向相振荡运动特性的基础上,对主环(CSRm)内重离子的加速过程进行了模拟研究。选取由扇聚焦回旋加速器（SFC）剥离注入的能量为7 MeV/u,动量散度为±0.5%的12C6+典型离子,模拟了CSRm内束流的加速过程,加速的最终能量为1 GeV/u。在加速过程中采用了变换谐波的方式,解决了较低能量下的加速问题。模拟结果给出了不同时刻粒子在纵向相空间的分布以及各主要高频参数随时间的变化曲线。     

紧聚焦的超短超强激光脉冲在真空中加速斜入射的相对论电子

研究了紧聚焦的线偏振飞秒超强高斯激光脉冲俘获并剧烈加速斜入射低能相对论电子的效应 ，发现被俘获的电子在激光脉冲纵向有质动力的强大加速作用下，可以获得GeV量级的能量 ，并详细研究了入射电子的初能量、斜入射角、电子与激光脉冲的相对延迟时间和激光脉冲 宽度等条件对电子能量增益的影响，发现当激光脉宽超过10λ时，脉宽对电子能量增益影响 不大. 关键词： 电子加速 有质动力 能量增益 束腰     

独立调谐微波电子枪耦合结构的仿真及测试（英）

精确的功率耦合结构设计是保证高品质束流的关键。为确保系统实际运行中的独立调谐微波电子枪耦合性能满足设计要求,对其进行了仿真与测试。首先应用电磁仿真软件CST对电子枪进行了频域和本征模式的仿真计算,两种方法计算结果吻合,谐振频率分别为2 856.10 MHz和2 856.07 MHz,耦合系数分别为1.624和1.620。同时,对已经安装在加速器上实际运行的电子枪分别采用反射系数法与腔体损耗法进行了耦合性能的测试。单点的反射系数法测得耦合系数为1.78,谐振频率为2 855.77 MHz。在此谐振点上,结合反射系数法和腔体损耗法进行多点拟合,测得耦合系数为1.785。结果表明,仿真计算结果与实际测试的结果基本相符。     

第三讲 激光在真空中加速电子

文章简要回顾了真空中激光加速电子的研究进展，着重介绍了真空俘获加速电子的动力学特点和物理机制．出现俘获加速（capture and acceleration scenario，CAS）的经典物理机制是聚焦激光束的衍射效应导致光波沿俘获电子轨迹的有效相速度减慢，以致电子有可能被长时间俘获在加速相位中并从激光场获得足够多的能量．CAS出现需要的入射动量的相空间不小，而且在实验上可以达到．此外，最佳入射动能对激光强度并不敏感，在小角入射时大约在10—20MeV．研究发现，CAS出现需要的激光场强相当高，电子获得的能量在电子进入CAS通道时急剧上升．此外文章还介绍了有质动力加速模型的特点和机制、附加磁场的加速机制．     

CSNS/RCS中的阻抗和束流不稳定性

中国散裂中子源（CSNS）的快循环同步加速器（RCS）是一台强流质子加速器,其束流平均功率达到100 kW。在此强流加速器中,真空部件的阻抗是引起束流不稳定的主要原因,它严重限制了束流强度及品质。对CSNS/RCS设计中的各种真空部件阻抗进行了详细计算,并以计算结果为出发点,理论分析了各种不稳定性强弱,确定了各种不稳定性发生的阻抗阈值,为真空部件结构设计提供了参考。对比较严重的电阻壁阻抗,采用阻抗壁尾场模型进行跟踪模拟,得到不稳定性增长率与理论计算值符合较好。自然色品有助于束流稳定,加入自然色品后模拟,电阻壁不稳定性消失。     

CSNS/RCS中的阻抗和束流不稳定性

中国散裂中子源（CSNS）的快循环同步加速器（RCS）是一台强流质子加速器,其束流平均功率达到100 kW。在此强流加速器中,真空部件的阻抗是引起束流不稳定的主要原因,它严重限制了束流强度及品质。对CSNS/RCS设计中的各种真空部件阻抗进行了详细计算,并以计算结果为出发点,理论分析了各种不稳定性强弱,确定了各种不稳定性发生的阻抗阈值,为真空部件结构设计提供了参考。对比较严重的电阻壁阻抗,采用阻抗壁尾场模型进行跟踪模拟,得到不稳定性增长率与理论计算值符合较好。自然色品有助于束流稳定,加入自然色品后模拟,电阻壁不稳定性消失。     

质子束尾波场中利用密度跃变实现电子捕获及加速的粒子模拟

用2D3V粒子模拟程序研究了高能质子束驱动的尾波场加速电子的方案,及其在此方案中应用背景等离子体密度的跃变致使等离子体电子自注入加速相区的可能性。粒子模拟结果显示:密度跃变实现了电子的自注入,并且捕获的电子束处于加速相位,等离子体尾波场纵向电场对捕获的电子束起箍缩作用;捕获的电子束随着传输,表现为窄能谱分布;同时随着密度跃变大小的增大,可以增加等离子体电子的捕获。     

CSRm变谐波加速

 在研究兰州重离子冷却储存环(HIRFL-CSR)纵向相振荡运动特性的基础上,对主环(CSRm)内重离子的加速过程进行了模拟研究。选取由扇聚焦回旋加速器（SFC）剥离注入的能量为7 MeV/u,动量散度为±0.5%的¹²C⁶⁺典型离子,模拟了CSRm内束流的加速过程,加速的最终能量为1 GeV/u。在加速过程中采用了变换谐波的方式,解决了较低能量下的加速问题。模拟结果给出了不同时刻粒子在纵向相空间的分布以及各主要高频参数随时间的变化曲线。     

质子束尾波场中利用密度跃变实现电子捕获及加速的粒子模拟

 用2D3V粒子模拟程序研究了高能质子束驱动的尾波场加速电子的方案,及其在此方案中应用背景等离子体密度的跃变致使等离子体电子自注入加速相区的可能性。粒子模拟结果显示:密度跃变实现了电子的自注入,并且捕获的电子束处于加速相位,等离子体尾波场纵向电场对捕获的电子束起箍缩作用;捕获的电子束随着传输,表现为窄能谱分布;同时随着密度跃变大小的增大,可以增加等离子体电子的捕获。     

CSNS/RCS引出系统快脉冲冲击磁铁的磁场仿真和结构设计

中国散裂中子源快循环同步加速器引出系统快脉冲冲击磁铁,由分组安装于三个真空箱内的8台磁铁组成。对冲击磁铁进行磁场仿真和结构设计,并使用仿真软件进行优化。仿真结果表明:磁铁中心场60%宽度内的磁场均匀性达到0.7%,满足物理设计要求。同时,对两台磁铁间距大小与互感的关系进行模拟计算和分析。磁铁结构设计中,针对原样机中出现的铁芯不能可靠固定问题,进行修改和完善,并且设计出了一种简单实用的多螺栓滑动支撑结构,可使多台磁铁平稳推入真空箱内,同时完成多台磁铁的准直和固定。     

强激光与高密度气体相互作用中电子和离子加速的数值模拟

在现有的一维粒子模拟程序的基础上发展了带光电离和碰撞电离及蒙特卡罗两体碰撞的模拟程序(1D PIC-MCC). 用此程序模拟研究了短脉冲激光与He气靶相互作用时电子和离子的加速过程. 研究表明当强激光与过临界密度的微米厚度的平面靶相互作用时，靶前表面物质将被激光脉冲前沿迅速离化；新生的电子被激光场有质动力加速成为高能电子，这些电子穿入到靶内，通过电子碰撞电离离化靶内物质；一部分高能电子穿透靶后，会在靶的后表面形成强的电荷分离场，该场迅速离化靶后表面物质，同时使得后表面离子得到加速. 部分穿透靶的超热电子将被电荷分离场重新拉回靶内，在靶的前后表面振荡. 一些振荡电子在此过程中得到电荷分离场加速，离开前表面，在前表面也形成电荷分离场，使前表面离子得到加速. 关键词： 激光等离子体 光电离和碰撞电离 电子加速 离子加速     

Transient electromagnetic simulation and thermal analysis of the DC-biased AC quadrupole magnet for CSNS/RCS

Due to the large eddy currents at the ends of the quadrupole magnets for CSNS/RCS, the magnetic field properties and the heat generation are of great concern. In this paper, we take transient electromagnetic simulation and make use of the eddy current loss from the transient electromagnetic results to perform thermal analysis. Through analysis of the simulated results, the magnetic field dynamic properties of these magnets and a temperature rise are achieved. Finally, the accuracy of the thermal analysis is confirmed by a test of the prototype quadrupole magnet of the RCS.