142.8MHz次谐波聚束腔的结构优化设计

使用二维有限差分法分析软件Superfish和三维有限积分法分析软件MAFIA ,对 14 2 .8MHz次谐波聚束腔的结构进行了模拟和优化研究 ,给出了聚束腔结构优化设计的步骤和方法 ,确定了优化后聚束腔的基本结构。分析比较了Superfish和MAFIA两个软件的模拟优化结果 ,得出了基本一致的结论。还探讨了Su

3dB桥误差对能量倍增器性能的影响

根据能量倍增器的工作原理,对3dB桥误差引起的能量倍增器性能变化进行了理论分析,并对BEPC和BEPCⅡ直线加速器所使用能量倍增器的3dB桥误差进行了讨论,为判断焊接后3dB桥桥臂波导变形提供了理论参考。结果表明:无论是功率分配不平衡,还是相位关系偏离,都会使部分功率反射回速调管。功率分配不平衡和微波相位关系偏离值越大,则功率倍增因子下降得越多。

BEPCⅡ直线加速器的双脉冲加速研究(英文)

为了将BEPCⅡ直线加速器的正电子注入速率提高到单脉冲运行时的两倍左右,提出了双脉冲产生和加速的方案。对BEPCⅡ直线加速器双脉冲加速的束流动力学进行了模拟,首次给出了双脉冲的模拟方法。此外,还在BEPCⅡ直线加速器上进行了双脉冲加速的初步实验研究,为以后BEPCⅡ直线加速器的进一步改造提供了参考。

有限尺寸矩形截面螺线管轴向分量磁场的理论及模拟计算研究

在多层多匝矩形截面螺线管轴向分量磁场解析表达式难以求得的情况下,利用单匝矩形线圈及单层多匝矩形截面螺线管轴向分量磁场的解析表达式,采用切片求和的方法,求得了可用于软件编程的矩形截面螺线管轴向分量磁场分布的表达式,并编写了相应的Matlab计算程序.最终,利用所编写的计算程序,对各类小型加速器中应用较多的束流轨道校正磁铁轴向分量磁场的分布进行了计算,并与三维静态电磁场计算软件CST EM Studio的模拟结果进行了对比,两者符合较好.

571.2 MHz次谐波聚束腔结构的物理设计

文章给出了北京正负电子对撞机二期工程(BEPCⅡ)未来预注入器中571.2 MHz次谐波聚束腔结构的物理设计步骤和方法。分别使用二维有限差分法分析软件Superfish和三维有限积分法分析软件MAFIA对优化后的聚束腔结构进行了计算,得到了比较一致的结果。另外,对Superfish和MAFIA在设计聚束腔结构上的优缺点进行了比较。

S波段6 MeV边耦合电子直线加速器的设计研究（英文）

近年来,对紧凑、稳定及可靠型电子直线加速器的需求越来越多,其能量主要分布在几百keV到十几个MeV的范围内,其中需求最多的则是能量在MeV量级的微波电子直线加速器。在这种形势下,中国科学院高能物理研究所正在研制一台S波段6 MeV的边耦合电子直线加速器,本文对基于该加速器的模拟计算研究进行了介绍。EGUN和HFSS分别用来设计电子枪和边耦合加速结构。通过将EGUN计算得到的电子束流参数和HFSS计算得到的三维电磁场分布数据引入到PARMELA中,完成了对该加速器的多粒子动力学研究。模拟结果显示,所设计的加速器完全能够满足设计指标的要求。最终,在考虑束流负载效应的因素后,完成了边耦合加速结构的微波结构设计。

BEPCⅡ直线加速结构的整管RF特性计算

为了在加工前对行波盘荷波导加速管的整管RF特性有所了解,在ANSYS软件中利用重新设计的轴对称型耦合器来替换实际的三维耦合器建模,充分利用加速结构的轴对称特性,并在使用较少计算资源和时间的情况下,仅利用1台计算机即可完成对整根加速管全部特性的计算,从而得到其整管RF特性。以BEPCⅡ直线加速器所采用的3m长加速结构为例,使用本方法进行计算得到的填充时间、衰减常数及带宽分别为856ns、0.56Np及3.55 MHz,而实测结果分别为830ns、0.57Np及4.7 MHz。总体上,ANSYS模拟结果与实测结果较为一致。由此,模拟计算可为实际设计和加工提供指导。

作为BEPCII预注入器的光阴极注入器(英文)

为了提高并且采用双束加速技术以进一步提高BEPCII正电子从直线加速器注入到储存环的速率,BEPCII(Bei-jing Electron Positron Collider Upgrade Project)正在建造带有两个次谐波聚束腔的新预注入器。提出了使用光阴极注入器作为BEPCII预注入器的新方案,其性能优于次谐波聚束系统:发射度和能散至多为次谐波聚束系统的1/4,100%的传输效率,没有卫星束团的干扰,等。此外,还分别对光阴极注入器在高电荷量和低电荷量两种情况下的束流动力学进行了模拟计算和优化研究,并将其性能与正在建造的次谐波聚束系统和旧聚束系统的性能进行了比较和讨论。由此光阴极注入器产生的电子束还可以在将来用作激光-等离子体或激光-非传导性加速结构的尾场加速研究。

BEPCII次谐波聚束系统物理公差要求的研究(英文)

为了进一步提高束流品质并逐步采用双束加速技术,BEPCII直线加速器准备采用带有两个次谐波聚束器的双次谐波聚束系统。目前,该次谐波聚束系统的物理设计和优化已经基本完成。由于新设计的双次谐波聚束系统很不同于BEP-CII现有的聚束系统,因此,就要求对聚束系统中存在的各种抖动(jitter)效应重新进行研究。使用多粒子模拟计算程序PARMELA对电子枪的高压抖动和定时抖动、次谐波聚束器的相位抖动以及功率抖动、聚束器中加速电场相位以及A0加速管(俘获加速节)中加速电场相位的抖动等效应进行了研究,并最终确定了聚束系统中各部件的物理公差要求。

基于高品质因数波导型缩比例船形腔的多物理场耦合仿真研究

高能强流质子加速器有着十分广泛而重要的应用,中国原子能科学研究院提出1台2 GeV连续波固定场交变梯度质子加速器,该加速器采用44.4 MHz的大功率高品质因数、高分路阻抗的船形高频腔。为掌握船形高频腔的加工工艺,研制了频率为177.6 MHz的1∶4缩比例船形高频腔样机。本文采用固热分析和流固热分析两种热分析方法对该腔体样机进行多物理场耦合仿真计算,经比较发现,流固热分析方法计算得到的腔体温度分布较固热分析方法更符合实际物理过程,但后者对模型的处理和计算速度更快,两种方法得到的温度和频率调节范围略有差异。对于缩比例腔而言,两种热分析方法得到的结果大体一致,实际应用中稳态热分析已足够满足工程设计需求。

多条形电极束流能散度探测器的张角优化

采用Surperfish对北京正负电子对撞机的多条形电极束流能散度探测器进行了电磁场模拟计算。在带模拟束流的情况下,计算分析了探测器对束流位置和能散度的分辨能力与电极张角之间的关系,首次计算了条形电极间的电容耦合综合强度。电极张角优化结果表明:在不考虑噪声水平的情况下,电极张角为20°时,探测器的灵敏度和分辨率达到最优。而当噪声影响很大时,可以适当增加电极张角,同时考虑减小噪声的措施。

BEPCⅡ直线加速器的误差和抖动效应(英文)

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。

上海光源2998MHz加速管波导耦合器的设计

上海同步辐射光源(SSRF,Shanghai Synchrotron Radiation Facility)直线加速器采用2998MHz的加速管,这种加速管在结构形式上虽然与SLAC型2856MHz加速管相似,但在尺寸上略有差异,需要重新计算。本文采用与实际调试加速管时相同的三频法、有限差分分析软件Superfish和HFSS对2998MHz加速管耦合器进行物理设计,为实际工程设计提供指导。物理设计与实验测试结果非常吻合。

上海光源次谐波聚束器的优化设计及测试

介绍了上海光源直线加速器499.654MHz次谐波聚束器的物理设计、结构、加工、微波测量和试验、运行等的情况。通过2维、3维电磁软件的数值模拟方法对腔型、结构尺寸、电磁参数、调谐范围进行了优化设计,现该腔已经加工完成,并对其进行了电参数测试,结果与物理设计指标吻合很好。在上海光源的束流指标调试过程中,该腔能长期稳定运行。

BEPCⅡ直线加速器速调管的反射保护

为了使速调管陶瓷窗免受大功率微波反射信号的损伤,延长速调管使用寿命,要求当前反射信号功率超过阈值后,系统能够在下一个脉冲到达之前发出报警信号,进而切断触发信号,实现对速调管的保护。提出了3种较高性价比、易实施的方案,即PicoScope虚拟示波器的遮罩报警方案、基于自带检波和报警输出功能的芯片制作反射保护插件以及原功率计的升级改进。创新性地提出"3+1"反射保护响应时间测试法,并对上述3种方案进行详细测试。最终后两种方案取得较好的结果,综合考虑后,将改进型功率计作为最终实施方案。目前该改进型功率计已稳定可靠地上线运行超过1年。

用于自由电子激光的S波段J型波导馈电加速管

随着波导式耦合行波加速管设计梯度的日益提高,为了防止加速管输入耦合器电场的横向动量在束流通过加速器耦合器时引起束流品质的下降,侧壁开有两个对称耦合孔的对称双馈圆柱腔获得了广泛的应用。研制的S波段J型波导馈电加速管即为双馈圆柱腔中的一种,研制样管在老练平台上老练时的最高加速梯度达到30 MV/m。然而因为四极场的存在,开有两个耦合孔的圆柱耦合腔内,仍然会引起轴向电场的幅度和相位在横向的梯度,从而使束流发射度变差。在理论上对J型波导馈电的跑道式耦合腔进行了研究,通过与圆柱腔进行比对模拟计算,证明跑道式耦合器可以很好地改善轴向电场在横向平面内非近轴区域沿圆周的场强一致性,从而减小四极场的影响。重要的是,J型波导馈电跑道式耦合腔的机械加工、测试比圆柱腔更加容易实现,是未来双馈加速器发展的一个理想方向。

S波段束流相位探测腔与偏心式波导耦合预聚束器的设计

设计了工作于S波段的波导耦合型预聚束器和束流相位探测腔.为了增加功率容量,预聚束器采用波导耦合机制代替了传统的同轴耦合环耦合,而偏心圆结构的设计能够补偿因耦合窗口的引入导致的径向电场不对称,进一步改善了强流束流品质.预聚束器设计指标与测试结果：耦合系数1.73,空载品质因数2195,腔体谐振频率的可调范围为2854.55～2856.9MHz.为实现测量束流相对射频脉冲的时间,进行强流输入功率补偿,选择了能够在线进行束流相位实时测量的束流相位探测腔,采用旋转对称结构,并通过两个同轴耦合环提取束流通过时激发的感应信号,作为直线相控系统的参考信号.束流相位探测腔设计与测试结果：空载品质因数2392,3dB带宽为2.05MHz,腔体谐振频率的可调范围为2805.45～2809.45MHz.所有器件的仿真设计与测试结果基本一致.

S波段双边对称耦合器的模拟设计

介绍了通过三维电磁场计算软件HFSS和CST粒子工作室模拟计算双边对称耦合器的过程。双边对称耦合器结构的匹配主要在HFSS中用三频法加以模拟与优化,结构优化完成后再将模型导入CST粒子工作室中,用该软件的PIC模块,模拟粒子通过耦合器结构时的情况,并对比了单边、双边耦合器中沿X轴的电场分布情况。模拟计算结果表明,双边对称耦合器结构中,电磁场的对称性大幅提高,粒子通过时,束流的品质得到显著改善。

Mafia和Hfss对等梯度加速结构耦合器的数值模拟与比较

提出的数值模拟过程是关于直线加速器加速结构耦合器的设计的。Mafia程序和Hfss程序分别被用来模拟一截S—Band的三腔等梯度加速结构,其两端分别为输入耦合器和输出耦合器。通过Mafia程序和Hfss程序模拟了该结构的传输特性,发现两者的模拟结果能很好吻合。

Hybrid聚束器的场分布测量与调配

Hybrid聚束器是一种同时包含驻波和行波电磁场的新型聚束器。为对其电场分布进行测量,针对此种复杂电场分布的特点,基于非谐振微扰原理,研制了一套能够灵活简便操作、具有较高精度的场分布测量平台,并使用该平台对Hybrid聚束器进行了场分布测量和调配。最终,经过多次测量与调配,Hybrid聚束器的实际冷测微波性能与模拟计算结果符合较好,轴向电场幅值平坦度显著提高,各加速单元间的腔间相移明显改善,使其满足设计要求。