衍射极限储存环物理设计研究进展

总结了国内外在衍射极限储存环(DLSR)物理设计方面的研究进展。为了在合理的周长范围内实现超低束流发射度,DLSR线性束流光学设计普遍采用紧凑型多二极铁消色散结构。在非线性动力学优化中,通常采用相移控制技术、解析和数值优化技术减小由色品六极铁导致的强非线性效应。DLSR束流接受度较小,主要考虑脉冲多极铁偏轴注入和快速冲击磁铁在轴注入两种注入方案。束流集体效应(尤其是束流内部散射和托歇克散射效应)随发射度降低而增强,需要采用束长拉伸、横向反馈等方法提高DLSR中束流的稳定性。

高能同步辐射光源中的耦合阻抗及束流集体效应研究

在高能同步辐射光源(HEPS)的储存环中,由于真空盒尺寸较小、束团中电子密度较大,全环耦合阻抗将显著增加,束流集体效应成为限制机器性能的重要因素。本文基于解析理论和数值模拟程序对HEPS储存环耦合阻抗进行了逐元件建模,并对环中可能发生的束流集体效应进行了系统评估。建立了合理的阻抗模型,给出了不稳定性阈值和增长时间,并对关键的不稳定性问题提出有效的抑制措施。

小型粒子加速器人身安全联锁系统设计与实现

20世纪30年代以来,世界上运行中的粒子加速器已超过3万台,其中用于科研的大型粒子加速器有200台左右。粒子加速器在运行过程中会产生对人体有害的电离辐射,为保障工作人员在联锁控制区内的人身辐射安全,避免出现辐照事故,需建立一套人身安全联锁系统。本文利用全硬件、模块化的设计思想,基于PLC、置换型机械联锁钥匙、自主研制的急停/巡更装置及摄像监控等一系列硬件设备,专门为小型粒子加速器研制了人身安全联锁系统。该系统在加速器驱动的次临界系统(ADS)注入器Ⅰ和中国科学院高能物理研究所(IHEP)加速器电子标定束线装置两个项目中至今运行稳定可靠,并可推广应用于工业辐照装置。

高平均束流功率辐照加速器加速结构的研究

本文介绍了10MeV/100kW的高平均束流功率工业辐照加速器束流动力学模拟结果及其加速结构的优化设计结果。加速器采用驻波双周期轴耦合结构,1个加速腔和1个耦合腔构成1个加速单元,其工作频率为325 MHz,工作模式为π/2,加速腔和耦合腔之间通过耦合狭缝在轴向以磁耦合的方式耦合在一起。使用SUPERFISH优化加速腔的有效分路阻抗、Kilp系数等关键参数。束流动力学方面,使用PARMELA模拟论证在粒子源提供2.5keV、500mA的电子束后,通过6个加速腔可得到10 MeV/100kW的平均束流功率。加速腔优化完成后使用CST对耦合腔进行了设计,此时由6个加速单元组成的加速结构有效分路阻抗为23.9 MΩ/m、无载品质因数为29 347,各加速腔与相邻的耦合腔耦合系数为4.7%,工作模式与其相邻模式的最小频率间隔为2 MHz,每个加速单元功耗为290kW。

高能同步辐射光源低能束流输运线设计研究

高能同步辐射光源(HEPS)是计划在北京建造的发射度小于60pm·rad的超低发射度光源。它由1台500MeV直线加速器、1条500MeV低能束流输运线、1台500MeV^6GeV的能量增强器、2条6GeV的高能束流输运线、1台6GeV的储存环以及同步辐射光束线和实验站组成。本文进行低能束流输运线的设计研究。低能束流输运线是连接直线加速器和增强器的束流传输线,在考虑建设布局限制的基础上,对两端的束流包络进行匹配,并将直线加速器产生的束流高效传输到增强器注入点。HEPS低能束流输运线设计时采用了功能分区的设计策略,设计有3个功能区,分别是消色散注入匹配区、光学参数匹配区、输出匹配区。为校正误差对束流的影响,HEPS低能束流输运线设置了8个BPM,水平和垂直各6块校正磁铁用于束流轨道校正,校正后的轨道满足束流传输要求。

BEPCⅡ束损系统研究

为更好掌握储存环中的束流状态,在北京正负电子对撞机二期工程的储存环上建立了以二极管为探测器的束流损失探测系统。用蒙特卡罗软件对损失束流产生簇射电子的分布情况进行了模拟,为安装束损探测器位置提供了依据。搭建了包括探头、数据获取系统、数据传输系统在内的束损系统。对束损过程进行了详细的分析与描述。对北京正负电子对撞机多年的束损数据进行了整理分析,对其在丢束诊断、束流寿命研究等多个方面应用情况进行了总结。数据显示建立的束损系统工作状态稳定,是优化机器参数、改善束流寿命、分析丢束过程的有力工具。

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。

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。

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.

电离型截面探测器研究

针对强流质子加速器非拦截式的截面测量需求,开展了以剩余气体分子为基础的电离型截面探测器的研究工作。探索了电离信号强度的计算方法,利用CST(Computer Simulation Technology)电磁工作室对电场进行了优化设计,设计加工了一套应用于质子直线加速器的电离型截面探测器,该装置利用高压电极产生的电场引导电离产物,用微通道板放大电离信号,荧光屏和相机组成探测系统。该电离型截面探测器被安装于加速器驱动次临界系统(China Accelerator Driven Subcritical system,ADS)先导专项的注入器I上,在线束流实验证明,该套设备工作稳定正常,实现了束流截面的非拦截式测量。

BEPCⅡ束流位置探测器的CST计算

束流位置探测器是最重要的束流测量部件之一,在北京正负电子对撞机二期(Beijing Electron Positron Collider II,BEPCII)的直线段、传输段和储存环上分布着包括纽扣型、条带型在内的多个束流位置探测器(Beam Position Monitor,BPM)。本文利用CST(Computer Simulation Technology)软件的微波工作室和粒子工作室对BEPCII上的BPM相关参数进行了计算,其中包括BPM的信号强度、水平方向和垂直方向的灵敏度、纵向转移阻抗以及电极间的耦合参数等,比较了理论计算结果与实验测量结果之间的差别,计算了直线段条带型BPM的信号与频谱。这些工作是对现有BPM性质的深入了解,而相关计算方法对新机器如高能光源和环形正负电子对撞机上BPM的设计具有重要指导意义,为分析新建加速器的BPM相关问题提供了理论依据。

C-ADS注入器Ⅰ联锁保护系统设计(英文)

联锁保护系统是加速器驱动次临界系统(ADS)先导专项(C-ADS)核心系统之一,用于对加速器控制及人身和设备保护。为此设计搭建了基于可编程逻辑控制器(PLC)和PROFINET协议的联锁控制系统,对加速器各个关键部件的信号进行采集和控制。为满足加速器对可靠性的严格要求,该联锁系统选用最新型的PLC和I/O模块,并采用高可靠性容错和冗余技术的硬件设计。本文还对该联锁系统的冗余状态和非冗余状态做了可靠性分析对比。基于该系统的实验物理和工业控制系统(EPICS)的控制接口也已成功开发,并在线应用。

流强探测器发热分析及改善方法（英文）

BEPC Ⅱ新参量流强探测器在束流高流强对撞模式下存在严重发热问题。为了稳定和精确的测量,对可能的发热原因进行了综合讨论,针对真空盒发热问题利用CST进行尾场模拟,以本征模计算得到稳态温度分布。对探测器发热问题利用等效的反射阻抗计算方法得到陶瓷狭缝的截止频率,从而有针对性地提出了实用的解决方案并得到了理想的实验结果。实验基本解决了BEPC Ⅱ探测器的发热问题,对今后流强探测器的改进和未来流强探测器的研发和设计有指导意义。

低温波荡器过冷液氮循环的设计与实验研究

高能同步辐射光源中,波荡器是插入件系统中的最前沿设备,低温可大幅提高其内禀矫顽力和峰值场强。本文设计了“过冷液氮迫流冷却循环”,采用全真空绝热设计,分析了稳压的理论本质,并提出了新的稳压方式。搭建实验台,对过冷液氮迫流循环的稳定机制、载冷能力和热力学性质等进行了实验研究。结果表明,过冷液氮迫流冷却循环可长期保持,压力波动控制在±300 Pa范围内,验证了稳压机制的理论分析,达到同类设备的最佳水平。低温波荡器磁结构冷却在80 K左右,载冷量可以达到1000 W以上,达到高能同步辐射光源装置要求的各项指标。

强流目标的DC-SRF-II光阴极驱动激光系统设计

为推动北京大学超导加速器实验装置不断向强流目标迈进,提出100 W红外高重频光阴极驱动激光的设计方案,主放大器采用先进的光子晶体增益光纤,保证输出光束的质量。对激光系统中的关键问题,如各部分功率指标、脉冲展宽和压缩、激光耦合等进行了设计,并且考虑了激光的非线性影响。为实现强流加速器开机运行所必备的诊断模式,也提出了对于高重频激光进行两级选频的独特设计方案。将高速的SOA光开关和低速的声光调制器相结合,产生宏脉冲结构的输出激光,从而实现加速器在诊断模式下的运行。