重离子同步加速器SIS中的束团纵向稳定性理论、测量和模拟

本论文中的工作是在德国重离子研究中心（GSI）和中国科学院近代物理研究所的联合培养计划下完成的。论文以GS工的重离子同步加速器SIS为主要研究对象，就其强流运行及为GSI最近批准的新项目而升级的纵向动力学方面进行了研究和探讨。该项工作对于在建的大科学工程兰州重离子储存环HIRFL-CSR有借鉴意义。在GSI的新项目国际重离子、反质子加速器科学研究装置的蓝图中，现有的重离子同步加速器S工S将作为前级提升束流的强度和能量。束团的纵向稳定性是保证可靠的强流运行所必须回答的问题，包括以下内容，在本文中分别进行了探索和解答：纵向的重离子加速器环境阻抗模型；在可能的阻抗条件下束流线性稳定性；在阻尼及不稳定性效应下束流相空间分布的演化行为和结果（发射度增长、粒子丢失等）及其内在机制；对不稳定性和束流相空间稀释效应进行控制的可能性。不同流强下束流纵向相空间测量，这是本论文工作的一个重要基础。自洽的Vlasov束团模型（任意外场加空间电荷效应下的束流匹配）和实际运行中的非理想捕获过程（有限的高频电压上升时间，对应不同的绝热系数），作为任何束团运行和稳定性研究的前提分别在论文中得到了厘清。解析方面的工作包括定态和微扰理论，即将线性Vlasov方程应用于束团，并在适当的近似下得到简洁的解析方程。经过重新推导，得到了修正的Sachrer积分方程，使之在强空间电荷效应下的仍然适用，由此得到了线性稳定图。编写调试成功了PIC（particle-in-cell）算法的模拟程序，和线性理论相互校验，并与己得到的实验结果进行了对比，对实际运行中复杂过程进行了模拟，并研究了不稳定性发展后期非线性阶段。线性理论，模拟和实验结果有很好的一致性。在SIS实验中观察到一种流强相关的束团相干模式演化现象，该现象揭示出束团中朗道阻尼条件，这与束团稳定性密切相关。对空间电荷抑制朗道阻尼效应及发射度增长进行了细致研究。提出用快反馈装置控制相空间稀释的思路。线性理论和模拟的结果都预言，在阻性阻抗和空间电荷阻抗存在下，藕合束不稳定性是515多束团强流运行的潜在威胁。阻性阻抗来自管壁及加速器部件的有效导电性或特殊共振结构，或直接来自频率偏置的高频腔。阻抗补偿或特殊的束团操作可以用来控制桃合束不稳定性。