等时性回旋加速器的理论与设计

本论文比较系统地介绍了等时性回旋加速器的理论，并以兰州重离子加速器系统的注入器SFC和主加速器SSC两台等时性回旋加速器为例介绍该类型加速器的设计特点和设计方法，以及作者在这两台加速器上所做的一些具体设计和改进工作。 首先一般性地介绍加速器尤其是回旋加速器在原子核物理及粒子物理中的作用以及在其它应用学科中的作用，加速器学科尤其是回旋加速器的发展水平和发展趋势。在第二章中给出经典回旋加速器和等时性回旋加速器的理论基础，包括等时性加速原理，轴向聚焦和径向聚焦的稳定加速条件以及由扇块产生的方位角调变磁场提供的轴向聚焦力，径向运动稳定区和共振理论，和加速平衡轨道理论。从第三章到第五章，从等时场的建立，注入系统及引出系统等比较具体的方面来阐述该类型加速器的理论和各种实现方法。第三章介绍GORDON理论和Kb——Kr两种比较常见的理论等时场的建立方法，磁铁和线圈的设计和作用，以及磁场的测量。还介绍了对实际等时性磁场的评价以及通过对束流相位的测量来反映实际等时场的作用和对等时场的再优化等方法。在第四章中，系统地介绍了利用外离子源或利用其它加速器作为注入器时通常采用轴向或者径向注入方法。注入引出系统尤其是注入系统通常是影响一台加速器传输效率的关键性部分，因而在如何提高注入系统的效率方面人们做了大量的工作，特别是轴向注入方法。回旋加速器的中心区是注入的结束和正常加速过程的开始，其设计的好坏对注入效率和后面的束流轨道也是很重要的。第五章在讨论束流从加速器中的引出时，主要强调束流用户或后级加速器对引出束流品质的要求以及引出效率，因而强调了较高的内束流质量和单圈引出的重要性，以及提高引出点的圈距的具体的方法如提高加速圈距、共振进动和非共振进动方法。引出路径上的束流聚焦也是引出系统设计应考虑的一个方面。另外还介绍了再生引出和剥离膜引出方法。在这几章中不仅介绍了回旋加速器的理论，通常从Hamilton方法出发，而且还介绍了进行实际加速器设计中常用的束流轨道数值计算方法。但前者在理解加速器的物理图像方法以及在设计初期对某些重要的参数的评价和估计方面是很必要的。在介绍等时性回旋加速器的理论和设计方法的同时还以SFC和SSC两台回旋加速器和它们的分系统的具体设计为例子作了比较详细的实际应用对照。 论文的最后部分，即第六章是介绍作者自己在回旋加速器的理论和设计方面的部分工作，为了保持整篇论文的协调一致，没有将在国外所做的工作列入，只编入了在HIRFL上进行的直接与回旋加速器的物理设计有关的工作： ① 作者提出的一种新的等时场垫补和优化方法，该方法利用回旋加速器垫补线圈的磁场贡献具有台阶性的特点，对垫补或优化区域采取从小半径到大半径或反过来逐步垫补的方法，它既适用于紧凑式回旋加速器也适用于分离扇回旋加速器，它具有直观性和可对垫补及优化过程进行直接干预的特点。 ② 对SFC的轴向注入系统进行了改进设计，新的注入系统配备两台在线ECR离子源并加强和增加了注入束运线的功能，如增加了离子源的电荷态分析能力，束流发射度的限制功能、进行发射度测量和束流状态的监测功能等等。新的注入系统还提高了三次谐波加速情况下的注入电压以减小空间电荷效应的影响。相比原系统新的轴向注入束运系统有更高的注入效率，更好的调束手段和更好的空间安排。 ③ 对SFC轴向注入束运线的聚束器系统进行了重新设计，用二台分别工作再SFC采用基波加速模式和三次谐波加速模式下的不同聚束器结构代替原来的一台聚束器，以适应SFC较宽的加速粒子和能量范围，并提高了聚束器本身的指标，可以明显地提高轴向注入系统的传输效率和SFC的内束流质量，同时该聚束器系统还采用了新的半频聚束模式，在不影响SFC的效率和束流质量的情况下可以将SFC与SSC的理论纵向匹配效率由原设计的50%提高到100%。 ④ 对SFC加速器的中心区进行了改进设计，配合轴向注入系统将三次谐波加速时的注入半径由2.5cm提高到3.0cm，使加速较重的重离子的条件得到改善，并保留基波加速时2.5cm的注入半径，即新的中心区要适应两套注入参数，每次仅更换新的螺旋线型静电偏转镜。新的中心区还照顾到SFC高频DEE电压在某些情况下偏低的不足。 ⑤ 在对HIRFL加速器系统进行了全面的分析后，提出了一系列的提高其束流指标和运行效率的改进措施，作为进一步工作的方向，并给出了在完成目前正在进行的改进工作后和2000年前后HIRFL可能达到的束流指标。 在附录中一般性地介绍了Hamilton分析力学和带电粒子束的相空间理论，在讨论了束流动力学研究中经常用到的传输矩阵方法和轨迹跟踪方法。在附录二中介绍了加速器用的多电荷态离子源的情况，尤其是以ECR离子源为代表的高电荷重离子源的情况。