新型高性能同步加速器无调谐高频腔体

在本论文中，对一种新型高性能同步加速器无调谐高频腔体进行了深入的研究。该高频腔体基于一个T型桥全通域网络，在铁氧体加载的高频谐振腔体上实现宽频带高频功率激励。虽然，新型无调谐高频腔体与常规同调型高频腔体相比，体积更小，结构更加简单。但是通过研究和实验证明，新型无调谐高频腔体可以在很宽频率通带内，激励比常规同调型高频腔体更高的高频电压，因而具有更加良好的性能。加速器高频系统研究通常分为两个领域：从加速器物理观点出发的纵向束流动力学研究和电子工程技术领域的高频电子技术研究。在本论文中，首先介绍了带电粒子高频加速的基本原理。然后，详细研究和阐述了同步加速器新型无调谐型和常规同调型两种高频腔体的性能以及高频腔体加载的铁氧体材料的特性。再次，为了更好地研究高频腔体及其相应的参数，对束流纵向动力学理论进行了详细的阐述。最后，为兰州重离子加速器冷却储存环HIRFL-CSR的实验环CSRe设计了一个新型高性能同步加速器无调谐高频腔体，利用新型无调谐高频腔体作为平顶波腔体使用，实现同步加速器高频平顶波加速技术，并且可以提高HIRFL-CSR的实验环CSRe中的具有大动量散度的次级束流的俘获效率。

CSR纵向运动研究

论文对建造中的兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）主环（CsRm）和实验环（CsRe）中束流的纵向运动进行了有针对性的较为详细的研究。首先，作为纵向运动的基础，介绍了加速器物理中纵向运动相关的基础知识，接着推导出同步加速器中束流纵向运动方程，并对纵向运动作了全面的理论分析，在此基础上对CSR内束流的纵向运动进行了计算机模拟研究，得到了高频参数在各过程中变化规律，为高频设备的调试及运行时的参数预置奠定了理论基础。CSRm的主要功能是进行束流的累积加速，从而为实验物理提供高流强、高能量、高品质的重离子束流。由于高频腔频率的范围有限，当HIRFL注入的束流能量较低时，用一次谐波无法对粒子加速。因而针对这一问题，论文对CSRnl内束流的加速过程进行了模拟研究，采用变谐波加速的方式，解决了较低能量下的加速问题。CSRe的主要功能是开展内靶实验和高分辨质量测量。重离子束在CSR工n中加速至中高能引出后剥离成类氢类氦或全裸的重离子注入到CSRe中，此束流具有较高的能量。对于一些特殊的原子物理实验，需要既低能（小于IOMeV／tl）又高离化的重离子束,这就需要在CSSRe中将高离化态的高能重离子束减速到低能，以满足物理实验那要求为因正论文对CSRe内束流的减速过程进行了模拟研究，得到了满足需要的束流。无论对束流加速还是减速都包括连续军的俘获过程，它是影响效率的一个很关键的因素，因而论文还对束流的俘获进行了详细的研究，采用了绝热俘获的方法，提高了加速和减速的效率。论文最后介绍了CSR高频系统、铁氧体及高频腔体测试原理和测试方法，给出了测试结果并进行了分析和讨论。

重离子冷却储存环CSR的校正及动力学孔径研究

本文对设计中的兰州重离子加速器冷却储存环CSR主环（CSRm）和实验环（CSRe）在扰动情况下（即包含各种场缺陷和元件的安装校准误差）的非线性动力学进行了较全面的研究。分析了各种误差对一阶动力学的影响，闭轨畸变及其校正，较大动量分散情况下的色散效应，以及色品和色散的校正；同时，使用李变换的方法，对一个一维的非线性加速器模型进行了数值研究，并对CSRm和CSRe在存在非线性高阶场的情况下的非线性效应以及动力学孔径进行了模拟研究，得到了定性和定量的结果。对CSR的线性耦合效应亦进行了专门的分析。 在最后确定的可容许的一阶场差和安装校准误差的情况下，20次抽样模拟的结果显示，CSRm和CSRe在校正后的闭轨畸变之最大值小于3mm，均方根值小于1mm。采用两组六极透镜对色品及色散效应校正的结果达到了预期的效果；Tune值的移动被控制在足够小的范围内，闭轨随动量散度的偏移亦很小（<3mm）。 对线性耦合的模拟研究显示了由于CSRm和CSRe工作点足够远离一阶差共振线。因此在标称的发射度下，由场缺陷和安装校准误差导致的线性耦合对一阶运动的影响较小。对冷却段的直螺线管的耦合效应进行了补偿，补偿后的耦合效应消失。 在较保守的二极磁铁和四极磁铁的高阶场分量下，较严重的非线性效应仅作用于初始粒子为大振幅的情况，因此，CSRm和CSRe均有足够大的动力学孔径。对Tune值对动力学孔径的影响进行了模拟，在有限的变化范围内，这种影响较弱。此外，对稳定 边界上粒子的混沌运动的特点及粒子的损失机制也进行了研究。