SSC新高频腔设计与分析

Beam matching relationship between the two cyclotrons(SFC and SSC) of HIRFL is briefly discussed, and the frequency band of the new RF cavity is obtained. The new cavity is simulated with the three-dimensional electromagnetic calculation code MAFIA, and the parameters of it such as frequency, Q value, shunt impedance and voltage distribution are worked out and discussed. The simulation results show that the new RF cavity can fully meet the requirements of physics design and space configuration.中文摘要：简要分析了HIRFL SFC与SSC之间的束流匹配关系,给出了新高频腔的频率范围。利用经典三维电磁场数值模拟软件MAFIA对SSC新高频腔体进行了模拟计算,得出了SSC新高频腔体的相关物理参数,并对频率范围、Q值、并联阻抗和电压分布等参数进行了分析。高频腔体的模拟计算结果完全符合SSC回旋加速器改造的物理设计及空间结构要求。

CSR纵向束团压缩腔研究

针对兰州重离子加速器冷却储存环的发展目标,为了满足高能量密度(涉及重离子驱动惯性约束核聚变新能源)等物理研究的需要,使用三维电磁场计算程序MAFIA研究了一种新型的适用于CSR的纵向束团压缩腔。此纵向束团压缩腔采用高磁导率软磁合金材料进行加载,相比于铁氧体加载的高频腔,可以得到高的电场梯度。以250MeV/u的238U72+离子为例进行了模拟计算,得出了此纵向束团压缩腔的工作频率为1.15MHz,峰值工作电压为80kV,由两个1/4波长同轴谐振腔组成,每个谐振腔峰值工作电压为40kV,能够满足在CSR上进行纵向束团压缩的要求。

SSC新高频腔设计与分析

简要分析了HIRFL SFC与SSC之间的束流匹配关系,给出了新高频腔的频率范围。利用经典三维电磁场数值模拟软件MAFIA对SSC新高频腔体进行了模拟计算,得出了SSC新高频腔体的相关物理参数,并对频率范围、Q值、并联阻抗和电压分布等参数进行了分析。高频腔体的模拟计算结果完全符合SSC回旋加速器改造的物理设计及空间结构要求。

SSC高频腔数值模拟及分析

SSC加速电压的提高对于HIRFL整体运行水平的提高具有重要的意义 .利用三维电磁场计算程序MAFIA对SSC高频腔体作了更为细致的分析 ,重新计算了腔体的主要参数 ,结合运行中的实际结果 ,对电压提高的可行性进行了初步分析 ;由于在大功率运行状态下 ,少量的功率损失都可能影响腔 -机系统的稳定性 ,所以同时利用MAFIA计算得到的结果 ,对功率耦合系统重新做了分析 ,得到了功率反射的理论极值及改进方案 .

CSR注入引出高压静电偏转板设计

　利用3维电磁场计算程序MAFIA对CSR注入引出静电偏转板的物理结构进行了理论设计。该偏转板高压电极材料采用表面经过阳极氧化处理的锻铝板材,倒角半径为20mm,电极半宽度60mm,其几何形状能够同时满足电场均匀性、耐压性及机械强度的要求,切割板电极采用半钨丝半钽板的结构,入口厚度不大于0.1mm。在设计基础上制造了偏转板模型,并对之进行了真空模拟试验,结果证明该高压静电偏转板的设计方案是合理的,基本满足物理实验要求。

有限积分理论(FIT)及其在腔体计算中的应用

通过介绍麦克斯韦方程的离散过程 ,简单介绍了有限积分理论 ( Finite Integration Theo-ry)。该理论直接以电场强度和磁感应强度为未知量 ,采用两套互相正交的网格 ,将场矢量离散为不同网格点上的一系列分量 ,将矢量积分方程转化为一组线性方程组。通过对 SFC高频腔体模拟的实例 ,可以看出 ,此方法在腔体本征频率、Q值及腔体并联阻抗等腔体参数计算中具有叫高的精度 ,说明了基于FIT的 MAFIA程序在腔体模拟中的可靠性

非均匀传输线型谐振腔的研究

分析了周期性电容盘片加载的同轴线的传输特性 ,并将其应用于四分之一波长线谐振腔 ,利用传输线理论和数值模拟两种方法分析了这种腔体的谐振特性 ,得到了谐振频率、Q值与盘片半径、盘片个数间的关系 ,并论证了这种方法在减小腔体尺寸方面的可行性及在一台质子回旋加速器腔体中的应用

HIRFL新B1聚束器冷却系统设计

在利用 MAFIA程序计算得到的新 B1聚束器腔体表面电流分布的基础上 ,提出了新 B1聚束器的冷却方案 ,并计算了水流及水管表面的电流分布 ,得到了冷却所需要的流量。最后估计了由于工作温度的升高所引起的并联阻抗的减小及频率的漂移。

200kV电子帘加速器的电子束轨迹的计算

采用法国的MAFIA程序计算电场 .编制了TRAJ程序 ,用逐点跟踪计算电子轨迹 ,得到了束流包络 .观察了在高压电场中栅压对束流光学传输的影响 ,并获得了在不同能量范围内的栅压聚焦作用 ,为栅压调节提供了理论依据 ,也为将来对其它规格的电子帘加速器的物理设计积累了十分宝贵的经验

HIRFL新B1聚束器耦合环的设计与计算

通过将聚束器腔体等效为 RLC并联回路 ,求得了功率馈入耦合环与腔体的互感及自感的公式 ,根据对腔体的计算结果求出了在聚束器的工作频段内达到阻抗匹配所要求的互感变化范围 ,并在该互感变化范围内设计了可移动的耦合电感环 ,计算了它的自感及整个腔体的剩余电感。

突出电极对四杆型RFQ腔体并联阻抗及场平整性的影响；Influence of projecting electrodes on shunt impedance and flatness of 4-rod radiofrequency quadrupole cavity

中国科学院近代物理研究所正在进行等离子体直接注入方案的研究,以便为重离子物理研究提供稳定可靠的高流强束流。由于工作频率较低,用于等离子体直接注入方案的RFQ腔体采用了适合于低频的四杆型结构。在完成束流动力学设计的前提下,研究了RFQ腔体支撑臂的各参数对并联阻抗的影响。由于突出电极之间存在着一定大小的电容,会对腔体的性能产生影响,为使腔体达到最优化的设计,进行了突出电极对并联阻抗及场平整性的影响的研究,并给出了突出电极的取值范围。

CSR特殊磁铁研制

特殊磁铁主要指用于同步加速器束流的注入和引出系统中的各类磁铁，如切割磁铁、BUMP磁铁、KICKER磁铁等。从结构和用途上来看，特殊磁铁基本属于二极偏转磁铁范畴；与常规的二极磁铁相比，只是在运行模式、磁场分布和好场区位置、杂散场分布、磁铁功能以及磁铁结构和材料等方面具有突出的特殊性。如切割磁铁的好场区要紧贴切割边，而切割边外侧的杂散场要降到主场的千分之一以下；BUMP磁铁和KICKER磁铁的磁场值不高，但要以很快的脉冲方式工作，所以就具有大电流、线圈匝数少的特点。各种特殊的性能要求使得特殊磁铁的设计和制造相当复杂。 HIRFL-CSR工程共有四台切割磁铁、四套BUMP磁铁以及两套KICKER磁铁用于加速器束流的注入和引出系统中。论文介绍了特殊磁铁的选型、材料选取、电磁设计、二维及三维磁场计算、电磁参数计算、冷却计算、结构设计以及工艺设计等磁铁设计的全部过程；另外，对磁铁研制的具体细节以及技术要求、加工制造以及测试结果也作了比较全面的介绍。论文将磁铁的二维及三维磁场计算作为设计和论述的重点；因为就目前的技术水平来说，二维及三维磁场的计算是磁铁设计的主要环节，是磁场优化的主要手段，也是其他主要电磁参数计算的基础。特别是三维磁场的计算结果，是磁铁设计的主要技术依据，是一种仿真度极高且经济实用的模拟过程。一些比较成熟的磁场计算软件，如TOSCA、ANSYS、MAFIA等更是具有人机界面简单、建模方便、计算结果直观可靠等优点。特殊磁铁的磁场计算所用的程序是TOSCA；从文中提供的测试结果看，计算结果与实测值的误差只有 1 %，可见其结果是极其可信的。从测试和运行结果来看，各种特殊磁铁的研制是成功的。特殊磁铁的成功研制为HIRFL-CSR的束流注入和引出提供了硬件基础

三维电磁场数值模拟在腔体设计中的应用——新B1聚束器的腔体设计

为了提高HIRFL的束流指标，特别是束流强度，以满足放射性次级束流线（RIBLL）及大科学工程兰州重离子冷却储存环（CSR）对束流的更高要求，目前 HIRFL 正在进行很多方面的改造，其中之一便是建造一台新聚束器B1来改善注入器 SFC 与主加速器SSC之间的给向匹配。为了克服非线性效应，新B1设计工作在多模式下，频率范围为 22MHz～54MHz，最高电压达110kV。由于较宽的工作频率范围、较高的电压及有限的空间位置，新B1聚束器的腔体设计存在许多困难。本论文的主要工作便是设计新B1聚束器的腔体。主要工作可分为三部分：1．腔体设计：在这部分，我们利用三维电磁场模拟程序－MAFIA，辅之以传输线近似法，设计出了满足物理要求的腔体方案，给出了模拟计算所得到了的腔体主要参数，并就这些参数的可信度进行了评估。2．耦合环设计：在这部分，我们利用 MAFIA 模拟得到的结果，从腔体的等效集总电路出发，推导出了耦合环参数与腔体特性参数之间的关系，并设计出了满足物理要求的耦合方案。3．冷却系统设计：这部分的主要工作为从对流、传导换热理论出发，结合新B1的实际，建立了自己的传热模型，设计了新B1腔体的冷却系统，计算了腔体的最高工作温度，并讨论了工作温度的升高对腔体性能的影响。另外，在论文的最后一章还介绍了其它一些工作，主要包括SFC中 Dee 电压分布计算、原B2腔体的实验研究以及原B1腔体的传输线近似法模拟。

强流扇聚焦回旋加速器中空间电荷效应的研究

本文比较系统地介绍了扇聚焦回旋加速器内部的束流动力学及其注入系统的一般理论，并结合两台具体的扇聚焦回旋加速器的设计讨论了在回旋加速器以及静电反射镜内空间电荷效应对束流的影响。第一章简单介绍了回旋加速器的发展历史及分类、强流回旋加速器的应用，加速器驱动系统ADS(Accelerator Driving System)、能量放大器EA(Energy Amplifier)方案以及本文工作的主要内容。第二章首先介绍了扇聚焦回旋加速器的基本理论，包括扇聚焦回旋加速器内的轨道理论(静态平衡轨道及加速轨道性质)以及相空间的描述方法等。然后详细讨论了回旋加速器内空间电荷效应的影响及研究方法，包括空间电荷作用下粒子的运动方程、空间电荷电场的不同种类、求解空间电荷电场的基本方法和模型以及空间电荷效应对束流轨道特性和相空间传输特性的影响等。在本章的第4节中，介绍了两台强流扇聚焦回旋加速器(50MeV-6mA H_2~+超导扇聚焦回旋加速器和17MeV-2mA H~-扇聚焦回旋加速器)的具体设计步骤和计算结果,讨论了这两台扇聚焦回旋加速器中加速轨道和相空间的传输以及空间电荷效应的影响。最后，简单介绍了设计时所使用的两个计算程序AGORA_SCE和CINEZ_SCE。第三章首先简单介绍了用于扇聚焦回旋加速器的各种注入方法以及在轴向注入时所采用的不同种类的静电偏转镜。然后详细介绍了目前最常用的螺旋扇型静电偏转镜的基本工作原理，如参考粒子的运动轨道及偏转镜的光学性质等，讨论了螺旋线型静电偏转镜中空间电荷效应的影响。最后仍然以50MeV-6mAH_2~+和17MeV-2mA H~-这两台扇聚焦回旋加速器为例，对它们的静电偏转镜进行了设计，并分别研究了它们在空间电荷效应影响下的轨道特性及相空间传输特性。第四章简单介绍了工作中所用到的一些计算工具，如三维电磁场计算程序MAFIA以及等时场分析程序EQUIL，并给出了17MeV-2mA H~-扇聚焦回旋加速器的等时场的计算结果。论文的最后部分简单总结了本文的工作，并提出了今后进一步的工作设想。