HIRFL重离子直线注入器的动力学设计与研究

发布时间：2020-04-07 17:24

【摘要】：兰州重离子研究装置HIRFL由四台加速器组成：（1）扇聚焦回旋加速器SFC (SectorFocusing Cyclotron)；（2）分离扇回旋加速器SSC (Separate Sector Cyclotron)；（3）同步加速器CSRm (the main Cooling Storage Ring)；（4）储存环CSRe (Cooling Storage Ring forExperimental)。SFC是HIRFL重离子研究装置上唯一的注入器，SSC和CSR不能同时供束，限制了HIRFL的运行效率。为了进一步提高HIRFL系统的综合性能，近代物理研究所拟建两台重离子直线注入器：一台CW重离子直线加速器SSC-LINAC，作为SSC的注入器，为SSC提供0.58MeV/u或1.025MeV/u的强流连续重离子束，从SSC引出6MeV/u或10.7MeV/u的重离子束，既可以直接给实验终端供束，又可以注入到CSRm中进一步加速；另一台脉冲重离子直线加速器CSR-LINAC，作为HIRFL-CSRm的专用注入器，为CSRm提供7.272MeV/u的重离子束。本论文主要介绍了SSC-LINAC重离子直线加速器的动力学设计模拟、优化和CSR-LINAC重离子直线加速器主要加速器结构的动力学设计与研究。 针对分离扇回旋加速器SSC的特殊性，SSC-LINAC重离子直线加速器选择了SSC的四倍频作为直线加速器的工作频率，并利用预聚束器对RFQ前的直流束进行预聚束，以达到提高SSC注入效率的目的。结合SSC-LINAC重离子直线加速器原动力学设计方案，本论文提出了双间隙锯齿波预聚束器的动力学设计方案。相比于单间隙锯齿波预聚束器，双间隙锯齿波预聚束器在聚束效率和稳定性上有了很大程度的提升。结合RFQ高频测试结果，本论文对RFQ进行了系统的动力学研究和误差稳定度分析；并在新的设计理念指导下，重新设计了中能束流传输线。在新的动力学设计方案的基础上，本论文对SSC-LINAC重离子直线加速器进行了end-to-end束流动力学模拟，并根据测磁数据分析，对SSC-LINAC重离子直线加速器进行了系统的组合误差分析，提出了新的束流诊断方案、矫正磁铁方案以及准直技术指标。 本论文还介绍了CSR-LINAC重离子直线加速器的概念性设计方案，从提升HIRFL重离子研究装置运行效率和同步加速器总体性能两个方面，具体阐述了CSR-LINAC建成后HIRFL的总体水平。本论文还提出了重离子直线加速器主要特征参量选择的新方案，为重离子直线加速器的概念性设计提供了理论指导。在此基础上，本论文提出了RFQ和IH-DTL动力学设计方案，并对其误差稳定性和单误差敏感度进行了系统的分析。
【图文】：

1.1 德国 GSI 重离子直线加速器德国 GSI 重离子研究装置是目前国际上最大最先进的重离子大科学装置可以开展关于核物理、原子分子物理、材料科学、生物生命科学等诸多方面究工作，GSI 重离子研究装置总体布局如图 1.1 所示。GSI 大科学装置主要分线加速器和环形加速器两部分，直线加速器 UNLINAC 作为环形加速器 SIS18入器，可以提供 11.4MeV/u 的重离子束，，束流强度可以达到几个 emA。直速器 UNLINAC 可以加速从 C 到 U 的重离子束，最大质荷比可达 65，其平面如图 1.2 所示。UNLINAC 重离子直线加速器有两条注入器（强流直线加速器和高电荷态直线注入器 HLI）、四台离子源组成；离子源参数见表 1.1。在双器后，Alvarez 加速段将束流进一步加速到 11.4MeV/u，然后注入到同步加SIS18 中。Alvarez 加速段主要参数见表 1.2，下面将详细介绍强流直线加速器 高电荷态直线注入器 HLI 和用于 ESR 的重离子直线加速器 HITRAP。

图 1.2 GSI 重离子研究装置 UNLINAC 直线加速器平面布局图。图片摘自文献[2表 1.1 GSI 重离子研究装置离子源参数离子源 PIG, MUCIS, MEVVA最大质荷比 65注入能量 2.2 keV/u速度 (β = v/c) 0.00217磁刚度 0.44 T.m吸极高压 10 - 50 kV归一化横向发射度 ≤ 0.3 π·mm·mrad自然横向发射度 ≤ 138 π·mm·mrad相对能量分散 ≤ ± 1·10-4表 1.2 Alvarez 加速段主要参数Alvarez 1 Alvarez 2 Alvarez 3 Alvarez 4工作频率（MHz） 108.41 108.41 108.41 108.41能量（MeV/u） 3.6 5.9 8.6 11.4
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（近代物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL503.3

【参考文献】

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3 肖陈;何源;原有进;陆元荣;刘勇;王志军;杜小楠;姚庆高;刘戈;徐孟鑫;贺守波;夏佳文;;A particle-in-cell mode beam dynamics simulation of medium energy beam transport for the SSC-Linac[J];中国物理C;2012年01期

4 李小妮;原有进;肖陈;何源;王志军;盛丽娜;;Beam dynamics simulation of HEBT for the SSC-linac injector[J];Chinese Physics C;2012年11期

5 孙列鹏;赵红卫;孙周平;何源;石爱民;肖陈;杜小楠;张聪;张周礼;;Design study of the SSC-LINAC re-buncher[J];Chinese Physics C;2013年02期

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1 王志军;优化方法在直线加速器设计中的应用[D];兰州大学;2013年

本文编号：2618177