有夹角电子冷却辅助的Barrier Bucket注入方法在CRing上的模拟和研究

发布时间：2020-09-03 12:03

　　 “强流重离子加速器装置”(High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility,简称HIAF)是十二五期间中国科学院近代物理研究所提出建造重大科技基础设施,旨在探索原子核存在极限和奇特结构、宇宙中从铁到铀元素的来源等重大前沿科学问题。HIAF是一台束流指标领先、多学科用途的重离子科学研究装置,其中之一高能量密度物理研究通过对强流重离子束横向纵向同时聚焦,轰击固定靶,将束流能量在小空间内集中释放,获得能量密度超过1011J/m3压强超过100GPa状态的物质,可以模拟惯性约束热核聚变的点火瞬间或恒星和大质量行星的内部,研究极端条件下物质相变、状态方程和流体过程。高能量密度物理研究要求压缩环CRing提供5×1011ppp的238U34+,传统的Bucket to Bucket注入方法无法满足要求。本文提出采用Barrier Bucket高频电压对束流进行纵向堆积,克服同步加速器周长比对累积增益的限制。同时引入交叉角电子冷却,作用有两个:1.对纵向相空间进行冷却,提高堆积效率;2.抑制堆积过程中的过冷却现象,避免空间电荷效应造成束流损失。本文从理论方面对Barrier Bucket堆积涉及的物理进行了推导:1.从正弦型Barrier Bucket电压下束流纵向动力学出发,推出适用于大步长纵向运动计算的算法,并且将该算法编写为BETACOOL程序库函数。2.通过单圈平均C-S参数改变量的计算,分析了交叉角对电子冷却过程的影响,以及对横向发射度的控制作用,证明了交叉角抑制空间电荷效应的有效性。3.电子冷却过程中,束流横向分布不符合高斯分布,无法用解析公式计算空间电荷效应的影响。本文从参数方程出发,通过对微相移的求解和积分,得到空间电荷效应引起的束流非相干频移分布。基于BEAMPATH二维空间电荷力计算模块,完成了频移分布计算程序,评估了Barrier Bucket堆积过程中空间电荷对束流稳定性的影响。其次本文应用数值模拟对影响CRing束流堆积效率的关键因素进行了研究:1.分析了BRing束流品质对CRing的堆积过程影响,设计了BRing注入能量下多次多圈累积方案,提高了BRing引出束流的品质,保证了CRing堆积的效率。2.讨论了CRing堆积方案和冷却方案的选择,模拟了CRing中Barrier Bucket堆积过程,研究了电子束流强、电子束倾斜角度以及Barrier Bucket电压等关键参数对累积效率的影响。模拟中充分考虑了束内散射、粒子损失(接受度和电子俘获)、当前工程技术水平、空间电荷效应等因素,经过反复优化,通过6次注入得到了约5.79×1011ppp的堆积粒子,实现了CRing束流堆积目标。
【学位单位】：中国科学院研究生院(近代物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TL56

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