CSRe随机冷却系统的模拟研究

发布时间：2020-11-13 22:16

　　 随机冷却是利用宽带反馈系统对横向束流振荡和纵向能量分散进行衰减的方法。其优点是对于较大发射度和能量分散的次级束等具有显著的冷却效果,因此,随机冷却和电子冷却相结合,可以有效地缩短冷却时间并得到较高品质的束流。兰州重离子冷却储存实验环HIRFL-CSRe(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou-experimental Cooling Storage Ring)的随机冷却装置,主要用于冷却来自RIBLL2(the 2nd Radioactive Ion Beam Line in Lanzhou)打靶产生的次级粒子束。由于次级粒子束具有大的发射度和动量分散(ε:20-25πmm.mrad,dp/p:±0.5-1.0%),因此必须采用冷却技术来迅速地降低其束流尺寸,从而提高束流寿命和束流品质。目前,国际上的随机冷却装置主要分布于瑞士、美国、德国以及日本。不同的随机冷却系统中的束流参数、冷却参数和用途等都各不相同。因此,研究随机冷却的影响因素不仅有助于提高冷却率以及降低功率需求,而且对随机冷却系统的理论设计和实际运行也具有重要的意义。本文以研究影响随机冷却的各种因素、寻找CSRe随机冷却的最优冷却参数、以及探究更深层次的冷却本质为目标,采用两种方法对CSRe随机冷却的演化过程进行时域分析描述:数值模拟和粒子跟踪模拟。首先,基于已有的CSRe磁聚焦结构,从动力学孔径,接受度,Twiss参数和工作点等进行优化,使其满足随机冷却对于带宽,相位以及稳定性等方面的要求。然后,在优化后的磁聚焦结构基础上,对冷却模拟程序进行开发,并全面分析了如粒子种类、粒子数、束流尺寸、束流能量、Twiss参数、极板探针的数目、带宽、放大器增益、噪声、信噪比、限定功率等因素对冷却时间、冷却率、微波功率、束流利用功率、束流增益、噪信比以及混合因子的影响,从而进一步得到了最优冷却参数。通过模拟得到了CSRe随机冷却对于荷质比为0.46(56Fe26+)、粒子数少于104、以及尺寸较大的粒子束等具有显著的冷却效果。提高冷却率的途径有增加极板探针的数目,增大系统带宽、提高放大器增益以及提升系统的信噪比等。同时考虑功率的限制,得到了最优带宽、放大器增益、信噪比以及限定功率等。此外,降低噪声不仅可以有效地缩短冷却时间,还可以降低对功率的需求。另外,本文着重分析了冷却过程中较大的动量分散对横向冷却过程产生的加热现象,以及较多的粒子数造成的非冷却因素。通过降低放大器增益可以有效地解决粒子数多的情形,但与此同时冷却率会明显地降低。本文创新性地采用粒子跟踪方法研究兰州重离子冷却储存实验环中的随机冷却过程。利用粒子跟踪方法可以很直观地描述随机冷却的动力学过程。该方法深入探究了水平、垂直以及纵向冷却过程中的相互交叉影响,以及内在的物理机制。与此同时,该方法对于在限定功率冷却系统中的粒子数、带宽以及信噪比等因素的影响有着更为详细和深入的讨论。
【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】：2015
【中图分类】：TL503.91
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 引言
    1.1 束流冷却
    1.2 束流冷却作用
    1.3 几种不同的冷却机制
    1.4 随机冷却发展历史
    1.5 随机冷却在国内外加速器中的应用
        1.5.1 反质子累积环（AA）和反质子累积复合环（AAC）
        1.5.2 交叉储存环（ISR）的反质子计划
        1.5.3 低能量反质子环（LEAR）
        1.5.4 反质子减速环（AD）
        1.5.5 费米实验室反质子源
        1.5.6 东京TARN环的冷却测试
        1.5.7 GSI随机冷却
        1.5.8 COSY随机冷却
        1.5.9 CSRe随机冷却
    1.6 论文的提出与创新点
第二章 加速器物理基础
    2.1 Betatron运动方程
    2.2 Courant-Snyder参数
    2.3 Betatron工作点
    2.4 发射度和接受度
    2.5 动量压缩因子
    2.6 六维传输矩阵
    2.7 高斯分布
    2.8 刘维定理
第三章 动力学设备和Schottky噪声理论
    3.1 动力学设备
        3.1.1 探测器和冲击器模型的建立
        3.1.2 动力学设备基本原理
        3.1.3 束流电压
        3.1.4 探测器和冲击器的品质因数
        3.1.5 带状线极板
    3.2 Schottky噪声理论
        3.2.1 单粒子流强
        3.2.2 多粒子的纵向Schottky噪声信号
        3.2.3 多粒子的横向Schottky噪声信号
    3.3 束流传输函数
        3.3.1 束流传输函数原理
        3.3.2 冲击器
        3.3.3 连续束的束流传输函数
第四章 随机冷却理论基础
    4.1 随机冷却时域分析
        4.1.1 随机冷却的基本建立
        4.1.2 束流样本的概念
        4.1.3 试验粒子图像和样本图像
        4.1.4 非相干项的统计基础
        4.1.5 冷却率方程
        4.1.6 噪声分析
        4.1.7 混合分析
    4.2 随机冷却频域分析
        4.2.1 谐波冷却
        4.2.2 噪声信号比
        4.2.3 探测器到冲击器的混合
        4.2.4 分布函数和粒子通量
    4.3 Betatron随机冷却
    4.4 动量随机冷却 --- Palmer cooling方法
    4.5 动量随机冷却 --- Notch Filter cooling方法
    4.6 动量随机冷却 --- TOF cooling方法
第五章 CSRe随机冷却磁聚焦结构设计
    5.1 CSRe磁聚焦结构优化
    5.2 CSRe随机冷却系统的设计
第六章 CSRe随机冷却数值模拟
    6.1 横向随机冷却数值模拟
        6.1.1 CSRe横向随机冷却
        6.1.2 横向冷却的演化结果
        6.1.3 粒子种类的影响
        6.1.4 粒子数的影响
        6.1.5 初始发射度的影响
        6.1.6 动量分散的影响
        6.1.7 Twiss参数的影响
        6.1.8 极板探针数目的影响
        6.1.9 带宽的影响
        6.1.10噪声的影响
        6.1.11放大器增益的影响
    6.2 纵向随机冷却数值模拟
        6.2.1 CSRe纵向随机冷却
        6.2.2 纵向冷却的演化结果
        6.2.3 粒子种类的影响
        6.2.4 粒子数的影响
        6.2.5 Twiss 参数的影响
        6.2.6 极板探针数目的影响
        6.2.7 带宽的影响
        6.2.8 环境温度的影响
        6.2.9 放大器增益的影响
    6.3 随机冷却数值模拟总结
第七章 CSRe随机冷却粒子跟踪模拟
    7.1 粒子跟踪模拟在本文随机冷却应用中的介绍
    7.2 时域中的冲击器功率
    7.3 CSRe随机冷却粒子跟踪模拟
        7.3.1 粒子跟踪模拟在时域中的演化结果
        7.3.2 粒子种类的影响
        7.3.3 粒子数的影响
        7.3.4 束流能量的影响
        7.3.5 初始发射度和动量分散的影响
        7.3.6 带宽的影响
        7.3.7 信噪比的影响
        7.3.8 限定功率的影响
    7.4 粒子跟踪模拟总结
第八章 总结与展望
参考文献
作者简历及在学期间发表的学术论文与研究成果

【参考文献】

相关期刊论文 前4条

1 夏佳文,詹文龙,魏宝文,原有进,宋明涛,张文志,杨晓东,赵红卫;兰州重离子冷却储存环工程[J];原子核物理评论;2001年01期

2 武军霞;夏佳文;杨建成;周雪梅;刘伟;周俊;冒立军;刘勇;;CSRm随机冷却初步设计[J];高能物理与核物理;2006年08期

3 武军霞,夏佳文,杨建成,刘伟,殷学军,刘勇;HIRFL-CSRm纵向随机冷却-槽形滤波冷却模拟研究[J];强激光与粒子束;2004年01期

4 顾玮,张文志;储存环中横向和纵向相空间随机冷却的二维计算[J];强激光与粒子束;1998年03期

本文编号：2882716