加速器中磁铁边缘场干涉效应与相关束流动力学研究

以现代加速器装置为平台进行基础科学研究和应用开发已经成为衡量一个国家综合科技实力的重要指标，如何在紧凑的空间内建造出满足设计指标的高性能加速器是一个具有挑战性的课题。对于现代前沿加速器设计来讲，能否准确地描述磁场行为成为决定加速器性能好坏的重要前提，但相对紧张的空间使得设计者无法避免相邻磁铁之间的边缘场干涉效应，该效应将直接导致加速器中束流动力学参数变坏，影响加速器运行指标。例如，对于大型对撞机来讲，该效应将导致机器工作点漂移，影响对撞亮度的提高；对于强流质子加速器来讲，该效应将带来较大的束流损失；对于医用质子治癌装置来讲，该效应将引起束流输运的困难，增加机器调试的困难并直接影响治疗效果。本项目拟对造成加速器设计指标与运行指标差异的最重要原因之一-磁铁边缘场干涉效应，做一系统性研究，包括：3D磁场联合有限元分析计算，束流真实轨道上场的高阶谐波分析，场干涉效应对束流动力学参数的影响。

通过完成本项目，积累了很多现代加速器设计的经验，尤其是磁铁边缘场干涉效应对束流光学参数的影响，目前对这种效应的研究变得越来越重要。本项目中完成了以下几个方面的研究。1。依托BEPC-II这一大型加速器实验平台，对四-六极磁铁组合的3D场分布进行了磁场测量和有限元计算，利用测量数据对3D磁场进行了傅立叶展开并得到了解析描述，然后采用李代数的方法对束流光学参数进行了计算，得到了四极场误差引起工作点漂移的修正公式，最后进行了机器实验验证了理论结果的正确性。研究结果撰写论文在IEEE杂志上发表，并被评为第11届希望杯优秀论文奖，2. 采用3D有限元联合模拟和束流跟踪的方法，对ADS加速器中阶梯场磁铁之间的边缘场干涉效应进行了考察，证明在不同干涉距离下边缘场对束斑发射度有一定影响，最后通过反复计算找到了干涉影响最小的间隔，结果发表在《强激光与粒子束》上。在项目完成期间，应邀出席了美国的MT23（国际磁学工作会议）并提交边缘场干涉研究结果，应邀前往中国工程物理研究院做了有关《磁铁设计与李代数应用》的报告。本项目中提出的边缘场干涉的研究方法，是一种标准普适的方法，可直接推广到一般加速器的磁铁边缘场干涉研究中，尤其是对于现代紧凑型加速器，该方法更显示其有效性。