强流低能电子束与超导加速腔的相互作用研究

The high intensity accelerator based on ERL(Energy Recovery Linac) technology is an important development of superconducting accelerator. In an SC module with high intensity beam, the higher ordermode could cause beam instability and beam loss, even beam breakup. Especially for high intensity operation, the HOM problem would be significant. Therefore, it is important to analyze the low energy beam instability factor by theory and experiment, in order to get lower emittance and shorter pulse beam..This program will focus on the study on the interaction between superconducting accelerating cavity and electron beam with high intensity and low energy. By analytical analysis and numeric simulation analysis, the relevance of the cavity parameters and beam quality will be found out. Based on the theory research, the correlation experiment on superconducting accelerator will be designed and conducted to improve beam quality.

基于能量回收 (ERL)的强流加速器是未来超导加速器发展的一个重要方向，对运行于高平均流强的超导加速单元，高阶模会使束团发射度、能散度变坏，造成束流损失，影响束流品质，甚至引起束流崩溃。尤其当束流较强时，高阶模带来的问题更加严重。进行强流射频超导加速器中的低能段束流稳定性研究，建立低能强流电子束与超导腔相互作用的理论模型，并从实验上验证影响低能段束流品质的因素，将有希望抑制低能段电子束通过超导腔时的kick效应，获得更低发射度、短脉冲、低能散的电子。.本项目将重点研究强流低能电子束通过超导加速腔时，与超导腔之间的相互作用。通过建立强流低能束-腔相互作用的解析分析和数值模拟计算模型，分析低能段电子束受高阶模作用、横向kick效应的影响因素，探讨抑制强流低能电子束在超导腔中的横向和纵向发射度增长的有效途径，寻找提高强流超导加速器中电子束品质的可行方法。

项目组采用理论、仿真模拟和实验相结合的方法，深入分析了强流低能束与超导加速腔相互作用的物理机制，对强流低能电子束在超导腔中的运动过程、高阶模激励机制、多束团激励的高阶模频谱、电子束受不对称加速场的kick作用进行了全面分析，找到了高阶模频谱与束团参数之间的关系，并搭建了高阶模信号测量系统，开展了相关的实验研究，验证了理论分析的可靠性。.基于CTFEL装置上游4-cell TESLA型超导腔的研究结果表明，低能粒子束在4-cell超导腔中的加速相位范围更大，并且增能与相位之间并不表现成余弦关系。2K载束的实验结果表明，多束团激励的高阶模频谱信号高阶模峰、倍频峰组成，其中倍频峰由于多束团叠加产生的，且同样携带着束团电荷量、横向偏轴位移等束流信息。对于束流激励的单极模，其腔压与束团电荷量成正比，可用于束团电荷量归一化测量。而束流激励的偶极模，其腔压与束团横向偏轴位置成正比，则偶极模可用于束团横向偏轴位置测量。通过实验研究，本项目建立了基于高阶模信号测量和矩阵求解来诊断束流横向位置及超导腔物理中心的实验方法，该方法可用于超导加速器中束流横向位置诊断，有利于在超导加速器中抑制高阶模，提高束流品质，对强流超导注入器的运行具有重要的实用价值。