强流超导电子直线加速器中的瞬态束流负载效应研究

With the promotion of urgent demand on scientific research, higher current and higher repetition rate are the main developing directions of the superconducting electron linac. When accelerating high current pulsed electron beams, transient beam loading effect will cause a serious decline of beam quality and even leading to beam loss, which brings great difficulties to beam debugging. Driven by the development of the future high average power FEL and ERL technology, this project will study on the transient beam loading effect in the superconducting electron linac in depth. Through theoretical analysis, numerical simulation and experimental research, a theoretical model and numerical simulation method of transient beam loading applied to high current superconducting electron linac will be established. Through the study of this project, the influence on the beam quality by the transient beam loading effect will be revealed. It will also provide parameters support and theoretical reference to the compensation methods of the transient beam loading and technology accumulation to the development of the future ERL and FEL in China.

随着科学研究需求的推动，超导电子直线加速器正不断地向着更高的束流流强和更高的束流重复频率方向发展。当超导电子直线加速器加速强流脉冲束时，瞬态束流负载效应会造成脉冲前端电子束流品质严重下降，束团能量一致性变差，束间能散变大，甚至引起束流损失等后果，给束流调试工作带来巨大的挑战。本项目受未来高平均功率FEL、ERL发展需求的驱动，针对强流超导电子直线加速器中存在的瞬态束流负载效应问题进行深入研究。综合考虑低电平系统的补偿作用，建立强流脉冲束与射频超导腔相互作用的物理模型，通过数值模拟和实验验证，发展一套适用于强流超导电子直线加速器中瞬态束流负载效应的理论模型和数值模拟分析方法。通过本项目的研究，将进一步明确瞬态束流负载效应对强流超导电子直线加速器中束流品质的影响程度，为瞬态束流负载效应的补偿方法提供参数支持和理论指导，为我国未来ERL和FEL光源技术的发展提供技术积累。

本项目受未来高平均功率自由电子激光、能量回收型直线加速器发展需求的驱动，针对强流超导电子直线加速器中存在的瞬态束流负载效应问题进行深入研究。本项目建立了脉冲电子束流与射频超导腔相互作用的等效电路模型，对脉冲电子束刚注入超导腔时的瞬态束流负载效应进行了解析分析，计算得到了脉冲束团在超导腔内激励的净感应电压的解析表达式。并根据4-cell TESLA型超导腔的特征参数，编写了数值计算程序，模拟计算了不同流强下瞬态束流负载导致的束流前端实际加速电场和束间能散的变化情况。最后，在实验室现有的CTFEL装置直线段束线和四代光源XFEL注入器束线上，开展了强流电子直线加速器瞬态束流负载效应的验证性实验研究，分别测量了不同宏脉冲长度的束流能量/能散，以及高重频脉冲电子束的逐束团横向归一化发射度。通过本项目研究，可以深入理解强流高重频电子束脉冲前端实际加速状态的差异情况，揭示瞬态束流负载效应对脉冲束流品质的影响程度，为瞬态束流负载效应的补偿方法提供理论指导。