强流质子同步加速器中的空间电荷效应研究

强流束的空间电荷效应是强流加速器设计研究中的前沿研究课题。在中国散裂中子源（CSNS）快循环同步加速器的设计研究中，发现了一些具有普遍意义而在国际上尚未得到深入研究的空间电荷效应问题，包括六极磁铁非线性场与空间电荷效应的耦合作用、磁聚焦结构对称性破坏对空间电荷效应的影响、利用校正四极磁铁通过谐波校正的方法抑制空间电荷效应、及不同磁聚焦结构中的空间电荷效应的比较研究等。课题研究结果将不仅对CSNS快循环同步加速器的设计和调束具有重要意义，对于增进对同步加速器中空间电荷效应的理解、丰富和发展空间电荷理论也具有重要作用，对一般强流同步加速器的设计和调束具有普遍的指导意义。这些课题在CSNS设计研究已经得到一些初步的结果，但深入的研究超出了一般工程设计的范围，需要作为一个独立的课题进一步开展深入研究。在本课题研究的最后一年，CSNS将开始调束，结合调束可以对课题的研究成果进行实验研究和检验。

空间电荷效应及束流损失是强流质子束束流动力学中最重要的研究课题。本研究课题结合快循环同步加速器中的空间电荷及束流损失相关的研究课题，开展了深入的研究。进行了色品校正六极磁铁非线性场与空间电荷效应的耦合作用极其优化研究,研究分析了加入色品校正后束流损失增加的原因。磁聚焦结构的对称性的破坏对空间电荷效应的影响。对结构对称性的一些小的扰动,对空间电荷效应和发射度增长有着很大的影响,基于此,已经对原始设计进行了修改,尽量减少了RCS上局部凸轨的 数目并尽量减少凸轨量。将基于盲信号分离的独立成分分析方法引入CSNS/RCS的束流光学参数测量中。用C++语言开发了我国第一个环形同步加速器的束流跟踪程序，基于双谐波下的基波腔压和二次谐波腔压在程序中开发了高频腔压曲线的优化功能。该程序是结合CSNS／RCS自身的特性和需求而自主研发的一个对同类加速器普遍适用的纵向动力学了设计和模拟程序。该程序不仅可以对基波加速系统和二次谐波加速系统下在纵向上进行粒子的跟踪模拟,而且还可以根据模拟结果和某些判定条件,自动地计算并优化出一条合适的高频腔腔压曲线。在程序中包括了空间电荷效应和束流负载效应。应用该程序对于CSNS／RCS纵向束流动力学及束流负载效应开展了深入研究。RCS中的阻抗及不稳定性研究，建立了阻抗测量的平台,并已经测量了CSNS/RCS引出冲击磁铁的横向和纵向阻抗；阻抗壁阻抗RCS中的最主要的阻抗来源,通过自编程序,模拟研究了阻抗壁引起的不稳定性的上升时间,并和理论研究结果进行了比较,提出了抑制阻抗壁不稳定性的方法；引出冲击磁铁是CSNS／RCS的主要的阻抗部件,其阻抗的测量研究,对于束流不稳定性及束流损失的控制是非常关键的，本研究综合考虑了结构阻抗和回路阻抗对束流的影响,分别进行了横向阻抗和纵向阻抗的测量和三维模拟研究。纵向阻抗测量结果与理论模拟一致。提出了利用交流励磁的传递函数,进行时间谐波注入的新方法,并在实践中证明是高效可行的,已应用于中国散裂中子源的交流磁场测量。