强流超导质子直线加速器束晕产生机制的研究及其在设计中的应用

For the potential extensive and great applications on high intensity Spallation Neutron Source (SNS), Accelerator Driven sub-critical System (ADS), Neutrino factory and μcollider, the high intensity proton linacs are proposed by worldwide laboratories in the last decades. In these high intensity proton linacs, extremely low beam losses are requested to avoid an unacceptaable radioactivity level in the machine area. Most of the beam losses come from the beam halo particles. The beam halo formation mechanism can be conclude in two aspects. One part of the beam halo source are the space-charge forces in mismatched beams. The beam is not matched when the inwardly directed focusing force and the outwardly directed space-charge force plus a pressure force from the emittance is not balanced, and the beam halo induced accordingly. Another source of the beam halo are the charged-particles are not in three-dimensional thermal equilibrium, the space-charge force leads to resonant coupling between the tranverse and longitudinal planes or the two transverse planes, beam halo induced consequently. Based on the existing theoretical halo formation mechanism, the beam halo control mechanism in the design of high current proton linacs will be extensively studied. The common theories and methods for superconducting periodical lattce design will be developed. The effective matching theories and methods in superconducting high intensity linac will be investigated. These are very important for the high intensity superconducting linac designs.

由于在大功率散裂中子源、加速器驱动洁净核能系统、中微子工厂、μ子对撞机等方面广泛、深远而且重大的应用价值，国际上各大实验室纷纷提出了强流质子直线加速器的建造计划，在这些强流质子加速器中，一个需要共同面对的难题就是极低的束流损失率。束损的主要来源是束晕粒子，束晕的形成机制分为两大类，一类是空间电荷力及发射度所产生的压力与外部聚焦力不平衡导致不匹配，导致束晕的产生，一类是带电粒子束在三维平面内没有处于均温状态，空间电荷力引起横纵向或者横向两个平面之间的耦合共振，产生束晕。本课题从这两个方面着手进行深入研究，意在给出超导准周期结构束流设计的一般理论和方法，以及超导段强空间电荷力的情况下进行有效匹配的理论和方法，这对于强流质子加速器超导结构的物理设计有非常重要的物理意义。

强流高功率直线加速器的一个重要指标就是将整个加速结构上束流损失的水平控制在极低的阈值范围（1W/m）之内，比如中国ADS驱动加速器的设计，最大设计功率为15MW，在高能段满足1W/m 的能量损失指标，束流损失粒子的比率要控制到小于10-8的量级。这个量级的束流损失大多可以追溯到低能加速段不够稳定的物理设计，导致了束晕产生，并随后在多种非线性机制的作用下逐渐脱离束核，引起束流损失。. 对于周期加速结构来说，纵向参数共振以及横向结构共振所引发的周期性聚焦及失配振荡是导致束流不稳定的主要原因，本项目研究了纵向参数共振、横向结构共振以及横向和纵向之间的耦合条件，这些共振条件给出了动力学设计过程中零电流周期相移的上限，在给定的空间电荷效应条件下，周期相移可以适当突破90度相移的保守设计。但工作点应该避免与Hofmann图上的共振区域重叠，研究显示工作点选择在这些区域内的Lattice设计对误差的敏感程度要相对高于其他区域。另外，由于束流动力学和实际机器之间难以避免的差异，采用完全均温的设计难以实现，也没有必要。. 由于安装、准直、维修等方面的问题，低能超导段将所有周期结构放置于一个恒温器的设计不太现实。而受加速效率的限制，低能段多采用紧凑型的周期结构，因此恒温器之间的接口处也是周期结构中断需要重新匹配的部分，这也是极容易产生束晕的关键部分。研究结果显示，对于强空间电荷力的情况下两个准周期结构之间的匹配段，足够的接受度以及稳定的工作点选择是前提，匹配节处弱聚焦、包络平滑过渡、发射度增长在~5%以内是目标，选用尽可能少的参数进行匹配是技巧，调用现有动力学程序根据设置目标优化是手段，在加速段入口处增加横/纵向准直/相位/能量误差是整个物理设计是否稳定的检测方法。.这些研究成果给出了准周期结构束流动力学设计的一般理论和方法，对强流直线加速器的物理设计有一定的参考意义。