强流质子加速器中电子云对束流空间电荷效应的作用研究

The electron cloud instability (ECI) and beam space charge effect (SCE), which might be the restrictions on beam intensity and power, are the two seious issue in high current proton accelerators. In conventioal accelerator physics, the ECI and SCE were studied separately in different physical model.In fact, any phenomenon on beam instablity is the combined result including ECI and SCE.The electron coud does not only distributes in vacuum pipe continoulsly, but also in some special region,such as in injection and collimation postion, where the electron density will be much thicker because of higher particle loss rate. The regional thicker electron accumulating can be seen as one of space charge neutralization len which can be used to eliminate the beam space charge.So the electron cloud not only lead to the beam instabity caused by the coupling ossiliation between electron and beam patricles, its negative charge distibution can also be positive to neutrilize the beam space charge. This study project will be the first time in world to propose the physical model for electron cloud neutrilization len and to analyze its smearing effect on beam space charge. Simultaneously the simulation program on the particle tracking will be coded to confirm the analysis result. The study result might be one of the effecitive methods to mitigate beam space charge effect.

电子云不稳定性及强流质子束内部的空间电荷作用是引起强流质子加速器束流发射度增加进而导致束流损失的两种重要效应，现有物理模型和计算都是将这两种效应分别进行研究。实际上，强流质子加速器中所体现的束流现象是包含了电子云效应和束流空间电荷作用的综合效应。特别是在强流质子加速器中，电子云不仅连续分布在真空管道内部，而且在一些特殊位置（如注入区、束流准直区域等）会形成局部高密度电子云聚集，束流运动与电子云形成耦合从而导致不稳定性发生；另一方面，局部高密度电子云对束流内部的空间电荷效应可以等效为空间电荷中和透镜，即电子云空间电荷中和透镜，束流内部的空间电荷力由于电子云空间电场作用而抵消，从而产生对空间电荷作用的抑制效应。本研究课题将首次提出并建立电子云空间中和透镜的物理模型，以此为依据，理论分析和模拟计算强流质子加速器中的束流效应，探索利用不同密度和分布电子云聚集状态抑制束流空间电荷效应的物理机制。

电子云不稳定性是正电荷环形粒子加速器中显著影响束流最终品质的不稳定性之一。在电子云不稳定性的研究过程中，主要针对三种物理机制开展研究工作：电子云产生机制、电子云聚集机制及电子云和束流相互作用机制。在上述三种物理过程研究中，电子云及束流的空间电荷力计算是一个重要研究方向。特别是在强流质子环形加速器中，束流和电子云中的空间电荷力作用更为显著。本申请课题以设计、建造、调试中的中国散裂中子源快循环同步加速器（CSNS/RCS）物理设计参数为依据，对其中电子云建立过程及其与束流相互作用过程进行了深入物理分析和模拟，同时应用阻抗模型对快循环同步加速器中可能发生的各种不稳定性进行了计算。在课题的理论研究中，首先结合强流质子加速器中质子束团长度较长（通常为20-50m）的特点，分析长束团通过电子云时的相互作用，提出了电子云电子的能量获取和振荡模型，并从物理上分析了长束团作用下的电子云聚集条件，得出通过束团纵向分布调制抑制电子云密度的方法，并利用模拟程序实现了验证。其次，对导致强流质子束流损失率增加、束流品质恶化的电子云及真空部件阻抗所引起的多种不稳定性也进行了深入分析和理论计算，特别是由于非相对束流的空间电荷效应与束流真空管道相互作用而产生的阻抗壁不稳定性进行了模拟和计算，提出了通过色品校正进行该不稳定性抑制的方法。在实验测量方面，由于强流质子加速器中的电子云聚集主要源于初始电子经过束流传递能量后与管壁碰撞产生的二次电子效应，其强弱与真空管壁材料、初始电子能量、空间分布、入射角度等参数有着重要的关联效应。为深入理解二次电子的产生过程，本课题在实验中借助CSNS/RCS工作平台，独立设计了二次电子特性参数的测量平台并首次实现了二次电子空间分布、能谱分布的直接实验测量，该测量结果对理论分析和模拟计算中的参数选择具有实际参考意义和价值。本项目的研究对强流质子加速器中的电子云不稳定性及其在束流空间电荷力作用下的相互影响进行了理论分析和模拟研究，对二次电子的特性参数实现了实验测量，对国内研究强流质子加速器中的不稳定性现象具有重要的价值和意义。