兆瓦量级高功率质子回旋加速器中束流动力学的研究

The high power proton beam has wide application potentials in future clean nuclear energy system, neutron physics study, RIB production and particle physics research. Cyclotrons are intrinsic in CW mode, which has the characteristics of high efficient power conversion rate, compact structure and low construction cost. Therefore it is suit for providing the MW-class, 1 GeV proton beam. The pivotal point in the high power cyclotron is controlling of the beam losses during the beam injection, acceleration and extraction process. The beam losses caused by beam's collective effects are especially severe at MW level. In this proposal the fundamental physical problems of high power proton cyclotrons, including nonlinear beam dynamics problem (space charge effects and neighboring bunch effects), injection and extraction methods, magnetic field design and beam loss prediction, will be studied by using the state-of-the-art parallel computation methods. On that basis, the optimization methods for increasing the beam current and reducing beam losses will be given out and the feasible overall solution of a MW-class high power cyclotron will be suggested by the study.

高平均功率质子束在洁净核能系统、中子物理研究、放射性核束生产和粒子物理研究等领域有着广泛的应用前景。回旋加速器是固有CW模式的粒子加速器，具有有效功率转化率高、结构紧凑、建造和运行成本低等特点，适用于提供MW量级平均功率、1GeV左右能量的质子束流。控制好注入、加速和引出过程中的束流损失是实现高平均功率的关键所在，而强流束自身的束团集体效应是高功率回旋加速器中引起束流损失的重要原因。本项目将在前期研究工作的基础上，利用先进的并行计算方法定量研究强流束的非线性束流动力学问题（包括空间电荷效应和相邻多束团相互作用）、注入和引出方法、主磁场规划设计、束流损失计算等高功率回旋加速器中的关键物理问题；在此基础上,给出增大束流强度和降低束流损失的方式和途径，提出一套可行的MW量级高功率回旋加速器的参考方案。

本项目面向未来我国发展兆瓦量级束流功率的质子束装置的需求，开展基于高功率质子回旋加速器的预先研究工作。对比分析了国际上不同的技术路线，确定了主加速器采用常温磁铁、加速质子的技术路线，并确定了关键束流指标和800MeV回旋加速器的关键参数。进行了主磁铁设计，并根据强流束流动力学计算结果对主磁铁的结构进行了优化，利用OPAL-CYCL软件模拟研究了空间电荷效应及其对单圈引出的影响，结果表明当流强在3毫安（即束流功率2.4MW）以下时，最后一圈束团可以在没有显著束流损失的情况下从加速器引出。对100MeV注入器进行了概念设计，确定了注入器的技术路线和关键参数。为了满足回旋加速器中心区束流跟踪的需求，在OPAL-CYCL软件中增加了处理复杂三维电场的功能，从而扩大了软件的使用范围。为了满足大规模模拟计算的需求，对原有的集群系统进行了升级改造，大大增强了其计算能力和存储能力。软件功能的扩展和硬件升级改造为本项目设计工作的开展和未来高功率质子回旋加速器施工设计的开展提供了良好的计算工具。以本项目研究为基础，提出了一套可行的兆瓦量级高功率质子回旋加速器的参考方案，并编写完成了项目建议书并进行了专家论证，推进了基于800MeV回旋加速器的大型科研装置项目的立项。