强流质子直线加速器低能端预切束器研究

高功率强流质子加速器是当前国际加速器发展的重要方向，其主要的关键技术集中在低能端，其核心课题是严格控制束流损失。在直线加速器注入到环形加速器这一基本构架中，都需要在直线加速器低能端引入切束器来完成对束流的脉冲化切割，以控制和减小注入束流的损失。由于低能端束流的空间电荷效应强，发射度增长严重，其中涉及的物理机制十分复杂，国际上关于这一领域的研究目前尚处于探索阶段。本课题旨在仔细研究在磁聚焦、匹配结构的低能传输段上安装静电切束器的设计方案，并利用现有试验条件进行试验研究。课题包括了低负载电容、高效率新型的静电偏转结构的设计；束流动力学的研究；影响切束束流上升时间因素的研究；磁聚焦结构引入静电偏转的可行性、可靠性以及对于空间电荷中和的影响。关于该课题所开展的相关研究对于解决强流质子加速器低能端的关键技术问题具有重要意义。

预切束器是强流质子直线加速器低能端的一大关键技术难点。本项目提出并全面地研究了在磁聚焦、匹配结构的LEBT上使用静电偏转式切束的方案，通过试验验证了设计的可靠性，证明了磁聚焦匹配结构低能传输线采用静电切束的可行性，在国际上没有先例。优化完成了低负载电容、高效率偏转板结构的设计，采用新型的倾斜式偏转板设计，板宽度也采用渐变式设计，负载电容小，电路上升时间快。被切除束流设计为损失在RFQ（射频四极加速器）当中，节省束靶和冷却系统，大大降低所需偏转电压。利用切束电压和偏转板结构推导切束束流上升时间的计算公式，从理论上验证了使用该结构能够获得小于20ns的切束束流上升/下降时间。搭建测试平台，通过测试得到的切束束流上升/下降时间小于20纳秒，与理论计算吻合，该项性能指标在国际同类装置中处于领先水平。该预切束器已成功应用于973计划项目“嬗变核废料的加速器驱动次临界系统关键技术研究”（项目编号2007CB209900) 关于束流损失控制的关键技术研究之中，为束流损失研究提供特殊、稳定的束流脉冲信号，根据束测试验的需要自由调整切束束流信号强弱，并可随时改变宏脉冲宽度来提供不同脉宽的观测信号，确保了束流位置探测器（BPM）和束流损失探测器（BLM）等关键部件的成功研制。国家“十二五”计划项目中国散裂中子源加速器低能端已确定采用此设计方案。该项成果获得了粒子加速器学会举办的第十届“希望杯”青年优秀论文优秀奖。