高电荷态ECR离子源引出束流横向相空间相关性及其低能传输线的研究

The transverse phase space of the beam extracted from high charge state ECR ion source is correlative, which will influence on the beam transfer and matching greatly and even the efficiency of whole accelerator. This project will investigate the correlation property systematicly and in depth to explore the factors which affect the beam transverse phase space correlative morphology and emittance distribution. And the key scientific issues related to the design of low energy transfer line and transverse phase space correlation property will be also solved, for example, the transverse phase space de-correlation and emittance de-distribution. Moreover, the space charge effect of high intensity correlative beam will be studied to search the influence of space charge effect on the increase of correlative beam emittance. This project will provide ways for high efficiency transmission of the beam with transverse phase space correlation from all high charge state ECR ion sources, and enhance the commissioning efficiency of Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL) further. Furthermore, this project will provide the key basis for design of low energy transfer line of High Intensity heavy-ion Accelerator Facility (HIAF).

高电荷态ECR离子源引出束流的横向相空间是相关的，这一性质会给束流的传输及匹配带来非常重大的影响，甚至决定了整个加速器的效率。本项目计划对束流的相关性进行深入、系统的研究，探索影响束流横向相空间相关形态及发射度分配的因素，解决离子源低能传输线设计中与横向相空间相关性有关的关键科学问题，如横向相空间去相关及横向发射度再分配等，同时对强流相关束的空间电荷效应进行研究，探索空间电荷效应对相关束发射度增长的影响。本项目的研究，将为所有高电荷态ECR离子源引出的横向相空间相关态离子束的高效传输提供解决途径，为进一步提高HIRFL（兰州重离子加速器）的运行效率提供可能的方法，为近代物理研究所十二五项目HIAF加速器低能传输线的设计提供关键依据。

高电荷态ECR离子源引出束流的横向发射度是影响束流后续传输的重要参数。从理论和实验两方面对横向发射度与源内等离子体状态、源磁场分布、聚焦元件等因素的关系进行研究，寻找最佳的设计参数，优化横向发射度大小及其水平垂直分配关系，对提高离子源引出束流的品质和后续传输和加速效率具有重要的研究和应用价值。本项目研究了造成ECR离子源束流横向相空间耦合的原因及影响横向发射度分配的因素。明确引起横向相空间耦合的两个因素分别是：离子源引出区下降半螺线管磁场导致束流旋转角动量不守恒，及引出区磁场引起的束流沿轴线的旋转。研究结果表明引出束的发射度并不符合通常认为的随引出磁场的增大而增大，而是先降低再增大，可以优化得到最小值，很好地解释了RIKEN在2015年的实验现象。本项目研发了测量束流4D发射度的pepper-pot型测量仪，进一步测量研究了ECR离子源引出束流的横向耦合特性，验证了束流发射度交换和发射度分配的理论研究结果。通过对束流去耦合、横向发射度重新分配的方法的深入研究，本项目发现并首次提出在ECR离子源混合束传输段采用双螺线管聚焦结构。该方案有助于束流解耦合、降低束流发射度、并调节束流投影发射度的分配。双螺线管聚焦结构在低能束运线上作为聚焦元件，可以规避普通螺线管聚焦造成的相空间耦合，降低设计和调节的复杂性。深入研究了ECR离子源低能强流高电荷态束流传输中空间电荷效应对束流发射度的影响，通过模拟和实验初步明确了离子源低能传输区具备较高的空间电荷中和度（70%），空间电荷效应不是束流发射度增长的主导因素。这些研究结果明确回答了项目提出的科学问题，为优化离子源引出束流品质及后续束流传输设计奠定了基础。双螺线管透镜结构已经应用到近物所低能量重离子加速器装置LEAF和重离子加速器装置HIAF低能束运线的设计中，并通过LEAF低能传输线实验进行了验证。研制的Pepper-pot发射度测量仪可以测量束流4D发射度，具有测量速度快等优点将在大科学装置HIAF的低能束运线配置，并有推广应用价值。