加速器束流横向密度均匀化研究

随着加速器技术和应用的发展，越来越多的强流加速器已经和即将投入使用，这些加速器的流强通常达到安培量级，用于散裂中子源、驱动次临界反应堆（ADS）等应用，这类加速器的束流功率较高，达到千瓦、甚至兆瓦量级，为减小因束流强度较大而造成的靶损伤，一般对打靶束流横向密度分布的均匀性有着较为严格的要求，为实现这一目的，需要对束流横向密度均匀化和束流非线性传输进行研究。本课题立足于中国散裂中子源（CSNS）科学装置的设计和建造，通过理论分析、模拟计算，并利用中国科学院高能物理研究所已有的RFQ强流质子加速器进行实验研究，对八极磁铁对束流横向密度分布的影响、束流均匀化输运线布局安排、束流横向密度分布的理论计算、非线性传输中的束流损失情况等进行研究，以期能够获得束流横向密度均匀化在理论和实验方面较为系统和全面的研究结果，进而使我国在这方面的研究进入国际前沿地位。

结合正在建造的中国散裂中子源的具体情况，对采用两块八极磁铁的横向束流均匀化方案进行了研究：.1.对束流经过包含八极磁铁的束流传输系统后的束流密度分布进行了理论推导,编写了软件并进行了大量模拟计算；.2.对束流经过一块八极磁铁后的束流相空间特点做了初步研究；.3.对lattice中八极磁铁如何放置、相互之间相位关系、八极磁铁与目标位置之间的相位关系，进行了研究，确定了分别用于水平和垂直方向调整的八极磁铁与目标位置的相位差均应在pi左右，并且相位差对磁铁强度有着较明显的影响；.4.对八极磁铁所作用束流的水平和垂直束团尺寸的相互关系做了理论研究，初步认为八极磁铁作用方向上的束流包络约至少大于另一方向束流包络的1.2倍时，八极磁铁才能发挥均匀化的作用；.5.对八极磁铁处中束流轨道和色散对均匀化的影响进行了模拟研究，初步认为色散的影响通常都比较小，不会对束流均匀化带来太大的影响，而束流轨道在比较大的情况下，会对目标位置处的束流均匀性带来一定的影响，但不会带来较明显的额外的束流损失；.6.采用两个八极子进行束流均匀化时，当两个八极子之间相位相差pi时，选择合适的八极子强度，可以完全消去耦合项；同时选择第二个八极子与目标位置之间的相位，使水平和垂直两个方向的相位分别略大于和略小于pi，可以实现比较好的截面调整，并且束流损失较低；. 结合广东省第二人民医院30KW硼中子俘获治疗装置的设计工作（BNCT）进行了如下研究工作：.7.对八极磁铁与靶之间较远距离束流传输情况和相移较大情况下的束流均匀化方案进行了研究，并为BNCT提供了两个设计方案。. 结合清华大学紧凑型强子加速器（CPHS）进行了如下研究：.8.参加了清华大学CPHS质子加速器束流均匀化的实验研究，对如何测量均匀化后的束流密度分布做了初步的研究和实验，参与了CPHS质子加速器永磁铁（PMQ）的设计和加工工作；.9.结合清华CPHS质子加速器对实现均匀化的异形磁铁进行了研究，并完成了设计、样机制造和测磁。.