基于25MeV CADS强流超导质子直线加速器样机的束流物理研究

The understanding of beam dynamics and halo development was boosted by the large number of high-power linac studies. In order to simplify the problem, most of the analytical studies, such as core-lattice resonance, particle-core resonance and core-core resonance, were performed using simplified accelerator lattices and beam geometries. In many cases the studies stopped at this point and the theories were not tested on realistic accelerator lattices including periodic focusing, acceleration, and transitions between different focusing lattices. This project will focus on the study of effects of all such deviations from ideal model, especially the acceleration, on the high intensity beam theories with the help of multi-particle simulations and beam tests on the 25 MeV CIADS demo facility, which is the first low energy superconducting proton linac of same kind. With this study we can have a deeper understanding of the high intensity beam physics and the results can benefit the design of the high intensity linacs.

束流损失的控制是大功率直线加速器的重要课题，现有强流束物理理论大都在相对于实际加速器极度简化的理想模型基础上得到的，不能完全描述束流在加速器中运动的真实规律。本课题拟以25MeV CADS超导质子直线加速器样机为平台，联合近代物理研究所直线中心物理组相关人员，以数值模拟、理论分析、实验测量为主要手段，对由于加速引起的聚焦参数变化对强流超导直线加速器中空间电荷驱动的包络不稳定性、粒子-束核共振、束核-束核共振等基本理论的影响进行系统研究，对低能超导直线加速器特有的双周期结构与束晕产生之间的关系进行全新的审视。通过这些研究，可以对现有理论及程序模拟的可靠性进行验证，对目前广泛接受的强流直线加速器设计原则进行确认、修正、补充，对影响束流品质和束流传输效率的各种因素进行分析，从而进一步加深对强流超导直线加速器束流动力学的理解，为高效、可靠的强流质子加速器设计奠定物理基础。

束流损失的控制是大功率直线加速器的重要课题，现有强流束物理理论大都在相对于实际加速器极度简化的理想模型基础上得到的，不能完全描述束流在加速器中运动的真实规律。本课题以25Me V CADS超导质子直线加速器样机为平台，以数值模拟、理论分析、实验测量为主要手段，对由于加速引起的聚焦参数变化对强流超导直线加速器中空间电荷驱动一些与束流损失有关的现象的物理本质进行系统研究，对低能超导直线加速器特有的双周期结构与束晕产生之间的关系进行全新的审视。项目组主要进行了以下研究工作：（1）通过微扰的束流包络方程，系统研究了包络振荡与周期相移及tune depression之间的关系，得到了周期相移变化的四极透镜及螺线管聚焦系统的包络振荡发生的参数空间，发现当tune depression大于0.7时，局部周期相移超过90度对束流的影响是可以容忍的，并且螺线管聚焦结构要优于四极透镜的表现；进一步的三维多粒子模拟计算结果证实了这一结果，表明在超导直线加速器中，尤其是低能段，螺线管聚焦要由于四极透镜，并且可以局部短时间突破90度相移的限制。（2）对加速段间的匹配方式进行了研究，表明包络“峰-峰”相等的匹配方式可以显著降低束流的损失，要明显优于普遍采用的相移平滑的匹配方案。（3）在总结现有束晕产生理论的基础上，对双周期结构对束晕产生的机理进行了初步研究，对失配与束晕产生的关系及其对束流损失的影响进行数值模拟和实验研究。模拟与实验结果表明，失配是导致发射度增大的主要因素，因此，提高常温前端束流参数的测量精度和加速器沿线硬件的运行稳定度，降低失配是降低束流发射度发射度增长及束晕形成，保证束流无损传输的重要手段。（4）对应用于质子加速的S波段边耦合加速结构进行了研究。通过以上工作，对强流超导直线加速器设计中的一些关键问题有了更为深刻的认识，研究所得结论已应用于CiADS等加速器的设计中。