强流质子直线加速器中束晕形成机制的研究

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现代质子加速器对束流对撞亮度和束流功率提出了更高的要求,比如超级质子-质子对撞机(SPPC)、散裂中子源(SNS)、加速器驱动次临界系统(ADS)等。对于强流质子加速器,更高的束流功率则意味着更高的束流流强和更严格的束流损失。在低能强流质子加速器中,更高的束流流强则带来了更强的空间电荷效应。强空间电荷效应则给质子加速器带来了新的问题——束晕的形成。因为束晕粒子很容易损失到束流管道壁上并导致额外的放射性的产生,所以研究束晕的形成机制对控制柬流损失具有重要意义。  本文对目前束晕形成机制的研究进行了总结和分析,并在高能物理研究所(“973”ADS强流质子加速器RFQ后的束流传输线平台)进行了关于束晕形成的实验研究。该实验首先采用扫描四极磁铁和多丝测量束流横向分布的方法,测得了束流在RFQ出口处的束流参数。利用最小二乘法对束流进行RMS匹配参数计算,找到了RMS匹配束流磁铁参数并将测得的匹配束流横向分布与多粒子跟踪模拟结果进行比较,发现了两者符合的很好。最后,在不同失匹配参数和不同的传输线聚焦梯度下测量了束流横向分布,并与多粒子跟踪模拟结果进行了比较。研究发现了在零电流相移为45°和60°时束晕尚未形成,模拟得到的束流横向分布与实验结果符合很好,但是在零电流相移为90°时,束晕已经形成并且模拟结果与实验结果相差较大,束晕出现了不对称的现象。通过建立了束流偏轴时的束流动力学模型对实验中发现的束晕不对称现象进行了初步的分析。发现在束流在偏轴的时由于聚焦结构的非线性的存在会导致束流分布产生不对称现象。束流单粒子会通过聚焦结构的非线性力与束流质心振荡耦合,当频降(tune-depression)满足一定条件时,会发生参数共振,束流单粒子从束流质心振荡中获得能量并形成束晕。
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