文摘

加快高强度重离子梁高能源助推器环(带)的高强度重离子加速器设施(HIAF)项目,我们把典型参考粒子^238年U^{35 +}从注射,可以加速17兆电子伏能量/ u的最大提取能量830伏/ u,为例,研究纵向梁动力学的基本过程,包括光束捕获、加速度,和群合并。同步阶段,电压振幅和频率规划中射频系统的运行周期,和梁的属性,如长度,势头蔓延,纵向光束发散度,和梁损失是派生的,首先。然后,光束特性在不同电压振幅和同步相位错误也研究,结果是与案件没有任何错误。接下来,光束特性与注入能量波动也进行了研究。射频的公差错误和注入能量波动决定基于对模拟。最后,空间电荷的影响与不同的光束强度低注入能量的纵向发射率和梁损失评估。

1。介绍

在中国,在兰州重离子加速器)[重离子研究设施1,2)是一个主要国家研究机构关注核物理、原子物理、重离子应用程序和跨学科研究。取得了一系列成果显著的计划(3- - - - - -8]。根据计划的有效建设和成功运行(9),一个名为高强度的新设施重离子加速器设施(HIAF) [10)提出了和设计的现代物理研究所(IMP), 2009年在中国科学院(CAS)。显示在图1,HIAF由SECR(超导电子回旋共振离子源)11),一个超导iLinac [12)中,高强度同步带(升压环)10),一个多功能高精度同步加速器sr(光谱仪环)13),和一个超导放射性束线hfr(片段分离器)14连接两个戒指。作为一个更强大的设施,HIAF能提供强烈的主要和放射性束流的核物理(15- - - - - -17),等离子体物理(18),原子物理(19),以及相关的研究领域。

带,HIAF的关键部分,设计了积累,加快重离子束流与效率高、强度高和能源和重要参数表中列出1。实现这些目的,有必要控制发射率增长和梁亏损允许每个进程包括捕获、加速度,和一个额外群合并。在本文中,我们选择^238年U^{35 +},可以加速到大约830伏/ u对应的最大磁刚度34 Tm,为例,研究纵向梁动力学理论计算和数值模拟。数值模型是由一个可伸缩的multi-macroparticle仿真平台对(20.),和10000年宏观粒子模拟过程中应用。为了量化光束特性在整个流程,等输出能量,动量,均方根发射率,均方根束长度、空间电荷电压,聚束的因素,和射频幅度坡道策划作为时间的函数或革命。

部分的内容组织如下:2,我们计算梁的基本的射频程序捕获、束离子的分布演化的相空间模拟,和梁属性派生;与此同时,对纵向空间电荷影响发射率增长了;节3,基本的射频梁加速度计算程序,模拟,得出了梁属性;而在部分4,一些合并过程进行了研究,并给出基本的射频项目。同时,射频错误和注入能量波动下的光束特性决定,和宽容这些错误的基础上给出了发射率增长和梁损失;结果可以在附录A和B。

2平面绘画注入和积累之后,现实的粒子的分布^238年U^{35 +}的能量17兆电子伏/ u如图2阴谋,横轴是周长l在单位米(m),纵轴是动量扩散 。可以看到,梁完全unbunched和均方根相对动量扩散是0.667×10⁻³。加速^238年U^{35 +}梁从17兆电子伏/ u到830伏/ u与最低的纵向发射率增长和梁损失,详细了解纵向梁动力学在捕获和加速度是必要的。此外,在我们的案例中,一个额外的multibunch合并过程转换四束成一个还需要。

2。梁在注入能量捕获

在同步加速器加速重离子梁时,所需的集中光束,可以通过捕获(21- - - - - -23]。作为一个潜在来源的纵向梁质量退化和梁损失,光束捕获需要三个原则:(i)捕获必须优化保持任何梁损失降到最低,确保梁强度和减少机器的放射性污染;(2)捕获时间应尽可能短,以减少机器循环周期,和(3)纵向发射率的增长捕捉的末尾应该增长以来最小将增加对射频系统的要求。射频电压项目(21)光束捕获是由以下方程: 在哪里和最初和最终的电压振幅在RF腔,分别和是捕获时间。 ,的激活值不同的射频系统的电子电路,选择的方式所产生的相应的桶区域应该小于多少注入的初始成本。的电压必须提供一个足够的桶区域封闭 。 应该足够大而同步振荡的周期进行相空间参数的线性变化,这将有助于保护吗在捕获过程。

为^238年U^{35 +}束带,革命的频率为0.10 MHz 17岁兆电子伏/ u,远低于下限的RF腔的工作频率,RF腔必须工作在第四谐波(h= 4)革命的频率根据设计,然后,滑行光束将被捕获在四个静止的桶,和四束将生成。一般来说,产生的固定桶根据以下方程(2)[21应的1.5倍) 。 在哪里e是收费, ,在这是粒子的速度移动,是同步的能量粒子,整数吗被称为谐波数,是革命角频率,是相滑移因素。在这种情况下,在相空间( , )323电动汽车,是静止的桶吗应该是485电动汽车,捕获电压30.29 kV的需要。

首先,模拟捕捉,不同从0.005到0.035年代的步骤0.005= 30.29 kV,进行没有任何错误的射频和注入能量波动。在这些情况下,选择是0.1 kV,束离子分布在相空间捕捉不同的终结吗如图2。rms势头蔓延 和rms纵向发射率(21)定性,如图3。

从图可以看出3, 范围从0.00149到0.00157,这是非常相似;然而,从70.36下降53.04电动汽车,电动汽车从0.005增加到0.035年代;其中,约55 eVs几乎是不分的当 年代。的最大70.36电动汽车时发生= 0.005秒;原因是非常迅速的射频电压增加导致束丝状形成。平衡和机器的时间周期,0.02年代将捕获过程中的应用。

除了 , 也是一个关键的控制参数。模拟也执行从0.08千伏0.14 kV的步骤0.01= 30.29 kV和= 0.02 s推导如图4。最低发生在= 0.11 kV。

如果低于30.29 kV,生成的固定桶面积不能完全限制注入的光束,光束损失将不可避免。相反,高于30.29 kV诱导大动量扩散可能超过有限动量接受,和额外的梁可能发生损失。经过一系列的计算、模拟和优化,= 0.11 kV,= 30.29 kV,= 0.02决心^238年U^{35 +}梁捕捉。 捕获的光束是0.0015,几乎所有的粒子都可以捕获1984年之后机器。

为^238年U^{35 +}梁,设计强度将超过3.0×1010。如此高的光束强度预计将导致额外的集体效应。作为一个在梁高强度的重要影响,空间电荷(21,24,25)梁动力学尤其是扮演着重要的角色。纵向相空间运动的方程表示粒度分布的依赖时间变化的射频场,这外部的射频场,或电压,由字段修改由于空间电荷,因此修改粒子的分布,最终导致光束损失或光束质量退化。

空间电荷是一个很重要的问题只有在低收入和中等能量的加速器,因为每把尺度空间电荷电压 。在这篇文章中,空间电荷效应与各种梁强度N从3.0×1010到1.0×1011年底捕获估计,和 和导出,如图5。

结果表明,最大56.10电动汽车时发生N= 7.0×1010,比的情况下只增加了1.71%N= 3.0×1010。所以,空间电荷影响发射率增长微不足道,如果梁强度小于1.0×1011。

3所示。梁加速度

捕获后,固定桶将变成移动的开始加速通过同步移相21,26,27]。自电离截面和空间电荷效应很大程度上降低光束能量的增加,注入的低能重离子梁应加速高能尽快减少重大束电离损失,稳定动态残余气体压力,抑制强烈的空间电荷效应;然后,一个加速,最大弯曲磁场随时间增加的速度提出了12 T / s。

在梁加速过程中,移动桶面积是由方程(3)应保持大约不变的大约485电动汽车( , )。所需的电压幅值和同步阶段射频加速系统可以用下面的方程(计算3)和(4)[21]: 在这 是用来保持电压同步粒子在其理想的轨道,的周长,偶极磁铁的弯曲半径,是偶极磁场的增加率随着时间的推移,的最大价值可用的,和分别所需的电压和同步阶段,然后呢是粒子动能B端依赖。基于加速度周期将被分为三个阶段 。第一阶段是增加从0 T / s的最大值12 T / s在0.05 s,这是由磁铁和电源等硬件设备。第二阶段的过程增加与常数12 T / s。第三个阶段是增加到所需的值减少从12 T / s为0 T / s在0.05 s。后三个阶段,将增加从0.18 T注入的能量对应17兆电子伏/ u 1.58 T对应的提取能量830伏/ u。的编程(绿色实线)(绿色短虚线)曲线如图6。同样的,和分为三个阶段。在第一阶段,增加从30.29千伏268.00 kV,其最大振幅和从0增加rad 0.58 rad,在这个阶段,从17日兆电子伏/ u到108.87兆电子伏/ u。在第二个阶段,从268.00 kV下降到212.24 kV,rad继续从rad 0.58增加到0.764,在这个阶段,从108.87兆电子伏/ u 595.91兆电子伏/ u。在最后阶段,从212.24 kV继续下降到4.52 kV,和从0.764 rad下降到0 rad,在这个阶段,从595.91兆电子伏/ u到830伏/ u,和加速度效率接近99%。

4所示。多个群合并提取能源平台

加速后,4:2和2:1两步群合并[28,29日)过程将用于转换四束成一个满足提取的要求。第一步是将四束分成两束;在这一步中,一个射频腔操作的电压幅值h= 4和频率= 1.79 MHz是线性下降= 4.52 kV到0.10 kV /合并t;同时,另一个射频腔的电压幅值操作h= 2和频率= 0.895 MHz线性增加从0.10 kV到其最终价值 。t和会影响纵向发射率合并后的束,它必然会进一步影响以下2:1群合并。模拟,不同t从0.005到0.035年代的步骤0.005在不同= 1 kV, 2 kV, 3 kV,执行和梁损失是派生的,如图7(一)。第二步是合并两个串成一个。在这个步骤中,从2千伏0.10 kV /减少线性时间吗 ;与此同时,射频腔工作的电压h从0.10 kV = 1线性增加 。的依赖从0.005到0.035年代和不同 是派生的,如图7 (b)。

根据4:2群合并仿真结果,发现倾向于减少的增加t;然而,当t大于0.025秒,往往是固定在60左右电动汽车。所以,RF计划t= 0.025, 2 kV 4: 2群合并步骤确定阶段固定在−1.571 rad,梁在纵向相空间分布如图8(一个),60.19电动汽车。

2:1群合并仿真结果,可以知道随的增加而减小 ,并得到了类似的结果= 2 kV和3 kV。然而,增加而增加的 ,所以RF程序= 0.03, 1 kV决定阶段固定在0.785 rad,梁在纵向相空间分布如图8 (b),60.19电动汽车。

5。结论

整个过程^238年U^{35 +}从梁捕捉到一些合并大约需要0.24秒,和梁总损失不超过1%。射频加速系统总峰值电压268 kV, 7 RF腔组成,频率范围从0.39 MHz至1.79 MHz。

这一研究获得的光束参数不仅提供了基础的提取的设计元素,如踢球和静电隔,但也注入元素的sr。

附录

答:射频错误与梁动力学的影响

纵梁操作可以通过RF腔,计算射频项目由于理想化的射频特性不同于操作条件,和RF相位和振幅等许多不可避免的错误字段将导致光束在相空间分布的变化。本文进一步的研究进行了利用数值模拟来估计RF相位和振幅的影响字段错误梁纵向对发射率增长和可能产生的光束损失。结果反过来支配这些错误的公差。

模拟,从不同的随机相位同步错误 1°5°的步骤1在不同随机振幅错误 0.01%,0.02%,0.03%,和0.04%,执行最后捕获(红色实线),最终4:2群合并(蓝色实线),最后的2:1群合并(绿色实线)和总效率(黑色实线),如图9。

仿真结果表明,该差异的增长的捕获与RF磁场之间只有1.00%的情况下错误= 5°和 比理想化的射频项目,但区别的增长的最后4:2群合并和结束时2:1群合并21.12%和16.52%与上述相同的射频场误差;与此同时,总效率只能达到96.97%,这远远超出了设计要求。确保梁总损失低于1%,合并后的射频场的错误 在阶段2° 在振幅是必要的。

能量波动与梁动力学的影响

注入的能量波动在2平面绘画注入的不匹配会导致同步带来的能量,这将导致增加的能量扩散,然后梁损失可能发生由于桶面积不足时计算射频项目增加。的影响 发射率的增长和梁损失被CISP数值调查,结果如图所示10。

注入光束的能量波动有很大的影响不仅被捕后还在4:2群合并和2:1群合并,它也有一个伟大的对效率的影响。为了确保效率不小于99%, 不得超过0.01%。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。