CYCIAE-100回旋加速器轴向注入与中心区理论和实验研究

论文摘要

在放射性核束物理快速发展的国际环境下,中国原子能科学研究院提出了建立北京放射性核束装置的建议,需要设计一台最高能量为100MeV,平均流强200μA500μA的质子回旋加速器作为驱动加速器。考虑到已有的技术储备、多束流可变能量的引出要求和投资费用,这台加速器采用外部加速负氢剥离引出质子的紧凑型回旋加速器方案,此将成为国际上该能级的首台紧凑型强流回旋加速器,因此在设计和研制中会存在很多的技术难点。本论文是围绕如何解决紧凑型回旋加速器的轴向注入和中心区运动问题而展开的。这些问题的成功解决,无论是技术上的还是理论上的都将会有着重要的意义。论文对该强流紧凑型回旋加速器从离子源出口至中心区整个注入和加速过程的束流动力学进行系统的研究。解决了包括主磁铁通道、低能束脉冲化等非常规部件在内的轴向注入线布局、匹配计算,并研究了中性化等问题;针对螺旋静电偏转板研究了传输矩阵、边缘场效应的问题;着重研究了中心区内离子在静态非均匀磁场、高频电场共同作用下的运动特性,在获得参考粒子加速轨道之后,进行了径向和轴向相空间的束流匹配,研究了径向振荡、轴向聚焦、横-纵耦合等非线性问题,从而确定了注入条件和磁铁极头与中心区电极的结构以获得最佳束流品质。本论文首次提出从离子源出口至紧凑型回旋加速器内部的束流发射度匹配方法,并研究了该类型加速器中心区狭小空间内多物理场耦合的束流动力学问题,完成了CYCIAE-100回旋加速器的轴向注入系统和中心区的设计。考虑到CYCIAE-100工程建设的重要性,在中国原子能科学研究院专门建造了强流回旋加速器中心区综合试验装置对上述设计研究的结果进行试验验证。装置的建造与试验过程中基于物理设计结果开发专用程序指导各类异形非标部件的多轴数控加工;制作专用工具保证螺旋偏转板与中心区的安装精度;通过多测量点监控调束、解决试验过程中的大量工程实际问题,获得了93%的注入效率,高频相位接收度达到设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 北京放射性核束装置
• 1.1.2 回旋加速器的发展状况
• 1.1.3 紧凑型强流回旋加速器
• 1.2 研究意义
• 1.2.1 CYCIAE‐100 回旋加速器的特征
• 1.2.2 CYCIAE‐100 回旋加速器的难点
• 1.2.3 轴向注入线的研究现状
• 1.2.4 螺旋静电偏转板的研究现状
• 1.2.5 中心区的研究现状
• 1.3 论文内容及主要创新点
• 1.3.1 论文主要内容
• 1.3.2 主要创新点
• 第2章 CYCIAE‐100 的束流动力学分析
• 2.1 磁场分析
• 2.1.1 等时性回旋加速器基本原理
• 2.1.2 磁场分析解析公式
• 2.1.3 CYCIAE‐100 的磁铁结构[77]
• 2.2 静态平衡轨道分析
• 2.2.1 单位定义
• 2.2.2 运动方程
• 2.2.3 静态平衡轨道计算结果
• 2.3 加速轨道分析
• 2.3.1 加速平衡轨道
• 2.3.2 相空间匹配
• 2.4 一次谐波非理想场
• 2.4.1 平衡轨道中心的偏移
• 2.4.2 循环发射度
• 2.4.3 束流对一次谐波的敏感范围
• 2.5 小结
• 第3章 中心区研究
• 3.1 中心区研究的基本考虑
• 3.1.1 电场的迭代计算
• 3.1.2 轨道运动方程
• 3.1.3 轨道跟踪程序 CYCLONE
• 3.1.4 CYCIAE‐100 的中心区
• 3.2 径向运动
• 3.2.1 加速平衡轨道结果
• 3.2.2 轨道对中
• 3.2.3 径向相空间匹配
• 3.3 轴向运动
• 3.3.1 磁场聚焦
• 3.3.2 电场聚焦
• 3.3.3 轴向接收度
• 3.4 间隙穿越共振
• 3.4.1 间隙穿越共振的研究状况
• 3.4.2 CYCIAE‐100 中心区的横纵耦合
• 3.4.3 间隙穿越共振的分析
• 3.5 小结
• 第4章 轴向注入线和偏转板
• 4.1 外离子源轴向注入方法
• 4.2 TRANSOPTR 程序
• 4.2.1 束流传输计算程序简介
• 4.2.2 TRANSOPTR 程序原理
• 4.2.3 空间电荷效应的计算
• 4.3 CYCIAE‐100 的轴向注入线设计
• 4.3.1 元件布局的考虑
• 4.3.2 束流传输计算结果
• 4.3.3 束流相空间匹配
• 4.4 螺旋静电偏转板
• 4.4.1 偏转板中的轨道跟踪
• 4.4.2 偏转板的边缘场
• 4.4.3 偏转板的传输矩阵
• 4.5 H‐束的中性化研究
• 4.6 小结
• 第5章 试验装置的建造和安装
• 5.1 中心区综合试验装置简介
• 5.2 螺旋静电偏转板的加工
• 5.3 中心区的设计和加工
• 5.4 设备安装
• 5.5 小结
• 第6章 束流调试和实验结果
• 6.1 束流诊断设备
• 6.2 实验结果
• 6.2.1 实验测量布局
• 6.2.2 注入效率测量结果
• 6.2.3 中心区的束流测量
• 6.2.4 问题分析和解决措施
• 6.3 小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果