强流高亮度重离子束在直线感应加速器中输运模拟研究

论文摘要

高功率粒子束目前已应用到许多科学研究领域,成为现代科学的有力研究工具,例如:核爆模拟器,高能闪光X射线照相,惯性约束聚变,高能量密度物理,高功率微波的产生等许多方面。加速器驱动的强流重离子束是研究高能量密度物理的有用工具,而顺利地将强流重离子束传输到加速器出口是加速器运行的一个重要问题。本文研究了强流重离子束在直线感应加速器中输运的磁场匹配问题。首先详细分析推导了强流束传输的基本理论,根据高能量密度物质研究对束流参数的基本要求,利用包络方程计算了传输强流重离子束的匹配约束磁场。然后采用电磁粒子模拟的方法研究了强流重离子束在直线感应加速器中的输运过程,重点考察了束流传输的横向约束磁场,修正了从包络方程计算的传输磁场值,得到了10个加速组元段束流输运的匹配磁场分布。研究结果对实际工程实践具有重要的指导意义,也为实际的加速器磁场调试提供了理论参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 高能量密度物理简介
• 1.1.1 高能量密度物质定义
• 1.1.2 高能量密度物质研究的困难
• 1.2 加速器驱动的重离子束应用于高能量密度物理研究的优势
• 1.3 直线感应加速器的工作原理
• 1.4 直线感应加速器驱动的强流重离子束输运的研究现状
• 1.5 论文的选题背景及意义
• 1.6 论文的主要工作与创新
• 第二章 束流输运动力学理论
• 2.1 带电粒子束的横向动力学基础
• 2.1.1 零电流极限
• 2.1.2 Courant-Snyder不变量和发射度
• 2.2 空间电荷效应和KV包络方程
• 2.3 线性周期聚焦结构的硬边模型
• 2.4 硬边近似下包络方程的求解
• 2.5 归一化RMS发射度守恒时的平衡传输条件
• 第三章 重离子束输运的传输磁场
• 3.1 高能量密度物理研究对离子束流的基本要求
• 3.1.1 离子能量沉积关系
• 3.1.2 流体动力学膨胀时间与脉冲宽度的关系
• 3.2 强流离子束传输对磁场的要求
• 3.3 重离子束的螺线管传输
• 3.3.1 螺线管传输的可行性
• 3.3.2 螺线管线圈磁场计算
• 3.3.2.1 电流环
• 3.3.2.2 有限长薄壁线圈
• 3.3.2.3 有限长厚壁线圈
• 3.3.2.4 线圈在空间任一点处的磁场
• 3.3.3 螺线管线圈磁场计算程序
• 3.4 离子束传输磁场的计算
• 第四章 强流重离子束输运的电磁粒子模拟
• 4.1 电磁粒子模拟软件MAGIC简介
• 4.2 强流重离子束在直线感应加速器LIA中输运模拟的建立
• 4.2.1 感应直线加速器的束输运系统
• 4.2.2 LIA束流输运物理模型的建立
• 4.2.3 感应加速场的建立
• 4.2.4 螺线管线圈磁场模型建立
• 4.2.5 束流源模型
• 4.3 数值模拟结果与分析
• 4.3.1 束流初始分布对输运的影响
• 4.3.1.1 脉冲束团在R-Z空间的形状
• 4.3.1.2 均方根半径的变化
• 4.3.1.3 归一化发射度的变化
• 4.3.1.4 束流温度变化
• 4.3.2 传输磁场不匹配的影响
• 4.3.3 匹配磁场模拟结果
• 4.3.3.1 理论计算的匹配磁场输运模拟
• 4.3.3.2 磁场调整后的模拟结果对比
• 4.3.3.3 优化后的匹配磁场
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果