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《清华大学》 2011年
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强流回旋加速器中束流损失和辐射场研究

毕远杰  
【摘要】:高能强流加速器在能源、核物理实验和医学等领域有着广泛的应用,成为下一代回旋加速器的主要发展方向。在提升加速器流强的同时,束流损失及其导致的辐射场也会增加,成为加速器设计和建造过程中需要关注的首要问题。 在传统的加速器设计中,由于缺乏对束流损失的详细分析,辐射场计算的源项主要是根据经验给出,导致计算结果不能实际地反映辐射场的分布情况。本论文针对强流负氢回旋加速器,详细分析了各种束流损失的产生机制及计算方法,得出束流损失在六维相空间的分布函数并由此计算辐射场,根据辐射场的允许值来给出加速器的限制流强。论文主要包括: 1)明确强流负氢回旋加速器中束流损失的分类,包括洛伦兹剥离损失、残余气体剥离损失、引出过程的损失和空间电荷效应带来的束流损失。分析以上各种束流损失的产生机理,在进行强流束流动力学跟踪的同时,实时地记录加速器中损失束流在六维相空间中的分布,用作辐射场计算的源项。 2)结合理论、实验和模拟,分析空间电荷效应对束流损失的影响。a)为解决现有计算程序不能同时处理空间电荷力和粒子在物质中传输的问题,在粒子跟踪程序OPAL中植入相应的并行计算模块,以能够对现有和新一代强流加速器中的束流损失进行更接近实际的模拟。b)系统地分析等时性回旋加速器中空间电荷力导致束团分裂的物理过程,解析地给出不稳定性增长因子和各束团参数(流强、能量、长度以及发射度)的关系,并计算了中国原子能科学研究院正在建造的100MeV回旋加速器(CYCIAE-100)中发生束团分裂的条件。c)进行强流回旋加速器中降低束流损失的实验和定量模拟。针对目前世界上最高功率的质子加速器-瑞士保罗谢尔研究所(PSI)的590MeV环形回旋加速器,设计实验方案并进行理论分析和模拟计算,定量地预测引出过程中104量级的边缘粒子的行为及其对束流损失的影响,为下一代更高功率的回旋加速器中的束流损失预测提供实验数据,理论支持和计算手段。 3)计算CYCIAE-100加速器大厅内的瞬发和残余辐射场。根据国际上加速器的运行经验,提出对CYCIAE-100中残余辐射场的限值。给出CYCIAE-100允许运行的最高流强,并对如何进一步提高流强而不增加辐射水平提出一些方案。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TL542

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