强流直线注入器的动力学设计研究

【摘要】：本论文研究的紧凑型强流质子直线注入器为北京大学自主研究项目，其设计目标是将100mA的质子束在3m的长度内加速到4MeV，传输效率大于85%。注入器由RFQ加速器、 DTL加速器和两者之间的匹配部分组成。为了满足长度要求，RFQ加速器与DTL加速器之间的匹配由DTL加速器的前两个单元和一组doublet完成。注入器的工作频率为200MHz，总长为276cm，入口能量45keV；RFQ部分长150cm，加速束流到0.618MeV,传输效率97.8%；DTL部分长126cm，加速束流到最终能量4.15MeV,传输效率为93%；总效率为90.9%。 论文详述了RFQ加速器与DTL加速器组成的强流质子直线注入器的动力学设计过程和最终优化方案。RFQ的动力学设计使用parmteq软件完成，设计分两步走。首先，用LANL “四段论”动力学方法得到一个传输效率为92.8%的初步动力学设计方案。对束流传输、发射度增长和损失进行分析后认为，其归一化均方根发射度增长和束流损失的主要原因是束流失配、纵向不稳定和局部参数突变。论文针对上述原因，给出了优化策略：1)根据空间电荷力的变化来优化调节聚焦强度B，克服束流失配；2）优化调节了调制因子m，同步相位s的变化，实现纵向运动稳定；3）保持横向聚焦强度，同步相位，调制因子等曲线光滑变化，克服局部参数突变，进而减小了归一化均方根发射度的增长，提高传输效率到97.8%。DTL的动力学设计使用了KONUS的思想借助LORASR程序完成。利用Tracewin程序的自动匹配功能对KONUS结构的横向聚焦参数进行自动优化。最后，利用Tracewin程序完成了从RFQ出口束流参数到DTL-KONUS段入口参数的横向匹配。整个DTL连同匹配段的传输效率达到93%。 此外，作者也参与了HIAF项目的动力学设计研究工作，对RFQ引出后的低能加速结构使用常温IH-DTL的备选路线进行了初步设计。论文使用LORASR程序完成铀束流IH-DTL的KONUS动力学设计方案，加速5emA的铀束流从入口能量0.35MeV/u到出口能量1.3MeV/u，传输效率为95.0%，长度为267cm，平均加速梯度2.48MV/m。