HIAF-BRing同步加速器双向涂抹注入优化和粒子跟踪模拟

来源 :中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) | 被引量 : 2次 | 上传用户:a570121851
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粒子加速器是核物理研究的重要平台,自从它在二十世纪三十年代问世以来,其一直随着时代的发展向着更高的性能进行突破。如今,为了满足我国核物理研究对高流强重离子束的需求,中国科学院近代物理研究所开始建造我国新一代重离子加速器——“强流重离子加速器装置”(HIAF)。HIAF建成后,它将能够提供国际同类装置中最强的中低能脉冲重离子束流,输出最高功率的短脉冲、强聚焦、高能量重离子束团。该加速器装置由强流超导离子源SECR、强流超导离子直线加速器i Linac、磁刚度为34Tm的增强器BRing、磁刚度为13Tm的高精度环形谱仪SRing以及多个实验终端和相关配套设施构成。BRing作为HIAF的主环,其设计引出粒子数为1×1011(238U34+)。为了达到如此高的引出粒子数,同时降低共振损失的风险,BRing选择了双向涂抹注入方法。双向涂抹注入方法是由C.R.Prior在二十世纪九十年代提出的,其利用一块倾斜放置的静电偏转板偏转注入束,同时利用凸轨磁铁在注入点处形成水平和垂直方向的局部凸轨,通过改变注入过程中局部凸轨的高度,完成在环形加速器内的多圈注入,同时在水平和垂直相空间进行涂抹。其优点为注入增益远高于典型的单向多圈注入,而且累积束的横向分布较为均匀,减弱了空间电荷效应。研究表明注入参数对双向涂抹注入的影响非常显著。为了得到高的注入增益和注入效率,本文对BRing的注入参数进行了优化。本文基于MATLAB编写了双向涂抹注入优化程序,该程序中利用多种近似方法减少了程序的计算量,应用了遗传算法提高了优化速度,实现了在现有计算条件下对BRing注入参数的优化。为了验证优化结果的正确性,本文利用ORBIT程序对BRing的注入过程进行了粒子跟踪模拟。ORBIT是一款粒子跟踪程序,其利用PIC的方法处理粒子间空间电荷效应。基于上述优化程序得出的注入参数模拟结果表明,注入113圈束流,注入效率为97.7%,最终注入增益为110.3倍,累积束的横向分布较为均匀,空间电荷效应引起的粒子工作点漂移为-0.02左右。该结果说明,优化程序是正确的,当前得到的优化结果满足了HIAF-BRing的累积粒子数要求。本文研究了多种注入参数偏离设定值对BRing注入效率的影响,包括注入束发射度增长、注入方向偏离、静电偏转板倾角安装误差、机器工作点偏离、凸轨磁铁电源延迟。研究结果表明,虽然注入参数偏离对注入效率有影响,但是注入效率可维持在95%以上,可以满足HIAF-BRing对累积粒子数的要求。
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