連續波低能質子直線加速器加速結構及束流動力學研究

《連續波低能質子直線加速器加速結構及束流動力學研究》是依託四川大學，由李智慧擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：連續波低能質子直線加速器加速結構及束流動力學研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李智慧
• 依託單位：四川大學

項目摘要

連續波質子直線加速器具有很重要的套用前景和優勢,目前還沒有非常成熟的、得到實驗驗證的CW質子直線加速器方案。實現質子直線加速器CW運行的最大難點在於RFQ出口到二十幾MeV的能量段。本課題將以ADS套用為主要背景，對質子直線加速器從RFQ出口到幾十MeV的低能段的關鍵物理問題以及可能的超導、常溫方案進行系統研究。我們將藉助CST等工具對DTL及CH結構進行研究，確定常溫結構可能達到的加速梯度；以包含空間電荷力的三維包絡方程為基礎，系統研究各種超導及常溫聚焦結構的穩定性等關鍵問題，並發展出具有設計最佳化功能的設計軟體。通過該工作，我們希望能對該能量段的結構選擇提供一定的判斷依據，對該能量段的主要加速結構及動力學性能有一個系統的認識，發展出適用於該能量段加速器研究的工具及最佳化設計方法，對國內ADS及未來大功率質子直線加速器的設計提供理論依據。

結題摘要

連續波質子直線加速器在加速器驅動裂變能（ADS）等方面具有廣泛的套用前景，目前還沒有非常成熟的、得到實驗驗證的 CW 質子直線加速器方案。實現質子直線加速器連續波運行的最大難點在從RFQ出口到二十幾 MeV 的能量段。本項目通過對常溫、超導結構的分析比較，結合數值模擬，系統研究了超導及常溫低能質子直線加速器的聚焦特性，發現了制約其性能的關鍵因素：即常溫腔體的冷卻問題及超導結構的低腔體填充率（腔體有效長度與周期單元的比值）問題，由此分析比較了常溫、超導方案的主要參數。通過研究發現，目前的低能超導加速器方案，可以得到的平均加速梯度只有1MV/m左右，而由低梯度導致的較弱的縱向聚焦也決定了其可加速的最大平均流強不會超過30mA。並根據功率相等的原則，論證了1MV/m常溫加速結構的可行性以及其在動力學上的優勢。研究了含時縱向周期聚焦系統動力學及穩定性，發現平滑近似在這種情況下已不適用，必須採用直接積分含時運動方程的方法來研究這種系統。討論了低填充率、長周期長度這種目前流行的低能超導聚焦結構的缺點，如有限的腔體電壓利用、較小的縱向接收度以及非線性的影響。提出了採用射頻場進行橫向聚焦及縱向加速的緊湊型加速結構，並初步研究了其動力學問題。研究了超導直線加速器整體參數最佳化的問題，並完成了基於粒子群最佳化算法的最佳化程式。拓展了包絡方程，並完成了基於包絡方程的直線加速器設計最佳化程式的開發。比較了目前常用常溫加速結構的射頻特性，設計完成了基於常溫CH結構的加速方案，並討論了其主要動力學性能。通過上述問題的研究，闡述了目前超導低能直線加速器方案在動力學上的缺點及解決辦法，以及1MV/m常溫低能結構在該能量段的優勢。