强流质子束团长度测量方法的实验研究

A longitudinal distribution of a charge (bunch length or bunch shape) in linear accelerator is one of most important beam parameters and plays an critical important role in beam dynamics study and an accelerator tune.Due to the high energy deposition, the conventional bunch length monitor, for example fast faraday cup , can't be used to measurement the high intensity proton bunch length. Due to the non-relativistic beam velocities causing a faster propagation of the electric field of the bunches，the signal induced by the beam can't be used to measure the low energy proton bunch shape. The non-invasive bunch shape monitor，which will be developed to measure the high current proton beam with high time resolution, is based on secondary electonrs created by the interaction of proton beam and the residual gas. On the basis of precisely measuring the longitudinal bunch density distribution, we can caculate the longitudinal beam emittace and energy spectrum. Also the problem of longitudinal matching could be solved easily.Furthermore, study of bunch lengh lengthening could be carried out, thus the theory of the accelerator can be promoted, and the way to decrease the longitudinal emittance will be find out finally. We also hope that our team will be trained and the industry related in our nation will be promoted by this project.

束团纵向电荷分布（束团长度或束团形状）是直线加速器束流最重要参数之一，对研究束流动力学和加速器调束具有重要作用。由于能量沉积，传统的束团长度测量装置,例如快响应法拉第筒等设备，不能用来测量强流质子束团长度。由于低能质子的非相对论束流速度，不能拾取束流电场用于测量束团形状。本课题采用非接触的方法，测量束流电离残余气体产生的二次电子，研制一套精确地测量束团长度的系统。高时间分辨率束团长度测量系统，对纵向束流能散和发射度测量具有重要意义，可以实现纵向束流匹配；对研究束流束团长度增长机制，完善加速器物理模型，抑制束团增长具有重要意义。希望通过课题研究，培养人才队伍，推动国内相关新技术的生长点和产业发展，提升国际竞争能力。

项目背景：.束团纵向电荷分布（束团长度或束团形状）是直线加速器束流最重要参数之一，对研究束流动力学和加速器调束具有重要作用。由于能量沉积，传统的束团长度测量装置,例如快响应法拉第筒等设备，不能用来测量强流质子束团长度。由于低能质子的非相对论束流速度，不能拾取束流电场用于测量束团形状。随着ADS散裂中子源等强流质子加速器的出现，强流质子加速器束团长度测量变得越来越迫切。高时间分辨率束团长度测量系统，对纵向束流能散和发射度测量具有重要意义，可以实现纵向束流匹配；对研究束流束团长度增长机制，完善加速器物理模型，抑制束团增长具有重要意义。.主要研究内容：.查阅文献研究不同束团长度测量方法，重点研究强流束流的束团长度测量方法。模拟分析高压电场分布与补偿，二次粒子运动轨迹与能量，高压分离器设计研制，紧凑型分析磁铁研制，数据获取系统研制，束流本底对测量结果的影响及误差分析等。.重要结果与关键数据：.使用CST软件模拟分析了平行板高压腔的电场电压分布，电场强度和二次电子在高压电场的运动轨迹和能量，分析了被测束流受高压电场的影响，经过高压电场，被测束流偏转角度为0.00355弧度，在高压电场下游安装校正装置，减少本实验对被测束流的影响。完成了高频分离器的设计，优化高频分离器结构，使谐振频率等于直线加速器微波频率325MHz；优化耦合环结构，提高耦合度,耦合度达到-25db。完成紧凑型能量分析磁铁设计，磁场强度201Gs，积分场均匀度0.1‰。完成了数据采集系统研制，分析了自然本底和束流本底对于测量结果的影响以及本底扣除的方法等。.科学意义.通过强流束流束团长度测量系统的研制，掌握了强流束流束团长度测量系统的相关技术，锻炼了课题参与人员的能力，为强流束流测量技术开发，积累了经验。为强流束流束团长度测量找到一种可能解决方法。该技术对于ADS，散裂中子源以及未来的SPPC等装置，有借鉴意义。