强流质子直线加速器前端关键技术及其RAMI技术的研究

强流质子直线加速器前端是ADS加速器系统最为关键的部分之一。本项目拟在两个强流质子直线加速器平台（清华大学13MeV/50mA，中科院高能所3.5MeV/50mA）基础上,建立束流输运研究系统，开展强流质子束的束流参数测量与束流损失测量的研究，研制二维束流剖面测量系统、束晕测量系统及束流损失测量系统，进行束流输运物理分析，研究束晕形成机制和克服其形成途径的方法。开展流强为50mA的CW RFQ和室温CH-DTL等关键技术的研究，完成上述RFQ和CH-DTL加速器物理和机械设计，加工CH-DTL铜腔冷模并完成冷测。在上述研究基础上开展RAMI技术分析，结合强流束实验，研究保证加速器符合RAMI要求的手段，为我国ADS RAMI技术的发展提供技术积累和科学依据。

强流质子直线加速器前端是ADS加速器系统最为关键的部分之一。本项目在强流质子直线加速器平台（清华大学13MeV/50mA，中科院高能所3.5MeV/50mA和3.2MeV/10mA）基础上，（1）建立束流输运研究系统，开展了强流质子束的输运物理分析，掌握了从ECR离子源引出至HEBT的“start-to-end”的束流动力学模拟程序及方法；研究了LEBT中的螺线管非线性问题，提出了螺线管透镜结构优化设计方法；研究了实际运行中RFQ加速器束流损失的原因，主要归结为两点：1）RFQ加速器腔体内场分布的改变，2）以及RFQ入口处束流参数的改变，通过调谐将清华大学RFQ加速器的束流传输效率从65%提高到91%，同时实验研究了LEBT出口束流流强及发射度随螺线管及导向铁电流、光阑孔径的变化规律。基于高能所3.5MeV/50mA强流RFQ加速器及输运研究传输线，开展了深入的束晕（beam halo）研究，包括束晕的理论、实验研究以及束晕理论结果和实验结果的对比。在匹配束条件下不同位置处束流横向分布的实验测量与模拟结果符合很好；对于失配束，实验测量结果与动力学模拟不相一致，束流发生束流包络失匹配振荡，束流发射度增加；（2）开展了基于CT技术的WS强流质子束二维剖面测量系统的研制，获得到质子束二维剖面图像，动态范围达到104量级；进行了现有的束流剖面系统（线扫器）的研制和完善，满足束晕实验及束流剖面测量要求；（3）开展了基于笔型气体电离室的束流损失测量系统的研制，以及基于塑料闪烁体和光电倍增管的束流损失探测器的研制，并开展了实验测量；（4）完成了CW强流RFQ加速器的动力学设计和高频设计，进行了一段1米长铝模型腔的加工，并顺利完成了调谐；掌握了CW强流RFQ加速器的水冷物理设计方法，并实际应用到美国MSU FRIB RFQ加速器的水冷设计中；完成了基于常温CH加速腔的10MeV/50mA质子加速器动力学设计，进行了高频设计和机械设计，产生了一套加工工艺方案，加工完成了一个室温CH-DTL模型腔，并进行了冷测，为连续波（CW）室温结构的CH-DTL工程应用与研究奠定了基础；（5）从质子直线加速器前端RAMI技术中的易于维护性出发，研究了加速器束流损失功率或流强的限制，与束流能量之间的关系，给出了为达到距加速器表面40cm处剂量率不超过15μSv/h，对加速器束流损失提出的要求。