环形强流质子加速器涂抹注入研究

The development of accelerator science and technology has sustained exponential growth in circular intensity proton accelerator, which has extended its use to spallation neutron production,nuclear transmutation,neutrino factories and proton therapy.With the current increasing,space charge effects impose fundamental limitation on circular high intensity proton accelerators，especially during injection process.In order to mitigate space charge effect,density distribution of protons should be low over the whole bunch.The method to reduce the density distribution in three dimensional space is to utilize painting injection in longitudinal and transverse planes.This project will focus on following aspects: accurate analysis of beam dynamics during injection process,coupling between transverse and longitudinal motion, theoretical analysis and compare of different painting injection schemes, the influence of different injection conditions such as working point and peak current，simulations with 3D tracking code,and experiments on CSNS.By these detailed work,we hope to get an all-around study result about painting injection for circular intensity proton accelerator in theory and experiment,which would make China in leading position on painting injection.And this project will give an instruction for commissioning of China Spallation Neutron Source in future.

随着加速器物理和技术的进步，环形强流质子加速器得到飞速发展，并广泛应用于散裂中子源、加速器驱动的次临界核能装置、中微子工厂、质子治疗等领域。随着流强提高，注入阶段空间电荷效应引起的不可控束流损失已经成为限制环形强流质子加速器发展的一个关键问题。为了减少束流损失，需要对注入束流进行横向和纵向相空间涂抹。本课题将对环形强流质子加速器注入过程束流动力学、相空间耦合作用、不同注入涂抹方法、束流均匀涂抹、不同注入条件对涂抹的影响等问题进行系统的理论分析、程序模拟和实验，希望通过这些工作，获得环形强流质子加速器涂抹注入在理论和实验方面较为系统和全面的研究结果，进而使我国在这方面的研究进入国际前沿地位，同时也为我国即将建成的散裂中子源调束和运行提供借鉴。

随着加速器物理和技术的进步，环形强流质子加速器得到飞速发展，并广泛应用于散裂中子源、加速器驱动的次临界核能装置、中微子工厂、质子治疗等领域。随着流强提高，注入阶段空间电荷效应引起的不可控束流损失已经成为限制环形强流质子加速器发展的一个关键问题。为了减少束流损失，需要对注入束流进行横向和纵向相空间涂抹。本课题对环形强流质子加速器注入过程束流动力学、不同注入涂抹方法、高频系统对注入的影响、高次谐波与束团纵向分布的关系、不同注入条件对涂抹的影响等问题进行了系统的理论分析、程序模拟和实验研究。通过上述工作，取得了一定的研究成果：（1）根据不同的涂抹条件，创新性的提出了衡量束流横向均匀度的方法；（2）根据均匀度衡量参数，提出了改进求解涂抹曲线的方法。改进后的涂抹曲线计算方式考虑了注入束团的横向分布，并且可以针对空间电荷效应的影响来适当的更改涂抹曲线，以得到更加均匀度的束流；（3）使用粒子群算法对高频参数进行了多目标优化。针对高频系统参数对纵向分布的影响进行了详细的分析，建立了适当的物理模型。通过物理模型将束团的各项参数量化，并首次借助该方法对整个周期内的高频参数依次进行逐步优化，最终得到最优的高频参数。减小了空间电荷效应的影响，从而减小了横向发射度的增长和粒子丢失。以这些工作为基础，模拟优化了大量的涂抹曲线，并在中国散裂中子源的注入涂抹磁铁上进行了多次测试，从实验结果看，采用数字脉冲电源的涂抹磁铁，可以很好地实现各种形式的涂抹曲线。依托以上研究，针对更高流强的中国散裂中子源二期方案，设计了全新的注入系统。通过这些工作，获得环形强流质子加速器涂抹注入在理论和实验方面较为系统的研究结果，也为我国散裂中子源设计、调束和运行提供借鉴。