连续波低能质子直线加速器加速结构及束流动力学研究

The CW (Continue Wave) proton beams have great application potentials in fields such as ADS、neutrino factory and so on, yet there is no mature technology in development of the CW proton linac. For the front end (Ion source to RFQ) the technology has been proven by the successful operation of the LEDA RFQ and for the high energy part, it is believed that the RF technology will solve the problem. But how to accelerate the beams from RFQ to the input of the superconducting part still has no common view in the accelerator community. There are two possible ways to bridge this gap, one is using derated normal conducting sections which can be composed in DTL or CH structures, and the other way is just applying the superconducting structures after the RFQ. Unfortunatly, if the superconducting cavities and focusing structures can stably accelerate and focus proton beams in such low energy still not proven. Both schemes need detailed study so that the decision can be made. In this project, we plan to start from the structure study of the normal conducting structures, so that the potential maximum acceleration gradient can be determined, then a detailed beam dynamics of the low energy proton machine will be studied, and the properties of all possible focusing lattices with different kinds of cavities will be investigated. A powerful design code based on the 3-D envelop equations will be developed, which has the functions of linac design, optimization, and can be used in online tuning of the linac. By execution of this project, we hope we can give some criteria on the technology decision on the low energy part of the CW proton linac, and the results obtained can give contributions to the development of the Chinese future high power proton linacs.

连续波质子直线加速器具有很重要的应用前景和优势,目前还没有非常成熟的、得到实验验证的CW质子直线加速器方案。实现质子直线加速器CW运行的最大难点在于RFQ出口到二十几MeV的能量段。本课题将以ADS应用为主要背景，对质子直线加速器从RFQ出口到几十MeV的低能段的关键物理问题以及可能的超导、常温方案进行系统研究。我们将借助CST等工具对DTL及CH结构进行研究，确定常温结构可能达到的加速梯度；以包含空间电荷力的三维包络方程为基础，系统研究各种超导及常温聚焦结构的稳定性等关键问题，并发展出具有设计优化功能的设计软件。通过该工作，我们希望能对该能量段的结构选择提供一定的判断依据，对该能量段的主要加速结构及动力学性能有一个系统的认识，发展出适用于该能量段加速器研究的工具及优化设计方法，对国内ADS及未来大功率质子直线加速器的设计提供理论依据。

连续波质子直线加速器在加速器驱动裂变能（ADS）等方面具有广泛的应用前景，目前还没有非常成熟的、得到实验验证的 CW 质子直线加速器方案。实现质子直线加速器连续波运行的最大难点在从RFQ出口到二十几 MeV 的能量段。本项目通过对常温、超导结构的分析比较，结合数值模拟，系统研究了超导及常温低能质子直线加速器的聚焦特性，发现了制约其性能的关键因素：即常温腔体的冷却问题及超导结构的低腔体填充率（腔体有效长度与周期单元的比值）问题，由此分析比较了常温、超导方案的主要参数。通过研究发现，目前的低能超导加速器方案，可以得到的平均加速梯度只有1MV/m左右，而由低梯度导致的较弱的纵向聚焦也决定了其可加速的最大平均流强不会超过30mA。并根据功率相等的原则，论证了1MV/m常温加速结构的可行性以及其在动力学上的优势。研究了含时纵向周期聚焦系统动力学及稳定性，发现平滑近似在这种情况下已不适用，必须采用直接积分含时运动方程的方法来研究这种系统。讨论了低填充率、长周期长度这种目前流行的低能超导聚焦结构的缺点，如有限的腔体电压利用、较小的纵向接收度以及非线性的影响。提出了采用射频场进行横向聚焦及纵向加速的紧凑型加速结构，并初步研究了其动力学问题。研究了超导直线加速器整体参数优化的问题，并完成了基于粒子群优化算法的优化程序。拓展了包络方程，并完成了基于包络方程的直线加速器设计优化程序的开发。比较了目前常用常温加速结构的射频特性，设计完成了基于常温CH结构的加速方案，并讨论了其主要动力学性能。通过上述问题的研究，阐述了目前超导低能直线加速器方案在动力学上的缺点及解决办法，以及1MV/m常温低能结构在该能量段的优势。

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