探索电荷强流回旋加速器中束流损失和辐射场

论文导读：要进展方向。在提升加速器流强的同时，束流损失及其导致的辐射场也会增加，成为加速器设计和建造历程中需要关注的首要不足。在传统的加速器设计中，由于缺乏对束流损失的详细浅析，辐射场计算的源项主要是根据经验给出，导致计算结果不能实际地反映辐射场的分布情况。本论文针对强流负氢回旋加速器，详细浅析了各种束流损失的产生
摘要：高能强流加速器在能源、核物理实验和医学等领域有着广泛的运用，成为下一代回旋加速器的主要进展方向。在提升加速器流强的同时，束流损失及其导致的辐射场也会增加，成为加速器设计和建造历程中需要关注的首要不足。在传统的加速器设计中，由于缺乏对束流损失的详细浅析，辐射场计算的源项主要是根据经验给出，导致计算结果不能实际地反映辐射场的分布情况。本论文针对强流负氢回旋加速器，详细浅析了各种束流损失的产生机制及计算策略，得出束流损失在六维相空间的分布函数并由此计算辐射场，根据辐射场的允许值来给出加速器的限制流强。论文主要包括：1）明确强流负氢回旋加速器中束流损失的分类，包括洛伦兹剥离损失、残余气体剥离损失、引出历程的损失和空间电荷效应带来的束流损失。浅析以上各种束流损失的产生机理，在进行强流束流动力学跟踪的同时，实时地记录加速器中损失束流在六维相空间中的分布，用作辐射场计算的源项。2）结合论述、实验和模拟，浅析空间电荷效应对束流损失的影响。a)为解决现有计算程序不能同时处理空间电荷力和粒子在物质中传输的不足，在粒子跟踪程序OPAL中植入相应的并行计算模块，以能够对现有和新一代强流加速器中的束流损失进行更接近实际的模拟。b)系统地浅析等时性回旋加速器中空间电荷力导致束团分裂的物理历程，剖析地给出不稳定性增加因子和各束团参数（流强、能量、长度以及发射度）的联系，并计算了中国原子能科学探讨院正在建造的100MeV回旋加速器（CYCIAE-100）中发生束团分裂的条件。c)进行强流回旋加速器中降低束流损失的实验和定量模拟。针对目前世界上最高功率的质子加速器-瑞士保罗谢尔探讨所（PSI）的590MeV环形回旋加速器，设计实验案例并进行论述浅析和模拟计算，定量地预测引出历程中104量级的边缘粒子的行为及其对束流损失的影响，为下一代更高功率的回旋加速器中的束流损失预测提供实验数据，论述支持和计算手段。3）计算CYCIAE-100加速器大厅内的瞬发和残余辐射场。根据国际上加速器的运转经验，提出对CYCIAE-100中残余辐射场的限值。给出CYCIAE-100允许运转的最高流强，并对如何进一步提升流强而不增加辐射水平提出一些案例。关键词：强流回旋加速器论文束流损失论文空间电荷效应论文蒙特卡罗策略论文辐射场论文
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Abstract5-10
主要符号对照表10-12
第1章 课题背景和作用12-29

1.1 强流质子加速器的近况和未来走势12-23

1.1 国际上主要高功率的质子加速器13-17

1.2 强流质子回旋加速器的实验和论述探讨近况17-23

1.3 论文探讨的工程背景23

1.2 束流损失及其探讨的作用23-26

1.2.1 加速器辐射水平限值25

1.2.2 CYCIAE-100对束流损失的要求25-26

1.3 论文主要探讨内容和革新26-29

1.3.1 论文主要探讨内容26-28

1.3.2 论新之处28-29

第2章 强流负氢回旋加速器中的束流损失29-42

2.1 强流负氢回旋加速器中的束流损失分类29-30

2.2 洛伦兹剥离损失30-33

2.3 残余气体剥离损失33-34

2.4 引出区束流损失34-40

2.4.1 剥离效率35-37

2.4.2 剥离膜散射37-40

2.5 空间电荷效应对束流损失的重要量40

2.6 本章小结40-42

第3章 横向空间电荷力及轴向束流损失42-55

3.1 结合空间电荷力及粒子与物质相互作用的必要性42-45

3.

1.1 记录轴向束流损失的策略43

3.

1.2 强流束流动力学模拟程序OPAL介绍43-45

3.2 粒子与物质相互作用模型中的物理历程45-52
3.

2.1 粒子的能量损失45-46

3.

2.2 多次库仑散射46-50

3.

2.3 OPAL中束流与物质相互作用模块流程50-52

3.3 CYCIAE-100中的轴向束流损失52-54

3.4 本章小结54-55

第4章 纵向空间电荷力及其对束流品质的影响55-68

4.1 等时性加速器中空间电荷力导致的束团分裂56-64

4.

1.1 由于扰动带来的横向空间电荷场56-58

4.

1.2 有着空间电荷力时等时性加速器中的跃迁γ58-59

4.

1.3 带有纵向空间电荷场的色散联系59-60

4.

1.4 最快增加方式和相对应的增加率60-64

4.2 强流不稳定性对CYCIAE-100中束流品质的影响64-66

4.3 本章小结66-68

第5章 高功率加速器降低束流损失的实验案例和定量模拟68-81

5.1 PSI 590MeV加速器中的残余辐射场68-69

5.2 通过实验获取PSI 590MeV加速器的初始条件69-70

5.3 在PSI 590MeV加速器中降低束流损失的实验和定量模拟70-79

5.

3.1 平顶腔相位71-72

5.

3.2 调谐线圈TC15的作用72

5.

3.3 注入的位置和角度72-75

5.

3.4 引出区附近束流径向分布的测量和模拟结果对照75-77

5.

3.5 引出时径向束流尺寸和流强的联系77-79

5.4 本章小结79-81
第6章 CYCIAE-100中的辐射场分布及流强限值81-98

6.1 计算策略和检验81-84

6.

1.1 计算程序与策略81-82

6.

1.2 对产生中子分布的校准82-83

6.

1.3 对产生残余放射性核素的校准83-84

6.2 源项与几何模型84

6.3 瞬发辐射场84-86

6.4 残余辐射场86-90

6.5 降低残余辐射场的措施90-96

6.

5.1 真空室内衬90-93

6.

5.2 低能区刮板93-96

6.6 活化对CYCIAE-100流强提升的限制96-97

6.7 本章小结97-98

第7章 结论与展望98-102

7.1 主要结果与讨论98-101

7.2 展望101-102

参考文献102-109
致谢109-111
个人简历、在学期间发表的学术论文与探讨成果111-112