【摘要】：介質(zhì)尾場(chǎng)加速是一種先進(jìn)加速方法。當(dāng)大電荷量的帶電粒子束團(tuán)通過介質(zhì)尾場(chǎng)加速結(jié)構(gòu)時(shí),會(huì)在束團(tuán)身后激發(fā)起Cherenkov輻射的尾場(chǎng)。這種尾場(chǎng)可以達(dá)到很高的加速梯度,有利于降低加速器裝置的規(guī)模和造價(jià),在未來的大型加速器裝置中具有很好的應(yīng)用前景:可用于高能粒子直線對(duì)撞機(jī)的主加速器,也可用于高增益X射線自由電子激光裝置的主加速器等。在介質(zhì)尾場(chǎng)加速器中,只有結(jié)構(gòu)所決定的本征模式才能被激發(fā)。主要工作模式為TM01,用于提供縱向的加速電場(chǎng)。但是,當(dāng)驅(qū)動(dòng)束團(tuán)在結(jié)構(gòu)中偏軸時(shí),雙極模式HEM1n也會(huì)被激勵(lì)。因此,在介質(zhì)尾場(chǎng)加速器中獲得高加速梯度的同時(shí),也伴隨著極強(qiáng)的橫向尾場(chǎng)。束團(tuán)尾部的粒子會(huì)被束團(tuán)頭部粒子激發(fā)的橫向尾場(chǎng)所偏轉(zhuǎn),產(chǎn)生嚴(yán)重的Beam BreakUp(BBU)效應(yīng)。由于這種單束團(tuán)的頭尾不穩(wěn)定性,導(dǎo)致大電荷量的驅(qū)動(dòng)束團(tuán)很難在介質(zhì)尾場(chǎng)加速器中穩(wěn)定地傳輸。如何克服BBU效應(yīng),成為介質(zhì)尾場(chǎng)加速概念所面臨的重大挑戰(zhàn)。參考傳統(tǒng)直線加速器中BNS damping的方法,利用聚焦與散焦交替排列的四極磁鐵,使束團(tuán)頭部和尾部分別具有不同的betatron振蕩頻率,可以幫助我們控制束團(tuán)的BBU效應(yīng)。但是由于介質(zhì)尾場(chǎng)加速器中的橫向尾場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)直線加速器中的橫向尾場(chǎng),而且尾場(chǎng)的分布也不同,因此介質(zhì)尾場(chǎng)加速器中的BBU效應(yīng)需要進(jìn)行深入的研究。本論文通過兩粒子模型的解析求解和多粒子的數(shù)值模擬計(jì)算兩種方法對(duì)介質(zhì)尾場(chǎng)加速器中的束流動(dòng)力學(xué)和BBU效應(yīng)進(jìn)行了研究。通過分析發(fā)現(xiàn),使用排列緊密且具有極高場(chǎng)梯度的四極磁鐵有利于更好地控制BBU效應(yīng),但是理論上所能達(dá)到的聚焦上限受限于四極磁鐵在極面處的磁場(chǎng)不能超過磁鐵的飽和值(~1特斯拉)。基于磁鐵所能提供的有限聚焦能力,我們給出了介質(zhì)尾場(chǎng)加速器中為了抑制BBU效應(yīng)的穩(wěn)定性條件。進(jìn)而給出了在抑制BBU效應(yīng)的前提下,不同頻率的介質(zhì)尾場(chǎng)加速器所能達(dá)到的加速梯度上限。在驅(qū)動(dòng)束團(tuán)與被加速束團(tuán)共線加速的情況下,提高尾場(chǎng)加速的變壓比具有重要的意義。使用縱向雙三角形分布的驅(qū)動(dòng)束團(tuán)可以顯著提高變壓比,但是其BBU效應(yīng)也更難控制。我們通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),只有引入較大的初始束團(tuán)能散(15%)造成強(qiáng)烈的BNS damping才能有效抑制其BBU不穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TL501

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本文編號(hào)：2776099