“強流重離子加速器裝置”(High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility,簡稱HIAF)是十二五期間中國科學院近代物理研究所提出建造重大科技基礎設施,旨在探索原子核存在極限和奇特結構、宇宙中從鐵到鈾元素的來源等重大前沿科學問題。HIAF是一臺束流指標領先、多學科用途的重離子科學研究裝置,其中之一高能量密度物理研究通過對強流重離子束橫向縱向同時聚焦,轟擊固定靶,將束流能量在小空間內集中釋放,獲得能量密度超過1011J/m3壓強超過100GPa狀態(tài)的物質,可以模擬慣性約束熱核聚變的點火瞬間或恒星和大質量行星的內部,研究極端條件下物質相變、狀態(tài)方程和流體過程。高能量密度物理研究要求壓縮環(huán)CRing提供5×1011ppp的238U34+,傳統(tǒng)的Bucket to Bucket注入方法無法滿足要求。本文提出采用Barrier Bucket高頻電壓對束流進行縱向堆積,克服同步加速器周長比對累積增益的限制。同時引入交叉角電子冷卻,作用有兩個:1.對縱向相空間進行冷卻,提高堆積效率;2.抑制堆積過程中的過冷卻現象,避免空間電荷效應造成束流損失。本文從理論方面對Barrier Bucket堆積涉及的物理進行了推導:1.從正弦型Barrier Bucket電壓下束流縱向動力學出發(fā),推出適用于大步長縱向運動計算的算法,并且將該算法編寫為BETACOOL程序庫函數。2.通過單圈平均C-S參數改變量的計算,分析了交叉角對電子冷卻過程的影響,以及對橫向發(fā)射度的控制作用,證明了交叉角抑制空間電荷效應的有效性。3.電子冷卻過程中,束流橫向分布不符合高斯分布,無法用解析公式計算空間電荷效應的影響。本文從參數方程出發(fā),通過對微相移的求解和積分,得到空間電荷效應引起的束流非相干頻移分布。基于BEAMPATH二維空間電荷力計算模塊,完成了頻移分布計算程序,評估了Barrier Bucket堆積過程中空間電荷對束流穩(wěn)定性的影響。其次本文應用數值模擬對影響CRing束流堆積效率的關鍵因素進行了研究:1.分析了BRing束流品質對CRing的堆積過程影響,設計了BRing注入能量下多次多圈累積方案,提高了BRing引出束流的品質,保證了CRing堆積的效率。2.討論了CRing堆積方案和冷卻方案的選擇,模擬了CRing中Barrier Bucket堆積過程,研究了電子束流強、電子束傾斜角度以及Barrier Bucket電壓等關鍵參數對累積效率的影響。模擬中充分考慮了束內散射、粒子損失(接受度和電子俘獲)、當前工程技術水平、空間電荷效應等因素,經過反復優(yōu)化,通過6次注入得到了約5.79×1011ppp的堆積粒子,實現了CRing束流堆積目標。
【學位單位】：中國科學院研究生院(近代物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：TL56

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本文編號：2811399