【摘要】：蘭州重離子研究裝置(HIRFL)目前由SFC(扇聚焦回旋加速器)、SSC(分離扇回旋加速器)、CSRm(冷卻儲(chǔ)存環(huán)主加速器)和CSRe(冷卻儲(chǔ)存環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái))構(gòu)成,其中SFC作為唯一的注入器不能同時(shí)保證SSC與CSRm的供束。為了提高整個(gè)HIRFL的運(yùn)行效率,近代物理研究所為SSC專門設(shè)計(jì)了一臺(tái)CW運(yùn)行的重離子直線注入器,能夠?yàn)镾SC提供能量為0.58MeV/u或者1.025MeV/u,質(zhì)荷比為3-7的強(qiáng)流連續(xù)的重離子束。它由一臺(tái)ECR離子源、一臺(tái)RFQ和四臺(tái)IH-DTL構(gòu)成。本論文從動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)出發(fā),依次對(duì)SSC直線注入器IH-DTL1的高頻仿真設(shè)計(jì)、高頻腔體測量、功率耦合器設(shè)計(jì)、高功率鍛煉和束流調(diào)試進(jìn)行討論分析,同時(shí)束流動(dòng)力學(xué)相關(guān)的PIC粒子跟蹤模擬貫穿整個(gè)論文。對(duì)IH-DTL1腔體測量以及功率鍛煉過程中發(fā)現(xiàn)的問題做出了分析并解決,且在IH-DTL2的設(shè)計(jì)中進(jìn)行了針對(duì)性的優(yōu)化。通過SSC直線注入器RFQ及IH-DTL1的束流實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了其動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的有效性。通過對(duì)SSC直線注入器IH-DTL1的動(dòng)力學(xué)模擬分析,發(fā)現(xiàn)了其在保證束流品質(zhì)的前提下引出能量在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的特性,并通過初步的束流實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。另外通過對(duì)IH-DTL3、4進(jìn)行束流動(dòng)力學(xué)研究提出來將其合并成一個(gè)加速腔改進(jìn)方案,使整個(gè)SSC直線注入器更加緊湊�；谠赟SC直線注入器設(shè)計(jì)和調(diào)試的經(jīng)驗(yàn),近代物理研究所為醫(yī)用重離子裝置HIMM提出了注入器的升級(jí)改造項(xiàng)目即采用緊湊型直線注入器代替原來的回旋加速器。采用直線注入器能夠大提高同步環(huán)注入束的流強(qiáng)及束流品質(zhì)。本論文針對(duì)HIMM直線注入器的束流要求進(jìn)行了主加速段DTL的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì),采用了KONUS束流動(dòng)力學(xué)方案使得加速梯度非常高,從而整個(gè)DTL可由一個(gè)獨(dú)立的IH型加速腔實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)加速結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,將該DTL中束流發(fā)射度增長限制在10%,并且有足夠強(qiáng)的誤差容忍性。根據(jù)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行了腔體高頻設(shè)計(jì),著重對(duì)IH-DTL的電場分布、調(diào)諧器調(diào)諧能力及耦合器的優(yōu)化選擇進(jìn)行分析討論,最終確定了腔體的結(jié)構(gòu)。最后基于高頻設(shè)計(jì)得到的腔體電場分布對(duì)HIMM直線注入器DTL段進(jìn)行全面的束流動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算,增加了設(shè)計(jì)的可靠性。通過上述SSC直線注入器和HIMM直線注入器的設(shè)計(jì)研究,為近物所常溫直線加速器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
[Abstract]:At present, the Lanzhou heavy Ion Research Facility (HIRFL) is composed of SFC (Fan focusing Cyclotron,), SSC (separated Fan Cyclotron,), CSRm (cooling Storage Ring main Accelerator) and CSRe (cooling Storage Ring Experimental platform). SFC as the only injector can not guarantee the supply of SSC and CSRm at the same time. In order to improve the efficiency of the whole HIRFL, the Institute of Modern Physics specially designed a CW running heavy ion linear injector for SSC, which can provide the SSC with energy of 0.58MeV/u or 1.025 MeV / u. A continuous heavy ion beam with a mass charge ratio of 3 to 7. It consists of one ECR ion source, one RFQ and four IH-DTL. Starting from the dynamic optimization design, this paper discusses and analyzes the high-frequency simulation design of SSC linear injector IH-DTL1, the measurement of high-frequency cavity, the design of power coupler, the high-power training and beam debugging. At the same time, the PIC particle tracking simulation related to beam dynamics runs through the whole thesis. The problems found in the measurement of IH-DTL1 cavity and power training are analyzed and solved, and the design of IH-DTL2 is optimized. The effectiveness of the dynamic design is verified by the beam experiments of SSC linear injector RFQ and IH-DTL1. Through the dynamic simulation analysis of SSC linear injector IH-DTL1, it is found that the energy can be continuously adjustable in a certain range under the premise of ensuring the beam quality, and it is verified by a preliminary beam experiment. In addition, the beam dynamics of IH-DTL3,4 is studied to combine it into an improved scheme of accelerating cavity, which makes the whole SSC linear injector more compact. Based on the experience of designing and debugging the linear injector in SSC, the Institute of Modern Physics has proposed an upgrade project of the injector for the medical heavy ion device HIMM, that is, the compact linear injector is used instead of the original cyclotron. The linear injector can greatly improve the current intensity and beam quality of the synchronous ring injection beam. In this paper, the DTL dynamic design of the main acceleration section is carried out according to the beam requirement of the HIMM linear injector. The KONUS beam dynamics scheme is adopted to make the acceleration gradient very high, so that the whole DTL can be realized by an independent IH cavity. By optimizing the accelerating structure, the beam emittance increase in the DTL is limited to 10%, and the error tolerance is strong enough. According to the results of dynamic design, the cavity high frequency design is carried out. The electric field distribution of IH-DTL, tuner tuning ability and the optimum selection of coupler are analyzed and discussed. Finally, the structure of cavity is determined. Finally, the beam dynamics of the DTL segment of the HIMM linear injector is simulated based on the electric field distribution of the cavity obtained by the high-frequency design, which increases the reliability of the design. Through the design and research of the SSC linear injector and the HIMM linear injector, rich experience has been accumulated for the design and operation of the near-object normal temperature linear accelerator.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院近代物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TL53

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本文編號(hào)：2356566