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30MeV Linac数值模拟与能量回收初步研究

作　者: 肖效光
导　师: 胡克松
学　校: 中国工程物理研究院北京研究生部
专　业: 核技术及应用
关键词: 自由电子激光(FEL) 热阴极即RF-GUN α-磁铁射频直线加速器(Linac) 电子束能量回收光阴极注入器型电子束能量回收射频直线加速器(PERL) 数值模拟
分类号: TL501
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

自由电子激光（FEL）和高亮度光源等应用都需要高能高质量的电子束，射频直线加速器（Linac）是获得这些应用所要求的电子束的最佳方法。中物院应用电子学研究所的30MeV Linac是为FEL实验建成的国内第一台L波段驻波腔加速结构Linac，它涉及到加速器物理、微波电子学、真空物理学、电子学和控制学等多种学科，是一个非常复杂的系统。本论文围绕这台加速器系统的组成、结构和性能参数主要开展加速器物理和数值模拟研究，在此基础上首次对电子束能量回收技术进行了分析和针对30MeVLinac用于电子束能量回收实验的可行性进行了整体数值模拟。首先围绕L波段1+1/2腔RF-GUN注入器进行理论分析和数值模拟研究。分析了RF-GUN加速腔中的电磁场结构和电子运动规律，得到电子束在加速腔中运动时束流横向发射度是振荡变化的，与数值模拟结果吻合。利用数值模拟方法研究了加速场强、注入相位、束团大小、形状、电荷等因素对束流横向发射度产生的影响。针对PARMELA程序应用，分析了电场中热阴极发射特性，编写出了符合肖特基效应的热阴极初始束流文件，为PARMELA程序直接用于热阴极RF-GUN动力学模拟提供了一种方法，并用此方法对30MeV Linac的1+1/2腔热阴极RF-GUN注入器进行了数值模拟研究，给出了该注入器输出束流性能参数，并对阴极发射电流和首腔加速场强的优化进行了讨论，得到首腔加速场强为整腔加速场强的0.5倍时，输出束流性能参数最佳。 α-磁铁的功能是束流电子能量选择和脉冲宽度压缩，在30MeV Linac系统中起着非常重要的作用。论文对α-磁铁的有关物理问题进行了较为详细的论述，从解析形式和数值模拟两个方面给出了α-磁铁的磁场分布，对单个粒子在α-磁铁中的运动进行了分析，利用数值求解方法研究了带电粒子在理想四极磁场中的运动规律，提出了归一化运动方程和理想轨道等物理概念，定量给出了消色散的入射角、轨道长度和x方向最大距离的解析表达式。利用GPT程序对30MeV Linac中的α-磁铁进行了动力学模拟，给出了电子束在α-磁铁中的运动图像，研究了注入器输出束流经过α-磁铁后束流发射度的变化、束团长度的压缩效应、能散度的变化以及α-磁铁实际的消色散入射角。 30MeV Linac加速系统由三个加速段组成，加速电子能量28～29MeV，平均宏脉冲束流290mA，亮度达到2×10¹⁰A/（m.rad）²。根据30MeV Linac结构和元件参数进行了整体的数值模拟，模拟结果表明：30MeV Linac中各个加速段的结构与性能较好，输出束流的发射度和能散度都较小，束线的设计也较合理。虽然第一加速段之前的漂移距离较长，但缩短该漂移段距离的模拟表明对提高束流性能的作用不大。整体数值模拟给出了加速过程中的束流电子轨迹和电子能量、束流发射度和束团长度等的变化规律，得到了束线中主要位置处束流的性能参数，大部分参数优于实验测量得到的结果，如果实验系中国工程物理研究院研究生部统进一步调整和优化，输出束流性能还有进一步提高的潜力。光阴极注入器型电子束能量回收射频直线加速器（PERL）技术是目前Linac技术发展的前沿技术，论文首次讨论了PERL中的主要关键技术，包括有高亮度电子源的光阴极注人器、束流消色散偏转束线设计、高低能束流同轴注人和输出、超导加速器等，针对30MeV Linac应用于能量回收加速器技术研究的可行性进行了30MeV Linac的PERL整体数值模拟。结果表明30MeV Linac采用光阴极注入器后，可以开展能量回收加速器技术研究和实验。当注入器束流电子能量接近10MeV后，第一加速段与束线中产生的减速相位与加速相位的差是小的，对能量回收效率的影响可以忽略。

全文目录

第一章绪论  8-20
  1.1 自由电子激光研究的发展历史和国内外的研究现状  8-12
  1.2 射频直线加速器发展概况  12-13
  1.3 微波电子枪技术研究进展  13-16
  1.4 30MeV Linac结构及主要性能  16-17
  1.5 论文研究项目的意义和作用  17-18
  1.6 论文的主要内容和创新点  18-20
第二章 RF-Gun注入器  20-39
  2.1 RF-Gun加速腔内电磁场结构分析  20-22
  2.2 1+1/2加速腔中电子的运动分析  22-24
  2.3 1+1/2腔注入器中束流发射度的理论分析  24-28
  2.4 热阴极1+1/2腔RF-Gun注入器数值模拟研究  28-38
    2.4.1 束流模拟中使用的主要程序  28-29
    2.4.2 热阴极RF-Gun的结构与性能参数  29-30
    2.4.3 热阴极的发射特性与初始条件的确定  30-32
    2.4.4 1+1/2腔热阴极RF-GUN注入器数值模拟结果及分析  32-36
    2.4.5 阴极初始发射束流对输出束流性能的影响  36-37
    2.4.6 首腔加速场强对输出束流性能的影响  37
    2.4.7 热阴极RF-GUN中的电子反轰现象及其减小反轰的方法  37-38
  2.5 本章小结  38-39
第三章 α-磁铁  39-56
  3.1 α-磁铁的磁场特性及实现形式  39-42
    3.1.1 非对称的四极子结构  39-40
    3.1.2 Panofsky四极子结构  40-41
    3.1.3 两种结构的比较  41-42
  3.2 电子在α-磁铁中的运动  42-47
    3.2.1 归一化的运动方程  42-44
    3.2.2 归一化运动方程的数值求解  44-45
    3.2.3 理想轨道  45
    3.2.4 束流在中心平面上的离散和消色散的路径长度  45-46
    3.2.5 能量(动量)选择和束团脉宽压缩  46-47
  3.3 α-磁铁中束流数值模拟研究  47-55
    3.3.1 α-磁铁的三维磁场计算  47-48
    3.3.2 α-磁铁模拟计算的条件  48-49
    3.3.3 α-磁铁中电子的运动轨迹  49-50
    3.3.4 α-磁铁模拟计算给出的其他结果  50-55
  3.3 本章小结  55-56
第四章 30MeV Linac加速系统  56-70
  4.1 30MeV Linac加速系统简介  56
  4.2 30MeV Linac系统参数  56-58
  4.3 30MeV Linac整体数值模拟  58-63
    4.3.1 初始条件的确定  58-60
    4.3.2 三个加速段中加速场的模拟  60-61
    4.3.3 数值模拟计算的主要结果及分析  61-63
  4.4 30MeV Linac加速系统布局结构研究  63-64
  4.5 数值模拟结果与实验结果的比较  64-65
  4.6 加速器系统元件安装误差对输出束流性能参数的影响  65-68
  4.7 输入束流的注入相位对束流性能的影响  68
  4.8 本章小结  68-70
第五章电子能量回收技术初步研究  70-87
  5.1 引言  70-71
  5.2 PERL中的关键技术分析  71-79
    5.2.1 高亮度注入器技术  72-75
    5.2.2 束流的消色散传输和偏转  75-77
    5.2.3 返航电子束流再注入技术  77
    5.2.4 超导腔Linac技术  77-79
  5.3 30MeV Linac电子束流能量回收研究  79-86
    5.3.1 30MeV Linac电子束能量回收束线系统与整体数值模拟  79-83
    5.3.2 整体数值模拟结果分析与讨论  83-86
  5.4 本章小结  86-87
第六章结语  87-88
致谢  88-89
参考文献  89-97
攻读博士学位期间发表论文情况  97-98
附录A 热阴极RF-GUN系统模拟计算程序  98-102
附录B 30MeV Linac加速系统模拟计算程序  102-104
附录C 30MeV Linac能量回收模拟计算程序  104-110

30MeV Linac数值模拟与能量回收初步研究

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