下一代电子直线对撞机加速结构中电磁场的理论计算

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该文是我们和日本KEK合作,在国家自然科学基金(19775030)支持下,以SLAC和KEK的NLC/JLC加速结构为目标进行的电磁场计算方法的研究,具体内容包括针对加速单腔的有限限元程序和针对整个结构的腔模法.轴对称结构中的双极子模是该文的研究重点,它属于典型的三维矢量场,传统的标量有限元方法很难直接对它进行分析,所以我们除了利用轴对称结构中场的对称性将它二维化外,更重要的是引入了矢量有限元方法.矢量有限元方法直接用基矢展开矢量场,能很好地满足相邻单元边界上的场连续条件,且解诀了通常有限元方法的伪根问题,是最近二十年来微波工程中常用的方法.我们基于矢量有限元方法编制的加速单腔电磁场计算程序CAFE已经证明有很好的收敛性和很高的精度.腔模法是我们提出的计算直线加速结构中电磁场的新方法.它首先利用有限元等方法计算各加速单腔中的电磁场,根据一定规则构造成所需的开模和闭模,然后把整个长腔链加速结构中的场用这些开模和闭模展开,再利用伽略金方法和第二矢量格林定理进行数学变换,考虑各模式在加速腔壁和腔间耦合孔处的边界条件后,就能把加速结构中电磁场用数学上的广义本征值矩阵问题描述,从而能够得到所求的色散曲线和电磁场形态.腔模法对KEK提供的JLC加速管实验段的计算结果和测量值吻合得很好.论文最后还讨论了将腔模法应用于非周期结构中电磁场的可能性和步骤.
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