基于CSNS-Ⅱ的注入研究

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中国散裂中子源二期工程(CSNS-Ⅱ)将打靶束流功率从一期的100kW提高到500kW,引出能量维持1.6GeV不变。功率的提高是通过在快循环同步加速器(RCS)中累积5倍于原来粒子数的方式来实现的,而粒子数的增加带来的最大问题是空间电荷效应变强,由此导致工作点移频、发射度增长和粒子损失更为严重。为了达到提高功率,同时控制空间电荷效应的目的,在CSNS-Ⅱ中拟采取提高注入能量、横向相空间涂抹、增加高频高次谐波等措施。  CSNS-Ⅱ注入能量将从一期的80MeV提高到250MeV,这将对原来的注入系统产生根本性的影响,针对这一变化,本论文提出了新的注入方案,并讨论了新注入方案的可行性以及对RCS的影响。注入系统改变以后对直线加速器注入束流的要求也随之改变,针对这一变化也进行了相应的研究。  提高能量可以减小空间电荷效应的影响,但是空间电荷效应的影响仍然比CSNS-Ⅰ大得多。采用新的注入系统,使用ORBIT(Objective Ring Beam Injection and Tracking)软件对注入过程进行了跟踪模拟研究。比较了不同的注入方案和不同的涂抹轨道得到的RCS束团的区别,针对束团均匀度提出了一种新的评估方式,并根据这一评估方式提出了计算涂抹轨道的新方法。  高频系统(RF)的参数是CSNS-Ⅱ中至关重要的参数,决定了切束率大小、俘获效率和RCS束团的参数,对注入过程也有重要影响。RCS束团的纵向参数直接影响空间电荷效应的强弱,较强的空间电荷力会使横向发射度增加更快甚至造成粒子丢失。为了减小空间电荷效应,CSNS-Ⅱ将要加入高次谐波,通过调节高次谐波的参数可以控制束团的纵向分布,从而减小空间电荷效应的影响。本论文对高次谐波进行了相应的研究,并且创新性的使用了多目标优化的方式优化了高频系统的参数,减小了空间电荷效应的影响,从而减小了横向发射度的增长和粒子丢失。  CSNS引出的束流在打靶前为了减小对靶的热冲击需要进行均匀化,本文对束流横向密度均匀化方法进行了相应的研究,并且针对到八极磁铁的缺点,创新性的提出了一种用于均匀化的新型磁铁。根据研究结果,设计加工了一块新型磁铁,完成了测磁工作,依据得到的测磁结果,使用相应软件研究和对比了新型磁铁的均匀化效果。
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