HIAF/BRing中横向束流集体不稳定性的理论与模拟研究

题名	HIAF/BRing中横向束流集体不稳定性的理论与模拟研究
作者	刘杰
答辩日期	2019-06-01
文献子类	博士
授予单位	中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
授予地点	中国科学院大学
导师	夏佳文
英文摘要	增强器(BRing)是强流重离子加速器装置(HIAF)的主加速器,能够加速从质子到铀的高流强束流(质子2 × 1012 ppp,Kr19+3 × 1011 ppp,U34+ 1 × 1011 ppp)。对阻抗引起的横向束流集体不稳定性的研究是判断BRing能否达到设计流强、能否保证束流品质的重要依据,也是设计阻尼八极铁系统或反馈系统等束流稳定系统所必须的先导工作。但是,相对于对撞机、同步辐射光源、散裂中子源等其他加速器装置,BRing的运行过程较为复杂,需要在质子和重离子模式、多种束流操作下分析至少三种横向束流集体不稳定性的影响。本论文主要研究了在这些复杂条件下计算与模拟所有横向二极束流集体不稳定性的Vlasov模式方法和数值方法,构建了全功能的束流集体不稳定性模拟平台软件(CISP),并将这些方法应用到BRing中质子束流、Kr19+束流和U34+束流共三种参考束流的横向束流集体不稳定性分析中。本论文首先在一般条件下对Vlasov模式方法中质子束流和重离子束流横向束流集体不稳定性的频移进行了研究,重现了使用Vlasov方程分析质子束流和重离子束流横向束流集体不稳定性的一般方法。同时,基于一般条件下的结果,分别得到了横向模耦合不稳定性、横向多束团耦合不稳定性以及横向漂移束不稳定性的阂值或者增长率,并使用BRing的参数进行了横向束流集体不稳定性的分析。Vlasov模式方法给出,横向模親合不稳定性会将质子束流的流强限制到8 × 10×11 ppp,远小于设计流强2 × 1012 ppp,但该不稳定性并不会影响Kr19+束流、U34+束流等重离子束流。对于横向多束团耦合不稳定性和横向漂移束不稳定性,质子束流、Kr19+束流以及U34+束流中的增长时间均小于操作过程时间,表明这两种横向束流集体不稳定性会影响所有的参考束流。在数值方法方面,当前仅存在一些能够模拟质子束流、部分重离子束流中部分横向束流集体不稳定性的软件,无法涵盖BRing中所有的横向束流集体不稳定性。因此,本论文研究了尾场、6D粒子跟踪、非线性磁铁、空间电荷场等数值模型,并使用这些数值模型构建了能够模拟所有横向二极束流集体不稳定性的软件CISP。CISP模拟给出,横向模耦合不稳定性将会限制质子束流的流强到6 × 1011 ppp。横向多束团耦合不稳定性将在Kr19+束流中引入近95%的束流损失,并在质子束流和U34+束流中引入3～4倍的发射度增长。同时,横向漂移束不稳定性也将在所有三种参考束流中造成最大约40%的发射度增长。通过比较,模拟结果与理论计算结果相符合,使不同横向束流集体不稳定性分析的可靠性得到了验证。横向束流集体不稳定性的抑制也是该研究的重要内容。本论文初步研究了色品、阻尼八极铁和反馈系统对横向束流集体不稳定性的抑制作用,分析了各种抑制方案物理本质的差别。研究表明,色品为-0.04时可以很好的抑制BRing中的横向模耦合不稳定性。横向多束团耦合不稳定性可以通过设置色品为-2、设置八极铁积分强度大于1.8mn-3或增加逐束团反馈系统来抑制。对于横向漂移束不稳定性,宽带反馈系统则是最佳抑制手段。上述研究为BRing中横向束流集体不稳定性抑制系统的设计打下了坚实基础。
语种	中文
页码	197
内容类型	学位论文
源URL	[http://119.78.100.186/handle/113462/134941]
专题	近代物理研究所_材料研究中心
推荐引用方式 GB/T 7714	刘杰. HIAF/BRing中横向束流集体不稳定性的理论与模拟研究[D]. 中国科学院大学. 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所). 2019.