發(fā)布時(shí)間：2020-11-13 22:16

　　 隨機(jī)冷卻是利用寬帶反饋系統(tǒng)對橫向束流振蕩和縱向能量分散進(jìn)行衰減的方法。其優(yōu)點(diǎn)是對于較大發(fā)射度和能量分散的次級束等具有顯著的冷卻效果,因此,隨機(jī)冷卻和電子冷卻相結(jié)合,可以有效地縮短冷卻時(shí)間并得到較高品質(zhì)的束流。蘭州重離子冷卻儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)環(huán)HIRFL-CSRe(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou-experimental Cooling Storage Ring)的隨機(jī)冷卻裝置,主要用于冷卻來自RIBLL2(the 2nd Radioactive Ion Beam Line in Lanzhou)打靶產(chǎn)生的次級粒子束。由于次級粒子束具有大的發(fā)射度和動(dòng)量分散(ε:20-25πmm.mrad,dp/p:±0.5-1.0%),因此必須采用冷卻技術(shù)來迅速地降低其束流尺寸,從而提高束流壽命和束流品質(zhì)。目前,國際上的隨機(jī)冷卻裝置主要分布于瑞士、美國、德國以及日本。不同的隨機(jī)冷卻系統(tǒng)中的束流參數(shù)、冷卻參數(shù)和用途等都各不相同。因此,研究隨機(jī)冷卻的影響因素不僅有助于提高冷卻率以及降低功率需求,而且對隨機(jī)冷卻系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行也具有重要的意義。本文以研究影響隨機(jī)冷卻的各種因素、尋找CSRe隨機(jī)冷卻的最優(yōu)冷卻參數(shù)、以及探究更深層次的冷卻本質(zhì)為目標(biāo),采用兩種方法對CSRe隨機(jī)冷卻的演化過程進(jìn)行時(shí)域分析描述:數(shù)值模擬和粒子跟蹤模擬。首先,基于已有的CSRe磁聚焦結(jié)構(gòu),從動(dòng)力學(xué)孔徑,接受度,Twiss參數(shù)和工作點(diǎn)等進(jìn)行優(yōu)化,使其滿足隨機(jī)冷卻對于帶寬,相位以及穩(wěn)定性等方面的要求。然后,在優(yōu)化后的磁聚焦結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,對冷卻模擬程序進(jìn)行開發(fā),并全面分析了如粒子種類、粒子數(shù)、束流尺寸、束流能量、Twiss參數(shù)、極板探針的數(shù)目、帶寬、放大器增益、噪聲、信噪比、限定功率等因素對冷卻時(shí)間、冷卻率、微波功率、束流利用功率、束流增益、噪信比以及混合因子的影響,從而進(jìn)一步得到了最優(yōu)冷卻參數(shù)。通過模擬得到了CSRe隨機(jī)冷卻對于荷質(zhì)比為0.46(56Fe26+)、粒子數(shù)少于104、以及尺寸較大的粒子束等具有顯著的冷卻效果。提高冷卻率的途徑有增加極板探針的數(shù)目,增大系統(tǒng)帶寬、提高放大器增益以及提升系統(tǒng)的信噪比等。同時(shí)考慮功率的限制,得到了最優(yōu)帶寬、放大器增益、信噪比以及限定功率等。此外,降低噪聲不僅可以有效地縮短冷卻時(shí)間,還可以降低對功率的需求。另外,本文著重分析了冷卻過程中較大的動(dòng)量分散對橫向冷卻過程產(chǎn)生的加熱現(xiàn)象,以及較多的粒子數(shù)造成的非冷卻因素。通過降低放大器增益可以有效地解決粒子數(shù)多的情形,但與此同時(shí)冷卻率會(huì)明顯地降低。本文創(chuàng)新性地采用粒子跟蹤方法研究蘭州重離子冷卻儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)環(huán)中的隨機(jī)冷卻過程。利用粒子跟蹤方法可以很直觀地描述隨機(jī)冷卻的動(dòng)力學(xué)過程。該方法深入探究了水平、垂直以及縱向冷卻過程中的相互交叉影響,以及內(nèi)在的物理機(jī)制。與此同時(shí),該方法對于在限定功率冷卻系統(tǒng)中的粒子數(shù)、帶寬以及信噪比等因素的影響有著更為詳細(xì)和深入的討論。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院研究生院（近代物理研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TL503.91
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 引言
    1.1 束流冷卻
    1.2 束流冷卻作用
    1.3 幾種不同的冷卻機(jī)制
    1.4 隨機(jī)冷卻發(fā)展歷史
    1.5 隨機(jī)冷卻在國內(nèi)外加速器中的應(yīng)用
        1.5.1 反質(zhì)子累積環(huán)（AA）和反質(zhì)子累積復(fù)合環(huán)（AAC）
        1.5.2 交叉儲(chǔ)存環(huán)（ISR）的反質(zhì)子計(jì)劃
        1.5.3 低能量反質(zhì)子環(huán)（LEAR）
        1.5.4 反質(zhì)子減速環(huán)（AD）
        1.5.5 費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室反質(zhì)子源
        1.5.6 東京TARN環(huán)的冷卻測試
        1.5.7 GSI隨機(jī)冷卻
        1.5.8 COSY隨機(jī)冷卻
        1.5.9 CSRe隨機(jī)冷卻
    1.6 論文的提出與創(chuàng)新點(diǎn)
第二章 加速器物理基礎(chǔ)
    2.1 Betatron運(yùn)動(dòng)方程
    2.2 Courant-Snyder參數(shù)
    2.3 Betatron工作點(diǎn)
    2.4 發(fā)射度和接受度
    2.5 動(dòng)量壓縮因子
    2.6 六維傳輸矩陣
    2.7 高斯分布
    2.8 劉維定理
第三章 動(dòng)力學(xué)設(shè)備和Schottky噪聲理論
    3.1 動(dòng)力學(xué)設(shè)備
        3.1.1 探測器和沖擊器模型的建立
        3.1.2 動(dòng)力學(xué)設(shè)備基本原理
        3.1.3 束流電壓
        3.1.4 探測器和沖擊器的品質(zhì)因數(shù)
        3.1.5 帶狀線極板
    3.2 Schottky噪聲理論
        3.2.1 單粒子流強(qiáng)
        3.2.2 多粒子的縱向Schottky噪聲信號
        3.2.3 多粒子的橫向Schottky噪聲信號
    3.3 束流傳輸函數(shù)
        3.3.1 束流傳輸函數(shù)原理
        3.3.2 沖擊器
        3.3.3 連續(xù)束的束流傳輸函數(shù)
第四章 隨機(jī)冷卻理論基礎(chǔ)
    4.1 隨機(jī)冷卻時(shí)域分析
        4.1.1 隨機(jī)冷卻的基本建立
        4.1.2 束流樣本的概念
        4.1.3 試驗(yàn)粒子圖像和樣本圖像
        4.1.4 非相干項(xiàng)的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)
        4.1.5 冷卻率方程
        4.1.6 噪聲分析
        4.1.7 混合分析
    4.2 隨機(jī)冷卻頻域分析
        4.2.1 諧波冷卻
        4.2.2 噪聲信號比
        4.2.3 探測器到?jīng)_擊器的混合
        4.2.4 分布函數(shù)和粒子通量
    4.3 Betatron隨機(jī)冷卻
    4.4 動(dòng)量隨機(jī)冷卻 --- Palmer cooling方法
    4.5 動(dòng)量隨機(jī)冷卻 --- Notch Filter cooling方法
    4.6 動(dòng)量隨機(jī)冷卻 --- TOF cooling方法
第五章 CSRe隨機(jī)冷卻磁聚焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    5.1 CSRe磁聚焦結(jié)構(gòu)優(yōu)化
    5.2 CSRe隨機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
第六章 CSRe隨機(jī)冷卻數(shù)值模擬
    6.1 橫向隨機(jī)冷卻數(shù)值模擬
        6.1.1 CSRe橫向隨機(jī)冷卻
        6.1.2 橫向冷卻的演化結(jié)果
        6.1.3 粒子種類的影響
        6.1.4 粒子數(shù)的影響
        6.1.5 初始發(fā)射度的影響
        6.1.6 動(dòng)量分散的影響
        6.1.7 Twiss參數(shù)的影響
        6.1.8 極板探針數(shù)目的影響
        6.1.9 帶寬的影響
        6.1.10噪聲的影響
        6.1.11放大器增益的影響
    6.2 縱向隨機(jī)冷卻數(shù)值模擬
        6.2.1 CSRe縱向隨機(jī)冷卻
        6.2.2 縱向冷卻的演化結(jié)果
        6.2.3 粒子種類的影響
        6.2.4 粒子數(shù)的影響
        6.2.5 Twiss 參數(shù)的影響
        6.2.6 極板探針數(shù)目的影響
        6.2.7 帶寬的影響
        6.2.8 環(huán)境溫度的影響
        6.2.9 放大器增益的影響
    6.3 隨機(jī)冷卻數(shù)值模擬總結(jié)
第七章 CSRe隨機(jī)冷卻粒子跟蹤模擬
    7.1 粒子跟蹤模擬在本文隨機(jī)冷卻應(yīng)用中的介紹
    7.2 時(shí)域中的沖擊器功率
    7.3 CSRe隨機(jī)冷卻粒子跟蹤模擬
        7.3.1 粒子跟蹤模擬在時(shí)域中的演化結(jié)果
        7.3.2 粒子種類的影響
        7.3.3 粒子數(shù)的影響
        7.3.4 束流能量的影響
        7.3.5 初始發(fā)射度和動(dòng)量分散的影響
        7.3.6 帶寬的影響
        7.3.7 信噪比的影響
        7.3.8 限定功率的影響
    7.4 粒子跟蹤模擬總結(jié)
第八章 總結(jié)與展望
參考文獻(xiàn)
作者簡歷及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果

【參考文獻(xiàn)】

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1 夏佳文,詹文龍,魏寶文,原有進(jìn),宋明濤,張文志,楊曉東,趙紅衛(wèi);蘭州重離子冷卻儲(chǔ)存環(huán)工程[J];原子核物理評論;2001年01期

2 武軍霞;夏佳文;楊建成;周雪梅;劉偉;周俊;冒立軍;劉勇;;CSRm隨機(jī)冷卻初步設(shè)計(jì)[J];高能物理與核物理;2006年08期

3 武軍霞,夏佳文,楊建成,劉偉,殷學(xué)軍,劉勇;HIRFL-CSRm縱向隨機(jī)冷卻-槽形濾波冷卻模擬研究[J];強(qiáng)激光與粒子束;2004年01期

4 顧瑋,張文志;儲(chǔ)存環(huán)中橫向和縱向相空間隨機(jī)冷卻的二維計(jì)算[J];強(qiáng)激光與粒子束;1998年03期

本文編號：2882716