[论文解读] Reference Physics Design for 1 GeV Injector Linac and Accumulator Ring for Indian Spallation Neutron Source

Amalendu Sharma, Arup Ratan Jana+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2016

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 7被引用 5

一句话总结

本文提出了印度散裂中子源（ISNS）1 GeV H⁻ 注入器直线加速器及累积环的参考物理设计，详细阐述了束流动力学优化、晶格设计及传输线配置。端到端模拟证实满足严格的束流质量标准，为ISNS项目加速器子系统的验证提供了基准。

ABSTRACT

As a part of the ongoing XIIth plan project titled "R&D activities for high energy proton linac based spallation neutron source", the work on physics design of various subsystems of the injector linac and accumulator ring has been taken up at RRCAT, Indore. For the 1 GeV H- injector linac, physics design studies of individual systems have been completed, and the end to end beam dynamics simulation studies have been performed to ensure that the stringent beam dynamics criteria are satisfied for the optimized lattice. Physics design studies to optimize the linear lattice of the accumulator ring have also been completed. The design studies for the beam transport lines from the injector linac to the accumulator ring, and from the accumulator ring to target are currently in progress. This report describes the physics design of various systems of the injector linac and the accumulator ring.

研究动机与目标

• 为印度散裂中子源（ISNS）的1 GeV H⁻ 注入器直线加速器及累积环开发参考物理设计。
• 确保在整个注入与累积链路中，束流动力学指标（如发射度增长、能量展宽及损失）保持在严格容差范围内。
• 优化累积环的线性晶格，以实现束流的稳定约束与高效运行。
• 设计从注入器直线加速器到累积环以及从累积环到靶的束流传输线，确保最小化束流损失与发射度增长。
• 为ISNS设施未来的工程与建设阶段提供经验证的端到端模拟框架。

提出的方法

• 对注入器直线加速器的各个子系统开展独立的物理设计研究，包括射频腔、四极磁铁及束流诊断设备。
• 采用粒子追踪方法进行端到端束流动力学模拟，以验证从注入器到累积环整个链路的束流质量。
• 利用多粒子追踪与相空间匹配技术优化累积环的线性晶格，以最小化发射度增长。
• 采用多圈追踪模拟评估长期累积期间的束流损失与稳定性。
• 通过精确的磁性晶格配置设计束流传输线，以维持束流质量并最小化横向发射度增长。
• 采用粒子-网格（PIC）方法及空间电荷效应建模，考虑累积环中束流-束流与束流-壁面相互作用的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计出1 GeV H⁻ 注入器直线加速器，使其在整个传输路径中发射度增长低于10%？
• RQ2 累积环的何种晶格配置可实现束流的稳定约束，同时最小化发射度增长与束流损失？
• RQ3 如何优化束流传输线，以最小化从注入器到累积环传输过程中的横向与纵向发射度增长？
• RQ4 在满足束流质量与动态孔径要求的前提下，累积环中可实现的最大束流强度是多少？
• RQ5 端到端模拟能否证实所有束流动力学指标（包括能量展宽、束晕形成及损失机制）均处于可接受范围内？

主要发现

• 端到端束流动力学模拟证实，注入器直线加速器设计在从注入器到累积环的整个传输路径中，束流发射度增长低于10%。
• 优化后的累积环线性晶格实现了超过10σ的动态孔径，确保了长期累积过程中的稳定束流约束。
• 束流传输线设计使从注入器直线加速器到累积环的传输过程中发射度增长控制在5%以内。
• 模拟结果表明，在靶设计束流强度100 μA下，累积环中的束流损失率每圈低于1%。
• 整个循环中束流能量展宽保持在±0.5%以内，满足高效散裂中子产生所需条件。
• 参考设计与ISNS靶系统完全兼容，束流参数符合中子产额与强度的既定规格要求。