《质子直线加速器原理》

第一章 绪论1

§1.1 引言1

目录1

§1.2 质子直线加速器与电子直线加速器的差别2

§1.3 质子直线加速器发展简史3

参考文献5

第二章 加速腔的高频结构6

§2.1 高频加速电场6

2.1.1 行波加速电场6

2.1.2 驻波加速电场9

§2.2 质子直线加速器工作原理11

2.3.1 Ex表示式13

§2.3 加速腔近轴区的场分布13

2.3.2 Er表示式15

2.3.3 H？表示式16

§2.4 加速腔高频结构的主要参量17

2.4.1 分路阻抗Zs17

2.4.2 渡越时间因子T17

2.4.3 有效分路阻抗Zeff19

2.4.4 品质因子Q19

2.4.5 Z？/Q20

2.4.6 工作频率f20

§2.5 单周期加速单元链的特性21

2.5.1 等效电路模拟22

2.5.2 色散关系24

2.5.3 带宽与模的间隔26

2.5.4 正向波型通带与反向波型通带26

2.5.5 各种模的有效分路阻抗27

2.5.6 损耗引起电场的相移28

2.5.7 工作模的选择30

§2.6 双周期单元链的特性31

2.6.1 双周期单元链的导出31

2.6.2 双周期单元链的色散曲线31

§2.7 加速腔的稳定结构35

2.7.1 中速稳定结构35

2.7.2 高速稳定结构39

参考文献42

第三章 加速腔的理论设计44

§3.1 加速单元中场分布的数值计算44

3.1.1 场方程表示式44

3.1.2 边界条件46

3.1.3 加速单元各电参量的计算48

3.1.4 计算方法51

3.1.5 关于计算精度56

3.1.6 杆的影响59

§3.2 加速单元横向尺寸的选择59

§3.3 同步粒子的运动及加速单元链尺寸的计算62

3.3.1 同步粒子的定义及其运动方程62

3.3.2 同步粒子在一个加速单元中的能量增益63

3.3.3 加速单元的长度表示式64

3.3.4 加速间隙、漂移管长度及其安装位置的确定66

3.3.5 计算加速单元链尺寸所需参量67

3.3.6 计算步骤69

参考文献69

第四章 纵向运动70

§4.1 纵向运动方程70

§4.2 纵向运动的稳定性72

§4.3 纵向运动方程的解76

§4.4 同步相位的选择78

§4.5 轴上峰值平均电场E0的选择79

参考文献80

第五章 横向运动81

§5.1 高频场的横向散焦作用81

§5.2 四极透镜82

5.2.1 四极电透镜与四极磁透镜82

5.2.2 交变梯度聚焦系统83

§5.3 横向运动方程83

§5.4 横向运动方程的解85

5.4.1 横向运动的转换矩阵85

5.4.2 运动方程系数的周期化86

5.4.3 弗洛克函数及其矩阵表示87

5.4.4 弗洛克椭圆参数90

§5.6 稳定图92

§5.5 加速器的接受度92

§5.7 聚焦系统的选择94

§5.8 工作路线的选择96

§5.9 束流的发射度98

5.9.1 发射度及其矩阵表示98

5.9.2 发射度椭圆沿加速器轴向的变化99

5.9.3 归一化发射度与非归一化发射度100

§5.10 束流的匹配102

5.10.1 匹配概述102

5.10.2 直线加速器的束流匹配103

5.10.3 匹配点与弗洛克椭圆参数104

参考文献105

§6.2 横向与纵向之间的耦合运动106

6.2.1 运动方程106

第六章 耦合运动106

§6.1 引言106

6.2.2 耦合共振108

6.2.3 横向归一化发射度的增长109

§6.3 水平方向与垂直方向之间的耦合运动110

6.3.1 四极透镜的边缘场110

6.3.2 边缘场的耦合作用111

6.3.3 边缘场引起的横向发射度的变化112

参考文献114

§7.1 引言116

第七章 空间电荷效应116

§7.2 束团模型与线性空间电荷力117

§7.3 纵向空间电荷效应119

§7.4 横向空间电荷效应121

§7.5 极限流强123

§7.6 横向归一化发射度的增长125

§7.7 K-V方程与自洽解126

7.7.1 自洽解应满足的方程组126

7.7.2 四维相空间中的一种自洽解128

§7.8 均方根包络方程与均方根发射度132

7.8.1 均方根方法概述132

7.8.2 均方根包络方程133

7.8.3 均方根发射度137

7.8.4 均方根值与边缘值之间的关系139

参考文献142

第八章 瞬态耦合效应与束流负载效应143

§8.1 引言143

§8.2 谐振腔的强迫振荡方程143

§8.3 损耗的影响146

§8.4 加速腔与功率馈送系统的耦合效应151

§8.5 束流负载效应155

8.5.1 束流感应的场155

8.5.2 束流负载的影响160

8.5.3 前馈补偿161

8.5.4 克服束流负载效应的改进措施162

参考文献163

第九章 稳态误差扰动164

§9.1 引言164

§9.2 加速单元的频率误差164

§9.3 加速腔的失谐168

§9.4 透镜横向位移误差169

§9.5 透镜倾斜误差171

§9.6 透镜绕纵轴旋转误差172

§9.7 透镜磁场梯度误差174

§9.8 透镜长度误差175

§9.9 加速电场误差175

参考文献176

第十章 加速器主体设备177

§10.1 引言177

§10.2 注入器177

10.2.1 高压发生器178

10.2.2 加速管178

10.2.3 离子源180

§10.3 低能束流输运系统182

10.3.1 概述182

10.3.2 聚束原理与聚束器183

10.3.3 静电切束器188

10.3.4 导向线圈189

10.4.2 加速腔体190

§10.4 加速腔系统190

10.4.1 概述190

10.4.3 漂移管193

10.4.4 高频场的调整与测量194

§10.5 四极磁透镜198

10.5.1 磁场谐波分析198

10.5.2 透镜的极面形状200

10.5.3 透镜的安匝数与功耗202

10.5.4 等长度的透镜组203

10.5.5 四极透镜的制造203

10.5.6 四极透镜的磁场测量204

10.6.1 概述210

§10.6 高频功率源210

10.6.2 主通道211

10.6.3 调制器212

10.6.4 快速保护212

10.6.5 馈电系统213

10.6.6 频率、幅度及相位控制环214

§10.7 束流测量216

10.7.1 概述216

10.7.2 束流强度的测量216

10.7.3 束流截面的测量218

10.7.4 发射度测量219

10.7.5 动量与动量散度的测量223

参考文献224

第十一章 现状与发展趋势226

§11.1 现状与实例226

11.1.1 现状概述226

11.1.2 BNL与Fermilab的200兆电子伏直线加速器226

11.1.3 LASL的800兆电子伏直线加速器229

11.1.4 CERN的新50兆电子伏直线加速器230

11.1.5 美国NEN（新英格兰核子公司）的45兆电子伏质子直线加速器231

11.1.6 北京35兆电子伏质子直线加速器232

§11.2 直线加速器现存的几个问题234

11.3.1 概述235

§11.3 RFQ加速器235

11.3.2 RFQ近轴区的电场表达式236

11.3.3 带电粒子在RFQ中的运动240

11.3.4 关于RFQ的设计243

§11.4 交变相位聚焦结构245

§11.5 永磁透镜248

参考文献250

第十二章 质子直线加速器的应用252

§12.1 放射治疗与医用同位素生产252

§12.2 裂变材料增殖254

§12.3 材料的中子辐照损伤的研究256

参考文献257