回旋加速器理論與設計

前言

本書是在唐靖宇研究員的博士論文基礎上擴充編著的，曾作為中國科學院近代物理研究所的研究生學習加速器理論課程的教學參考書。它比較系統(tǒng)地介紹了回旋加速器特別是等時性回旋加速器的理論，并以蘭州重離子加速器系統(tǒng)的注入器SFC和主加速器SSC兩臺等時性回旋加速器為例，全面地介紹該類型加速器的理論、設計特點和設計方法。首先，一般性地介紹了粒子加速器尤其是回旋加速器在原子核物理及粒子物理研究中的作用，以及在其他應用學科中的作用，加速器尤其是回旋加速器的發(fā)展史和發(fā)展趨勢。在第2章中一般性地介紹了加速器物理的研究方法和帶電粒子束運動的相空間理論，以及采用相空間理論在理解加速器的物理圖像以及在設計初期對某些重要參數(shù)的評價和估計方面的必要性，也介紹了進行實際加速器設計中常用的束流軌道數(shù)值計算方法。

內(nèi)容概要

本書比較系統(tǒng)地介紹了回旋加速器的理論，并以蘭州重離子加速器系統(tǒng)的注入器SFC和主加速器SSC兩臺等時性回旋加速器為例介紹該類型加速器的設計特點和設計方法。全書分為九章，分別介紹回旋加速器的發(fā)展歷史和應用方向，加速器物理的研究方法和帶電粒子束運動的相空間理論，經(jīng)典回旋加速器理論，等時性回旋加速器的理論基礎，等時性磁場的建立，束流注入和中心區(qū)，束流引出，多級加速器的匹配考慮，以及回旋加速器的近期發(fā)展。本書可作為粒子加速器專業(yè)方向的研究生學習加速器物理的參考書，也可供從事相關專業(yè)的科研人員參考。

書籍目錄

序第1章  緒論第2章  帶電粒子束的相空間理論介紹  2.1  粒子運動的分析力學表示    2.1.1  為什么加速器物理經(jīng)常采用哈密頓力學的方法    2.1.2  拉格朗日方程    2.1.3  哈密頓正則方程    2.1.4  正則變換  2.2  相空間描述    2.2.1  相空間和正則相空間    2.2.2  劉維定理    2.2.3  作用量積分的絕熱不變性    2.2.4  束流發(fā)射度  2.3  相空間運動的矩陣表示    2.3.1  描跡法    2.3.2  矩陣方法第3章  回旋加速器的一般理論  3.1  經(jīng)典回旋加速器    3.1.1  諧振加速原理    3.1.2  回旋加速器的基本原理  3.2  徑向聚焦和軸向聚焦    3.2.1  帶電粒子在電磁場中的運動方程    3.2.2  徑向聚焦和軸向聚焦    3.2.3  運動方程的哈密頓描述  3.3  諧波加速和多Dee加速結(jié)構(gòu)    3.3.1  單Dee加速結(jié)構(gòu)    3.3.2  多Dee加速結(jié)構(gòu)  3.4  自由振蕩幅度的絕熱變化  3.5  共振理論    3.5.1  一維共振    3.5.2  耦合共振    3.5.3  共振的強弱第4章  等時性回旋加速器理論  4.1  等時性加速器    4.1.1  等時性加速條件    4.1.2  邊緣場聚焦    4.1.3  周期性聚焦系統(tǒng)的穩(wěn)定性    4.1.4  最高能量限制和參數(shù)選擇  4.2  等時性回旋加速器的靜態(tài)軌道性質(zhì)    4.2.1  磁場結(jié)構(gòu)和運動方程    4.2.2  靜態(tài)平衡軌道    4.2.3  等時性磁場    4.2.4  自由振蕩頻率    4.2.5  徑向運動的非線性效應    4.2.6  靜態(tài)平衡軌道以及νr和νz的數(shù)值求解方法  4.3  等時性回旋加速器的加速軌道性質(zhì)    4.3.1  加速平衡軌道    4.3.2  聚相現(xiàn)象  4.4  SFC和SSC回旋加速器介紹    4.4.1  HIRFL加速器系統(tǒng)    4.4.2  注入器SFC    4.4.3  主加速器SSC第5章  等時性磁場的建立  5.1  概述  5.2  理論等時場    5.2.1  Gordon方法    5.2.2  kB-kr方法  5.3  等時場的墊補和優(yōu)化    5.3.1  等時場的墊補方法    5.3.2  計算程序OPTCC的具體優(yōu)化步驟    5.3.3  等時場的評價    5.3.4  等時場的再優(yōu)化  5.4  SFC和SSC等時性磁場的建立    5.4.1  SFC等時性磁場的建立    5.4.2  SSC等時性磁場的建立第6章  注入系統(tǒng)和中心區(qū)  6.1  內(nèi)離子源和中心區(qū)    6.1.1  軌道中心化要求    6.1.2  軸向穩(wěn)定性    6.1.3  常軌道加速    6.1.4  中心區(qū)參數(shù)的穩(wěn)定性  6.2  外離子源軸向注入方法    6.2.1  軸向注入方法的一般描述    6.2.2  軸向孔中束流聚焦和注入相空間匹配    6.2.3  靜電偏轉(zhuǎn)鏡    6.2.4  聚束器    6.2.5  空間電荷效應    6.2.6  中心區(qū)和軌道中心化  6.3  徑向注入方法    6.3.1  軌道中心化    6.3.2  相空間匹配    6.3.3  諧波磁場的干擾  6.4  SFC和SSC的注入系統(tǒng)設計    6.4.1  ECR源軸向注入系統(tǒng)的設計    6.4.2  SFC新注入束運線設計    6.4.3  SFC中心區(qū)的設計    6.4.4  SSC的徑向注入系統(tǒng)第7章  引出系統(tǒng)  7.1  概述  7.2  單圈引出    7.2.1  直接引出方法    7.2.2  徑向聚焦效應  7.3  進動引出方法    7.3.1  共振進動增加圈距    7.3.2  非共振進動增加圈距    7.3.3  通過νr＝2νz共振區(qū)  7.4  再生引出  7.5  剝離膜引出方法和其他引出方法  7.6  SFC和SSC的引出方法    7.6.1  SFC的引出系統(tǒng)    7.6.2  SSC的引出系統(tǒng)第8章  多級加速器間的縱向匹配  8.1  一般匹配要求  8.2  聚束器與束流縱向匹配    8.2.1  回旋加速器和束運線上的束流縱向運動    8.2.2  聚束器的縱向聚焦作用  8.3  HIRFL束流縱向匹配設計    8.3.1  SFC軸向注入線上聚束器的設計    8.3.2  BL1束運線上聚束器的物理設計    8.3.3  SFC與SSC的能量匹配    8.3.4  HIRFL中的束團結(jié)構(gòu)第9章  回旋加速器的近期發(fā)展和FFAG加速器  9.1  概述  9.2  超導回旋加速器  9.3  強流回旋加速器    9.3.1  強流質(zhì)子回旋加速器    9.3.2  強流重離子回旋加速器  9.4  回旋加速器的商業(yè)化  9.5  FFAG加速器    9.5.1  FFAG加速器的基本原理    9.5.2  等比FFAG加速器    9.5.3  非等比FFAG加速器參考文獻數(shù)學符號索引

章節(jié)摘錄

1919年，E.Rutherford用a粒子轟擊氮核首次實現(xiàn)了人工核蛻變，于是利用放射性射線轟擊原子核來研究核現(xiàn)象的方法受到廣泛重視和使用。同時人們也提出了建造加速粒子裝置的要求，因為天然射線源提供的粒子種類少、強度不大、能量低且不可調(diào)。隨著研究工作的深入，人們希望有種類多、強度大、能量高的粒子源，可以說近一個世紀以來，粒子加速器的發(fā)展主要是圍繞這個需求而展開的。人們想了很多辦法，如采用高壓靜電的Van Der Graff裝置、采用串聯(lián)變壓器的高壓倍加裝置以及E.O．Lawrcncc發(fā)明的回旋加速裝置。Lawrence在1930年建成的第一臺回旋加速裝置只有幾英寸（1英寸=2.54厘米）大，1932年實現(xiàn)核蛻變實驗的回旋加速器的磁鐵極面直徑也只有11英寸。隨著這種加速方法獲得重視，回旋加速器的規(guī)模越來越人，獲得的粒子能量越來越高，粒子種類也越來越多。但隨之也出現(xiàn)了許多理論上和技術(shù)上的困難，如相對論效應、束流聚焦、共振效應等等。隨著這些問題的解決，回旋加速器也就獲得了不斷的發(fā)展。在回旋加速器發(fā)展的同時，其他類型的圓形加速器也獲得了發(fā)展，并不斷有新型結(jié)構(gòu)的加速器出現(xiàn)，如穩(wěn)相加速器、同步加速器、等時性回旋加速器、對撞機和冷卻儲存環(huán)等。

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