质子加速器基础  021M2039H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:一级学科普及课 | 任课教师:唐靖宇,孟才
授课时间: 星期一, 第1、2、3节
授课地点: 教1-123
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
课程编号: 021M2039H 课时: 40 学分: 2.0
课程属性: 一级学科普及课 主讲教师:唐靖宇,孟才
英文名称: Foundation of Proton Accelerators

教学目的、要求

本课程为粒子物理与核物理专业加速器物理方向和核技术应用加速器技术方向的硕士研究生和硕博连读研究生开设的学位课程,也作为其他专业的普及课程。本课程主要是考虑到加速器方向的其它相关专业核心课程是以介绍电子加速器为主、缺少对质子/强子加速器相关理论和技术的介绍,因而研究生的知识结构有一定的缺陷。随着国内多个大型质子/重离子加速器装置的建造和设计,如中国散裂中子源、加速器驱动核能系统(ADS)、超级质子对撞机、兰州重离子加速器(回旋加速器和冷却储存环)等,以及中小型质子加速器装置如强流质子回旋加速器CYCIAE-100、质子治疗同步加速器和小型中子源等,我们对研究生的培养很有必要加强质子/重离子加速器相关理论和技术的课程教育。另外,本课程也非常注重对质子粒子加速器理论和技术的国际发展动向和重大应用方向的介绍。
	通过本课程的学习,要求学生了解质子/重离子加速器与电子加速器的共同点和主要不同点,了解多种不同类型的质子加速器基础知识,重点学习质子加速器特别是直线加速器、同步加速器、质子对撞机和具有特殊束流操作的束流输运相关的加速器物理基础和主要加速器技术,特别是强流质子加速器的物理和相关技术,了解质子加速器特别是强流质子加速器的主要发展方向和应用前景。
通过本课程的学习,要求学生了解质子/重离子加速器与电子加速器的共同点和主要不同点,了解多种不同类型的质子加速器基础知识,重点学习质子加速器特别是直线加速器、同步加速器和束流传输相关的加速器物理基础和主要加速器技术,特别是强流质子加速器的物理和相关技术,了解质子加速器特别是强流质子加速器的主要发展方向和应用前景。

预修课程

直线加速器物理、储存环加速器物理、加速器技术(I,II)

教 材

唐靖宇编著,“质子加速器基础”讲义(2015年修订版),中国科学院高能物理研究所

主要内容

根据课程讲义的编排,整个课程分为7章,具体安排如下:
前言(2学时):介绍本课程的特点以及粒子加速器发展史
第一章 质子加速器的特点(1学时)
介绍质子加速器与电子加速器的主要共同点和不同点,质子加速器的主要类型和应用方向。
第二章 质子直线加速器基础知识(5学时)
介绍质子RF直线加速器的物理基础、常见的质子直线加速器结构、超导加速结构、现代质子直线加速器的结构、质子直线加速器的束流动力学、质子直线加速器的主要技术问题。
教学重点与难点:以漂移管型直线加速器为基础重点介绍直线加速器的基本理论和结构,解释直线加速器分为多种类型的原因和依据。难点是对基础理论的理解,尤其本科背景为工科的同学。
第三章 高功率质子直线加速器(3学时)
介绍高功率质子直线加速器中的各种物理问题、各种技术问题和高功率质子直线加速器的发展趋势。
教学重点与难点:重点介绍不同物理机制导致的束流损失和空间电荷效应研究的重要些和复杂性。难点是束流发射度的概念和空间电荷效应理论。
第四章 质子同步加速器基础知识(6学时)
结合质子束流加速的特点,介绍同步加速器的横向运动和纵向运动的基础物理,以及各种不同的注入方法和引出方法,也适当介绍束流冷却方法和储存环概念,最后介绍几个质子同步加速器中比较特殊的加速器技术。
教学重点和难点:重点介绍束流在环中的周期性循环和缓慢加速带来的重要物理问题和注入方法的重要性。难点在于束流多圈注入和慢引出方法的理论。
第五章 高功率质子同步加速器和储存环(5学时)
介绍高功率质子同步加速器中的各种复杂束流动力学问题和物理设计方法,包括横向运动、纵向运动和注入引出,强调强流束的空间电荷效应造成束流控制和低束流损失控制的困难,对该类加速器中Lattice设计特点和主要技术问题以及发展趋势也进行介绍。
教学重点和难点:重点介绍如何在强流和快循环条件下控制束流的损失率的方法和快循环同步加速器中所采用的特殊加速器设备。难点有注入束流的相空间涂抹和束流集体不稳定性。
第六章 束流传输线和束流操纵(6学时)
介绍多级加速器之间或加速器到实验靶之间的束流光学理论,以及在输运线上进行的各种束流操纵方法,如束流相空间的匹配、多路分束方法、束晕刮除或动量分析、束流分布变换和发射度均衡等。
教学重点和难点:重点介绍的束流的匹配概念和不同的误差或相空间失配造成的影响。难点是对束流在不同投影相空间耦合概念的理解,以及耦合的消除和有意识地利用耦合来达到对束流的操纵。
第七章 质子加速器重要应用实例(8学时)
介绍目前质子加速器的主要应用方向和典型加速器设计的特点,尽管其中不少特点已在前几章中的不同环节中介绍了,但这里系统性介绍还是可以加深学生对具有不同设计目标和用途的加速器如何设计的印象。主要应用方向包括散裂中子源加速器、ADS驱动加速器、中微子束质子驱动器、开展核物理/粒子物理/质子治疗的慢引出质子束、质子对撞机等。
教学重点和难点:重点介绍高功率质子加速器的不同应用方向,特别散裂中子源方向,以及慢引出束流应用方向。难点是如何理解不同加速器设计方案均可以高功率质子束以及提高慢引出束流稳定性的方法。
另外,考试需要2学时(2-2.5小时),保留2学时的机动时间。

参考文献

[1] 王书鸿,罗紫华和罗应雄著,质子直线加速器原理,原子能出版社,1986
[2] 陈佳洱主编,加速器物理基础,原子能出版社,1993
[3] S.Y. Lee, Accelerator Physics, World Scientific, 1999
[4] T. P. Wangler, Principles of RF Linear Accelerators. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1998
[5] 唐靖宇、魏宝文编著,回旋加速器理论与设计,中国科学技术大学出版社,2008年。