《小型质子同步加速器技术基础》重点介绍小型质子同步加速器的相关物理和技术基础。《小型质子同步加速器技术基础》共21章，其中前8章主要介绍加速器物理基础，包括单粒子动力学、束流与相空间、周期性聚焦结构、磁场缺陷及非线性动力学、纵向粒子动力学、高频加速系统、束流的注入和引出等基本概念，并给出几个同步加速器的物理设计实例；后13章则重点介绍建造加速器所需的多学科专业基础知识，包括离子源、直线加速器技术、高频功率源及低电平控制系统、加速器磁铁技术、加速器电源技术、加速器束流测量技术、加速器控制技术、加速器真空技术、加速器辐射防护与安全、加速器准直技术、加速器通用设施、虚拟加速器及束流调试和加速器工程项目管理等内容。

目录
丛书序
前言
第1章 单粒子动力学 1
1.1 加速器物理常用坐标系 1
1.2 线性运动方程及其通解 3
1.3 线性运动方程通解的传输矩阵形式 7
第2章 束流与相空间 15
2.1 束流的相空间与刘维定理 15
2.2 束流的发射度与接受度 19
2.3 束流的Twiss参数与σ矩阵 21
2.4 色散函数及其求解 23
第3章 周期性聚焦结构 27
3.1 环形加速器的周期性条件与闭合轨道 27
3.2 β函数的求解 28
3.3 色散函数的求解 31
3.4 Lattice设计的一般准则 32
第4章 磁场缺陷及非线性动力学 41
4.1 二极场误差与闭轨畸变 41
4.2 四极场误差与工作点漂移 44
4.3 横向振荡中的共振现象 46
4.4 色品及其补偿 48
4.5 横向耦合运动 50
4.6 非线性作用和动力学孔径 51
第5章 纵向粒子动力学 54
5.1 纵向运动的基本概念 55
5.2 相运动方程的推导 57
5.3 相运动方程的求解 58
5.4 同步加速器中的同步关系 62
5.5 ORBIT程序简介 67
第6章 高频加速系统 69
6.1 波动方程及其求解 69
6.2 高频腔与LC振荡回路 77
6.3 高频腔特征参数 78
6.4 高频腔设计基础 80
6.5 高频腔的测量方法 82
第7章 束流的注入和引出 84
7.1 束流的注入 84
7.2 束流的引出 89
第8章 同步加速器物理设计实例 105
8.1 西安200MeV质子应用装置 105
8.1.1 同步环Lattice设计 105
8.1.2 注入系统设计 109
8.1.3 引出系统设计 112
8.2 XiPAF重离子升级工程 115
8.2.1 同步环Lattice设计 116
8.2.2 注入系统设计 119
8.2.3 引出系统设计 123
8.3 超导质子重离子装置 125
第9章 离子源 130
9.1 常见的离子源分类 130
9.2 离子源主要技术指标 133
9.3 典型ECR离子源简介 135
第10章 直线加速器技术 144
10.1 RFQ加速器 144
10.1.1 RFQ加速器基本原理 144
10.1.2 RFQ加速器束流动力学 147
10.1.3 动力学设计方法 151
10.1.4 RFQ射频结构 155
10.2 DTL 加速器 159
10.2.1 纵向束流动力学 160
10.2.2 横向束流动力学 162
10.2.3 主要腔型及射频模式 164
10.2.4 动力学设计方法 164
10.2.5 动力学设计步骤 167
第11章 高频功率源及低电平控制系统 171
11.1 高频功率源系统 171
11.1.1 功率放大器 171
11.1.2 功率传输系统 173
11.2 低电平控制系统 176
11.2.1 国内外研究现状 176
11.2.2 低电平幅相反馈控制工作原理 179
第12章 加速器磁铁技术 181
12.1 加速器中的磁场 181
12.1.1 表征磁场的物理量 181
12.1.2 磁场的高阶展开及分析 183
12.2 加速器常规磁铁物理设计 188
12.2.1 二极磁铁的极面设计 189
12.2.2 四极磁铁的极面设计 195
12.2.3 六极磁铁、八极磁铁等的极面设计 200
12.3 加速器常规磁铁机械设计 203
12.3.1 铁芯设计 203
12.3.2 线圈设计 205
12.4 加速器常规磁铁测量技术 207
12.4.1 霍尔片测量 207
12.4.2 积分线圈测量 208
12.4.3 旋转线圈测量 209
第13章 加速器电源技术 214
13.1 加速器电源系统简介 214
13.1.1 加速器电源系统的特点 214
13.1.2 加速器电源的组成及工作原理 215
13.1.3 加速器电源的基本结构类型 216
13.2 加速器电源的主要技术指标及测试方法 219
13.3 XiPAF加速器电源系统 224
13.3.1 XiPAF加速器电源系统简介 224
13.3.2 XiPAF稳流电源基本要求 224
13.3.3 XiPAF典型稳流电源简介 225
第14章 加速器束流测量技术 228
14.1 束流强度测量 228
14.1.1 法拉第筒 228
14.1.2 束流变压器 229
14.1.3 电离室 232
14.2 束流位置测量 233
14.2.1 纽扣型BPM 233
14.2.2 条带型BPM 234
14.2.3 鞋盒型BPM 236
14.2.4 BPM信号处理 237
14.2.5 BPM标定 237
14.3 束流截面测量 238
14.3.1 丝扫描探测器 238
14.3.2 荧光靶 240
14.3.3 残余气体探测器 241
14.4 束流横向发射度测量 242
14.4.1 直接测量法 242
14.4.2 间接测量法 243
14.5 肖特基噪声信号测量 243
14.5.1 肖特基噪声信号谱 243
14.5.2 电容型肖特基探针 244
14.5.3 共振腔型肖特基探针 246
第15章 加速器控制技术 248
15.1 加速器控制系统概述 248
15.1.1 加速器控制系统的任务 248
15.1.2 加速器控制系统的功能 249
15.2 加速器控制系统的体系结构 250
15.3 数据采集与监视控制组态软件EPICS 252
15.3.1 EPICS概述 253
15.3.2 输入输出控制器 253
15.3.3 通道访问 255
15.3.4 操作员接口 255
15.4 加速器控制系统设计开发流程 257
15.5 加速器控制系统设计开发实例 258
15.5.1 安全连锁保护系统 259
15.5.2 同步定时触发系统 259
15.5.3 中央控制系统 260
15.5.4 控制网络系统 261
15.5.5 数据库系统 262
15.5.6 前端设备控制 263
第16章 加速器真空技术 267
16.1 真空系统基础知识 267
16.1.1 真空系统的基本概念 267
16.1.2 真空系统的气体来源 267
16.2 真空系统质量相关工艺处理方法 269
16.2.1 真空系统质量的评价 269
16.2.2 真空系统的获得 270
16.2.3 真空元件设计注意事项 271
16.2.4 真空材料的选择 271
16.2.5 真空元件的表面处理 272
16.2.6 工件除氢处理 272
16.2.7 工件在线烘烤处理 274
16.2.8 真空检漏的必要性 274
16.3 真空系统的物理设计方法 276
16.3.1 流导及有效泵速等基本概念 276
16.3.2 加速器真空系统布放的常见布局 277
16.3.3 真空模拟与计算程序VAKTRAK 277
16.3.4 真空模拟与计算程序Molflow+ 280
16.3.5 真空泵的选择 281
16.3.6 真空规的基本原理 283
16.4 真空系统的使用及维护 285
第17章 加速器辐射防护与安全 288
17.1 辐射防护基础及相关标准 288
17.1.1 辐射防护基础知识 288
17.1.2 国内辐射防护相关标准 290
17.2 加速器辐射防护的设计 291
17.2.1 辐射源项分析 291
17.2.2 辐射屏蔽设计 295
17.3 辐射监测系统 300
17.4 安全连锁系统 302
17.4.1 设计原则 302
17.4.2 工作原理 303
第18章 加速器准直技术 307
18.1 准直技术概述 307
18.1.1 准直技术的作用 307
18.1.2 准直误差来源 307
18.1.3 三维准直测量设备 308
18.1.4 准直安装步骤 310
18.2 控制网的建立 311
18.2.1 坐标系定义 311
18.2.2 控制网布设 311
18.2.3 控制网测量 312
18.2.4 控制网数据处理 313
18.2.5 地面放线 313
18.3 设备标定 315
18.3.1 设备坐标系 315
18.3.2 靶标座 315
18.3.3 标定图纸 316
18.3.4 标定过程 316
18.4 设备准直安装 319
18.4.1 坐标系转换 319
18.4.2 微调支架设计 319
18.4.3 准直安装流程 320
18.5 准直数据处理 321
第19章 加速器通用设施 326
19.1 工艺用电系统 326
19.1.1 用电负荷等级 326
19.1.2 负荷的计算 327
19.1.3 无功补偿 328
19.1.4 供电方案及系统监控 328
19.2 工艺冷却水系统 329
19.3 工艺接地系统 331
19.3.1 接地的概念 332
19.3.2 接地的分类 332
19.3.3 联合接地与*立接地 333
19.3.4 接地系统组成 334
19.3.5 接地电阻计算 335
19.3.6 接地系统的施工 336
19.4 压缩空气系统 337
第20章 虚拟加速器及束流调试 339
20.1 虚拟加速器 339
20.2 调束软件 343
20.3 调束准备工作 346
20.4 束流调试过程 348
第21章 加速器工程项目管理 357
21.1 组织架构与人力资源管理 357
21.2 项目计划与进度管理 358
21.3 项目质量与风险管理 359
21.4 项目经费管理与成本控制 360
21.5 项目沟通管理 361
21.6 项目档案及标准化管理 362
参考文献 363

第1章单粒子动力学
　　加速器研究的“束流”是指大量运动的粒子，这些粒子有一些共同的属性：运动方向基本相同，空间分布比较集中，能量(或者动量)基本相同，进行整体有序的运动。粒子运动的方向称为纵向，在三维坐标系中，与粒子运动方向垂直的两个方向称为横向。在一般情况下，横向运动可以和纵向运动分开考虑。其中，横向粒子动力学只研究粒子在横向运动的规律，不关心粒子的能量变化，这种运动规律与光学是非常相似的，因此也常称为束流光学。本书将*先研究单个带电粒子在理想电磁场中的运动规律，其次研究大量粒子(束流)的运动表征，再次研究具有周期性磁场聚焦结构的环形加速器中粒子的运动规律，*后介绍非理想场对粒子运动的影响。
　　本章主要研究单个带电粒子在理想场中的运动规律。其中，在加速器中的理想场通常只包括两种场，即二极场和四极场。在这样的条件下，粒子的运动可以用二阶线性微分方程来表示。仅有二极场和四极场的系统称为线性系统，是真实情况的一种简化。在某种元件作用下，粒子起点和终点的坐标变化可以简单地用矩阵相乘来表达，给研究粒子在多个元件作用下的运动规律提供了非常强大的工具。
　　1.1加速器物理常用坐标系
　　在加速器物理中常用建立在理想平衡轨道上的局部笛卡儿(Cartesian)坐标系描述粒子的三维运动。这是一种运动的坐标系，坐标原点始终在一个“理想粒子”上，与运动方向垂直的两个方向称为横向，表示为x和y，有时可以用u来表示两个横向坐标，这样是为了将横向运动方程写成统一的形式。其中y方向一般向上为正，x方向有的书中向圆弧外侧为正，有的书中向圆弧内侧为正，根据这两种不同的定义列出的方程中x差一个负号。纵向坐标常用s(或z)表示，有的书中将横向上的y用z来表示，纵向用s来表示(三个坐标分别为x、z、s)。本书大部分章节采用**种定义，坐标用(x，y，s)来表示，x向外为正，如图1.1所示。
　　“理想粒子”是指总是经过理想的位置，具有理想的动量，周围的电磁场也是理想的粒子。该粒子的运动规律是容易推导的，仅需要运用中学物理知识就可以得到。“理想粒子”在二极场中只受洛伦兹力作用，其运动轨迹是一个圆(或一段圆弧)。在四极场中，“理想粒子”总是通过四极场的中心，其运动不受任何影响，仍沿直线运动。需要注意的是，“环形加速器”的“理想粒子”的轨道通常是由一段段圆弧(二极磁铁所在区域)和一段段直线(漂移节)交替排列组成的类似跑道的轨道，而非圆形轨道，如图1.2所示。
　　在Cartesian坐标系中，因为“理想粒子”的坐标始终是0，因此研究的是一个“不太理想的粒子”与“理想粒子”的相对位置和动量，即是超前了还是落后了，是偏左了还是偏右了，是靠上了还是靠下了。在加速器物理中，人们关心的是这些“不太理想的粒子”是如何运动的，希望这些“不太理想的粒子”与“理想粒子”偏离不太远，并始终围绕“理想粒子”来回振荡，这样系统才能保持稳定的运动。
　　1.2线性运动方程及其通解
　　粒子在电磁场中的运动方程可从牛顿第二定律出发得到，其基本方程为
　　(1.1)
　　dt式中，F为粒子所受到的外力；q为粒子所带的电荷数；e为单个电子所带的电荷量；E为电场强度；V为粒子的速度；B为磁场强度；P为粒子的动量；t为时间。
　　粒子在加速器中受到的电场和磁场通常有如下特点：电场只在粒子运动的纵向上存在(Ex.Ey.0，Es.0)，磁场只在粒子运动的横向上存在(Bx.0，By.0，Bs.0)。
　　在只有二极磁铁的区域时，在理想平衡轨道上只有By的作用，粒子在x方向受到的洛伦兹力和向心力计算公式分别为
　　(1.2)
　　(1.3)
　　式中，m为粒子的质量；ρ为粒子的偏转半径。由可以得到：
　　(1.4)
　　(1.5)
　　式中，为磁刚度，与粒子的动量成正比，说y明动量越大的粒子，在磁场中越难以弯转。可以看出，二极磁铁的磁场强度B与粒子的偏转半径ρ是“一对矛盾体”。当所加速粒子的*大能量确定以后，要想减小粒子的偏转半径，将加速器做得更加紧凑(以便节约建设经费)，就要提高磁场强度B。然而，常规二极磁铁的磁场强度通常是有限的，一般不超过1.6T，这就限定了加速器的尺寸。当然，采用超导磁铁可以将磁场强度提高约一个量级，可以大大减小加速器的尺寸。
　　接下来将在Cartesian坐标系下推导粒子在线性力作用下的横向运动方程，其基本思路是写出式(1.1)对应的三个坐标方向的标量方程。在纵向无磁场、横向无电场的一般假设条件下，将横向运动与纵向运动分开处理，在偏离理想平衡轨道不太远的地方将磁场的横向分量展开并只保留至一次项(仅考虑二极场和四极场)，从而得到线性运动方程的一般形式，整个推导过程比较复杂，本书仅给出主要步骤。
　　*先将式(1.1)写成三个方向分量形式：
　　(1.6)
　　假设粒子的能量不变(横向、纵向分开考虑)，其相对论因子.为常数，粒子
　　的动量可写成，因此式(1.1)的右侧可写成：
　　(1.7)
　　(1.8)
　　接下来导出空间任意一点的坐标R随时间变化的二阶导数R 。值得注意的是，由于Cartesian坐标系是一个运动坐标系，因此其三个方向的单位向量.
　　中和的方向也是随时间变化的。仅考虑横向情况，R可表示成.
　　(1.9)
　　其随时间变化的导数为
　　(1.10)
　　考虑x方向单位向量x.随时间变化的导数，如图1.3所示，其方向与s相同，大小等于，因此有
　　(1.11)
　　图1.3x方向单位向量x.随时间的变化[3]角度的变化量r，因此有.
　　(1.12)对式(1.12)进行一次微分，可以得到：
　　(1.13)
　　下面处理粒子运动方向的单位向量随时间变化的导数，由于粒子运动在圆弧上，s.方向始终与方向垂直，因此变化的方向就是的方向，大小与Δθ相同，方向相反，如图1.4所示，即
　　(1.14)
　　因此有
　　(1.15)
　　图1.4方向单位向量s.随时间的变化
　　由式(1.15)、式(1.6)和式(1.8)得方向的运动方程为
　　(1.16)
　　将对时间的导数变换为对位置s的导数：
　　.(1.17)
　　(1.18)
　　(1.19)
　　对时间的二次导数可以写成：
　　(1.20)
　　将重新写成，经过少量推导，运动方程变成：
　　(1.21)
　　式中。类似地，可以得到y方向的运动方程：
　　(1.22)
　　如果粒子在水平方向上偏离理想粒子(x坐标不为0)，此时垂直方向上的磁场可以在零点附近展开为
　　(1.23)
　　式(1.23)中等号右边的**项称为二极场，第二项称为四极场，第三项称为六极场，等等。将式(1.23)写成：
　　(1.24)
　　式(1.24)中等号右边**项称为二极项，第二项称为四极项，第三项称为六极项，等等。在线性系统中，只考虑前面两项。将式(1.24)代入式(1.21)，忽略x的高阶项，仅保留一次项，经过整理可得
　　(1.25)
　　同理，可得y方向的运动方程：
　　(1.26)
　　方程(1.25)和方程(1.26)为在线性磁场作用条件下非理想粒子围绕理想粒子运动的横向线性运动方程，是本书后面研究横向运动的基础。这两个方程也可通过拉格朗日(Lagrange)或哈密顿(Hamilton)形式导出，具体步骤可参考文献[1]和[4]。
　　横向运动方程也常写作：
　　(1.27)
　　式中，是归一化四极磁铁强度。在考虑粒子的动量分散后，横向
　　运动方程会增加一个非齐次项，变为
　　(1.28)