一种用于对撞机正电子产率优化的注入器结构

本发明涉及对撞机正电子产率优化的注入器结构，具体是指一种用于对撞机正电子产率优化的注入器结构。

背景技术：

1、国际上现有正负电子对撞机注入器的正电子系统设计不够灵活，且束流传输过程中损失较多，正电子产率基本不高。本发明提出了在目前成熟技术的基础上，通过增加偏转结构分别对正负电子进行加速、注入，优化正电子传输系统，在控制成本的基础上提高其产率，最终达到设计目标，对于未来大型对撞机的建设具有重要的工程意义。

2、自从2012年在大型强子对撞机上发现希格斯玻色子以来，对包括希格斯玻色子性质精确测量在内的电弱统一理论的进一步研究吸引了全世界的目光，这也推动了高亮度、高精度正负电子对撞机的研究。未来大型对撞机如clic、ilc、cepc、fcc-ee的设计思路及方案提出后，被认为是未来探索高能物理前沿的可能机器。

3、在这样一台巨大的对撞机中，需要大量的电子和正电子。电子通常利用电子枪通过光电效应直接产生。而正电子一般是由电子撞击高z(原子序数)靶材，通过韧致辐射产生。在这个过程中，正电子的产率是一个至关重要的问题，它意味着当一个电子撞击正电子靶时，能产生、捕获及传输多少正电子。

4、在已退役、现存的多数正负电子对撞机的注入器中，正电子的产生及传输方案如下：电子束由一个高流强电子枪发射后，经过一段直线加速器加速到一定能量，轰击高z靶材(比如，钨等)产生正电子；产生的正电子在被捕获之后，经由后续的直线加速器加速，注入正电子阻尼环(dr)中降低发射度，再经过加速达到对撞机的注入能量后最终注入对撞机的增强器内。在这样一个方案中，具备不同品质(不同束流发射度)的正负电子束流共用同样的加速器结构，且正电子靶固定在其内部。其主要缺点是注入器在完成设计时，正电子靶的位置即固定下来、不可移动，使得正电子系统不够灵活，不便于进行热分析处理；同时，不同发射度的正负电子束流共用同一段加速管道，可能会导致正负电子相互作用、引起束流损失，不利于正电子产率的提升，容易引起对撞效率的降低，甚至导致机器的故障，威胁对撞机的安全稳定运行。因而，开发一种更高效、更具有灵活性的注入器的设计方案，优化正负电子的产生、加速、传输、注入等过程，对于改善正电子产率、提升正负电子的传输、注入效率以及最终正负电子的对撞亮度具有重要的科学意义，对于未来大型对撞机的建设也具有重要的成本效益和工程价值。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，为了改善现存对撞机正电子系统灵活性不足及产率较低的问题，本发明提出了一种稳定高效、经济实用的用于对撞机正电子产率优化的注入器结构。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种用于对撞机正电子产率优化的注入器结构，包括射频电子枪、热电子枪、多段s波段电子直线加速器、中部电子直线加速器，还包括偏转结构、正电子源、正负电子分离器和正电子阻尼环，所述正负电子分离器和正电子阻尼环设于偏转结构内，所述注入器各个部件之间通过束流传输的真空管道连通，所述注入器末端设有增强器，第三s波段电子直线加速器与第二s波段电子直线加速器之间连接设有周转回路传输线，所述周转回路传输线的左端部连接设有正电子阻尼环，所述周转回路传输线g由两个tba结构设计组成。

3、作为改进，所述正负电子分离器由4块二极磁铁组成，磁铁长度0.25m，偏转角度6°。

4、作为改进，所述第三s波段电子直线加速器借助“大孔径s波段”加速结构(“largeaperture s-band”,las)设计其lattice结构，整体结构的设计根据如下公式计算完成：

5、

6、

7、其中，ra表示加速结构孔径大小，σx,y表示束流横向尺寸，β表示束流包络函数，ε表示束流发射度，表示束流横向归一化发射度，γ表示洛伦兹因子。

8、作为改进，所述偏转结构包括两段分别由四块二极磁铁构成的chicane偏转结构，共计六块偏转角度10°长度2m的二极磁铁，由粒子运动的磁刚度公式bρ＝mv/q(b磁感应强度，ρ偏转半径，mv粒子动量，q电子电荷)对不同强度电子束设置不同长度。

9、作为改进，还包括设于偏转结构右端部的第四s波段电子直线加速器，所述偏转结构由六块偏转角度30°的二极磁铁实现电子束的更大角度偏转，由粒子运动的磁刚度公式bρ＝mv/q(b磁感应强度，ρ偏转半径，mv粒子动量，q电子电荷)对不同强度电子束设置不同长度。

10、作为改进，所述射频电子枪发射电子束流，经过两段s波段电子直线加速器后，经过所述偏转结构进入第三s波段电子直线加速器加速后注入增强器内。

11、作为改进，所述热电子枪产生入射的电子束与射频电子枪的束流共用两段s波段电子直线加速器，穿过左端部二极磁铁打靶正电子源产生所需的正电子束，通过l波段电子直线加速器预加速后通过所述正负电子分离器分离正电子，正电子通过周转回路传输线注入正电子阻尼环进行束流冷却降低发射度随后依次经过第二s波段电子直线加速器与偏转结构经过第三s波段电子直线加速器加速后注入增强器内。

12、所述正电子源由正电子靶及磁通聚集器组成，可以选用常规方案：钨靶+绝热匹配装置(adiabatic matching device)，中部电子直线加速器选用s波段电子直线加速器或l波段电子直线加速器。

13、本发明与现有技术相比的优点在于：通过增加偏转结构，并利用大孔径加速结构重新设计正电子加速器，同时新增周转回路传输线，将正电子的产生、加速、品质优化的过程与电子分离开来，在控制成本的基础上，更有针对性地优化了正电子束流的传输效率，提升了注入器的正电子产率。

技术特征：

1.一种用于对撞机正电子产率优化的注入器结构，包括射频电子枪、热电子枪、多段s波段电子直线加速器、中部电子直线加速器，其特征在于：还包括偏转结构、正电子源、正负电子分离器和正电子阻尼环，所述正负电子分离器和正电子阻尼环设于偏转结构内，所述注入器各个部件之间通过束流传输的真空管道连通，所述注入器末端设有增强器，第三s波段电子直线加速器与第二s波段电子直线加速器之间连接设有周转回路传输线，所述周转回路传输线的左端部连接设有正电子阻尼环，所述周转回路传输线g由两个tba结构设计组成。

2.根据权利要求1所述的一种用于对撞机正电子产率优化的注入器结构，其特征在于：。所述正电子源由正电子靶及磁通聚集器组成。

3.根据权利要求1所述的一种用于对撞机正电子产率优化的注入器结构，其特征在于：所述中部电子直线加速器选用s波段电子直线加速器或l波段电子直线加速器。

4.根据权利要求1所述的一种用于对撞机正电子产率优化的注入器结构，其特征在于：所述正负电子分离器由4块二极磁铁组成，磁铁长度0.25m，偏转角度6°。

5.根据权利要求1所述的一种用于对撞机正电子产率优化的注入器结构，其特征在于：所述第三s波段电子直线加速器借助“大孔径s波段”加速结构(“large aperture s-band”,las)设计其lattice结构，整体结构的设计根据如下公式计算完成：

6.根据权利要求1所述的一种用于对撞机正电子产率优化的注入器结构，其特征在于：所述偏转结构包括两段分别由四块二极磁铁构成的chicane偏转结构，共计六块偏转角度10°长度2m的二极磁铁，由粒子运动的磁刚度公式bρ＝mv/q(b磁感应强度，ρ偏转半径，mv粒子动量，q电子电荷)对不同强度电子束设置不同长度。

7.根据权利要求1所述的一种用于对撞机正电子产率优化的注入器结构，其特征在于：还包括设于偏转结构右端部的第四s波段电子直线加速器，所述偏转结构由六块偏转角度30°的二极磁铁实现电子束的更大角度偏转，由粒子运动的磁刚度公式bρ＝mv/q(b磁感应强度，ρ偏转半径，mv粒子动量，q电子电荷)对不同强度电子束设置不同长度。

8.根据权利要求1所述的一种用于对撞机正电子产率优化的注入器结构，其特征在于：所述射频电子枪发射电子束流，经过两段s波段电子直线加速器后，经过所述偏转结构进入第三s波段电子直线加速器加速后注入增强器内。

9.根据权利要求8所述的一种用于对撞机正电子产率优化的注入器结构，其特征在于：所述热电子枪产生入射的电子束与射频电子枪的束流共用两段s波段电子直线加速器，穿过左端部二极磁铁打靶正电子源产生所需的正电子束，通过l波段电子直线加速器预加速后通过所述正负电子分离器分离正电子，正电子通过周转回路传输线注入正电子阻尼环进行束流冷却降低发射度随后依次经过第二s波段电子直线加速器与偏转结构经过第三s波段电子直线加速器加速后注入增强器内。

技术总结
本发明公开了一种用于对撞机正电子产率优化的注入器结构，包括射频电子枪、热电子枪、多段S波段电子直线加速器、中部电子直线加速器，还包括偏转结构、正电子源、正负电子分离器和正电子阻尼环，所述正负电子分离器和正电子阻尼环设于偏转结构内，所述注入器各个部件之间通过束流传输的真空管道连通，所述注入器末端设有增强器，第三S波段电子直线加速器与第二S波段电子直线加速器之间连接设有周转回路传输线，所述周转回路传输线的左端部连接设有正电子阻尼环。本发明与现有技术相比的优点在于：为了改善现存对撞机正电子系统灵活性不足及产率较低的问题，本发明提出了一种稳定高效、经济实用的用于对撞机正电子产率优化的注入器结构。

技术研发人员：白博文,赵琳,赵锐,熊杰,陈洪生,李瑨,冷雪松
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15