质子加速器基础

课程编码：180208082703P2007H 英文名称：Fundamentals for Proton Accelerators 课时：40 学分：2.00 课程属性：专业核心课 主讲教师：唐靖宇等

本课程为加速器物理和加速器技术方向的硕士/博士研究生的学位课程，对学习粒子物理、核物理、核技术应用和核工程方向的学生也是很有益的。本课程与核学院开设的另外3门加速器课程-加速器物理、粒子加速器技术（I和II）和重离子加速器物理与技术既有互相补充作用，也可以独立学习。本课程设立之初，国内加速器方向的课程是以介绍电子加速器为主、缺少对质子/重离子加速器相关理论和技术的介绍，因而研究生的知识结构存在一定的缺陷，且缺少与国际上主要的基于大型加速器装置的粒子物理和核物理研究以及多学科应用之间关联性的介绍。随着2000年以来，国内多个大型质子/重离子加速器装置的建造，如中国散裂中子源、加速器驱动核能系统（ADS）、兰州重离子加速器（回旋加速器和冷却储存环）、强流重离子加速器HIAF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、质子治疗加速器和小型中子源等，也考虑到我国已启动了未来的超级质子对撞机和加速器中微子束装置的前期研究工作，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学习，以及与粒子物理和核物理前沿之间的关联性学习。
通过本课程的学习，要求学生初步掌握质子/重离子加速器的基本知识，了解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以及粒子物理、核物理和多学科研究平台等主要应用方向对质子加速器发展的需求和推动作用，如散裂中子源、缪子源和中微子束、强子治疗装置、ADS、大型对撞机等重要应用方向。通过本课程的学习，了解粒子加速器研究同时作为基础研究方向也作为工程应用的特点，特别是大科学工程的特点。本课程特别注重介绍加速器研究和工程建设的国际发展动态，以及加速器物理与技术在实际加速器工程建设中的应用。

（非必要）加速器物理、加速器技术（I）

第一章 前言 1.5学时 唐靖宇
第1节 介绍本课程的特点、教学方法以及粒子加速器的发展简史和应用
第二章 质子加速器的特点和发展趋势 1.5学时 孟才
第1节 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。也介绍质子加速器的发展趋势特别是高功率质子加速器的发展。
第三章 质子直线加速器基本知识 6学时 孟才
第1节 介绍质子直线加速器的物理基础，如射频加速结构、束流纵向运动和横向运动、周期性聚焦结构等；介绍常见的质子直线加速器结构，如Wideroe型、DTL、RFQ、CCL等；介绍不同的超导加速结构，从低能段到高能段；介绍现代直线质子加速器的总体结构设计和束流动力学研究方法；介绍质子直线加速器的主要技术问题。
第四章 高功率质子直线同步加速器 3学时 孟才
第1节 介绍质子直线加速器在向强流和高功率方向发展时面临的束流物理和加速器技术问题。重点介绍空间电荷效应问题和各种导致束流品质变坏和束流损失的机制，以及相应的对策和设计方法；介绍相关加速器技术尤其是在低能端和超导结构方面的发展，以及向高功率发展的趋势等。
第五章 质子同步加速器基本知识 6学时 唐靖宇
第1节 简要介绍同步加速器中的横向运动和纵向运动，包括Lattice结构、色品、非线性效应、射频俘获、临界能量穿越等；重点介绍同步加速器的不同注入和引出方法，如单圈注入、多圈注入、H-剥离注入、单圈引出、慢引出等；介绍束流在相空间中的冷却方法和束流在环中的长时间储存方法；也介绍质子同步加速器的主要技术问题。
第六章 高功率质子同步加速器和累积环 6学时 唐靖宇
第1节 介绍高功率同步质子加速器中的加速器物理问题和加速器技术问题，主要涉及该类加速器中束流物理研究的特点、相空间涂抹注入和低束流损失的单圈引出、快加速和束团纵向操作、束流损失控制和准直方法、Lattice设计和功率升级方法，以及大量特殊要求的加速器技术，如大孔径和快循环磁铁、谐振网络电源、大孔径陶瓷真空盒、高功率加载射频腔和功率源、剥离膜和准直器、大孔径或快响应的注入引出磁铁等。
第七章 束流输运和束流操纵 6学时 孟才
第1节 介绍多级加速器之间或加速器到实验靶之间的束流传输以及在输运线上进行的各种束流操纵，如输运线束流光学设计的特点、束流在相空间的匹配和失配、束流的多路分束、束晕准直和动量分析、打靶束流分布的变换方法和横向发射度的均衡方法等。
第八章 质子加速器重要应用实例 6学时 唐靖宇
第1节 介绍基于大型质子加速器的几个重要应用方向和具体装置的设计和发展，在强流质子加速器方面，重点介绍世界各国发展的散裂中子源装置，也介绍ADS质子驱动器、中微子束质子驱动器、缪子源、质子对撞机的加速器设计特点和主要装置；在弱流质子束应用方面，重点介绍核物理和强子物理的外靶实验和质子-重离子治疗装置。
第九章 考试 3学时 孟才
第1节 考试

首席教授：唐靖宇，物理学博士，中国科大教授；
主讲教师：孟才，理学博士，高能所副研究员