Cyclotrons for high-intensity beams
Mike Seidel
本文综述了回旋加速器加速强流束的重要物理和技术问题。特别强调的是，讨论的光束损失机制和提取方案。
This paper reviews the important physical and technological aspects of cyclotrons for the acceleration of high-intensity beams. Special emphasis is given to the discussion of beam loss mechanisms and extraction schemes.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
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Beam Dynamics Simulation for the High Intensity DAEδALUS Cyclotrons
在DAEδALUS（Decay-At-rest Experiment for δCP studies At the Laboratory for Underground Science）项目中，提出了高功率H+2回旋加速器链，以有效地提供动能为800 MeV、平均功率在MW范围内的质子束。空间电荷在注入器和环形回旋加速器中都发挥着关键作用。大规模粒子模拟表明，注入器回旋加速器是一种空间电荷主导的回旋加速器，并且可以在隔膜上以可容忍的束流损失提取5 mA的束流电流。相比之下，在环形回旋加速器，没有空间电荷引起的束流损失期间观察到加速和提取。
Optimization of Beam Transmission in the extraction lines of the K130 Room Temperature Cyclotron at Variable Energy Cyclotron Centre (VECC), Kolkata
本文提出两阶段半数值优化框架，通过粒子模拟和CMA-ES算法提升回旋加速器束流传输效率，实验验证传输率超过70%。
New Beam Dynamics Code for Cyclotron Analysis
本文提出一种基于传输矩阵方法和二阶非线性哈密顿量解的回旋加速器束流动力学模拟方法，并开发了相应的回旋加速器设计程序。
Cyclotron Beam Extraction by Acceleration
回旋加速器设计和运行中的决定性问题之一是束流引出方法的选择。典型的方法是通过静电萃取器和通过汽提进行萃取。前一种方法需要DC高压电极，其因高压击穿而臭名昭著。后一种方法需要原子或分子离子束，这是臭名昭著的静止气体和洛伦兹剥离。本文讨论了使电子束完全通过快速加速离开等离子体回旋加速器磁场所需满足的条件。
Intensity Limit in Compact H$^-$ and H$_2^+$ Cyclotrons
紧凑型H $^-$回旋加速器在全球范围内用于生产医用同位素。具有外部离子源的机器已证明平均提取电流在几mA的数量级，尽管报告的操作数字通常在1 mA左右或更低。为了探索从这种回旋加速器中提取更多电流的可能性，重要的是要了解驱动强度极限的机制以及它们如何扩展。本文综述了紧凑型回旋加速器中心区束流动力学的一些关键问题，包括射频电聚焦和空间电荷效应。我们推导出的RF间隙电压，谐波数等的相位接受的缩放，我们还探讨了缩放与不同类型的离子，如H $^-$，H $_2^+$和H $_3^+$。我们讨论了中心区域电极的机械侵蚀的影响。本文以TR-30系列和TRIUMF 500 MeV小型H $^-$回旋加速器的实例和实验数据为参考。
Beam stripping interactions in compact cyclotrons
研究了氢离子束与残余气体和电磁场相互作用时的束剥离损失.这些过程在紧凑型回旋加速器中起着重要的作用，其中束在内部离子源上产生，并且它们在高磁场下操作。剥离相互作用的实施到束流动力学程序OPAL提供了一个足够的框架来估计剥离损失紧凑型回旋加速器，如AMIT。分析的重点是优化高能束流输送到目标。通过调整离子源的参数来调节加速器内部的真空度，并使束流剥离损失最小化。
Recent Developments in Simulations of an Inverse Cyclotron for Intense Muon Beams
最近的一些发展导致了反回旋加速器的模拟，用于冷却中微子工厂和μ子对撞机的强烈μ子束。这样的装置可以作为一种新型的μ子束流冷却机制，而且它比其他冷却通道设计要小得多，也更便宜。现实的设计仍在探索中，但在逆回旋加速器中的粒子跟踪的第一个模拟，在回旋加速器核心的积累，已经完成了静电模拟的粒子在细胞的代码VORPAL。我们提出了一个概述的μ子逆回旋的概念和最近的模拟结果。
Determination of lattice functions and 2nd-order transfer matrix for High Power Cyclotron
针对高功率回旋加速器设计需求，该研究从束流动力学描述出发，测定晶格函数并修订二阶非线性哈密顿量求解，进而开发了束流动力学仿真代码。
High intensity cyclotrons for neutrino physics
近年来，人们对超过几毫安的高强度质子束的兴趣已经上升。潜在的应用是在中微子物理学，材料和能源研究，以及同位素生产。由于加速器技术的进步和对束流动力学的更好理解，5到10毫安的连续波质子束现在已经可以实现。作为一个例子的应用程序，我们提出了建议的IsoDAR实验，寻找所谓的无菌中微子和非标准的相互作用，使用KamLAND探测器位于日本。我们提出了更新的灵敏度为这个实验，并详细描述了高强度质子驱动器，使用几个新的想法的设计。这些是：加速H2+而不是质子，通过射频四极杆（Quadrupole，RFID）将束直接注入回旋加速器，并仔细匹配束以实现所谓的涡旋运动。初步设计在PIC模拟研究中表现良好，注入器系统正在建造中，将与1 MeV的试验回旋加速器一起投入使用。
On Optical Properties Of Ion Beams Extracted From Electron Cyclotron Resonance Ion Source
利用NAM-ECRIS程序得到的离子在引出孔径处的初始分布，模拟了DECRIS-PM源的离子引出。对等离子体发射面进行了三维计算，并对引出区的离子进行了示踪。的离子束轮廓显示出强烈的畸变，由于等离子体弯月面的形状，空心束的功能再现，以及在不同的聚焦条件下的轮廓的变化。
Order-of-Magnitude Beam Current Improvement in Compact Cyclotrons
在粒子物理、医用同位素生产、材料和能源研究等领域，对小型粒子加速器产生的高强度质子束有着巨大的需求。为了满足这一需求，我们首次提出了一种紧凑型等离子体回旋加速器的设计，该回旋加速器将能够提供10 mA的60 MeV质子-比市场上的紧凑型回旋加速器高出一个数量级，比研究机器高出四倍。一个关键的突破是，涡流运动被纳入设计的回旋加速器，导致清洁提取。静电引出通道的隔板上的射束损失保持在50 W以下（比所需的安全极限低四倍），同时保持良好的射束质量。我们提出了一组高度精确的粒子模拟，和一个不确定性量化的选择束输入参数，使用机器学习，显示的鲁棒性的设计。这种设计可用于粒子和核物理、材料科学和医学物理实验以及工业应用中的束流。
Updated physics design of the DAEdALUS and IsoDAR coupled cyclotrons for high intensity H2+ beam production
地下科学实验室的δ- CP破坏静态衰变实验（DAEdALUS）和同位素静态衰变实验（IsoDAR）分别是在中微子区和“无菌”中微子区寻找CP破坏的实验。为了在5年内起决定性作用，中微子通量和驱动束流（由链式回旋加速器产生）必须很高。选择H2+作为主束离子，以减少电流，从而减少空间电荷。这具有允许在DAEdALUS超导环形回旋加速器（DSRC）的出口处进行汽提提取的附加优点。初级束流高于目前回旋加速器已经证明，这导致了我们在过去几年中合作的大量研发工作。我们介绍了这项研究的结果，包括原型测试和高度逼真的梁模拟，这导致了最新的基于物理的设计。所呈现的结果表明，在紧凑型回旋加速器中将5 mA的H2+加速到60 MeV/amu并且在DSRC中将其提升到800 MeV/amu是可行的，尽管具有挑战性，在这两种情况下都具有清洁提取。
Concept of Powerful Multistage Coaxial Cyclotron for Pulsed and Continuous Beam Production
本文介绍了具有分离轨道的大半径多级同轴回旋加速器的概念，它能产生能量为120-2000 MeV的质子束，脉冲功率为几十GW，连续功率为几百MW。加速射束损失必须小于0.1 W/m，以获得截取的平均射束功率线密度。该概念固有地被配置为主动补偿束聚束中的纵向和横向空间电荷膨胀。这些是基于（1）积极地改变束流加速平衡相位，同时保持等时性，独立地为每个回旋加速器匝;（2）独立地改变加速电压为每个匝连同轨道校正，保持等时性;（3）独立地改变横向电子感应加速器振荡调谐移位，以确保非共振操作。此外，（4）包括六极透镜以补偿色度效应。此外，这一概念是基于迄今为止在束流加速和存储技术中取得的实际成功结果的最佳利用。这种加速器可用于提供脉冲强中子源，而无需使用储存环，并驱动不同的嬗变技术。作为这样的回旋加速器系统的一个例子，我们描述了我们的方法，加速单束质子束在高达1 GeV的能量，脉冲束功率为80 GW和束持续时间为2 ns。示例性回旋加速器加速器系统被配置为位于6-GeV埃里温电子同步加速器的屏蔽结构中。这种回旋加速器系统的成本估计约为40，000，000美元，如果在亚美尼亚实施，大大降低劳动力成本。
Magnet design optimization of a 100 MeV separated sector medical cyclotron and its injection line
本文介绍了100 MeV分离扇区医用回旋加速器（SSMC）的磁场设计以及用于从方位变场（AVF）回旋加速器向SSMC输送14 MeV质子束流的注入线磁体的优化设计。研究表明，通过在极尖放置三组校正微调线圈，可以获得公差约为10-4 T的等幅磁场。Betatron振荡的结果足以验证磁场的聚焦力可以将粒子保持在磁体的中平面附近。为了使14 MeV回旋加速器的束流以最小的损失注入SSMC，束流必须符合分离扇形回旋加速器的接收椭圆。利用Trace-3D束流动力学程序对束流注入系统的特性进行了计算和优化。
Analytic fluid theory of beam spiraling in high-intensity cyclotrons
采用二维流体描述，研究了强流束在储存环和回旋加速器中的非线性径向-纵向动力学。多尺度分析分离的时间尺度与电子感应加速器的运动和较慢的时间尺度与空间电荷效应，我们表明，径向涡旋运动可以理解的框架中移动的带电束作为非线性平流的光束的$\mathbf{E}\times\mathbf{B}$速度场，其中$\mathbf{E}$是电场由于空间电荷和$\mathbf{B}$是外部磁场。这种解释为圆光束的稳定性和细长光束中螺旋晕的发展提供了简单的解释。通过数值求解束流密度的非线性对流方程，我们发现它也与PIC模拟中得到的结果定量一致。
New Harmonic Coils for Enhanced Beam Extraction at the U-120M Cyclotron
本文针对U-120M回旋加速器束流引出效率问题，设计并安装了位于最外层轨道半径约50 cm处的新型谐波线圈，结合进动与线性整数共振两种引出方法构建新型引出系统，并评估了其优缺点与引出效率。
Realistic Injection Simulations of a Cyclotron Spiral Inflector using OPAL
我们提出了一个升级的粒子在细胞离子束模拟代码OPAL，使我们能够运行高度逼真的模拟螺旋偏转系统的紧凑型回旋加速器。这次升级包括一个新的几何类和场求解器，可以处理粒子终止和自场计算方面的回旋加速器中心区域的电极系统所造成的复杂边界条件。结果是基准对惯性梁的分析解决方案。作为一个实际的例子，螺旋偏转器和1 MeV/amu测试回旋加速器，位于最佳回旋加速器系统公司，并与仿真结果进行了比较。我们发现，OPAL现在可以处理任意的边界几何形状相对容易。模拟注入效率的比较，和光束形状比较以及与测量的效率和注入后的光束分布的初步测量。
Intensity limits of the PSI Injector II cyclotron
我们调查的PSI注入器II高强度分离扇区等离子体回旋加速器的电流限制，在其目前的配置和建议的升级后。加速器驱动的次临界反应堆、中子和中微子实验以及医用同位素生产都受益于电流的增加，即使是在~ 10%的水平上：PSI回旋加速器提供了相关的经验。由于空间电荷在低束流能量下占主导地位，注入器是关键的。通过详细的数值模拟了解空间电荷效应和晕形成，为如何最大限度地提高提取电流提供了线索。模拟的空间电荷占主导地位的低能量高强度（9.5 mA DC）的机器，一个复杂的准直器设置在中央区域成形的束，是不平凡的。我们使用的OPAL代码，带电粒子光学计算的工具，在大型加速器结构和束线，包括三维空间电荷。我们有一个精确的模型，目前的生产）注射器II，工作在2.2毫安的电流。一个简单的模型，建议未来（升级）配置的回旋加速器也进行了研究。我们估计强度极限的基础上开发的模型，支持拟合的比例律和测量。我们已经能够进行更详细的分析，束参数和晕发展比以往任何研究。优化技术使模拟设置与Injector II参数和测量更好地匹配。我们表明，在生产配置的束流规模的权力与束的大小为3。然而，在较高强度下，4次幂缩放更适合，将限值设置为约3 mA。如果调整准直方案，可以产生高于迄今为止所实现的5 mA的电流。
Variable-Phase Asynchronous Cyclotron
本文介绍了一种可变相位异步回旋加速器（VPAC）的概念设计，它提供了加速质子或离子束的纵向束团压缩，从而允许在较高的加速效率下实现高电流加速，使可能的束流损失最小化，并放宽了加速器的机械公差。通过独立设置和改变加速相位和射频电压幅度、腔间谐波数和横向聚焦强度的能力来保证束流控制，这在很大程度上克服了所提出的回旋加速器的每个扇区和匝中的空间电荷效应。新的加速器概念特别适合于加速高达800兆电子伏的能量和平均束流在100毫安级的强质子束。所有加速器元件都是基于目前可用和可行的技术。为了证明设计的可行性，详细的计算和建模的10转VPAC原型生产的25.6 MeV，100 mA的质子束和新的加速器概念的主要特点进行了讨论。
Cyclotrons with Fast Variable and/or Multiple Energy Extraction
我们讨论的原则可能性剥离提取结合反向弯曲等熵分离扇区回旋加速器（和/或FFAGs）。如果在扇区之间使用反向弯曲（而不是漂移）并将剥离器箔放置在扇区出口边缘处，则剥离的束具有减小的弯曲半径，并且它应该能够在反向弯曲的范围内离开回旋加速器-即使束以小于全能量剥离。我们特别感兴趣的是$H_2^+$ -回旋加速器，它允许通过剥离使电荷质量比加倍。然而，该原理也可以应用于其他离子或电离分子。对于质子束的生产剥离提取的$H_2^+$ -束，我们讨论了可能的设计为三种类型的机器：第一个低能量回旋加速器的同时生产的几个光束在多个能量-例如15 MeV，30 MeV和70 MeV -从而允许有几个同位素生产目标上的束。在这种情况下，期望具有对所提取的波束的方向的强能量依赖性，从而允许同时运行多个目标站。其次，我们考虑用于癌症治疗的快速可变能量质子机，其应当允许在约70 MeV至约250 MeV的范围内的所有能量下将（完整射束的）提取到相同射束线中。第三，我们考虑高强度高能量机器，其主要设计目标是以低损耗、低部件激活和高可靠性进行提取。为这些优点付出的代价是与具有最终能量的标准提取的质子机器相比，尺寸和/或场强增加。
Cyclotron Maser Cooling towards Coherent Particle Beams
本文提出回旋加速管微波激射冷却（CMC）新方案，通过共振射频场使相对论性回旋电子束跃迁至相干辐射系统，实现电子在相同回旋相位的离散能量积累，从而生成可用于控制粒子反应及产生相干X射线和伽马射线的相干粒子束。
An RFQ Direct Injection Scheme for the IsoDAR High Intensity $\mathrm{H}_2^+$ Cyclotron
IsoDAR是一种新的实验，旨在通过$\barν_e$消失来测量中微子振荡，从而提供对无菌中微子的明确搜索。为了产生必要的反中微子流，需要高强度的初级质子束。在IsoDAR中，$\mathrm{H}_2^+$被加速并在靶之前被剥离成质子，以克服注入时的空间电荷问题。作为设计的一部分，我们已经改进了一个旧的建议，使用一个注入器轴向注入聚束$\mathrm{H}_2^+$离子到驱动回旋加速器。该方法与经典的低能束传输（LEBT）设计相比具有几个优点：（1）聚束效率高于先前考虑的双间隙聚束器，因此总注入效率更高。这放松了对离子源所需的$\mathrm{H}_2^+$电流的约束。(2)可以减小LEBT的总长度。(3)电子束也能加速离子。这使得离子源平台的高电压从70 kV降低到15 kV，使地下安装更容易。我们提出的初步设计参数和第一束动力学模拟从离子源的螺旋偏转入口。
Transverse-Longitudinal Coupling by Space Charge in Cyclotrons
本文提出了一种计算回旋加速器中含有空间电荷的匹配光束参数的方法，着重考虑了横纵耦合的影响。本文导出了方位对称回旋加速器模型的横纵耦合方程和相应的一阶频移方程。计算了梁的特征椭球，并将传递矩阵变换为块对角形式。考虑了相位曲线斜率对横向-纵向耦合的影响。对结果进行了推广，并给出了AVF回旋加速器情况下的数值计算方法。将该算法应用于PSI注入器II和环形回旋加速器，并将结果与TRANSPORT进行比较。
Intelligent Low-level RF System by Non-destructive Beam Monitoring Device for Cyclotrons
用于医疗诊断和治疗的10MeV PET回旋加速器项目于2012年在Amirkabir技术大学启动。回旋加速器的低电平射频系统主要用于稳定加速电压和控制腔体谐振频率。本文利用束流监测装置和窄带可调谐带通滤波器，设计了适用于大多数AVF回旋加速器的智能低电平射频电路。在本设计中，对于射频相位的检测不需要通过单片机进行信号处理
Status of the NSCL Cyclotron Gas Stopper
一个充满气体的反向回旋加速器的热化高能束正在建设中，在NSCL/MSU。在飞行分离后通过射弹碎裂产生的稀有同位素将被注入该装置，并在它们向装置中心螺旋运动时通过缓冲气体相互作用转化为低能束。提取的热束将用于低能实验，例如使用陷阱或激光光谱进行精确质量测量，以及进一步传输以进行再加速。详细的计算已被执行，以优化的磁场设计，以及传输和停止的气体内的离子。将使用RF地毯将热离子传输到轴向提取点。计算表明，回旋气体塞将是更有效的轻和中等质量的离子热化相比，线性气体电池。在这篇文章中，我们将讨论模拟的整体性能和验收的机器，光束匹配计算的碎片分离器发射度，和建设的状态。
Update on the IsoDAR 60 MeV/amu Cyclotron Acceleration Simulations
在本技术报告中，总结了DAE $δ$ ALUS协作组成员在IsoDAR紧凑型等离子回旋加速器中模拟5 mA H2+加速的工作。研究结果表明，在束能量达到2 MeV/amu之前，通过仔细放置准直器刮去晕粒子，可以在初始匹配的束和失配的束之间实现足够的（N-1）圈和第N圈之间的分离。这里我们将“足够”定义为隔膜上的< 200 W光束损失。在加速模拟中，准直器上的光束损失根据初始光束条件从10%到25%不等。准直器放置在中心区域，光晕的形成，并在最后一个转弯处的转向分离进行了讨论。最后，一个计划，以进一步减轻光束损失的风险提取隔膜放置在前面的窄剥离箔进行了调查。我们还介绍了分包给AIMA公司的一项单独研究的结果，该公司研究了通过螺旋偏转器注入H2+离子并将其加速四圈。在这里，2 MeV/amu之前报告的束流损失为58%，但聚束没有进一步加速，因此我们没有将其报告为最终结果。
Optimization and numerical simulation for the accelerator of the commercial H- cyclotron ion source
本文介绍了为CYCLONE 30商用回旋加速器研制的一种新的离子源，该离子源的性能比原离子源有了很大的提高。新设计的离子源具有非常大的透明度，而不会使束流光学劣化，该束流光学被设计为以30 keV递送H束。离子源的等离子体发生器是轴向尖桶型的，并且除了阴极灯丝和等离子体电极侧之外，整个内壁用作阳极。加速器组件由三个由铜制成的圆孔电极组成。模拟研究的重点是找到尽可能大的提高光束透射率和尽可能小的降低光束发散角的参数设置。从模拟结果可知，通过使等离子体电极（G1）薄型化、缩短第一间隙（G1-G2）、调整G2电压，能够实现该目的。
Beam Dynamics in High Intensity Cyclotrons Including Neighboring Bunch Effects: Model, Implementation and Application
空间电荷效应作为最重要的集体效应之一，在强流回旋加速器中起着重要的作用。然而，对于回旋加速器与小匝分离，其他现有的影响是同样重要的。径向相邻的聚束的相互作用也存在，但它们的组合效应尚未得到任何详细的研究。本文首次提出了一种新的基于单胞粒子的自洽数值模拟模型。该模型涵盖了相邻束效应，并实现了三维面向对象的并行代码OPAL-cycl，风味的OPAL框架。我们讨论这个模型连同其实施和验证。模拟结果从PSI 590兆电子伏环形回旋加速器的背景下，正在进行的高强度升级计划，其目的是提供一个1.8兆瓦（CW）的光束功率在目标目的地。
Vortex dynamics and shear layer instability in high intensity cyclotrons
我们证明了在回旋加速器中，强流束在垂直于磁场的平面内的空间电荷动力学可用二维不可压缩流体的欧拉方程描述。与流体动力学的这种类比给出了一个统一且直观的框架来解释实验和模拟中观察到的光束螺旋和光束分裂行为。特别是，我们表明，光束分裂是一个经典的不稳定性发生在流体剪切流的结果。我们给标度律的不稳定性和预测的非线性演化的光束受it. Our工作表明，回旋加速器可能是唯一适合的剪切层和涡旋分布的实验研究，是无法实现的潘宁-Malmberg陷阱。
High current $\mathrm{H}_2^+$ beams from a filament-driven multicusp ion source
最近，使用$\mathrm{H}_2^+$离子代替质子来克服紧凑型回旋加速器中的空间电荷挑战受到了广泛关注。这项技术有可能将紧凑型回旋加速器的可用束流增加一个数量级，为能源研究，医学同位素生产和粒子物理学的应用铺平道路，例如通过IsoDAR实验决定性地寻找无菌中微子。对于IsoDAR，我们不仅仅使用$\mathrm{H}_2^+$，还通过嵌入在回旋加速器轭中的射频四极（Radio Frequency Quadrupole，缩写为QF）添加了预聚束。这对离子源提出了束纯度和束质量限制，迄今为止还没有公开的离子源同时证明了这一点。在这里，我们报告的结果，从一个新的multicusp离子源（MIST-1），产生世界上最高的稳态电流的$\mathrm{H}_2^+$从这种类型的离子源（1毫安），具有极低的发射率（0.05 $π$ -毫米-毫拉德，RMS，归一化）和高纯度（80% $\mathrm{H}_2^+$）。这一结果表明，使用多尖锥离子源的IsoDAR和直接注入原型的可行性，并铺平了道路，以记录打破连续波（cw）5 mA $\mathrm{H}_2^+$（相当于10 mA质子）从紧凑型回旋加速器，理想的地下安装的束流。这代表了一个重大的进步，特别是对中微子物理和高功率回旋加速器设计的影响。
Modelling challenges of the high power cyclotrons for the DAE$δ$ALUS project
设计研究，加速器模块的基础上，能够加速H $_2^+$分子的注入式回旋加速器和超导环形回旋加速器，提出。H $_2^+$分子被箔剥离，产生质子束，最大能量为800 MeV，束功率为8 MW（CW）。该束流将被发送到束流收集器，在那里中微子将从静止的π介子和μ子衰变中产生，用于地下科学实验室- DAE $δ$ ALUS的$δ_{CP}$静止衰变实验。我们讨论了H $_2^+$分子在加速方面的优势，并给出了精确的束流动力学模拟。提取和光束损失。通常，束流损失是这种高功率回旋加速器设计中最具挑战性的部分之一，并且必须在设计的早期就解决。我们还解决了H $_2^+$解离和剥离过程，这是DAE $δ$ ALUS设计中的另外两个特征性挑战。
Cyclotrons: Magnetic Design and Beam Dynamics
介绍了经典、等离子和同步回旋加速器。在这些加速器的横向和纵向束动力学覆盖。本文较详细地讨论了紧凑型等电子回旋加速器的垂直聚焦和等时性问题。讨论了回旋加速器磁场等时化的不同方法。解释了经典回旋加速器的局限性。同步回旋加速器的典型特征，如束流捕获问题，稳定的相位运动，和提取问题进行了讨论。束注入的主要设计目标的解释和特殊的问题与内部离子源的中心区域被认为是。介绍了潘宁离子规源的工作原理。简要讨论了回旋加速器中心的垂直聚焦问题。给出了几个数值模拟的例子。简要概述了（轴向）注射的不同方法。描述了用于光束提取的不同解决方案。这些包括内部目标、剥离提取、使用偏转器的共振提取、再生提取和自提取。解释了创建转弯间隔的不同方法。不同类型的提取设备，如谐波线圈，偏转器，和梯度校正通道，概述。给出了回旋加速器磁设计的一些一般性考虑，并讨论了现代磁建模工具的使用，以及一些说明性的例子。选择一种方法，其中重点不在于完整性和严格性（因为这已经完成），而更多地在于解释和说明医用回旋加速器中使用的主要原理。有时候会采取更工业化的观点。复杂公式的使用是有限的。
Multimegawatt DAE$δ$ALUS Cyclotrons for Neutrino Physics
DAE $δ$ ALUS（地下科学实验室$δ_{CP}$研究的静态衰变实验）提供了一种新的方法来寻找中微子部门的CP破坏。高功率连续波质子回旋加速器有效地提供了必要的质子束，能量高达800 MeV，从静止的π介子和μ介子衰变中产生中微子。该实验在与大气$Δm^2$区域相对应的短基线处搜索$\barν_μ \rightarrow \barν_e$。将通过逆β衰变检测$\barν_e$。因此，回旋加速器将用于未来的超大型掺钆水或闪烁体探测器。在本文中，我们解决了最具挑战性的问题，回旋加速器为基础的高功率质子驱动器在兆瓦级的动能为800兆电子伏。离子源和注入链，磁铁设计和射频系统等重要的子系统方面将得到解决。精确的束流动力学模拟，包括空间电荷和$\text{H}_2^+$剥离过程，是表征和量化束晕的基础--束晕是高功率粒子加速器中最具限制性的过程之一。
The longitudinal energy spread of ion beams extracted from an electron cyclotron resonance ion source
本文通过模拟与RFA实验研究CB-ECRIS引出离子束的纵向能散，揭示静电聚焦主导机制，并给出等离子体电势随磁场和微波功率升高的规律。
Analysis of a Cyclotron Based 400 MeV/u Driver System for a Radioactive Beam Facility
强放射性核束的产生需要强而高能的原束。一个工作队对这一问题的分析建议，一个能够在1粒子uA下发射400 MeV/u铀的加速系统是这种设施的适当驱动器。驱动器系统应该能够以更高的强度加速更轻的离子，使得维持恒定的最终束功率（~ 100 kW）。本文件是一个更详细的后续对这种系统的前面的分析，包括回旋加速器。所提出的驱动器预加速系统由离子源、射频四极杆和直线加速器链组成，能够产生30 MeV/u的最终能量和Q/A ~1/3的电荷（Q）/质量（A）。该加速系统之后将是最终输出能量为400 MeV/u的分离扇区回旋加速器。与具有相同初级束输出参数的完全直线加速器系统相比，该系统在初始资本投资以及操作方面提供了更具成本效益的解决方案。
Design and commissioning of a high-level control system for a medical isochronous cyclotron
本文介绍了为应对MEDICYC医用等时性回旋加速器子系统老化问题，于2021-2024年开发并调试的新型高级控制系统，其负责束流产生输送的协调及数据监测与故障检测，并阐述了软件架构与部署基础设施。
CW high intensity non-scaling FFAG proton drivers
加速器在基础科学、技术和医学中发挥着越来越重要的作用，包括核能、工业辐照、材料科学和中微子生产。特别是质子和光离子加速器具有许多研究，能源和医疗应用，为许多类型的癌症提供了最有效的治疗方法之一。超高强度高能质子驱动器是加速器驱动次临界反应堆（ADS）和许多HEP计划（μ子对撞机）的关键技术。这些高强度GeV范围的质子驱动器特别具有挑战性，在同步加速器中遇到占空比和空间电荷限制，在弱聚焦回旋加速器中遇到机器尺寸问题; 10-20 MW质子驱动器目前被认为在技术上无法用传统的再循环加速器实现。一种尚未开发的再循环加速器，即固定场交变梯度加速器（FFAG），是回旋加速器的一种有吸引力的替代品。其强大的聚焦光学系统预计将减轻空间电荷效应，最近的设计创新将稳定的调谐与等轨道耦合，使FFAG能够像经典回旋加速器一样进行固定频率的CW加速。本文报道了这些新的进展FFAG加速器技术和参考先进的建模工具，为固定场加速器开发的和独特的代码COSY INFINITY。
Towards Quantitative Simulations of High Power Proton Cyclotrons
PSI操作一个基于回旋加速器的高强度质子加速器，平均束流功率为1.3MW。有了这种力量，该设施处于世界高强度质子加速器的最前沿。束流实际上受到提取时的损失和由此产生的加速器部件的激活的限制。进一步的强度升级和旨在更高平均光束功率的新项目，只有在相对损耗可以按比例降低，从而将绝对损耗保持在恒定水平的情况下才有可能。将束流损失保持在允许手动维护的水平是任何高功率质子机设计和操作中的主要挑战。因此，在这些水平上预测束晕是一个巨大的挑战，将在本文中解决。高功率强子驱动器在许多科学领域都有着广泛的应用，近年来，人们对高功率强子驱动器的回旋加速器技术越来越感兴趣。本文将简要介绍OPAL，一个精确的束流动力学模拟工具，包括三维空间电荷。OPAL的风格之一（OPAL循环）是致力于高功率回旋加速器建模，并在更详细的解释。然后，我们解释如何获得我们的PSI环回旋加速器的初始条件，仍然提供了1.3兆瓦的连续波（CW）的束功率的世界纪录。几个关键步骤的解释是必要的，能够预测尾巴的水平3σ... PSI环回旋加速器中的4σ。我们比较我们的结果在提取与测量，获得了1.18兆瓦的连续波生产光束。基于测量数据，我们开发了一个简单的线性模型来预测作为强度的函数的提取光束的光束尺寸，并通过模拟来确认该模型。
Preliminary Design Study of High-Power H2+ Cyclotrons for the DAEdALUS Experiment
本报告提供了第一个设计的H2+加速器作为DAEdALUS中微子源。提供了从离子源到提取束的系统的所有方面的描述。分析提供了一个完整的回旋加速器系统，它可以提供必要的束流功率的CP破坏搜索DAEdALUS合作提出的原则的第一个证明。
Matching of turn pattern measurements for cyclotrons using multi-objective optimization
使用数值模型研究粒子束的演化是粒子加速器设计过程中的一个重要步骤。然而，输入量（如束流能量和磁场）的不确定性导致模拟结果与测量结果不完全一致，因此，最终的机器将表现出与模拟略有不同。在回旋加速器的情况下，这种差异会影响整个转弯模式，甚至可能改变PSI环回旋加速器装置中可能损害等时性的匝数误差由18个微调线圈提供的附加磁场补偿。这些线圈通常在模拟中没有出现或其实现非常简单。本文提出了一种新开发的粒子加速器框架OPAL内的实际微调线圈模型，用于匹配PSI环回旋加速器的匝数模式。由于由48个设计变量组成的高维搜索空间（模拟输入参数）和182个目标（即转弯）模拟和测量不能以直接的方式匹配。一个进化的多-采用每代超过8000个个体的群体大小与局部搜索方法一起进行目标优化，将最大绝对误差降低到4.54 mm共182个转弯
The IsoDAR High Intensity H$_2^+$ Transport and Injection Tests
本技术报告回顾了在Best Cyclotron Systems，Inc.进行的测试。在开发一种具有成本效益的离子源、束线传输系统和加速系统方面，该设施能够为IsoDAR（静止同位素衰变）实验提供高H $_2^+$电流输出。我们首先概述了IsoDAR实验的要求，然后概述了多功能离子源，低能束流传输系统，螺旋偏转器和回旋加速器。然后讨论了实验测量结果，并与一组完整的模拟研究结果进行了比较。特别重要的是，我们注意到，多功能离子源（VIS）被证明是一个可靠的离子源，能够产生大量的H $_2^+$电流。结果表明，随着进一步升级，VIS可能成为IsoDAR的合适候选者。结论概述了我们测试的主要结果，并介绍了本技术报告所激励的即将开展的工作。
Algorithms and Methods for High Precision Computer Simulations of Cyclotrons for Proton Therapy: The Case of SC202
有效和准确的计算机模拟在加速器设计和生产中非常重要。回旋加速器研制中最困难也是最重要的任务是磁场模拟。有必要实现高于真实磁体中的磁场的公差的模型的精度。回旋加速器的磁体和其他系统的精确模型使我们能够通过整个加速器从离子源到提取执行束流跟踪。虽然在研发的后期阶段需要高精度，但高性能的模拟和快速分析并将更改应用于项目的能力在项目的早期阶段发挥着关键作用。已经创建了用于磁体模拟的高精度和性能的技术和算法，并用于开发用于质子治疗的SC202回旋加速器，该回旋加速器正在由JINR（俄罗斯杜布纳）和ASIPP（中国合肥）合作生产。
Report of the Snowmass'21 Workshop on High-Power Cyclotrons and FFAs
本白皮书总结了国际专家在为期三天的同名研讨会上讨论的高功率回旋加速器和FFA领域的现状。该研讨会于2021年9月7日至9月9日在线举行，作为美国斯诺马斯21社区演习的一部分，特别是加速器前沿（AF）和中微子加速器子面板（AF 02）。因此，我们把重点放在高功率回旋加速器在粒子物理学，特别是中微子物理学中的应用，并作为μ子生产的驱动程序。在引言中，我们讨论了回旋加速器在粒子物理学中的作用，随后我们将在相应的章节中重点介绍现有的和计划中的实验。然而，由于这些相同的加速器在同位素生产领域有重要的应用-无论是研究还是医学-甚至可能在能源研究中，通过在加速器驱动系统（ADS）领域提供束流演示实验，我们包括这些影响深远的主题，以提供高功率回旋加速器的现状和应用的全貌。此外，固定场交变梯度加速器（FFA）最近重新引起了人们的兴趣。它们在许多方面（基本工作原理）与回旋加速器相似，因此也包含在本研讨会和白皮书中。我们正在讨论当前的项目，以及FFA是否有成为高强度机器的前景。
Study of SPIRAL 2 High intensity Radiofrequency Cooler: Cooling of very high intensity ion beams
本文以螺旋-2型强流辐射制冷机样机（SHIRaC）为研究对象。
Controlled turbulence regime of electron cyclotron resonance ion source for improved multicharged ion performance
强非等离子热等离子体的动力学不稳定性的激发和非线性演化限制在开放的磁阱的基础研究提出了传统的电子回旋共振（ECR）离子源的微调的新机会。这些装置广泛用于产生高电荷态离子的粒子束。在受控湍流状态下操作离子源允许增加吸收功率密度，并且因此增加由ECR表面包围的放电的密集部分中的体积等离子体能量含量，这导致高电荷状态离子的增强的束电流。我们报告的实验在ECR离子源在JYFL加速器实验室，其中采用一种新的方法，允许增加多电荷离子束电流高达两倍，例如95 $μ$ A的O $^{7+}$实现仅280 W的功率在11.56 GHz。一个理论模型支持和解释的实验结果。这项研究表明，受控湍流制度有可能提高现代高性能离子源的束流，包括最先进的超导设备。
Relativistic Lagrangian and Hamiltonian Description of a Beam with Space-Charge
H.~提出的辛粒子算法的应用秦{ \it等}回旋加速器中的空间电荷
The MIST-1 and MIST-2 multicusp ion sources for high-current H$_2^+$ beams
本文介绍了为HCHC-XX紧凑型回旋加速器设计的两代多尖点离子源MIST-1与MIST-2，重点阐述MIST-2的改进设计，并通过实验将总引出电流提升至7 mA，达到MIST-1的2倍。
From Beam to Bedside: Reinforcing Domestic Supply of $^{99}$Mo/$^{99m}$Tc using Novel High-Current D+ Cyclotrons for Compact Neutron Generation and $^{99}$Mo Production
利用新型高流强D+回旋加速器实现国内$^{99}$Mo/$^{99m}$Tc供应，减少对外国反应堆和高浓缩铀的依赖。
Selected List of Low Energy Beam Transport Facilities for Light-Ion, High-Intensity Accelerators
本文介绍了用于轻离子、高强度加速器的低能束流输运（LEBT）装置。将其放在一起是为了便于与PXIE LEBT设计选择进行比较。下面简要讨论了在选择传输方案时束流导系数的重要性。
Experimental Estimate of Beam Loading and Minimum rf Voltage for Acceleration of High Intensity Beam in the Fermilab Booster
射束所见的射频电压与匹配助推器磁场变化率所需的加速电压之间的差异用于估计每圈射束的能量损失。由于射频电压（RFSUM）和同步相位可以通过实验测量，因此可以使用它们来计算有效加速电压。此外，RFSUM减少技术已被应用到测量实验的RFSUM限制在光束损失开始。有了束流能量损失的信息，运行条件，特别是高强度束流的运行条件，就可以得到优化，从而从费米实验室助推器获得更高强度的束流。
Specific instrumentation and diagnostics for high-intensity hadron beams
本文综述了用于强流强子束的各种典型仪器。此外，还讨论了几种对这类光束有特殊意义的重要诊断方法。
High-intensity single-bunch electron beam generation with the 38 MeV L-band linac in Osaka University
研究了大坂大学科学工业研究所38 MeV L波段电子直线加速器的高强度单束团电子束流特性。
Electron beam emittance at operational intensity in fourth-generation synchrotron light sources
本文研究第四代同步辐射光源在运行强度下发射度随能量和强度的变化，综合束内散射、阻抗效应和谐波腔束团拉伸，以确定最优参数组合。
Simulations of high intensity ions beam RFQ Cooler for DESIR SPIRAL 2
本文介绍了在SPIRAL 2/WGRR装置上安装的SHIRaC（SPIRAL-2高强度射频冷却器）项目中采用的新一代缓冲气体射频冷却器对高强度离子束的冷却模拟。研究了考虑空间电荷效应和缓冲气体扩散时冷却过程的两种模拟方法。讨论了这些效应对光束传输效率、纵向扩展能量和横向发射度的影响。最后，对强度达到1 μ A的Cs~+离子束的透射率进行了模拟和实验比较。
Generalized Kapchinskij-Vladimirskij Distribution and Beam Matrix for Phase-Space Manipulations of High-Intensity Beams
在非耦合线性晶格系统中，基于单粒子Courant-Snyder（CS）不变量制定的Kapchinskij-VladimirskijKV分布已成为分析平衡、稳定性和输运性质的基本理论基础。过去几十年来的高强度光束。然而，最近的高强度光束的应用，需要通过故意引入强耦合的光束相空间操纵。在这封信中，我们报告了KV模型的全面推广，包括所有的线性（外部和空间电荷）耦合力，光束能量变化，和任意的发射度分区，这些都形成了相空间操纵的基本要素。新的广义KV模型产生空间均匀的密度分布和相应的线性自场力所需的。相应的矩阵包络方程和光束矩阵的广义KV模型提供了重要的新的理论工具的详细设计和分析的高强度光束操纵，其中以前的理论模型是不容易适用的。
High Power, High Energy Cyclotrons for Decay-At-Rest Neutrino Sources: The DAEdALUS Project
中微子物理是当今研究的前沿课题。安装在地下的大型探测器利用飞行中衰变的μ子产生的中微子束研究中微子特性。DAEDALUS观察来自停止μ子的中微子，即“静止衰变”（DAR）中微子。DAR中微子谱实际上没有电子反中微子（基本上所有的π-都被吸收），因此具有自由质子的探测器对通过逆β衰变（IBD）从nu-mu-bar振荡的nu-e-bar的出现很敏感。振荡是使用相对接近探测器的源来研究的，但它探索了与长基线实验中的高能中微子束相同的物理学。由于DAR光谱是固定的，基线是不同的：计划要求在1.5、8和20公里处使用3个基于加速器的中微子源，并错开光束开启时间。紧凑的，具有成本效益的超导环形回旋加速器加速分子氢离子（H2+）到800 MeV/n的剥离提取正在设计的L。加尔各答和他的团队。这种革命性的设计可以在许多与ADS相关的领域中找到应用。
Studies of Beam Intensity Effects in Fermilab Booster Synchrotron
有害的束流动力学效应限制了高强度快速循环同步加速器（RCS）的性能，如8 GeV质子费米实验室助推器。在这里，我们报告的各种光束强度依赖效应的综合实验研究结果的助推器。在第一部分中，我们报告的依赖关系的助推器光束强度损失的质子每脉冲的总数和关键的操作参数，如机器的曲调和色度。然后，我们对束流发射度的两种测量方法（多丝正比室和电离剖面监测器）进行了交叉检验。最后，利用强度相关发射度增长效应分析了在最大空间电荷调谐参数Qsc = 0.6，注入能量从0.4GeV提高到0.8GeV的情况下，该装置的最终性能。
Applying Synchrotron Phase Measurement to the Estimation of Maximum Beam Intensity in the Fermilab Booster
重要的是要有实验方法来估计费米实验室助推器的最大束流强度，作为长期计划承诺的客观投入。一个重要的现有限制是由可用的射频功率设定的。由于实际的纵向阻抗并不为人所知，因此很难先验地设定该限制。利用山脉图和直接测量射频加速电压相对于束流的相位测量了跃迁交叉处的同步相位，结果一致。应用它们预测6E12在当前运行条件下的最大助推器束流强度。
Beam Intensity Limitations in Future Multi-Bend Achromat Light Sources
针对第四代6 GeV多弯铁消色差光源的束流强度限制问题，研究发现其发射度已近理论极限，提出仅靠提升束流能量才能进一步降低发射度、提高辐射亮度，并梳理了相关设计与技术挑战。
A study of coherent and incoherent resonances in high intensity beams using a linear Paul trap
本文给出了高强度高斯光束四个横向共振频率随强度变化的定量测量方法。由于高强度光束中存在非线性空间电荷力，粒子运动无法解析描述。相反，我们使用粒子轨道动力学模拟器（S-POD）和强束实验（IBEX），两个线性保罗陷阱，实验复制系统。在高强度光束中，对空间电荷和外部场驱动的扰动的相干共振响应是可能的，这些相干共振在与非相干共振的调谐相差因子$C_{m}$的调谐处被激发。通过增加存储在线性Paul阱中的离子的数量并研究四种不同共振的位置，我们提取了描述共振随强度的变化的临时值。然后将这些值与相干共振的$C_{m}$因子进行比较。我们发现，$C_{m}$因子不能准确地预测高强度高斯光束的共振位置。通过使用Warp（一种粒子在细胞中的代码）进行模拟，可以进一步了解实验。
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