Design of beam optics and radiation protection concept for the NA60+ heavy-ion experiment at CERN
NA60+是在欧洲核子研究中心的物理超越对撞机计划框架内提出的一个固定目标实验。它旨在精确测量核碰撞中的硬探针和电磁探针。最初提出的地下洞穴ECN 3非常高的光束强度，实验现在预见的位置在EHN 1表面大厅被证明有一个有限的物理性能的影响，尽管光束强度和探测器的大小显着减少。从探测器集成、束流物理、辐射防护和屏蔽要求等方面对超级质子同步加速器（SPS）离子束实验的潜在安装和操作进行了研究。该实验的整合被认为是可行的，但需要对现有大厅基础设施的屏蔽和布局进行重大重新配置。
2022-10-31 physics.acc-ph
Development of a machine protection system for the Superconducting Beam Test Facility at Fermilab
费米实验室目前正在建设的超导射频束测试设施将产生能够在异常加速器脉冲的情况下损坏加速结构和束线真空室的电子束。该加速器的设计能力为每个宏脉冲可产生多达3000个聚束，重复频率为5Hz，束流能量为1.5 GeV。在束团电荷为3.2nC时，它能维持72KW的平均束流功率。在全强度下操作将在铌材料中沉积足够的能量以接近2500 °C的熔点。在早期阶段，仅安装了3个低温模块，该设施将能够产生810 MeV的电子束能量和接近40 KW的平均束功率。在任何一种情况下，都需要一个强大的机器保护系统（MPS）来减轻由于这种大的损坏潜力造成的影响。本文将描述正在开发的MPS系统，系统要求和考虑中的控制问题。
2012-09-28 physics.acc-ph
Experience With Machine Protection Systems At PIP2IT
PIP-II注入器测试1 PIP 2 IT设施加速器于2014年$-$ 2021分多个阶段组装，以测试正在费米实验室建造的未来PIPII直线加速器的概念和组件。在其最终配置中，PIP 2 IT将0.55 ms x 20 Hz x 2 mA H $-$束加速到16 MeV。为了保护光束线的元件，实施并调试了机器保护系统MPS。当检测到过度射束损失时，射束中断速度超过10 $μ$ s。介绍了PIP 2 IT的MPS结构、损失检测方法、束流中断程序和运行经验。
2022-09-08 physics.acc-ph
Upgrades Of the SPS, Transfer Line and LHC Injection Protection Devices For the HL-LHC Era
具有挑战性的高亮度LHC（HL-LHC）束流要求将在未来导致LHC注入链上前所未有的束流参数。在SPS加速器中，这些要求转化为比当前设计性能高出约两倍的强度和亮度。除了产生和加速这种光束的挑战之外，这些参数还影响现有设备对光束冲击的抵抗力。SPS环、其传输线和LHC注入区中的大多数保护装置将受到超出其设计规格的操作限制。对有关设备进行了审查，并检查了它们对HL-LHC束流的抵抗力。对SPS束流刮除系统、SPS-LHC传输线的防护装置和转储吸收器以及LHC注入防护装置进行了理论和模拟研究。这些研究的第一个结果的报告，连同未来的前景。
2014-09-19 physics.acc-ph
Machine Protection and Operation for LHC
自2010年以来，大型强子对撞机（LHC）是每束能量最高的加速器，在4 TeV的束能量下达到140 MJ的记录，几乎是其他加速器的50倍。在如此高的存储能量的情况下，机器保护方面设定了机器循环的所有阶段期间的操作的边界条件。只有低强度的调试光束可以被认为是相对安全的。本文件讨论了LHC从调试到正常运行的机器操作和机器保护的相互作用。
2016-08-10 physics.acc-ph
Risk and Machine Protection for Stored Magnetic and Beam Energies
风险是设计电子系统时的一个基本考虑因素。对大多数系统而言，风险观有助于确定设计目标，而在考虑保护系统时，必须对风险有定性和定量的了解。本文概述了高能物理中存储的磁场和束流能量所带来的风险，并展示了如何使用基于风险的方法来设计新系统，以减轻这些风险，并使用IEC 61508的生命周期。在高能物理中设计新系统可能具有挑战性，因为新的和新颖的技术难以量化和预测。本文展示了如何可以反向使用相同的生命周期方法来分析现有的系统，遵循他们的操作和第一次经验。
2016-07-06 physics.acc-ph
Modeling heat transfer from quench protection heaters to superconducting cables in Nb3Sn magnets
我们使用一个最近开发的失超保护加热器建模工具的超导高场Nb3Sn加速器磁体的加热器延迟的分析。结果表明，计算的延迟与实验数据是一致的，并显示加热器延迟如何取决于主要加热器的设计参数。
2014-01-16 physics.acc-ph
The Higgs Factory Muon Collider Superconducting Magnets and Their Protection Against Beam Decay Radiation
低能中光度μ子对撞机（MC）正在研究作为一个可能的希格斯工厂（HF）。来自μ子衰变的电子将在HF对撞机环的超导磁体中沉积超过300 kW。这对MC储存环（SR）和相互作用区（IR）中使用的超导（SC）磁体提出了重大挑战。提出了在大孔径中提供高操作梯度和磁场的磁体设计，以容纳由于低\b{eta} * 而产生的大尺寸μ子束，以及冷却系统以拦截来自衰变电子诱导的簇射的大量热沉积。晶格元件MC SR中热沉积的特定分布需要大孔径磁体来容纳厚的高Z吸收体以保护SC线圈。基于开发的MARS 15模型和密集的模拟，一个复杂的辐射防护系统的对撞机SR和IR的设计，使超导线圈的峰值功率密度低于失超极限，并减少动态热沉积在冷质量的一个因素100。该系统由紧密的钨掩模在磁体互连区域和椭圆形钨衬垫在磁体孔径优化为每个磁体。它还减少了对撞机探测器中的背景粒子通量。
2018-07-19 physics.acc-ph
Machine and People Protection
本文介绍了机器保护系统的要求。作为第一步，本文概述了快带电粒子、中子和$γ$ -射线与物质相互作用的基本情况。介绍了一种基于光束丢失检测的机器保护系统的结构。讨论了个人安全问题和个人剂量测定，包括辐射屏蔽的概念。
2021-05-27 physics.acc-ph
Intensity issues and machine protection of the HE-LHC
HE-LHC研究调查了将大型强子对撞机CERN的光束能量从7 TeV提升到16.5 TeV的可能性。本文提出了一个初步的调查强度问题和机器保护的HE-LHC。
2011-08-08 physics.acc-ph
Fermilab PIP II machine protection system digitized data noise elimination scheme and its FPGA implementation
Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）
费米实验室提出了一种用于PIP-II机器保护系统的数字化数据噪声消除方案，并通过FPGA实现了该方案，以有效抑制高频和低频噪声，提高信号质量。
2026-02-11 physics.acc-ph
Fast Failures in the LHC and the future High Luminosity LHC*
对于标称束参数，在两个LHC质子束中的每一个中存储$362\:\text{MJ}$的能量。这将进一步增加到约$700\:\text{MJ}$在未来的高亮度LHC（HL-LHC）和不受控制的光束损失代表了机器的完整性和安全运行的重大危险。在本文中，一些故障机制，可以导致束流损失的快速增加进行了分析。最关键的是磁体保护系统中的故障，即失超加热器和称为耦合损耗感应失超（CLIQ）的新型保护系统。一个重要的结果是，磁铁保护必须评估其对光束的影响，并进行相应的设计。特别是，CLIQ，这是为了保护新的HL-LHC三重磁铁，构成了最快的已知故障的LHC，如果触发虚假。给出了缓解危害的CLIQ变更示意图。由于一个光束的提取而导致的光束-光束反冲的损失是具有快速开始的光束损失的另一个来源。与目前的LHC相比，预计即将到来的LHC运行III和HL-LHC的影响将明显更强，主要是由于束流强度增加。讨论了它的危害性和缓解方法。结果表明，对称淬火在超导磁体的最后聚焦三重态可以有一个显着的影响，在短的时间尺度上的束。文中还讨论了梁-梁补偿线的失效以及横梁阻尼器的相干激励对梁的影响。
2020-05-12 physics.acc-ph
Radiation protection issues after 20 years of LHC operation
自2009年11月以来，LHC的调试进展非常顺利，无论是质子束还是铅束。它将在2011年继续，预计在2013年实现LHC的名义运行。与此同时，各种LHC升级计划正在讨论中，建议先进行高亮度（HL）升级，然后再进行高能（HE）升级。虽然亮度的升级只需要修改几个关键的加速器组件，如内部三胞胎，但将束流能量从7 TeV升级到16.5 TeV将需要更换所有偶极子和许多其他加速器组件。本文概述了在安装HE-LHC部件之前，即在LHC运行约20年之后，与LHC部件拆卸有关的辐射防护问题。将讨论两个主要议题：㈠在拆除偶极、内三极或准直器和进行实验期间工人受到电离辐射的照射; ㈡放射性废物的生产、调节、临时储存和最后处置。
2011-08-08 physics.acc-ph
Software and Firmware-logic Design for the PIP-II Machine Protection System Mode and Configuration Control at Fermilab
针对PIP-II机器保护系统的模式配置控制需求，介绍了由模式控制器筛选查找表规则、受固件逻辑管控的响应机制，以及该模式控制器的架构、固件逻辑与实现方案。
2024-01-31 physics.acc-ph
The upgraded data acquisition system for beam loss monitoring at the Fermilab Tevatron and Main Injector
一个基于VME的数据采集系统的束流损失监测器已经开发出来，并在Tevatron和主注入加速器在费米实验室复杂的使用。当Tevatron在对撞机模式下运行时，对增强射束损失保护的需求是新设计的主要驱动力。在实施本系统之前，束流损失监测系统在对撞机操作期间被禁用，并且Tevatron磁体的保护依赖于失超保护系统。新的束流损失监测系统允许在对撞机的全部操作条件下设置适当的中止逻辑和阈值。该系统还在射束中止事件之前记录射束损失数据的历史以用于中止后分析。2006年秋季安装了主喷射器系统，2007年夏季安装了Tevatron系统。这两个系统都在2008年夏天全面运行。在本文中，我们报告的整体系统设计，提供了一个描述其正常运行，并显示了一些例子，其使用的主注入器和Tevatron。
2011-11-30 physics.acc-ph physics.ins-det
Study of electrostatic septum design and its high-voltage discharge protection
本文介绍了上海先进质子治疗加速器（SAPT）静电隔膜（ESS）的设计，讨论了其机械结构和电极材料的选择。研究了隔片上的束流损失，给出了粒子模拟计算结果和水平方向上与放置角和发散角有关的公式。考虑了束流损失对隔板头部的热效应，计算了工作时的平衡温度。此外，还模拟了电场的分布和粒子的运动轨迹。从工作电流与电极表面电场增强因子的关系出发，详细分析了ESS工作过程中的真空放电现象。从放电机理出发，分析了ESS除气和清洗的重要性。并从电路和放电机理两方面分析了外部串联电阻的影响。认为一定范围内的串联电阻可以提高真空电极间的击穿电压，减少放电过程对电极系统表面造成的不可逆损伤。给出了电阻值的计算公式。
2019-01-15 physics.acc-ph
Transient beam loading effects on energy loss during beam abort in high-current storage ring
NanoTerasu Center, National Institutes for Quantum Science and Technology (QST)（量子科学技术研究机构纳米技术研究中心）；NAT Corporation（NAT公司）
该研究针对高电流存储环束流急停过程，测量3-400mA下的急停圈数，发现瞬态束流负载是能量损失增强的主因，其圈数行为呈饱和特性，可通过数值方式预测，为急停保护系统设计提供依据。
2026-08-14 hep-ex physics.acc-ph
Concept for controlled transverse emittance transfer within a linac ion beam
对于将射束注入到具有不同水平和垂直发射度接受度的圆形机器中，如果这些射束是平坦的，即如果它们具有不相等的横向发射度，则可以提高注入效率。平面电子束的产生是众所周知的，并且已经在束实验中得到证明。它也提出了在电子回旋共振（ECR）源中产生的离子束。我们介绍了一个扩展的方法进行电荷态剥离，而不需要他们的生成内部的ECR源的光束。多粒子模拟的结果证明了该方法的有效性。
2011-03-24 physics.acc-ph
Dynamic Focusing to Suppress Emittance Transfer in Crab-Crossing Flat Beam Collisions
针对扁平强子束流对撞中由同步-贝塔共振放大的涨落导致发射度转移的问题，提出结合 sextupoles 与 crab cavities 的动态聚焦方案以抑制沙漏共振，提升对涨落的容忍度与对撞鲁棒性。
2025-06-26 physics.acc-ph
Design approach for modern high-current, radio-frequency quadrupole accelerators with low emittance transfer
射频四极加速器经常面临强流束流引起的空间电荷效应的挑战。本研究探讨如何达到高光束透过率、短结构长度及高光束质量的双光束动力学设计。为了避免束流不稳定性引起的发射度转移，所谓的el/et（纵向和横向发射度的比值）= 1.0的设计准则被提出。介绍了该设计准则结合BABBLE/NFSP设计方法在大电流、高频、高注入能量超导加速器中的应用。
2019-06-19 physics.acc-ph
Radiation safety challenges in plasma accelerators
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器研究所）
等离子体加速器在提高重复频率、粒子能量和平均束流功率后，其辐射安全问题主要源于高峰值电荷和分布束损，需专门设计屏蔽和束流消耗方案。
2026-05-08 physics.acc-ph
Explicit Thin-Lens Solution for an Arbitrary Four by Four Uncoupled Beam Transfer Matrix
在束流传输线的设计中，经常遇到这样的问题：如何构造一个四极透镜系统，使其在水平和垂直平面上都能产生所需的传输矩阵。现在这个问题通常是在计算机程序的帮助下解决的，但在寻找数值解时，必须记住，还没有证明任意的4 × 4非耦合束传输矩阵可以用有限数量的漂移和四极来表示。（Representation Problem）并且这个问题的答案不仅对于或多或少真实的四极场模型而且对于四极聚焦的两个最常用的近似都是未知的，即厚和薄四极透镜。在本文中，我们作出了一个步骤，在解决的代表性问题，并通过给出一个明确的解决方案，我们证明了任意的4 × 4的非耦合光束传输矩阵实际上可以获得作为产品的有限数量的薄透镜和漂移。
2013-05-07 physics.acc-ph
Electron beam transfer line design for plasma driven Free Electron Lasers
等离子体驱动粒子加速器代表了紧凑型加速机器的未来，自由电子激光将从这些新技术中受益。这种新方法的自由电子激光机的主要问题之一是设计所需的传输线匹配的电子束与磁波荡器。尽管降低等离子体束的色度是主要目标之一，但这条线的目标是即使在具有相当大的色度值的光束的情况下也是有效的。这里解释的方法基于代码GIOTTO [1]，该代码使用自制的遗传算法工作，并且能够直接使用完整的3D跟踪代码找到最佳匹配线布局。
2018-03-01 physics.acc-ph
Direct Measurement of Eigenemittances Transfer to Projected Emittances via Phase-Space Decoupling for an Electron Beam
相空间划分为复杂动力系统的精确剪裁提供了一条有吸引力的途径。在束物理学中，所提出的方法涉及（i）产生具有交叉平面相关性的束以控制被称为本征发射率的运动学不变量，以及（ii）通过解耦变换将它们映射到与给定自由度相关联的运动不变量。在这里，我们报告的本征发射度的电子束的横向发射度的映射的直接实验演示。测量的相空间密度证实了具有与初始本征发射度值一致的> 200的非对称横向发射度比的光束的产生。结果可能有广泛的应用，在其他领域的不变量有时被用来描述耦合的经典系统与混合态的量子系统。
2021-11-30 physics.acc-ph
Machine Protection, Interlocks and Availability
高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）：初步设计报告。大型强子对撞机（LHC）是有史以来最大的科学仪器之一。自2010年开辟新的能源探索前沿以来，它已经聚集了约7,000名科学家的全球用户社区，他们从事基础粒子物理学和极端温度和密度下的强子物质物理学工作。为了维持和扩大其发现潜力，LHC将需要在2020年代进行重大升级。这将使其亮度（碰撞率）增加到原来设计值的五分之一，并使积分亮度（产生的总碰撞）增加到原来的十分之一。LHC已经是一台高度复杂和精致优化的机器，因此必须仔细构思这种升级，并需要大约十年的时间才能实现。这种新的配置被称为高亮度LHC（HL-LHC），它将依赖于一系列关键的创新，推动加速器技术超越目前的极限。其中包括尖端的11-12特斯拉超导磁体、用于超精确相位控制的束旋转的紧凑型超导腔、用于束准直的新技术和物理过程以及能量耗散可忽略不计的300米长的高功率超导链路。本文件描述了将用于实现该项目的技术和组件，旨在作为HL-LHC详细工程设计的基础。
2017-05-26 physics.acc-ph
Experimental Proof of Adjustable Single-Knob Ion Beam Emittance Partitioning
加速器的性能得益于通过平面耦合的相空间剪裁。先前应用的技术在三个平面之间交换发射度，但是可用发射度的集合是固定的。与这些发射度交换场景相反，这里提出的发射度转移场景允许任意改变发射度的集合，只要保持发射度的乘积即可。这封信是关于第一次沿离子束线横向发射度转移的实验演示。通过设置一个单一的磁场值来选择传输量。在传输线的出口处的最终不相关和重新划分的光束的斜率函数（β）和斜率（α）不取决于传输量。
2014-10-27 physics.acc-ph
Design of the AWAKE Run 2c transfer lines using numerical optimizers
先进尾流场（AWAKE）实验是一个原理验证实验，演示了通过质子驱动等离子体尾流场加速来加速电子束。唤醒运行1实现了电子束加速到2 GeV，运行2的目的是通过实现加速到~10 GeV并具有更高的束质量来建立这些结果。作为运行2升级的一部分，将调整现有的质子和电子束线，并增加第二个等离子体室和新的150 MeV电子束线。这条新的束线将需要从两个等离子体单元之间的1 m间隙内将具有微米级束尺寸和稳定性的电子聚束注入第二个等离子体单元。在本文中，我们描述了所使用的技术（例如数值优化和遗传算法），以满足具有挑战性的实验规格产生的150 MeV电子线的设计。操作技术也研究了电子传输线，包括转向和对准方法，利用数值优化和束测量技术，采用神经网络。
2022-03-03 physics.acc-ph
A practical approach to extract symplectic transfer maps numerically for arbitrary magnetic elements
介绍了一种实用的方法来提取任意磁束线单元的辛转移映射。在粒子加速器中，束流的运动取决于束线元件的线性和非线性磁场。这些元件通常被建模为在纵向方向上具有恒定场强的磁多极（即，硬边模型）。对于具有复杂结构的磁体，如插入装置或具有显著纵向变化效应的磁场，简化模型可能不足以准确描述束流动力学行为。已经开发了一种数值方法来从粒子轨迹跟踪模拟中提取辛转移图，该模拟使用由三维磁场建模代码或实验测量提供的磁场数据。所提取的传输图可用于线性光学设计和非线性动力学优化，以获得更真实的结果。
2015-11-02 physics.acc-ph
Upgrading of the beam diagnostic system of U-70 beam transfer lines
U-70束流传输线的束流诊断系统（束流剖面、束流强度和束流损失测量）是80年代初在8位微处理机、SUMMA硬件和国产串行通信链路的基础上设计的。由于维修方面的问题，决定对系统的硬件和软件部分进行升级。
2001-11-09 physics.acc-ph physics.ins-det
Preparation of an emittance transfer experiment
平波束的特点是在水平和垂直相空间中发射度不相等。这些光束是在轻子机中成功产生的。虽然一些应用也将受益于扁平强子束，但据我们所知，它们从未被系统地创造出来。多圈注入方案、光谱仪和对撞机将直接受益于这些光束。本文介绍了在束流输运段中产生扁平强子束的实验验证的准备工作。详细模拟了基于螺线管内电荷态剥离的实验[L. Groening，Phys. Rev. ST Accel. Beams 14，064201（2011）]。通过三维磁场图的跟踪，对矩阵形式进行基准测试。进行了误差分析，研究了加工误差对圆扁光束转换的影响。设置w.r.t.的显著灵活性。解决了去耦合，因为它可以提供一个旋钮工具来设置水平和垂直发射度划分。最后给出了硬件设计和生产情况。
2012-12-10 physics.acc-ph
Accurate Transfer Maps for Realistic Beamline Elements: Part I, Straight Elements
带电粒子束传输系统中的轨道行为，包括直线加速器和圆形加速器以及最终聚焦部分和光谱仪，可以敏感地依赖于各种束线元件中的非线性边缘场和高阶多极效应。列入这些影响需要一个详细的和现实的模型的内部和边缘领域，包括其高空间导数。已经开发了一系列表面拟合方法，用于从网格上的三维场数据中准确地提取这些信息，这些数据由各种三维有限元场代码提供。基于这些现实的场模型，可以使用Lie或其他方法来计算精确的设计轨道和关于这些轨道的精确转移图。本工作的第一部分提出了直轴磁性元件的治疗，而第二部分将治疗弯曲偶极子与大骑跨。一个完全可解但数值上具有挑战性的模型场被用来提供一个严格的性能基准集合。
2010-05-06 physics.acc-ph
Measurements and Analysis of Beam Transfer Functions in the Fermilab Recycler Ring Using the Transverse Digital Damper System
费米实验室循环环横向数字阻尼器系统的主要目的是防止由于冷却反质子束的高相空间密度而引起的不稳定性。该系统旨在使用连接到辅助系统端口的信号分析仪进行射束传递函数测量，以实现定时和诊断目的。数字阻尼器系统具有开环和闭环测量的能力。电子束传递函数可直接测量机器阻抗以及电子束和晶格参数，如电子感应加速器调谐和色度。该技术的概述，以及分析和费米实验室回收环的开环和闭环测量结果。
2008-11-18 physics.acc-ph physics.ins-det
Drive beam depletion with multi-Joule energy transfer in a plasma wakefield accelerator
SLAC National Accelerator Laboratory（SLAC国家加速器实验室）；Center for Integrated Plasma Studies, Department of Physics, University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校等离子体综合研究中心物理系）
针对束流驱动等离子体尾波加速对撞机的高能量转移需求，采用全光等离子体源开展实验，实现多焦耳级能量转移与37%左右的转移效率，验证了驱动束耗尽相关关键参数进展。
2025-11-19 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Energy Transfer Mechanisms and Equipartitioning in non-Equilibrium Space- Charge-Dominated Beams
在具有各向异性和空间电荷的非平衡带电粒子束中，存在能量转移过程。能量在可用自由度之间的平均分配仅发生在几个电子感应加速器波长中，而不会形成光晕。集体空间电荷模式类似于在最近的实验中观察到的耦合机制提供了基础。由于实验室梁通常远离平衡，传统的K-V稳定性分析不一定适用，这意味着基于理论的操作点的选择不一定避免均分。此外，equipartitation率取决于一个单一的自由参数相关的空间电荷内容的最终（equipartitated）束，并不取决于如何最初的动能分布在两个平面之间。
2000-08-18 physics.acc-ph physics.comp-ph
Quantum mechanics of bending of a nonrelativistic charged particle beam by a dipole magnet
在傍轴近似下，研究了非相对论性单能带电粒子束被偶极磁体弯曲的量子力学。从非相对论性的薛定谔方程出发，导出了光束中粒子的位置和动量分量在系统弯曲光轴上不同点的两个横截面之间的转移映射。结果表明，该量子转移映射以经典转移映射为主，并含有微量的量子修正项。小到可以忽略的量子修正解释了经典力学在带电粒子束流光学中的显著成功。
2019-11-06 physics.acc-ph quant-ph
Beam Loss Monitors at LHC
大型强子对撞机束流损失测量系统的主要功能之一是保护设备免受撞击粒子造成的二次簇射及其在物质中的能量耗散造成的损坏。可靠性要求根据可接受的后果和设备上粒子撞击事件的频率进行缩放。可靠性的提高往往会导致更复杂的复杂系统。复杂性的缺点是降低了可用性;因此，必须为这些相互冲突的需求找到一个最佳方案。LHC系统的选定的概念和解决方案的详细审查将给出显示的方法，从传感器，信号处理和软件实现的操作和文档的要求系统的各个部分使用。
2016-08-10 physics.acc-ph physics.ins-det
