Performance of solenoids vs. quadrupoles in focusing and energy selection of laser accelerated protons
将激光加速质子或离子用于各种应用-例如在粒子治疗或短脉冲射线照相诊断中-需要有效的聚焦和能量选择方法。我们推导出一个分析缩放螺线管的性能相比，作为能量的函数，这是证实了TRACEWIN模拟的双峰/三重峰。缩放表明，在几兆电子伏以上的螺线管需要脉冲或超导，而四极可以保持传统。发现三重态的透射率仅比等效螺线管的透射率低25%。这两种系统同样适合于基于它们的色度效应的能量选择，如使用遵循Yan等人的RPA模拟模型的初始分布所示的\cite{yan2009}。
2013-01-29 physics.acc-ph physics.med-ph physics.plasm-ph
2D-Oide effect
Oide效应考虑了最终聚焦四极中的同步辐射，并且它对相互作用点处的垂直束尺寸设置了下限，特别是与高能线性对撞机相关。导出了只考虑磁体聚焦面辐射的Oide效应理论。本文从理论上计算了辐射对四极聚焦面和散焦面束流尺寸的影响。利用CLIC 3 TeV末级四极子（QD_0）和束流参数，比较了Oide效应和PLAET粒子跟踪2D-Oide效应的理论结果。2D-线证明是重要的，因为它增加了17%的贡献的光束大小。对同步辐射引起的像差的进一步了解，为用八极磁体部分校正2D-Oide效应提供了可能。
2015-09-18 physics.acc-ph
Alternating Phase Focusing for Dielectric Laser Acceleration
介质激光加速器（DLA）的概念在非等离子体粒子加速器中提供了最高的梯度。然而，稳定的光束传输和分级还没有在实验中显示。我们提出了一个计划，限制梁纵向和一个横向方向。在另一个方向上的限制是由一个单一的传统四极磁铁。在420 nm的小孔径内，我们找到了匹配的分布，这允许优化注入到纯传输，聚束和加速结构中。这些的组合类似于射频四极（Quadrupole）的光子学模拟，但由于我们的设置完全是二维的，它可以通过光刻技术在微芯片上制造。这是从低成本手持设备迈向MeV范围内相对论电子的关键一步。
2018-06-19 physics.acc-ph
Three-dimensional envelope instability model in periodic focusing channels
在强流加速器中，空间电荷驱动的包线不稳定性是一个非常危险的问题，以前人们用二维包线模型和三维宏观粒子模拟方法研究了这种不稳定性。本文提出了一个三维包络不稳定性模型来研究聚束在周期螺线管和射频（RF）聚焦通道以及周期四极杆和RF聚焦通道中的不稳定性。研究表明，当横向零电流相位超前小于$90$度时，如果纵向零电流相位超前超过$90$度，束流包络仍然会变得不稳定。当横向零电流相位超前超过$90$度时，不稳定性阻带宽度随纵向聚焦强度的增加而变大，当纵向零电流相位超前超过$90$度时，不稳定性阻带宽度呈现出与二维情形不同的结构。打破了两个纵向聚焦腔的对称性以及周期四极和射频通道中横向平面内水平聚焦和垂直聚焦之间的对称性，使不稳定性阻带变宽。这表明，更对称的加速器晶格设计可能有助于减少参数空间中的包络不稳定性的范围。
2018-01-21 physics.acc-ph
Automatic adjustment of undulator optics for FELs
本研究针对自由电子激光器的波荡器运行不稳定性问题，提出一种考虑能量变化与波荡器聚焦效应的沿线四极聚焦自动调节方法，具备更强普适性，可适配任意强聚焦平面波荡器。
2024-05-14 physics.acc-ph
The radio-frequency quadrupole
射频四极直线加速器出现在20世纪70年代末的加速器领域，并从那时起彻底改变了低能质子和离子加速领域。该装置使得在紧凑的射频（RF）谐振器内可靠地产生前所未有的离子束强度成为可能，该谐振器集中了低能直线加速器部分的三个主要功能：聚焦、聚束和加速。然而，其复杂的电极结构和严格的射束动力学和RF要求对机械和RF布局施加了严格的限制，使得RFQ的构建特别具有挑战性。本讲座将介绍主要的束流光学、射频和机械特性，并强调这三个方面是如何相互关联的，以及它们如何对激光器的最终性能做出贡献。
2013-03-27 physics.acc-ph
Direct focusing error correction with ring-wide TBT beam position data
逐圈（TBT）电子感应加速器振荡数据是研究机械光学的一个非常有力的工具。在短短几十毫秒内就可以进行成百上千次的自由振荡。由于光束覆盖每个位置的所有位置和角度，TBT数据几乎可以立即用于诊断聚焦误差。本文介绍了一种新的方法，观察聚焦误差集体在所有可用的TBT数据，找到最佳的四极强度，一个位置的时间。将展示示例并讨论其他问题。
2012-08-13 physics.acc-ph
Tunable High Gradient Quadrupoles For A Laser Plasma Acceleration Based FEL
激光等离子体加速（LPA）能够在厘米的加速距离内产生GeV的光束，但具有相当高的初始发散度和大的能量扩展。COXINEL的目标是使用这种源演示紧凑型自由电子激光，其中使用具有适当元件的特定传输线，例如用于处理发散的可调谐高梯度四极杆。提出了一种创新的基于永磁体的四极杆（QUAPEVA），其由两个四极杆叠加而成，能够产生200 T/m的梯度。第一个四极子由环形磁体组成，并获得155 T/m的恒定梯度，第二个四极子由四个圆柱形磁体组成，围绕环形磁体，并能够围绕其轴旋转，以实现$\pm$ 46 T/m的梯度可调性。每个调谐磁体连接到电机并独立控制，使得梯度能够以相当好的磁中心稳定性（$\pm$ 10 $μ$ m）调谐，并且没有任何场不对称。报道了七种不同磁长的四极子的测量和磁场优化。安装在COXINEL的一套QUAPEVA三联体实现了良好的聚焦，并实现了基于光束的对准。
2017-12-11 physics.acc-ph
Theoretical studies of envelope oscillations and instabilities of mismatched intense charged-particle beams in periodic focusing channels
University of Maryland（马里兰大学）
针对螺线管与磁四极铁周期通道中的失配强流束，本文结合平滑近似、扰动 K-V 方程、数值积分与 PARMILA 模拟，分析包络振荡、相移和不稳定性增长率。
2026-11-04 physics.acc-ph
Hamiltonian Formalism for Solving the Vlasov-Poisson Equations and Its Applications to Periodic Focusing Systems and the Coherent Beam-Beam Interaction
本文发展了一种求解Vlasov-Poisson方程的Hamilton方法。基于非线性正则变换，原哈密顿量中的快速振荡项被变换掉，产生一个新的哈密顿量，它只包含慢变项。该方法已被应用于强流光束通过周期性聚焦晶格的动力学过程，以及相干光束-光束相互作用。得到了变换后的Vlasov方程的稳态解。
2001-10-04 physics.acc-ph
Linear Beam Stability in Periodic Focusing Systems:Krein Signature and Band Structure
几十年来，束流如何变得不稳定一直是束流和加速器物理学家的基本研究课题之一。在这项研究中，我们重新讨论了线性光束在周期聚焦系统中的稳定性的一般问题，通过应用克莱因签名和能带结构的概念。数值计算了单周期映象的本征值和其它相关特性，并在同等条件下讨论了强流束中单粒子斜四极运动和包络扰动的稳定性。特别是，在这项研究中，一个新的尝试应用Krein理论的包络线不稳定性分析。不稳定性的出现被解释为相反的Krein签名和带隙的形成的本征模式之间的碰撞的结果。
2019-09-19 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
Final Muon Emittance Exchange in Vacuum for a Collider
我们概述了一个计划，最终μ子电离冷却与四极偶极子聚焦到短吸收器，然后在真空中的发射度交换，以实现所需的μ子对撞机的小的横向光束尺寸。一个扁平的μ子束与一系列的四极偶极子半电池似乎提供了强大的最终冷却所需的聚焦。每个四极偶极子具有由致密的低Z吸收体占据的低β区域。最终冷却后，归一化xyz发射率（0.071，0.141，2.4）mm-rad被转换为（0.025，0.025，70）mm-rad。薄的静电隔膜有效地将束切成17部分。17个束被交错成具有RF偏转器腔的3.7米长的训练。快拍聚束聚结在55微秒内将μ子聚束训练纵向结合在21 GeV的环中，这是同步加速器振荡周期的四分之一。线性长波长RF桶给予每个聚束不同的能量，导致聚束漂移，直到它们合并成一个聚束，并且可以在短波长RF桶中捕获，具有13%的μ子衰减损失和高达87%的填充分数。
2015-05-07 physics.acc-ph
High dimensional characterization of the longitudinal phase space formed in a radio frequency quadrupole
现代加速器前端几乎完全包括射频四极杆，用于初始捕获和聚焦低能束。纵向束流中的动力学定义了纵向束流参数。模拟的SNS与PARMTEQ播种与现实的LEBT分布产生一个2.5兆电子伏，40毫安的H-束的均方根发射度为130度keV。在测量中，纵向相空间的详细表征，包括一个新的纵向发射度的依赖横向坐标的研究。这项工作介绍了一种新的虚拟狭缝技术，提供子狭缝分辨率的能量谱仪，以及可视化的4D相空间数据的方法。通过模拟和测量，证实了射频谐振形成的聚束具有明显的内部关联结构。高维特征被证明是在定性协议。然而，测量的均方根发射度高达30%低于预测，更接近95度千电子伏的设计值。
2020-08-14 physics.acc-ph
Waferscale Electrostatic Quadrupole Array for Multiple Ion Beam Manipulation
我们报道了第一个用于聚焦高能离子束的穿晶硅基静电四极阵列（ESQA）。该器件是基于晶片的加速器架构的关键使能器，该加速器架构使其自身在带电粒子加速器的成本、体积和重量方面降低了数量级。ESQ是开发紧凑型多静电四极阵列直线加速器（MEQALAC）的关键构件[1]。在MEQALAC中，使用静电力来聚焦离子，并且静电场缩放通过针对由击穿限制设置的给定峰值电场减小射束孔径尺寸来允许高射束电流密度。与相同面积的单个孔径束相比，使用多个平行束（每个平行束总计为面积A）可以导致更高的总束电流。较小的尺寸也允许较高的聚焦电场梯度，并因此允许较高的平均射束电流密度。在这里，我们证明了深反应离子蚀刻（DRIE）微加工的柱状电极，电隔离的氮化硅薄膜，使更高的性能ESQA与晶圆级的可扩展性。制作的ESQA能够在空气中保持高达1kV。将3 × 3阵列的12 keV氩离子束聚焦在晶片加速器单元中，为多晶片加速器铺平道路。
2018-02-07 physics.acc-ph
The problem of self-consistent particle phase space distributions for periodic focusing channels
本文研究周期聚焦通道中的自洽粒子相空间分布，通过 Hamiltonian 的正则变换处理非连续输运，并证明旋转对称束流在周期螺线管通道中可保持质量，而四极子通道存在恒定 rms-emittance 增长。
2026-11-04 physics.acc-ph
Efficient computation of matched solutions of the Kapchinskij-Vladimirskij envelope equations for periodic focusing lattices
本文提出了一种新的迭代方法来数值计算耦合的Kapchinskij-Vladimirskij（KV）方程的周期性匹配束包络解，该方程描述了束流在任意复杂度的周期性线性聚焦晶格中的横向演化。该方法的实现是直接的。它是高度收敛的，可以应用于匹配包络解的所有常用参数化。该方法适用于所有类别的线性聚焦晶格没有斜耦合，也适用于所有物理上可实现的系统参数-包括匹配的光束包络是非常不稳定的。实例应用周期螺线管和四极聚焦晶格。收敛性能的总结在很宽的系统参数范围内。
2006-02-22 physics.acc-ph physics.comp-ph
Exploring the Focusing Mechanism of the NuMI Horn Magnets
本文通过分析费米实验室NuMI项目中μ子监测器观测到的μ子束剖面，研究磁喇叭的聚焦机制，发现其产生偶极场和四极场聚焦π介子，且光学特性主要为线性，μ子束剖面可0.05%精度检测喇叭电流。
2025-04-17 physics.acc-ph
Multi-kT/m Focusing Gradient in a Linear Active Plasma Lens
有源等离子体透镜是一种紧凑的装置，作为带电粒子束的一种有前途的束聚焦替代方案而开发，能够为高能束提供短焦距。我们以前已经证明，在保持束流发射度的充氩等离子体透镜中可以实现梯度约为0.3 kT/m的线性磁场[C.A. Lindstrøm等人，物理修订信函121，194801（2018）]。在这里，我们表明，氩气在一个500 μm直径的毛细管，场仍然是线性的聚焦梯度为3.6 kT/m，这是一个数量级高于四极磁铁的梯度。产生磁场的电流脉冲由紧凑的Marx组提供，并且是高度可重复的。这些结果建立了主动等离子体透镜作为脉冲粒子束应用的理想设备，需要非常高的聚焦梯度，在整个透镜孔径是均匀的。
2020-12-19 physics.acc-ph
First results of AUP Nb3Sn quadrupole horizontal tests
本文报告HL-LHC AUP项目中首个完全组装低温组件的水平测试结果，该组件采用Nb3Sn磁体以实现亮度提升，是Nb3Sn磁体在加速器中的首次大规模应用。
2024-05-28 physics.acc-ph
SHARP: A compact focusing system for medical applications using a diverging plasma lens
University of Oslo（奥斯陆大学）；Paul Scherrer Institute (PSI)（保罗谢尔研究所）；Aarhus University（奥胡斯大学）；Aarhus University Hospital（奥胡斯大学医院）
SHARP项目利用发散等离子体透镜和四极子透镜结合，实现紧凑的高精度放疗系统，有望提升放疗效率并减少基础设施需求。
2026-02-23 physics.acc-ph physics.med-ph
Mitigation of envelope instability through fast acceleration
在强流加速器中，空间电荷驱动的包线不稳定性是非常危险的。直线加速器被设计成通过保持每个晶格周期的零电流相位提前低于90度来避免这种不稳定性。在本文中，我们报告的不稳定性在一个周期性的螺线管和射频（RF）聚焦通道和一个周期性的四极和RF聚焦通道使用三维包络模型和自洽的宏观粒子模拟的加速效应。仿真结果表明，在两个通道中采用合理的加速梯度可以减轻包络不稳定性。这表明，在加速梯度足够高的直线加速器中，零电流相位超前可能高于90度，并且在加速器设计中打开了横向和纵向聚焦的附加自由度。
2018-07-16 physics.acc-ph
Beam Dynamics Framework Incorporating Acceleration to Define the Minimum Aperture in Two Focusing Schemes for Proton Radiotherapy Linac
本文提出一个包含加速效应的横向束流动力学框架，用于质子放疗直线加速器，通过解析求解类FODO方案和最小孔径方案，实现束流尺寸控制与最小孔径定义。
2024-03-15 physics.acc-ph
Study of Nonlinearities and Small Particle Losses in High Power Linac
俄罗斯加速器中心开发的高功率直线加速器的概念是基于使用独立定相的SC谐振器，它们之间有四极透镜。谐振器的类型和参数以及聚焦结构沿着直线加速器变化，以优化束流动力学和直线加速器的特性。利用计算机模拟软件SPECIION，对直线加速器中束流在三维加速场和聚焦场中的演化进行了研究。模拟包括所有的非线性外部场和空间电荷力。基于粒子轨迹的光谱特性分析，对粒子束中的粒子损失进行了估算。
2000-08-22 physics.acc-ph
H-Mode Accelerating Structures with PMQ Beam Focusing
我们已经开发出高效率的正常传导RF加速结构相结合的H模式谐振腔和横向光束聚焦的永磁四极杆（PMQ），光束速度的范围内的百分之几的光速。叉指H模（IH-PMQ）结构的并联阻抗比传统漂移管直线加速器的并联阻抗高10-20倍，而横向尺寸小4-5倍。结合3-D建模的结果-电磁计算，多粒子束动力学模拟与高电流，和热应力分析-为IH-PMQ加速器罐。在坦克的加速场分布进行调整，以提供最佳的传播50 mA的氘核束使用耦合迭代的电磁和束动力学建模。测量的IH-PMQ坦克的冷模型显示出良好的协议与计算。H-PMQ加速结构可以用于离子直线加速器的前端，也可以用于独立应用。
2011-04-19 physics.acc-ph
Strap-on magnets: a framework for rapid prototyping of magnets and beam lines
我们描述了一个框架，用于在3D打印框架中组装永磁体立方体，以构建偶极，四极和螺线管磁体，在没有铁的情况下，其场可以在三个空间维度中解析计算。在相反方向上旋转紧密间隔的偶极子和四极子允许我们调整多极子的集成强度。不需要的谐波的贡献进行计算，发现是温和的。然后，我们结合多个磁铁构建束线模块：弯道，三重电池，螺线管聚焦系统。
2021-06-28 physics.acc-ph physics.app-ph
Exact Cancellation of Emittance Due to Coupled Transverse Dynamics in Solenoids and RF Couplers
电子枪和注入器中的小的杂散磁场和RF场可以扰动电子束并且在原本正交的横向轨迹之间引入相关性。这些相关性耦合x和y动力学，这增加了横向发射度。如果相关性在射束传输中变得“稀释”或随机化，则随着相关性消失，4D发射度增加。本文讨论了两个重要的相关性，共同的大多数电子注入器。第一个结果从弱四极场与螺线管中的束旋转的耦合，并且第二个x-y耦合由由于高功率RF耦合器或腔端口的不对称轴上RF场产生。本文表明，一个小的四极场结合螺线管聚焦可以导致显着的发射度增长，由于耦合的横向动力学。它还显示了如何添加一个歪斜的四极场可以精确地消除这种相关性和它的发射度。类似的发射度抵消证明了不对称的RF字段，与电子束长度限制的取消程度。解析表达式推导并与模拟和实验进行比较。
2017-07-21 physics.acc-ph
Optics Reconstruction in the SCL Section of the FNAL Linac
本文针对FNAL直线加速器SCL段，提出三步光学重建方法，通过四极铁扫描与BSM测量确定Twiss参数，调整四极铁校准，并利用TraceWin模拟验证束流包络，获取了过渡段入口处的束流参数。
2025-09-16 physics.acc-ph
Performance Evaluation of Klystron Beam Focusing System with Anisotropic Ferrite Magnet
本文报道了一种采用永磁体的速调管束流聚焦系统，它比电磁聚焦系统可靠性高。为评价永磁体聚焦系统的可行性，设计并制作了一台1.3 GHz、800 kW速调管的样机。为了降低生产成本和减轻复杂的磁场调谐过程，采用各向异性铁氧体磁体作为磁性材料。作为功率测试的结果，使用原型聚焦系统成功地实现了798 kW的峰值输出功率。考虑到电磁体聚焦系统的功率消耗，利用永磁体系统产生标称800 kW输出功率所需的壁插功率小于利用电磁体的壁插功率。然而，发现具有永磁体系统的速调管的功率转换效率受到横向多极磁场的限制。通过减小横向多极磁场分量，特别是偶极子和四极子，功率转换效率将接近电磁铁。
2016-10-07 hep-ex physics.acc-ph
Matching small $β$ functions using centroid jitter and two beam position monitors
为了保持等离子体加速器的发射度，需要匹配到小的β函数。等离子体尾流提供了强聚焦场，这通常需要在mm尺度上的β函数，与线性对撞机的最终聚焦中发现的那些相当。这样的光束在实验上产生和诊断可能是耗时的。我们提出了一种简单，快速，无创的方法来测量Twiss参数的直线加速器使用两个束流位置监测器，依赖于束流相空间和抖动相空间的相似性。通过对传统四极扫描的基准测试，在FLASHForward等离子体加速器设施实验证明了这种技术的可行性。
2020-05-29 physics.acc-ph
Focusing of high energy electron beam using crystal lenses for applications in radiotherapy
本文探讨了利用弯曲硅晶体透镜替代四极磁铁聚焦极高能电子束用于放射治疗的可行性，通过Geant4模拟验证了其聚焦能力，并提出了增强聚焦强度的技术要求与替代方案。
2023-08-24 physics.acc-ph
Analytical methods for describing charged particle dynamics in general focusing lattices using generalized Courant-Snyder theory
本研究将单自由度Courant-Snyder理论推广至高维，实现通用线性聚焦晶格中带电粒子耦合动力学的参数化，通过规范固定简化理论表述，并可结合Krein-Moser理论简化稳定性分析，为优化晶格设计提供有效工具。
2015-04-16 math-ph math.MP physics.acc-ph
Instrumentation status of the low-b magnet systems at the Large Hadron Collider (LHC)
低β磁体系统位于大型强子对撞机（LHC）插入区域的四个相互作用点周围。它们是光束聚焦/散焦过程中的关键元件，允许质子碰撞的亮度高达10**34/cm**2s。这些系统是US-LHC加速器项目的贡献。该系统主要由四极磁铁（三重态）、分离偶极子和它们各自的电馈电盒（DFBX）组成。低β磁体系统在极端辐射、高梯度磁场和由于束动态效应而对低温系统的高热负荷的环境中操作。由于恶劣的环境，诊断的鲁棒性对于三联体的操作是至关重要的。LHC的硬件调试阶段于2010年2月完成。为了更安全和更方便用户的操作，在调试阶段进行了几次合并和仪器改造。本文介绍了仪器用于优化工程过程和操作的最后聚焦/散焦四极磁铁的第一年的操作。
2012-08-28 physics.acc-ph physics.ins-det
On the stability and emittance growth of different particle phase-space distributions in a long magnetic quadrupole channel
University of Maryland（马里兰大学）
本文通过粒子模拟比较周期四极通道中多种相空间分布的稳定性与发射度演化，揭示 K-V 型不稳定性的阻尼差异，并推导初始发射度增长边界公式。
2026-11-04 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Slice Emittance Preservation and Focus Control in a Passive Plasma Lens
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器）；Lund University（隆德大学）；University College London（伦敦大学学院）；Universität Hamburg（汉堡大学）；John Adams Institute, Department of Physics, University of Oxford（牛津大学物理系约翰亚当斯研究所）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
本研究通过实验展示被动等离子体透镜在强聚焦下保持高亮度束流的切片发散度，并实现对焦点参数的控制。
2026-07-21 physics.acc-ph physics.plasm-ph
