合肥光源儲(chǔ)存環(huán)粒子動(dòng)力學(xué)問題研究.pdf

1、合肥光源(Hefei Light Source)是一臺(tái)以真空紫外與軟X射線為主要波段的同步輻射光源，于20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)建造，1991年正式通過國家驗(yàn)收，至今已經(jīng)運(yùn)行了15年，對(duì)我國同步輻射應(yīng)用研究的發(fā)展起了重大的推動(dòng)作用。1999年至2004年期間，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(University of Science and Technology of China)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室(National Synchrotron Radiati

2、on Laboratory，簡稱NSRL)進(jìn)行了合肥光源二期工程建設(shè)，在工程中升級(jí)改造了儲(chǔ)存環(huán)的部分系統(tǒng)，新建設(shè)了8條光束線站。經(jīng)過二期工程建設(shè)后，合肥光源儲(chǔ)存環(huán)性能有了很大提高，通用光源(General PurposeLight Source)模式運(yùn)行流強(qiáng)可達(dá)到300mA以上，束流壽命好于8小時(shí)，束流軌道穩(wěn)定性好于100 μm；機(jī)器運(yùn)行表現(xiàn)大大改善，年供光能力超過600A．h，光源的利用效率得到大幅度提高。 作為NSRL加速

3、器物理組成員，作者長期參加合肥光源的運(yùn)行與改造等工作，近幾年來，與實(shí)驗(yàn)室的許多同仁一起，開展了多方面的加速器物理與實(shí)驗(yàn)研究。本論文的選題，就是對(duì)合肥光源儲(chǔ)存環(huán)的lattice參數(shù)和主要系統(tǒng)物理性能作全面和細(xì)致的分析，目的是更深刻地理解在二期工程儲(chǔ)存環(huán)調(diào)試中發(fā)生的一些現(xiàn)象，更深入地了解合肥光源儲(chǔ)存環(huán)的物理性能，為二期工程達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)、通過國家驗(yàn)收做出貢獻(xiàn)。本論文是對(duì)二期工程儲(chǔ)存環(huán)性能調(diào)試期間的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的總結(jié)，也為今后繼續(xù)提高合肥光源的性

4、能、使之成為世界上先進(jìn)的中低能同步輻射光源之一進(jìn)行了探索，對(duì)其他同步光源、特別是彎轉(zhuǎn)軌道半徑較小的“小環(huán)”的設(shè)計(jì)和調(diào)試也有一定的參考意義。 為此目的，論文主要內(nèi)容分為四章，包括儲(chǔ)存環(huán)線性聚焦參數(shù)分析、注入系統(tǒng)物理性能分析、儲(chǔ)存環(huán)非線性分析、高頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)分析和八極磁鐵系統(tǒng)物理設(shè)計(jì)等內(nèi)容。 論文第二章從幾個(gè)方面敘述了束流軌道響應(yīng)矩陣在合肥光源儲(chǔ)存環(huán)的應(yīng)用。首先，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量的軌道一校正磁鐵響應(yīng)矩陣。以各組四極磁鐵的強(qiáng)度和

5、二極磁鐵邊緣場積分為擬合變量，用LOCO程序進(jìn)行了合肥光源儲(chǔ)存環(huán)線性聚焦模型標(biāo)定的研究，解決了合肥光源長期令人困擾的“計(jì)算模型與實(shí)測工作點(diǎn)不吻合”的問題，得到了能切合實(shí)際地準(zhǔn)確描述儲(chǔ)存環(huán)性能的線性聚焦參數(shù)，并與獨(dú)立進(jìn)行的磁場補(bǔ)充測量符合得很好。然后，應(yīng)用響應(yīng)矩陣擬合技術(shù)系統(tǒng)地研究了合肥光源超導(dǎo)扭擺磁鐵聚焦擾動(dòng)的補(bǔ)償問題，多年來，這個(gè)問題也沒有得到圓滿的解決。新的補(bǔ)償方案基本消除了超導(dǎo)扭擺磁鐵引入的對(duì)beta函數(shù)的擾動(dòng)，很大程度上克服了其

6、他各種負(fù)面效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)研究和機(jī)器運(yùn)行證明了新補(bǔ)償方案的合理性，束流壽命比原運(yùn)行模式有很大提高，達(dá)到二期工程設(shè)計(jì)目標(biāo)。最后，闡述了如何利用軌道一誤差源響應(yīng)矩陣分析和計(jì)算各種誤差源對(duì)束流軌道穩(wěn)定性的影響，并具體計(jì)算了一些主要因素(例如波蕩器磁極間隙變化)對(duì)合肥光源儲(chǔ)存環(huán)束流軌道穩(wěn)定性的影響，說明目前條件下必須利用軌道反饋技術(shù)才能夠改善束流軌道穩(wěn)定性，并提出了帶限制條件的軌道反饋校正算法。數(shù)值模擬結(jié)果表明，軌道反饋可以保證束流軌道的穩(wěn)定性。這種

7、軌道反饋程序正在付諸實(shí)施，初步效果良好。 論文第三章闡述了局部凸軌注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以“等效發(fā)射度”等概念分析了合肥光源現(xiàn)束流傳輸系統(tǒng)和注入系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)與性能。分析表明，現(xiàn)有束流輸運(yùn)線的相空間參數(shù)匹配不佳，新改建的注入系統(tǒng)縱向空間過于局促、沖擊磁鐵對(duì)儲(chǔ)存束流擾動(dòng)太強(qiáng)，是造成現(xiàn)注入系統(tǒng)運(yùn)行表現(xiàn)與設(shè)計(jì)預(yù)期有一定差距的主要原因。針對(duì)上述不足，論文總結(jié)分析了調(diào)試過程中通過輔助性局部直流凸軌等手段使注入系統(tǒng)得以基本完成正常運(yùn)行任務(wù)的合理

8、性和局限性；提出了輸運(yùn)線改進(jìn)方案，可以從根本上改善注入束流的相空間匹配；也提出了新注入系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)，能大幅度降低注入系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)存束流的擾動(dòng)。后兩個(gè)設(shè)計(jì)方案能夠適應(yīng)滿能量注入的需要。程序數(shù)值模擬結(jié)果表明，在新設(shè)計(jì)輸運(yùn)線和注入系統(tǒng)參數(shù)下，可獲得高達(dá)90％以上的注入效率(橫向)，對(duì)已儲(chǔ)存束流的擾動(dòng)也滿足通常的軌道穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)；若配合合肥自由電子激光實(shí)驗(yàn)裝置(Hefei FreeElectron Laser Test Facility)中升級(jí)后直

9、線加速器將達(dá)到的束流參數(shù)，合肥光源儲(chǔ)存環(huán)具備向準(zhǔn)恒流運(yùn)行模式發(fā)展的潛力。 論文第四章進(jìn)行了合肥光源通用光源聚焦模式的非線性特性分析。簡單地回顧了一些非線性動(dòng)力學(xué)研究方法與理論(包括Hamiltollian動(dòng)力學(xué)，Lie代數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)形式理論)后，作者自己的工作主要是研究了各種因素(包括色品補(bǔ)償六極磁鐵、高階動(dòng)能項(xiàng)、二極磁鐵和四極磁鐵邊緣磁場)對(duì)非線性動(dòng)力學(xué)的影響和貢獻(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)形式分析表明，除了六極磁鐵外，四極磁鐵邊緣磁場會(huì)對(duì)儲(chǔ)存環(huán)四

10、階非線性效應(yīng)(非線性共振，失諧效應(yīng)，二階色品，三階動(dòng)量緊縮因子等)有貢獻(xiàn)，其表現(xiàn)與八極磁鐵類似；二極磁鐵邊緣磁場同樣對(duì)三階非線性效應(yīng)(非線性共振，線性色品和二階動(dòng)量緊縮因子)和失諧系數(shù)有貢獻(xiàn)，儲(chǔ)存環(huán)磁鐵的彎轉(zhuǎn)半徑越小，貢獻(xiàn)越大。然后，用生成函數(shù)方法推導(dǎo)了二極磁鐵和四極磁鐵邊緣磁場中近似的顯式傳輸映射表達(dá)式，并用于數(shù)值跟蹤計(jì)算，詳細(xì)討論了各種因素對(duì)合肥光源儲(chǔ)存環(huán)通用光源模式線性參數(shù)和非線性特性的影響?？紤]邊緣磁場貢獻(xiàn)后，通用光源模式的動(dòng)力

11、學(xué)孔徑有所減小，但仍大于儲(chǔ)存環(huán)物理孔徑。世界上現(xiàn)有的多種分析計(jì)算非線性效應(yīng)的程序一般忽略了二極磁鐵及其邊緣磁場的某些項(xiàng)，因此不太適用于“小環(huán)”，作者為此自行編寫了計(jì)算程序。本章的工作為下一章的Landau阻尼分析打下了基礎(chǔ)；也為今后在合肥光源上實(shí)現(xiàn)發(fā)射度較小、因而動(dòng)力學(xué)孔徑的要求更緊迫的運(yùn)行模式準(zhǔn)備了必須的研究工具。 論文第五章分析了合肥光源儲(chǔ)存環(huán)中的兩類集體效應(yīng)——束流負(fù)載效應(yīng)和Landau阻尼效應(yīng)。首先，用等效電路模型分析和

12、計(jì)算了束流注入過程、慢加速過程和運(yùn)行過程中高頻系統(tǒng)的表現(xiàn)和強(qiáng)流Robinson不穩(wěn)定性閾值流強(qiáng)，結(jié)果表明，現(xiàn)高頻系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)參數(shù)是合理的，但在注入過程(此時(shí)腔電壓較低，高頻功率不高)中，必須留有一定的失諧量，才能保證束流快速而穩(wěn)定地積累，并描述了現(xiàn)用的計(jì)算機(jī)控制調(diào)諧、調(diào)幅回路實(shí)施注入的方式。然后，用傳輸函數(shù)模型(又稱Pederson model)解析地分析討論了高頻低電平控制回路對(duì)束流穩(wěn)定性的影響，表明對(duì)于合肥光源這樣的重束流負(fù)載環(huán)，

13、低電平環(huán)路對(duì)束流穩(wěn)定性的影響應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加以考慮，特別是調(diào)幅回路的增益不能過大。本章第二部分闡述了Landau阻尼基本原理，在他人工作的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了電子儲(chǔ)存環(huán)中雙Gaussian分布“扁平”束流的傳輸函數(shù)和穩(wěn)定性圖表達(dá)式，定量計(jì)算了合肥光源不同條件下束流傳輸函數(shù)和穩(wěn)定性圖，介紹了合肥光源八極磁鐵系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和下一步新增八極磁鐵的方案。本章記述的兩項(xiàng)工作分別成功地處理了在縱向和橫向?qū)κ髯⑷肱c積累影響最大的兩個(gè)集體效應(yīng)，這些