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合肥光源高亮度运行模式研究

作　者: 张赫
导　师: 何多慧；王琳
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 核技术及应用
关键词: 电子储存环聚焦结构低发射度高亮度闭轨校正 FMA 束流寿命插入件波荡器扭摆器辛积分生成函数
分类号: TL501
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

合肥光源（HLS）现在运行于通用光源模式（GPLS）下，发射度为166nm-rad。国家同步辐射实验室（NSRL）二期工程希望实现高亮度模式（HBLS）运行，将发射度降低到27nm-rad。但是在调机实验中，发现HBLS具有一些局限性：聚焦铁强度过高，导致发热量过大，不能长期稳定运行；工作点靠近结构共振带，对聚焦四极铁强度误差敏感；直线节中点处垂直方向β函数较大，不适合插入件（尤其是超导wiggler）的运行。针对HBLS的局限性，我们提出了新的高亮度模式lattice。新的高亮度模式满足以下要求：1)四极铁聚焦强度系数k小于4.3m^-2；2)工作点距离超周期结构共振带的距离合适；3)直线节处垂直方向β函数小，适合插入件运行；4)低发射度。新的二重对称高亮度模式lattice（L2）将发射度降低到55.94nm-rad，工作点为（4.45，2.43），直线节处的垂直方向β函数分别为0.35m和3.56m。我们还提出了一组新的四重对称高亮度模式lattice（L4-1、L4-2和L4-3），发射度分别为42.33nm-rad、25.71nm-rad和16.14nm-rad。其工作点位置接近，分别为（5.20，2.53）、（5.21，2.55）和（5.21，2.54），β函数的形状也比较类似，这样便于我们在调机实验时逐步的降低发射度，最终达到16.14nm-rad。L4-3在直线节中点处的垂直方向β函数为1.14m。关于亮度的计算表明，L4-3在弯铁中点处的特征波长的同步辐射光亮度达到和超过了HBLS的设计水平。我们也讨论了新高亮度lattice的线性和非线性动力学性质，对轨道校正过程进行了模拟，并对L4-3的束流寿命进行了计算。能够兼容插入件的运行是新高亮度模式的主要设计目标之一。因此，我们较为详细的讨论了L4-3模式下插入件对束流动力学的影响。对于HLS上的永磁波荡器（undulmor），我们建立了其磁场的三维模型，利用辛积分和生成函数的方法得到了波荡器磁场的辛映射，并进行了粒子跟踪的研究。研究表明，永磁波荡器对于储存环的β函数和工作点影响不大，可以不需要校正。对于HLS上的超导扭摆器（wiggler），由于缺少详细的磁场数据，我们只建立了其磁场的硬边模型。超导wiggler对工作点和β函数的影响非常之大，必须进行补偿。我们讨论了局部补偿和全局补偿的方案。由于受到HLS现在的工作流程（必须将电子从200MeV慢加速到800MeV）的限制，全局补偿的方案更为可行。我们也计算了插入件对发射度和能散的影响。总之，在HLS现有条件下实现高亮度模式运行，并使其与插入件（尤其是超导wiggler）兼容的目标，是有可能实现的。但仍然存在一些问题需要在今后的研究工作中予以解决。

全文目录

摘要  2-4
Abstract  4-6
目录  6-10
第一章绪论  10-18
  1.1 同步辐射光源历史回顾  10-12
  1.2 国家同步辐射实验室(NSRL)简介  12-15
  1.3 本论文的主要工作  15-18
第二章电子储存环lattice设计有关理论  18-34
  2.1 Lattice设计的目标和步骤  18
  2.2 理想轨道(Reference orbit)和自然坐标系  18-19
  2.3 储存环lattice设计中的常用元件  19-22
    2.3.1 磁铁元件  19-22
      2.3.1.1 多极场  19-20
      2.3.1.2 主导磁铁(二极铁)  20-21
      2.3.1.3 聚焦磁铁  21
      2.3.1.4 六极铁  21
      2.3.1.5 校正铁  21
      2.3.1.6 冲击磁铁  21-22
      2.3.1.7 切割磁铁  22
    2.3.2 其他元件  22
      2.3.2.1 高频腔  22
      2.3.2.2 束流位置监测器(Beam Position Monitor)  22
      2.3.2.3 自由空间  22
  2.4 横向动力学  22-23
  2.5 重要的lattice参数  23-28
    2.5.1 亮度(Brilliance)  23-24
    2.5.2 发射度(Emittance)  24
    2.5.3 寿命τ  24
    2.5.4 周长C  24-25
    2.5.5 超周期数N_(per)  25
    2.5.6 工作点Q_x,Q_y  25-26
    2.5.7 色品ξ_x,ξ_y  26
    2.5.8 动量紧缩因子α_p  26
    2.5.9 每圈的辐射能量损失U_r  26-27
    2.5.10 同步相角φ_s  27
    2.5.11 阻尼时间和衰减分配数τ_i,J_i  27
    2.5.12 能散σ_e  27
    2.5.13 束团尺寸σ_x,σ_y和σ_s  27-28
  2.6 接受度  28-31
    2.6.1 物理接受度  28
    2.6.2 动量接受度  28-29
    2.6.3 色品校正  29-30
    2.6.4 动力学孔径  30-31
  2.7 误差  31-34
    2.7.1 闭轨畸变  31-32
    2.7.2 误差放大因子  32
    2.7.3 闭轨畸变的校正  32-34
第三章合肥光源(HLS)高亮度模式lattice研究  34-76
  3.1 合肥光源高亮度模式的设计目标  34-36
    3.1.1 原有高亮度模式的局限性  34-36
    3.1.2 合肥光源高亮度模式设计目标  36
  3.2 合肥光源高亮度模式lattice设计初探  36-39
    3.2.1 消色散条件下各四极铁聚焦强度之间的关系  36-37
    3.2.2 储存环发射度对第三块四极铁Q3的聚焦强度的依赖关系  37-38
    3.2.3 寻找Q3的合适取值  38-39
  3.3 二重对称的高亮度模式lattice设计  39-56
    3.3.1 聚焦结构  39-43
    3.3.2 非线性动力学  43-49
      3.3.2.1 色品校正  43
      3.3.2.2 工作点随动量偏差和初始位置的变化  43-45
      3.3.2.3 动力学孔径  45-46
      3.3.2.4 Frequency Map Analysis  46-49
    3.3.3 误差和轨道校正  49-55
      3.3.3.1 校正子和BPM的位置  49
      3.3.3.2 闭轨校正原理  49-51
      3.3.3.3 模拟计算结果  51-55
      3.3.3.4 考虑误差时的动力学孔径  55
    3.3.4 亮度  55-56
  3.4 四重对称的高亮度模式lattice设计  56-76
    3.4.1 聚焦结构  56-60
    3.4.2 非线性动力学  60-65
      3.4.2.1 色品校正  60
      3.4.2.2 工作点随动量偏差和初始位置的变化  60-62
      3.4.2.3 动力学孔径  62
      3.4.2.4 Frequency Map Analysis  62-65
    3.4.3 误差和轨道校正  65-70
    3.4.4 亮度  70
    3.4.5 关于四重对称lattice L4-3的一点讨论  70-72
      3.4.5.1 四重对称lattice L4-3和二重对称lattice L2的比较  70
      3.4.5.2 关于最小发射度的讨论  70-72
    3.4.6 调机实验  72-76
第四章关于高亮度模式下束流寿命的研究  76-96
  4.1 量子寿命  76-80
    4.1.1 横向振荡的量子寿命  76-78
    4.1.2 纵向振荡的量子寿命  78-80
  4.2 残余气体散射寿命  80-86
    4.2.1 弹性散射  80-84
    4.2.2 非弹性散射  84-86
    4.2.3 总的残余气体散射寿命  86
  4.3 Touschek寿命  86-93
  4.4 总的束流寿命  93-96
第五章插入件对束流动力学的影响  96-130
  5.1 合肥光源波荡器状况简介  96-97
  5.2 UD—1磁场模型的建立  97-99
  5.3 UD—1线性场对lattice的影响  99-109
    5.3.1 Lie代数理论简介  99-103
      5.3.1.1 辛条件  99-100
      5.3.1.2 泊松括号  100-101
      5.3.1.3 Lie算符和Lie映射  101-102
      5.3.1.4 BCH公式  102-103
    5.3.2 UD—1的线性映射  103-106
    5.3.3 UD—1线性场对lattice参数的影响  106-109
  5.4 UD—1非线性场的lattice的影响  109-120
    5.4.1 辛积分法  110-112
    5.4.2 生成函数法  112-113
    5.4.3 辛积分和生成函数法跟踪结果的比较  113-118
    5.4.4 动力学孔径  118-120
  5.5 波荡器对储存环参数的影响  120-121
    5.5.1 粒子在波荡器中的能量损失  120
    5.5.2 对发射度和能散的影响  120-121
  5.6 合肥光源扭摆器状况简介  121-122
  5.7 超导wiggler对β函数的影响及补偿  122-130
    5.7.1 超导wiggler磁场的硬边模型  122-123
    5.7.2 超导wiggler对β函数的影响  123-124
    5.7.3 对超导wiggler影响的局部补偿  124-125
    5.7.4 对超导wiggler影响的全局补偿  125-127
    5.7.5 全局补偿后超导wiggler对动力学孔径、发射度和能散的影响  127-130
第六章总结  130-132
致谢  132-133
发表论文情况  133

合肥光源高亮度运行模式研究

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