合肥光源高亮度运行模式研究

论文摘要

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。

论文目录

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