合肥光源储存环粒子动力学问题研究

论文摘要

合肥光源(Hefei Light Source)是一台以真空紫外与软X射线为主要波段的同步辐射光源，于20世纪80年代设计建造，1991年正式通过国家验收，至今已经运行了15年，对我国同步辐射应用研究的发展起了重大的推动作用。1999年至2004年期间，中国科学技术大学(University of Science and Technology of China)国家同步辐射实验室(National Synchrotron Radiation Laboratory，简称NSRL)进行了合肥光源二期工程建设，在工程中升级改造了储存环的部分系统，新建设了8条光束线站。经过二期工程建设后，合肥光源储存环性能有了很大提高，通用光源(General Purpose Light Source)模式运行流强可达到300mA以上，束流寿命好于8小时，束流轨道稳定性好于100μm；机器运行表现大大改善，年供光能力超过600A．h，光源的利用效率得到大幅度提高。作为NSRL加速器物理组成员，作者长期参加合肥光源的运行与改造等工作，近几年来，与实验室的许多同仁一起，开展了多方面的加速器物理与实验研究。本论文的选题，就是对合肥光源储存环的lattice参数和主要系统物理性能作全面和细致的分析，目的是更深刻地理解在二期工程储存环调试中发生的一些现象，更深入地了解合肥光源储存环的物理性能，为二期工程达到设计指标、通过国家验收做出贡献。本论文是对二期工程储存环性能调试期间的经验和教训的总结，也为今后继续提高合肥光源的性能、使之成为世界上先进的中低能同步辐射光源之一进行了探索，对其他同步光源、特别是弯转轨道半径较小的“小环”的设计和调试也有一定的参考意义。为此目的，论文主要内容分为四章，包括储存环线性聚焦参数分析、注入系统物理性能分析、储存环非线性分析、高频系统设计参数分析和八极磁铁系统物理设计等内容。论文第二章从几个方面叙述了束流轨道响应矩阵在合肥光源储存环的应用。首先，根据实验测量的轨道—校正磁铁响应矩阵，以各组四极磁铁的强度和二极磁铁边缘场积分为拟合变量，用LOCO程序进行了合肥光源储存环线性聚焦模型标定的研究，解决了合肥光源长期令人困扰的“计算模型与实测工作点不吻合”的问题，得到了能切合实际地准确描述储存环性能的线性聚焦参数，并与独立进行的磁场补充测量符合得很好。然后，应用响应矩阵拟合技术系统地研究了合肥光源超导扭摆磁铁聚焦扰动的补偿问题，多年来，这个问题也没有得到圆满的解决。新的补偿方案基本消除了超导扭摆磁铁引入的对beta函数的扰动，很大程度上克服了其他各种负面效应。实验研究和机器运行证明了新补偿方案的合理性，束流寿命比原运行模式有很大提高，达到二期工程设计目标。最后，阐述了如何利用轨道—误差源响应矩阵分析和计算各种误差源对束流轨道稳定性的影响，并具体计算了一些主要因素(例如波荡器磁极间隙变化)对合肥光源储存环束流轨道稳定性的影响，说明目前条件下必须利用轨道反馈技术才能够改善束流轨道稳定性，并提出了带限制条件的轨道反馈校正算法。数值模拟结果表明，轨道反馈可以保证束流轨道的稳定性。这种轨道反馈程序正在付诸实施，初步效果良好。论文第三章阐述了局部凸轨注入系统设计要点，以“等效发射度”等概念分析了合肥光源现束流传输系统和注入系统的物理设计与性能。分析表明，现有束流输运线的相空间参数匹配不佳，新改建的注入系统纵向空间过于局促、冲击磁铁对储存束流扰动太强，是造成现注入系统运行表现与设计预期有一定差距的主要原因。针对上述不足，论文总结分析了调试过程中通过辅助性局部直流凸轨等手段使注入系统得以基本完成正常运行任务的合理性和局限性；提出了输运线改进方案，可以从根本上改善注入束流的相空间匹配；也提出了新注入系统的物理设计，能大幅度降低注入系统对储存束流的扰动。后两个设计方案能够适应满能量注入的需要。程序数值模拟结果表明，在新设计输运线和注入系统参数下，可获得高达90％以上的注入效率(横向)，对已储存束流的扰动也满足通常的轨道稳定性标准；若配合合肥自由电子激光实验装置(Hefei Free Electron Laser Test Facility)中升级后直线加速器将达到的束流参数，合肥光源储存环具备向准恒流运行模式发展的潜力。论文第四章进行了合肥光源通用光源聚焦模式的非线性特性分析。简单地回顾了一些非线性动力学研究方法与理论(包括Hamiltonian动力学，Lie代数和标准形式理论)后，作者自己的工作主要是研究了各种因素(包括色品补偿六极磁铁、高阶动能项、二极磁铁和四极磁铁边缘磁场)对非线性动力学的影响和贡献。标准形式分析表明，除了六极磁铁外，四极磁铁边缘磁场会对储存环四阶非线性效应(非线性共振，失谐效应，二阶色品，三阶动量紧缩因子等)有贡献，其表现与八极磁铁类似；二极磁铁边缘磁场同样对三阶非线性效应(非线性共振，线性色品和二阶动量紧缩因子)和失谐系数有贡献，储存环磁铁的弯转半径越小，贡献越大。然后，用生成函数方法推导了二极磁铁和四极磁铁边缘磁场中近似的显式传输映射表达式，并用于数值跟踪计算，详细讨论了各种因素对合肥光源储存环通用光源模式线性参数和非线性特性的影响。考虑边缘磁场贡献后，通用光源模式的动力学孔径有所减小，但仍大于储存环物理孔径。世界上现有的多种分析计算非线性效应的程序一般忽略了二极磁铁及其边缘磁场的某些项，因此不太适用于“小环”，作者为此自行编写了计算程序。本章的工作为下一章的Landau阻尼分析打下了基础；也为今后在合肥光源上实现发射度较小、因而动力学孔径的要求更紧迫的运行模式准备了必须的研究工具。论文第五章分析了合肥光源储存环中的两类集体效应——束流负载效应和Landau阻尼效应。首先，用等效电路模型分析和计算了束流注入过程、慢加速过程和运行过程中高频系统的表现和强流Robinson不稳定性阈值流强，结果表明，现高频系统的物理设计参数是合理的，但在注入过程(此时腔电压较低，高频功率不高)中，必须留有一定的失谐量，才能保证束流快速而稳定地积累，并描述了现用的计算机控制调谐、调幅回路实施注入的方式。然后，用传输函数模型(又称Pederson model)解析地分析讨论了高频低电平控制回路对束流稳定性的影响，表明对于合肥光源这样的重束流负载环，低电平环路对束流稳定性的影响应在系统设计中加以考虑，特别是调幅回路的增益不能过大。本章第二部分阐述了Landau阻尼基本原理，在他人工作的基础上推导了电子储存环中双Gaussian分布“扁平”束流的传输函数和稳定性图表达式，定量计算了合肥光源不同条件下束流传输函数和稳定性图，介绍了合肥光源八极磁铁系统的物理设计、实验结果和下一步新增八极磁铁的方案。本章记述的两项工作分别成功地处理了在纵向和横向对束流注入与积累影响最大的两个集体效应，这些工作为合肥光源运行流强达到二期工程指标创造了条件。论文最后是对论文的主要研究内容与结论作了简单的总结，并分析了研究中的不足和未来需要继续深入研究的问题。虽然本论文涉及到内容比较多，但依旧远不足以完全描述合肥光源储存环的物理性能，仍有很多问题需要进一步深入研究。希望未来能够对合肥光源储存环物理特性开展更深入的研究，不断提升合肥光源储存环的性能，为我国同步辐射事业做出更大的贡献。

论文目录

• 目录
• 论文中图名列表
• 论文中表名列表
• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• §1.1 同步辐射光源介绍
• §1.2 合肥光源介绍
• §1.3 论文背景、意义、主要内容和创新点
• §1.3.1 论文背景、目的和意义
• §1.3.2 论文主要研究内容
• §1.3.3 论文内容创新点
• 第二章 HLS储存环响应矩阵应用
• §2.1 HLS储存环线性聚焦模型标定
• §2.1.1 问题的提出
• §2.1.2 响应矩阵拟合原理回顾
• §2.1.3 在HLS应用LOCO程序标定储存环线性聚焦模型
• §2.1.3.1 系统公差的影响
• §2.1.3.2 随机公差的影响
• §2.1.3.3 HLS储存环LOCO实验研究结果
• §2.2 HLS储存环超导扭摆磁铁聚焦效应补偿
• §2.2.1 插入元件概述
• §2.2.2 HLS储存环插入元件简介与扰动计算分析
• §2.2.3 超导扭摆磁铁补偿方式研究
• §2.3 HLS储存环轨道稳定性理论分析
• §2.3.1 轨道稳定性概述
• §2.3.2 束流轨道描述
• §2.3.3 HLS储存环轨道计算与分析
• §2.4 本章小结
• 第三章 HLS储存环注入过程物理分析
• §3.1 现注入系统和输运线介绍
• §3.2 局部凸轨方法注入原理
• §3.2.1 电子束流横向分布
• §3.2.2 局部凸轨的形成
• §3.2.3 注入束流的横向接受过程
• §3.2.4 注入束流的纵向俘获过程
• §3.2.5 储存束流的横向扰动
• §3.3 HLS储存环线注入系统分析
• §3.3.1 注入束流的纵向俘获效率
• §3.3.2 注入束流的横向运动分析
• §3.3.3 储存束流的横向运动分析
• §3.4 HLS储存环改善注入过程的物理设计
• §3.4.1 束流输运线物理设计改进
• §3.4.1.1 改进的束流输运线Lattice设计
• §3.4.1.2 完善输运线轨迹校正系统
• §3.4.2 注入系统改进方案
• §3.4.2.1 局部凸轨系统
• §3.4.2.2 冲击磁场脉冲宽度的选择
• §3.4.2.3 冲击磁场对储存束流的扰动
• §3.5 本章小结
• 第四章 HLS储存环非线性模型
• §4.1 非线性动力学理论
• §4.1.1 Hamiltonian动力学
• §4.1.2 Lie代数
• §4.1.3 标准形式分析
• §4.1.4 应用标准形式分析六极磁铁效应
• §4.1.5 主磁铁边缘磁场理论
• §4.2 储存环中特殊的非线性贡献
• §4.2.1 高阶动能项
• §4.2.2 边缘磁场纵向分布描述
• §4.2.3 边缘磁场动力学效应定性分析
• §4.3 粒子动力学数学计算方法
• §4.3.1 粒子数值跟踪计算方法概述
• §4.3.2 边缘磁场数值跟踪计算原理
• §4.3.2.1 数值产生生成函数
• §4.3.2.2 Lie代数方法
• §4.3.2.3 生成函数方法
• §4.3.3 HLS储存环通用光源模式讨论
• §4.3.3.1 边缘磁场对工作点的影响
• §4.3.3.2 HLS储存环运行参数下边缘磁场的影响
• §4.3.3.3 运行参数下HLS储存环失谐系数
• §4.3.3.4 边缘磁场对动力学孔径的影响
• §4.4 本章小结
• 第五章 HLS储存环两种集体效应分析
• §5.1 HLS储存环束流负载效应
• §5.1.1 低流强Robinson不稳定性
• §5.1.2 强流Robinson不稳定性
• §5.1.3 HLS储存环高频系统工作状态分析
• §5.1.3.1 HLS储存环注入过程中高频系统状态
• §5.1.3.2 HLS储存环慢加速中高频系统状态
• §5.1.3.3 HLS储存环运行中高频系统状态
• §5.1.4 HLS高频系统低电平回路影响分析
• §5.1.4.1 高频系统低电平回路简单回顾
• §5.1.4.2 HLS低电平电路影响分析
• §5.2 Landau阻尼与HLS储存环八极磁铁系统设计
• §5.2.1 储存环中阻尼机制
• §5.2.2 Landau阻尼机制
• §5.2.2.1 束流对脉冲激励的响应
• §5.2.2.2 束流对谐波激励的响应
• §5.2.2.3 色散关系和稳定性图
• §5.2.3 储存环非线性和Landau阻尼
• §5.2.4 八极磁铁的失谐效应
• §5.2.5 HLS储存环八极磁铁系统设计
• §5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• §6.1 结论
• §6.2 展望
• 致谢
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