合肥光源储存环粒子动力学问题研究

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1、中国科学技术大学博士学位论文合肥光源储存环粒子动力学问题研究姓名：王琳申请学位级别：博士专业：核技术及应用指导教师：刘祖平20061101中∞科掌掣沫夫掌倬±掌位佬戈中文摘要摘要：合肥光源(HefeiLightSource)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(UniversityofScienceandTechnologyofChina)国家同步辐射实验室(NationalSy

2、nchrotronRadiationLaboratory，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(GeneralPurposeLightSource)模式运行流强可达到300mh以上，束流寿命好于8小时，束流轨道稳定性好于100“m；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

3、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

4、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一校正磁铁响应矩阵。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“计算模型与实铡工作点不吻合”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

5、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中日科掌拽书^掌博女掌m麓?文抽r要性，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

6、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J下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

7、。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(HefeiFreeElectronLaserTestFacility)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

8、铁和四极磁铁边缘磁场)对