描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787030414786丛书名: 耦合束团不稳定性测量与抑制
编辑推荐
《耦合束团不稳定性测量与抑制》理论联系实际，所呈现的内容，对我国加速器界同行有较高的参考
价值。《耦合束团不稳定性测量与抑制》可供加速器领域相关的工作人员，尤其是束流测量方向的研究
生和本科生阅读。同时由于技术的共通性，对从事快电子学、信号接收、数
据处理和分析等领域的工程技术人员也有一定的参考价值。
价值。《耦合束团不稳定性测量与抑制》可供加速器领域相关的工作人员，尤其是束流测量方向的研究
生和本科生阅读。同时由于技术的共通性，对从事快电子学、信号接收、数
据处理和分析等领域的工程技术人员也有一定的参考价值。
内容简介
《耦合束团不稳定性测量与抑制》从加速器储存环的基本理论入手，围绕与储存环中束流位置测量
的相关课题，较完整、系统、详尽地阐述了观测和抑制储存环束流不稳定性
的理论、方法和相关技术。同时，还介绍了信号接收、信号处理和耦合束团
不稳定分析技巧等。束流不稳定性测量和抑制措施已在高能加速器多年运
行中进行了考验并得到验证。《耦合束团不稳定性测量与抑制》列举了许多应用例证，与实际结合紧密，
并涉及众多领域。
的相关课题，较完整、系统、详尽地阐述了观测和抑制储存环束流不稳定性
的理论、方法和相关技术。同时，还介绍了信号接收、信号处理和耦合束团
不稳定分析技巧等。束流不稳定性测量和抑制措施已在高能加速器多年运
行中进行了考验并得到验证。《耦合束团不稳定性测量与抑制》列举了许多应用例证，与实际结合紧密，
并涉及众多领域。
目 录
前言
第1章绪论1
1.1高能加速器和同步辐射装置简明发展史1
1.2HLS储存环测量系统与束流位置测量6
参考文献8
第2章束流动力学理论简介10
2.1坐标系10
2.2横向运动方程及其解12
2.3横向振荡14
2.4纵向振荡17
参考文献18
第3章束流信号与频谱理论19
3.1同步束团信号19
3.1.1单束团19
3.1.2多束团20
3.2横向β振荡幅度调制信号20
3.2.1单束团20
3.2.2多束团22
3.3纵向振荡相位调制信号23
3.3.1单束团23
3.3.2多束团24
3.4同时存在横向幅度调制和纵向相位调制26
3.4.1单束团26
3.4.2多束团27
参考文献28
第4章束流不稳定性29
4.1尾场和尾场函数29
4.1.1自由空间中以光速运动的束流31
4.1.2理想导电管道中以光速运动的束流32
4.1.3电阻壁和腔体结构中的尾场函数32
4.2耦合阻抗35
4.2.1耦合阻抗定义35
4.2.2耦合阻抗某些重要性质36
4.2.3几种典型的耦合阻抗和相应的尾场函数37
4.3不稳定性理论39
4.3.1横向不稳定性41
4.3.2阻抗壁效应引起的不稳定性42
4.3.3头尾不稳定性43
4.3.4纵向不稳定性———犚狅犫犻狀狊狅狀不稳定性46
4.3.5束腔不稳定性———高频腔高次模不稳定性49
4.3.6多束团不稳定性49
4.3.7束团伸长效应50
4.3.8离子不稳定性55
4.3.9快离子不稳定性59
4.4不稳定振荡模式概论62
4.4.1纵向振荡模式63
4.4.2横向振荡模式69
4.5电子储存环几种典型阻尼机制和克服不稳定性所采取的措施72
4.5.1辐射阻尼72
4.5.2朗道阻尼77
4.5.3常用的克服不稳定性措施83
参考文献84
第5章束流位置测量与相关理论基础86
5.1信号探测基本原理86
5.1.1感应场86
5.1.2信号接收87
5.2束流位置探测原理88
5.2.1钮扣电极BPM88
5.2.2条带电极93
5.2.3条带电极作为pickuo99
5.2.4条带电极作为kicker105
5.2.5HLS所使用的kicker的覆盖因子计算112
5.2.6HLS所使用的条带的耦合阻抗计算113
5.2.7两种BPM特性的比较114
5.3束流位置测量信号与处理114
5.3.1束流位置信号的要求114
5.3.2束流位置信号处理的要求114
5.3.3束流位置信号的处理方法115
5.4束流位置探测器在HLS的应用119
参考文献121
第6章HLS钮扣型束流位置探测器123
6.1钮扣型探测电极的定标124
6.1.1定标装置124
6.1.2定标中的数据处理126
6.1.3小二乘法逼近127
6.2以边界元素法验证模拟定标129
6.2.1边界元素法理论简介129
6.2.2灵敏度的计算131
参考文献133
第7章闭轨测量系统的研制与应用135
7.1HLS闭轨测量系统研制的进展135
7.2升级的闭轨测量系统结构与信号处理136
7.2.1COD测量系统硬件和软件结构136
7.2.2BPMModule137
7.3数据获取系统和数据的分析138
7.3.1数据获取系统138
7.3.2升级后的BPM系统测量精度和分辨率138
7.4BPM系统的应用141
7.4.1色散函数的测量141
7.4.2犅犅犃方法测量四极磁铁磁中心的位置142
7.4.3全环闭轨校正143
参考文献145
第8章数据处理方法146
8.1离散时间信号的处理147
8.1.1采样信号的频谱147
8.1.2采样定理148
8.1.3数字信号处理中截断的影响———泄漏149
8.2信号加窗150
8.2.1信号加窗意义150
8.2.2窗函数特性151
8.2.3几个应用中的窗函数154
8.3Tune测量156
8.3.1工作点测量意义156
8.3.2工作点估算方法的探讨157
8.4其他数据处理方法174
8.4.1基于数字锁相检测阻尼时间174
8.4.2小波方法在束测信号处理中的应用177
参考文献188
第9章HLS逐圈测量系统的研制与应用191
9.1TBT测量系统的研制191
9.1.1TBT测量系统参数选定191
9.1.2电子学线路及各部分的功能192
9.2逐圈测量系统定标197
9.2.1系统定标计算197
9.2.2探测电极灵敏度198
9.2.3BPM电子学增益定标198
9.2.4系统的在线定标199
9.3逐圈测量系统应用200
9.3.1逐圈位置测量200
9.3.2二期工程总调新注入系统的检测201
9.3.3低频窄带反馈系统的初步尝试203
9.3.4HLS若干物理参数的测量和不稳定性分析研究211
参考文献226
第10章逐束团测量系统研制与应用227
10.1逐束团测量系统研制的必要性和意义227
10.1.1研制的必要性227
10.1.2BxB测量的意义229
10.2国内外发展状况230
10.3HLS逐束团测量系统的研制231
10.3.1系统带宽的确定231
10.3.2测量系统的组成232
10.3.3关键器件性能的介绍241
10.4相关物理量测量与分析246
10.4.1HLS储存环Twiss函数247
10.4.2激励束流设备和线路247
10.4.3激励门电路的研制248
10.4.4逐束团测量系统的应用251
10.5逐束团流强测量系统268
10.5.1新的检波方案的应用269
10.5.2测量系统准确性验证270
10.5.3在线定标结果271
10.5.4逐束团纵向振荡测量系统273
10.5.5纵向振荡对横向测量影响分析276
参考文献277
第11章横向模拟反馈系统研制与应用280
11.1反馈原理281
11.1.1反馈系统理论281
11.1.2反馈系统工作原理284
11.1.3反馈系统类型和要求284
11.2HLS横向宽带反馈系统设计思想285
11.2.1系统的主要参数285
11.2.2pickuo选择288
11.3模拟横向反馈系统样机的研制288
11.3.1总体设计框图289
11.3.2各组成部分290
11.4逐束团测量和横向反馈系统的调试302
11.4.1测量系统的调试302
11.4.2模拟反馈样机的调试305
11.5希尔伯特变换相空间重建方法308
11.5.1希尔伯特变换相空间重建理论308
11.5.2希尔伯特变换在相空间重建中的应用原理312
11.5.3希尔伯特变换数据处理方法在HLS上的应用314
11.6横向反馈系统的改进317
11.6.1线路改进318
11.6.2基于EPICS的系统控制软件319
11.6.3系统调试与数据分析321
参考文献323
第12章数字横向反馈系统研制与应用325
12.1数字反馈基本原理325
12.2数字反馈技术的核心元素及其发展过程326
12.2.1DSP阵列作为处理单元的数字反馈系统326
12.2.2FPGA芯片作为处理单元的数字反馈系统327
12.3数字信号处理理论330
12.3.1离散时间线性非时变系统330
12.3.2单位取样响应和卷积331
12.3.3离散时间信号和系统频域分析331
12.3.4离散傅里叶变换332
12.4数字滤波器设计335
12.4.1IIR滤波器337
12.4.2FIR滤波器339
12.4.3数字滤波器的系数量化误差340
12.5数字反馈的犉犐犚滤波器算法实现341
12.5.1频域法设计滤波器341
12.5.2时域小二乘法设计滤波器342
12.5.3选择犉犐犚滤波器设计343
12.5.4数字横向逐束团反馈方法与实现344
12.6HLS数字横向逐束团反馈系统345
12.6.1HLS数字横向反馈系统的构成345
12.6.2数字反馈处理器的犉犘犌犃程序修改352
12.6.3滤波器设计与优化354
12.6.4增益放大器358
12.6.5时钟系统361
12.6.6数字反馈系统集成与控制361
12.7反馈系统的调试与分析361
12.7.1频率响应的测试362
12.7.2单束团时序试验362
12.7.3200MeV反馈系统相位调试363
12.7.4800MeV反馈系统相位调试364
12.8800MeV运行状态下的反馈效果检测365
12.8.1抑制800MeV运行时的横向不稳定性边带365
12.8.2降低六极磁铁电流试验366
12.8.3阻尼时间测量369
12.9横向振荡模式分析371
12.10提高注入流强371
12.10.1抑制注入边带371
12.10.2抑制注入残余振荡372
12.10.3替代八极磁铁提高注入流强373
参考文献374
第1章绪论1
1.1高能加速器和同步辐射装置简明发展史1
1.2HLS储存环测量系统与束流位置测量6
参考文献8
第2章束流动力学理论简介10
2.1坐标系10
2.2横向运动方程及其解12
2.3横向振荡14
2.4纵向振荡17
参考文献18
第3章束流信号与频谱理论19
3.1同步束团信号19
3.1.1单束团19
3.1.2多束团20
3.2横向β振荡幅度调制信号20
3.2.1单束团20
3.2.2多束团22
3.3纵向振荡相位调制信号23
3.3.1单束团23
3.3.2多束团24
3.4同时存在横向幅度调制和纵向相位调制26
3.4.1单束团26
3.4.2多束团27
参考文献28
第4章束流不稳定性29
4.1尾场和尾场函数29
4.1.1自由空间中以光速运动的束流31
4.1.2理想导电管道中以光速运动的束流32
4.1.3电阻壁和腔体结构中的尾场函数32
4.2耦合阻抗35
4.2.1耦合阻抗定义35
4.2.2耦合阻抗某些重要性质36
4.2.3几种典型的耦合阻抗和相应的尾场函数37
4.3不稳定性理论39
4.3.1横向不稳定性41
4.3.2阻抗壁效应引起的不稳定性42
4.3.3头尾不稳定性43
4.3.4纵向不稳定性———犚狅犫犻狀狊狅狀不稳定性46
4.3.5束腔不稳定性———高频腔高次模不稳定性49
4.3.6多束团不稳定性49
4.3.7束团伸长效应50
4.3.8离子不稳定性55
4.3.9快离子不稳定性59
4.4不稳定振荡模式概论62
4.4.1纵向振荡模式63
4.4.2横向振荡模式69
4.5电子储存环几种典型阻尼机制和克服不稳定性所采取的措施72
4.5.1辐射阻尼72
4.5.2朗道阻尼77
4.5.3常用的克服不稳定性措施83
参考文献84
第5章束流位置测量与相关理论基础86
5.1信号探测基本原理86
5.1.1感应场86
5.1.2信号接收87
5.2束流位置探测原理88
5.2.1钮扣电极BPM88
5.2.2条带电极93
5.2.3条带电极作为pickuo99
5.2.4条带电极作为kicker105
5.2.5HLS所使用的kicker的覆盖因子计算112
5.2.6HLS所使用的条带的耦合阻抗计算113
5.2.7两种BPM特性的比较114
5.3束流位置测量信号与处理114
5.3.1束流位置信号的要求114
5.3.2束流位置信号处理的要求114
5.3.3束流位置信号的处理方法115
5.4束流位置探测器在HLS的应用119
参考文献121
第6章HLS钮扣型束流位置探测器123
6.1钮扣型探测电极的定标124
6.1.1定标装置124
6.1.2定标中的数据处理126
6.1.3小二乘法逼近127
6.2以边界元素法验证模拟定标129
6.2.1边界元素法理论简介129
6.2.2灵敏度的计算131
参考文献133
第7章闭轨测量系统的研制与应用135
7.1HLS闭轨测量系统研制的进展135
7.2升级的闭轨测量系统结构与信号处理136
7.2.1COD测量系统硬件和软件结构136
7.2.2BPMModule137
7.3数据获取系统和数据的分析138
7.3.1数据获取系统138
7.3.2升级后的BPM系统测量精度和分辨率138
7.4BPM系统的应用141
7.4.1色散函数的测量141
7.4.2犅犅犃方法测量四极磁铁磁中心的位置142
7.4.3全环闭轨校正143
参考文献145
第8章数据处理方法146
8.1离散时间信号的处理147
8.1.1采样信号的频谱147
8.1.2采样定理148
8.1.3数字信号处理中截断的影响———泄漏149
8.2信号加窗150
8.2.1信号加窗意义150
8.2.2窗函数特性151
8.2.3几个应用中的窗函数154
8.3Tune测量156
8.3.1工作点测量意义156
8.3.2工作点估算方法的探讨157
8.4其他数据处理方法174
8.4.1基于数字锁相检测阻尼时间174
8.4.2小波方法在束测信号处理中的应用177
参考文献188
第9章HLS逐圈测量系统的研制与应用191
9.1TBT测量系统的研制191
9.1.1TBT测量系统参数选定191
9.1.2电子学线路及各部分的功能192
9.2逐圈测量系统定标197
9.2.1系统定标计算197
9.2.2探测电极灵敏度198
9.2.3BPM电子学增益定标198
9.2.4系统的在线定标199
9.3逐圈测量系统应用200
9.3.1逐圈位置测量200
9.3.2二期工程总调新注入系统的检测201
9.3.3低频窄带反馈系统的初步尝试203
9.3.4HLS若干物理参数的测量和不稳定性分析研究211
参考文献226
第10章逐束团测量系统研制与应用227
10.1逐束团测量系统研制的必要性和意义227
10.1.1研制的必要性227
10.1.2BxB测量的意义229
10.2国内外发展状况230
10.3HLS逐束团测量系统的研制231
10.3.1系统带宽的确定231
10.3.2测量系统的组成232
10.3.3关键器件性能的介绍241
10.4相关物理量测量与分析246
10.4.1HLS储存环Twiss函数247
10.4.2激励束流设备和线路247
10.4.3激励门电路的研制248
10.4.4逐束团测量系统的应用251
10.5逐束团流强测量系统268
10.5.1新的检波方案的应用269
10.5.2测量系统准确性验证270
10.5.3在线定标结果271
10.5.4逐束团纵向振荡测量系统273
10.5.5纵向振荡对横向测量影响分析276
参考文献277
第11章横向模拟反馈系统研制与应用280
11.1反馈原理281
11.1.1反馈系统理论281
11.1.2反馈系统工作原理284
11.1.3反馈系统类型和要求284
11.2HLS横向宽带反馈系统设计思想285
11.2.1系统的主要参数285
11.2.2pickuo选择288
11.3模拟横向反馈系统样机的研制288
11.3.1总体设计框图289
11.3.2各组成部分290
11.4逐束团测量和横向反馈系统的调试302
11.4.1测量系统的调试302
11.4.2模拟反馈样机的调试305
11.5希尔伯特变换相空间重建方法308
11.5.1希尔伯特变换相空间重建理论308
11.5.2希尔伯特变换在相空间重建中的应用原理312
11.5.3希尔伯特变换数据处理方法在HLS上的应用314
11.6横向反馈系统的改进317
11.6.1线路改进318
11.6.2基于EPICS的系统控制软件319
11.6.3系统调试与数据分析321
参考文献323
第12章数字横向反馈系统研制与应用325
12.1数字反馈基本原理325
12.2数字反馈技术的核心元素及其发展过程326
12.2.1DSP阵列作为处理单元的数字反馈系统326
12.2.2FPGA芯片作为处理单元的数字反馈系统327
12.3数字信号处理理论330
12.3.1离散时间线性非时变系统330
12.3.2单位取样响应和卷积331
12.3.3离散时间信号和系统频域分析331
12.3.4离散傅里叶变换332
12.4数字滤波器设计335
12.4.1IIR滤波器337
12.4.2FIR滤波器339
12.4.3数字滤波器的系数量化误差340
12.5数字反馈的犉犐犚滤波器算法实现341
12.5.1频域法设计滤波器341
12.5.2时域小二乘法设计滤波器342
12.5.3选择犉犐犚滤波器设计343
12.5.4数字横向逐束团反馈方法与实现344
12.6HLS数字横向逐束团反馈系统345
12.6.1HLS数字横向反馈系统的构成345
12.6.2数字反馈处理器的犉犘犌犃程序修改352
12.6.3滤波器设计与优化354
12.6.4增益放大器358
12.6.5时钟系统361
12.6.6数字反馈系统集成与控制361
12.7反馈系统的调试与分析361
12.7.1频率响应的测试362
12.7.2单束团时序试验362
12.7.3200MeV反馈系统相位调试363
12.7.4800MeV反馈系统相位调试364
12.8800MeV运行状态下的反馈效果检测365
12.8.1抑制800MeV运行时的横向不稳定性边带365
12.8.2降低六极磁铁电流试验366
12.8.3阻尼时间测量369
12.9横向振荡模式分析371
12.10提高注入流强371
12.10.1抑制注入边带371
12.10.2抑制注入残余振荡372
12.10.3替代八极磁铁提高注入流强373
参考文献374
前 言
媒体评论
在线试读
第1章绪论
1.1高能加速器和同步辐射装置简明发展史
1919年,英国科学家卢瑟福(Rutherford)用天然放射源中能量为几兆电子伏的高速!粒子束(即氦核)轰击厚度仅为0.0004cm的金属箔,实现了人类科学史上次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布,发现原子核本身有结构,从而激发了人们寻求更高能量的粒子轰击原子核进而研究原子核结构的愿望。
粒子加速器是利用电场来加速带电粒子使之获得高能量的装置。基本原理是使带电粒子在电场中受到电场力而加速,能量获得增加。加速粒子的电场通常有三种形式:静电场。磁感应电场和交变电磁场。用静电场加速粒子是原始简单的方式,静电加速器。高压倍加加速器就是利用此手段加速带电粒子的。初级线圈产生的变化磁场能产生感应的电场也可以加速带电粒子,这种加速器是电子感应加速器。交变电磁场中的电场同样可以用来加速电子,这是多种加速器中应用广泛的一种方法。采用这种方法加速的加速器种类很多,有回旋加速器。直线加速器。质子同步加速器。同步辐射加速器和对撞机等。
早在20世纪20年代,科学家就探讨过许多加速带电粒子的方案,并进行过多次试验。其中早提出加速原理的是维德罗(Wideroe)。30年代初,高压倍加加速器。静电加速器。回旋加速器相继问世,研制者分别获得这一时期的诺贝尔物理学奖。此后,随着人们对微观物质世界深层次结构研究的不断深入,各个科学技术领域对各种快速粒子束的需求不断增长,多种新的加速原理和方法,如自动稳相原理和强聚焦原理被提出,相继产生了电子感应加速器。直线加速器。强聚焦高能加速器和扇形聚焦回旋加速器等。通过高能粒子束之间的对头碰撞(简称对撞)可提高粒子束的有效作用能。1956年,克斯特(Kerst)提出了建议,1960年意大利科学家托歇克(Touschek)首次提出了这项原理,并在意大利的Frascati国家实验室建成了直径约1m的AdA对撞机,从而验证了该原理,这是加速器发展史上的一次飞跃。
电子储存环是在20世纪50年代作为正负电子对撞试验的粒子物理研究装置提出的。60年代后相继建成多台正负电子对撞机。电子储存环不仅是高能粒子物理研究的重要工具,也是同步辐射研究的重要仪器。同步辐射是接近光速的带电粒子在做曲线运动时,沿轨道切线方向发出的电磁辐射。同步辐射于1947年在美国通用电气公司的一台70MeV的同步加速器中首次被肉眼看到,因此命名为同步辐射(synchrotronradiation,SR)。储存环也可以把电子加速到更高的能量。储存环有电子储存环和质子储存环两种。在实用上,都是用电子或正电子产生同步辐射。
随着正负电子对撞机的建立,寄生于高能物理储存环上的同步辐射研究也逐步发展起来。寄生于为高能物理研究建造的储存环上的同步辐射光源称为代同步辐射光源。代同步辐射光源虽然不是为同步辐射应用专门设计的,但是其高强度和从远红外到X射线的宽阔的连续光谱,可以看出它具有空前的试验基础研究能力,从而开创了很多新的研究应用领域。目前绝大多数电子对撞机兼进行同步辐射的研究工作。自1968年美国威斯康星大学建成240MeV储存环作为专用同步辐射光源以来,20世纪70年代开始建造了几十台专用于同步辐射的电子储存环。第二代同步光源是专门为同步辐射的应用而设计的。为改进所产生的同步辐射光源的质量,需要将储存环结构进行化的设计,一般采用Chas-man-GreenLattice结构。第二代同步辐射光源都是在80年代前后建成的,它们的发射度大约为100nm’mrad。而相继建成的第三代同步辐射光源的特征是为大量使用插入件而设计的低发射度储存环,这些环的发射度一般小于10nm’mrad。它们发出的同步辐射光源的亮度比亮的第二代光源至少高100倍。同步辐射光源的发展大体经历了这三个阶段。
同步辐射具有常规光源不可比拟的优良性能:宽广平滑的连续光谱。强度大。亮度高。频谱连续。方向性和偏振性好。有脉冲时间结构和洁净真空环境的优异新型光源。因此,它广泛应用于物理、化学、材料科学、生命科学、信息科学、力学、地学、医学、药学、农学、环境保护、计量科学、光刻和超微细加工等众多基础研究和应用研究。
用于储存和加速粒子的储存环,是应粒子物理试验的需要而发展起来的,是加速器技术发展史上的一个重要飞跃,现在仍在不断发展中。
目前中国内地有三家同步辐射光源,分别是HLS。北京同步辐射装置(Beijingsynchrotronradiationfacility’BSRF)和新建的SSRF。其中,BSRF和SSRF的工作波长主要分布在软X射线和X射线部分。HLS作为一台能量为800MeV的低能光源,其辐射特征波长为24人,小可用波长为5人,主要服务于紫外和真空紫外用户。HLS上还建有6T单周期三极超导磁铁扭摆器(wiggle),用以产生辐射特征波长为4.8人。小可用波长为1人的X射线。
HLS是专用的同步辐射装置,始建于20世纪80年代[1]。90年代末,又进行了二期工程建设,升级了电源。注入。高频。束流测量和控制等系统。在充分保证机器主体长期。可靠。稳定运行,大幅度提高光源积分流强。亮度和稳定性的基础
上,新建1台波荡器插入元件和增建8条新光束线和相应8个试验站[1,2]。
HLS是由一台200MeV的直线电子加速器和一个周长66m的电子储存环组成的。电子储存环由12块二极磁铁。48块四极磁铁。六极磁铁。注入和高频系统以及各种测量设备等组成,采用多圈多次全填充注入方式。来自直线的200MeV能量束流经过输运线,通过注入系统注入储存环中,并Ramping到800MeV能量后运行,其运行流强通常为200。300mA。电子储存环运行的各参数如表!!1所示。
对于HLS,来自储存环弯转磁铁的同步辐射特征波长为2.4nm(24A)。环上还有扭摆器(wiggler)和波荡器(undulator)。扭摆器为6T单周期三极超导磁铁扭摆器,产生辐射特征波长为0.48nm(4.80)。小可用波长为0.1nm(lO)的可用X射线。波荡器产生的辐射光波长为10。162nm,亮度比从弯转磁铁处发出来的同步光提高近3个量级。
HLS自20世纪90年代初投入运行以来,支撑了众多前沿科学研究工作,取得了很多世界上瞩目的科研成果。在HLS储存环上安装了光刻(U1)。红外与远红外光谱(U4)。高空间分辨X射线成像(U7A)。X射线散射与衍射(U7B)。扩展X射线吸收精细结构(U7C)。燃烧(U10)。软X射线显微术(U12A)。原子与分子物理(U1.A)。真空紫外分析(U14C)。表面物理(U18)。软X射线磁性圆二色(U19)。光电子能谱(U20)。真空紫外光谱(U2.)。光声与真空紫外圆二色光谱(U25)。光谱辐射标准与计量(U26)共15个光束线试验站,皆已投入使用并向国内外用户开放。HLS—期工程期间和二期工程结束后,建有的光束线站分别如图1.1.1和图1.1.2所示。为了实现HLS储存环低发射度的稳定运行和增加储存环直线节的数目,以满足客户日益增长的科研要求,于2010年启动了HLS重大维修改造项目(Hefeilightsourcen,HLS□)$改造的内容包括:①在更强的横向聚焦作用下束流发射度能达到.Onrn’rad以下;②储存环直线节的数目增加到8个,可以安装更多的插入件,以便建造有特色的线站。更低的束流发射度和更多插入件的应用,使得束流品质将有明显提升,壳度将会提!大约两个数量级,并能产生!壳度的真空紫外和远红外辐射,整体性能将进入国际同类光源前列。
升级改造后的储存环,运行能量仍为800MeV,流强指标大于300mA[3]。储存环的周长为66.13m,有.个DBA(doublebendingachromatic)聚焦单元。全环由8块弯转磁铁、32块四极磁铁、32块多功能六极磁铁、高频腔、满能量(800MeV)并能实现单束团注入单元、4个插入件和各测量设备等组成。全环共安装32个BP。进行束流轨道畸变测量和单圈测量,与32个水平和垂直轨道校正线圈组成束流闭轨校正系统。同时安装了横向。纵向快速束流反馈激励腔和若干条带电极,它们将用于束流反馈系统和反馈信号检测。
储存环物理方案中的设计有两种工作模式:传统的消色散工作模式(简称模式A)和分布式色散工作模式(简称模式B)。HLSn储存环磁铁布局示意图如图!1.3所示,储存环的基本参数见表!1.2。围绕改造后的HLS储存环建立14个光束线站,它将充分发挥光源在真空紫外能区的优势,推动在以下科学研究方向达到国际领先或先进水平:①利用高分辨角分辨电子能谱。THz红外谱学技术,建立量子调控研究平台;②建立THz和红外显微成像研究平台;③利用真空紫外。软X射线谱学和成像技术,建立水科学研究平台;④利用真空紫外光电子技术,建立化学动力学和催化研究平台;⑤利用真空紫外光电离技术’建立燃烧反应动力学研究平台,提高燃烧效率’发展新概念燃烧方法;⑥利用纳米分辨成像技术,建立细胞CT研究平台,为癌症等重大疾病的早期诊断等医学应用提供新的有效手段。
1.2HLS储存环测量系统与束流位置测量
束流测量系统是加速器调试和运行过程中必不可少的组成部分。束流测量系统可以对各种束流参数进行监测,为新机器的研制和运行。已使用机器的升级改造调试研究和性能的提高提供重要依据,因此被称为加速器的“眼睛”，国内外
1.1高能加速器和同步辐射装置简明发展史
1919年,英国科学家卢瑟福(Rutherford)用天然放射源中能量为几兆电子伏的高速!粒子束(即氦核)轰击厚度仅为0.0004cm的金属箔,实现了人类科学史上次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布,发现原子核本身有结构,从而激发了人们寻求更高能量的粒子轰击原子核进而研究原子核结构的愿望。
粒子加速器是利用电场来加速带电粒子使之获得高能量的装置。基本原理是使带电粒子在电场中受到电场力而加速,能量获得增加。加速粒子的电场通常有三种形式:静电场。磁感应电场和交变电磁场。用静电场加速粒子是原始简单的方式,静电加速器。高压倍加加速器就是利用此手段加速带电粒子的。初级线圈产生的变化磁场能产生感应的电场也可以加速带电粒子,这种加速器是电子感应加速器。交变电磁场中的电场同样可以用来加速电子,这是多种加速器中应用广泛的一种方法。采用这种方法加速的加速器种类很多,有回旋加速器。直线加速器。质子同步加速器。同步辐射加速器和对撞机等。
早在20世纪20年代,科学家就探讨过许多加速带电粒子的方案,并进行过多次试验。其中早提出加速原理的是维德罗(Wideroe)。30年代初,高压倍加加速器。静电加速器。回旋加速器相继问世,研制者分别获得这一时期的诺贝尔物理学奖。此后,随着人们对微观物质世界深层次结构研究的不断深入,各个科学技术领域对各种快速粒子束的需求不断增长,多种新的加速原理和方法,如自动稳相原理和强聚焦原理被提出,相继产生了电子感应加速器。直线加速器。强聚焦高能加速器和扇形聚焦回旋加速器等。通过高能粒子束之间的对头碰撞(简称对撞)可提高粒子束的有效作用能。1956年,克斯特(Kerst)提出了建议,1960年意大利科学家托歇克(Touschek)首次提出了这项原理,并在意大利的Frascati国家实验室建成了直径约1m的AdA对撞机,从而验证了该原理,这是加速器发展史上的一次飞跃。
电子储存环是在20世纪50年代作为正负电子对撞试验的粒子物理研究装置提出的。60年代后相继建成多台正负电子对撞机。电子储存环不仅是高能粒子物理研究的重要工具,也是同步辐射研究的重要仪器。同步辐射是接近光速的带电粒子在做曲线运动时,沿轨道切线方向发出的电磁辐射。同步辐射于1947年在美国通用电气公司的一台70MeV的同步加速器中首次被肉眼看到,因此命名为同步辐射(synchrotronradiation,SR)。储存环也可以把电子加速到更高的能量。储存环有电子储存环和质子储存环两种。在实用上,都是用电子或正电子产生同步辐射。
随着正负电子对撞机的建立,寄生于高能物理储存环上的同步辐射研究也逐步发展起来。寄生于为高能物理研究建造的储存环上的同步辐射光源称为代同步辐射光源。代同步辐射光源虽然不是为同步辐射应用专门设计的,但是其高强度和从远红外到X射线的宽阔的连续光谱,可以看出它具有空前的试验基础研究能力,从而开创了很多新的研究应用领域。目前绝大多数电子对撞机兼进行同步辐射的研究工作。自1968年美国威斯康星大学建成240MeV储存环作为专用同步辐射光源以来,20世纪70年代开始建造了几十台专用于同步辐射的电子储存环。第二代同步光源是专门为同步辐射的应用而设计的。为改进所产生的同步辐射光源的质量,需要将储存环结构进行化的设计,一般采用Chas-man-GreenLattice结构。第二代同步辐射光源都是在80年代前后建成的,它们的发射度大约为100nm’mrad。而相继建成的第三代同步辐射光源的特征是为大量使用插入件而设计的低发射度储存环,这些环的发射度一般小于10nm’mrad。它们发出的同步辐射光源的亮度比亮的第二代光源至少高100倍。同步辐射光源的发展大体经历了这三个阶段。
同步辐射具有常规光源不可比拟的优良性能:宽广平滑的连续光谱。强度大。亮度高。频谱连续。方向性和偏振性好。有脉冲时间结构和洁净真空环境的优异新型光源。因此,它广泛应用于物理、化学、材料科学、生命科学、信息科学、力学、地学、医学、药学、农学、环境保护、计量科学、光刻和超微细加工等众多基础研究和应用研究。
用于储存和加速粒子的储存环,是应粒子物理试验的需要而发展起来的,是加速器技术发展史上的一个重要飞跃,现在仍在不断发展中。
目前中国内地有三家同步辐射光源,分别是HLS。北京同步辐射装置(Beijingsynchrotronradiationfacility’BSRF)和新建的SSRF。其中,BSRF和SSRF的工作波长主要分布在软X射线和X射线部分。HLS作为一台能量为800MeV的低能光源,其辐射特征波长为24人,小可用波长为5人,主要服务于紫外和真空紫外用户。HLS上还建有6T单周期三极超导磁铁扭摆器(wiggle),用以产生辐射特征波长为4.8人。小可用波长为1人的X射线。
HLS是专用的同步辐射装置,始建于20世纪80年代[1]。90年代末,又进行了二期工程建设,升级了电源。注入。高频。束流测量和控制等系统。在充分保证机器主体长期。可靠。稳定运行,大幅度提高光源积分流强。亮度和稳定性的基础
上,新建1台波荡器插入元件和增建8条新光束线和相应8个试验站[1,2]。
HLS是由一台200MeV的直线电子加速器和一个周长66m的电子储存环组成的。电子储存环由12块二极磁铁。48块四极磁铁。六极磁铁。注入和高频系统以及各种测量设备等组成,采用多圈多次全填充注入方式。来自直线的200MeV能量束流经过输运线,通过注入系统注入储存环中,并Ramping到800MeV能量后运行,其运行流强通常为200。300mA。电子储存环运行的各参数如表!!1所示。
对于HLS,来自储存环弯转磁铁的同步辐射特征波长为2.4nm(24A)。环上还有扭摆器(wiggler)和波荡器(undulator)。扭摆器为6T单周期三极超导磁铁扭摆器,产生辐射特征波长为0.48nm(4.80)。小可用波长为0.1nm(lO)的可用X射线。波荡器产生的辐射光波长为10。162nm,亮度比从弯转磁铁处发出来的同步光提高近3个量级。
HLS自20世纪90年代初投入运行以来,支撑了众多前沿科学研究工作,取得了很多世界上瞩目的科研成果。在HLS储存环上安装了光刻(U1)。红外与远红外光谱(U4)。高空间分辨X射线成像(U7A)。X射线散射与衍射(U7B)。扩展X射线吸收精细结构(U7C)。燃烧(U10)。软X射线显微术(U12A)。原子与分子物理(U1.A)。真空紫外分析(U14C)。表面物理(U18)。软X射线磁性圆二色(U19)。光电子能谱(U20)。真空紫外光谱(U2.)。光声与真空紫外圆二色光谱(U25)。光谱辐射标准与计量(U26)共15个光束线试验站,皆已投入使用并向国内外用户开放。HLS—期工程期间和二期工程结束后,建有的光束线站分别如图1.1.1和图1.1.2所示。为了实现HLS储存环低发射度的稳定运行和增加储存环直线节的数目,以满足客户日益增长的科研要求,于2010年启动了HLS重大维修改造项目(Hefeilightsourcen,HLS□)$改造的内容包括:①在更强的横向聚焦作用下束流发射度能达到.Onrn’rad以下;②储存环直线节的数目增加到8个,可以安装更多的插入件,以便建造有特色的线站。更低的束流发射度和更多插入件的应用,使得束流品质将有明显提升,壳度将会提!大约两个数量级,并能产生!壳度的真空紫外和远红外辐射,整体性能将进入国际同类光源前列。
升级改造后的储存环,运行能量仍为800MeV,流强指标大于300mA[3]。储存环的周长为66.13m,有.个DBA(doublebendingachromatic)聚焦单元。全环由8块弯转磁铁、32块四极磁铁、32块多功能六极磁铁、高频腔、满能量(800MeV)并能实现单束团注入单元、4个插入件和各测量设备等组成。全环共安装32个BP。进行束流轨道畸变测量和单圈测量,与32个水平和垂直轨道校正线圈组成束流闭轨校正系统。同时安装了横向。纵向快速束流反馈激励腔和若干条带电极,它们将用于束流反馈系统和反馈信号检测。
储存环物理方案中的设计有两种工作模式:传统的消色散工作模式(简称模式A)和分布式色散工作模式(简称模式B)。HLSn储存环磁铁布局示意图如图!1.3所示,储存环的基本参数见表!1.2。围绕改造后的HLS储存环建立14个光束线站,它将充分发挥光源在真空紫外能区的优势,推动在以下科学研究方向达到国际领先或先进水平:①利用高分辨角分辨电子能谱。THz红外谱学技术,建立量子调控研究平台;②建立THz和红外显微成像研究平台;③利用真空紫外。软X射线谱学和成像技术,建立水科学研究平台;④利用真空紫外光电子技术,建立化学动力学和催化研究平台;⑤利用真空紫外光电离技术’建立燃烧反应动力学研究平台,提高燃烧效率’发展新概念燃烧方法;⑥利用纳米分辨成像技术,建立细胞CT研究平台,为癌症等重大疾病的早期诊断等医学应用提供新的有效手段。
1.2HLS储存环测量系统与束流位置测量
束流测量系统是加速器调试和运行过程中必不可少的组成部分。束流测量系统可以对各种束流参数进行监测,为新机器的研制和运行。已使用机器的升级改造调试研究和性能的提高提供重要依据,因此被称为加速器的“眼睛”，国内外
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