【摘要】：超低發(fā)束流發(fā)射度是儲存環(huán)光源的主要發(fā)展方向,因?yàn)檫@種光源能夠提供給同步輻射(SR)用戶極高亮度的光束。本論文主要研究了儲存環(huán)光源超低發(fā)射度的實(shí)現(xiàn),包括兩部分:超低發(fā)射度lattice設(shè)計和圓束團(tuán)模式。充分了解理論最低發(fā)射度lattice單元的二極場和四極場的分布將有助于超低發(fā)射度儲存環(huán)設(shè)計和提高機(jī)器的性價比。另外,當(dāng)儲存環(huán)的自然發(fā)射度接近衍射極限時,圓束團(tuán)模式對于SR用戶和儲存環(huán)高效運(yùn)行都是有利的。運(yùn)用這種模式,不僅可以進(jìn)一步提高光源的亮度而且可以減輕機(jī)器內(nèi)一些不好的效應(yīng)如束內(nèi)散射IBS還有Touschek損失。超低發(fā)射度lattice設(shè)計儲存環(huán)內(nèi)的束流發(fā)射度主要由具有二極場和四極場的磁鐵組成的磁鐵lattice決定。因此,這直接產(chǎn)生一個問題:lattice單元內(nèi)什么樣的二極場和四極場分布可以實(shí)現(xiàn)最低的束流發(fā)射度?為了回答這個問題,我們使用了粒子群智能算法對歸一化lattice單元內(nèi)的二極場和四極場分布進(jìn)行了優(yōu)化。首先,我們采用了插入件輻射的亮度為優(yōu)化目標(biāo),并使用離散的二極場和四極場分布作為優(yōu)化控制變量。在以亮度為目標(biāo)時,四極場最大強(qiáng)度Kmax是優(yōu)化中的主要約束。當(dāng)Kmax相對較小時,縱向梯度彎鐵(LGBM)和反向彎鐵(ABM)同時出現(xiàn)在優(yōu)化的lattice單元中,并且在lattice單元中四極場很自然的分成了聚焦四極鐵和散焦四極鐵(并沒有雜亂無章的分布)。當(dāng)Kmax增加時,該lattice單元傾向于分裂成兩個具有母代特征的兩個lattice單元。我們進(jìn)一步以自然發(fā)射度為目標(biāo)優(yōu)化了FODO單元中的二極場分布。優(yōu)化后lattice單元中再次出現(xiàn)了具有LGBM和ABM。儲存環(huán)設(shè)計中,LGBM和ABM在將束流發(fā)射度降低至超低發(fā)射度(衍射極限發(fā)射度)方面具有出色的表現(xiàn)。然而,低發(fā)射度儲存環(huán)lattice往往伴隨著較差的非線性性能。因此我們從自然色品,動量緊縮因子,相移方面對具有LGBM和ABM的超低發(fā)射度儲存環(huán)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,良好的線性lattice設(shè)計是具有良好的非線性性能的第一步。此外,文中給出了一個LGBM和ABM組成的9BA lattice設(shè)計,而且這個lattice設(shè)計具有新的相位相消方案。初步的非線性優(yōu)化表明這個9BA lattice具有不錯的非線性動力學(xué)性能。圓束團(tuán)模式圓束團(tuán)(full coupling)意味著儲存環(huán)中束團(tuán)的水平發(fā)射度和垂直發(fā)射度相等。衍射極限儲存環(huán)設(shè)計中常常會假定儲存環(huán)具有這種模式的運(yùn)行能力。在所有產(chǎn)生圓束團(tuán)的方法中,因?yàn)榫�性耦合共振簡單易行并且對加速器硬件沒有特殊要求,所以它是最有潛力的方法。為了全面的了解這個方法,我們在SPEAR3儲存環(huán)上做了相關(guān)的圓束團(tuán)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,通過精細(xì)的儲存束流工作點(diǎn)和儲存環(huán)耦合系數(shù)的控制,基于此種方法的圓束團(tuán)可以產(chǎn)生。此外,我們在進(jìn)行圓束團(tuán)實(shí)驗(yàn)時對SPEAR3儲存環(huán)的注入效率和動力學(xué)孔徑進(jìn)行了測量。當(dāng)儲存環(huán)的耦合系數(shù)降低到很小時,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)儲存束流的工作點(diǎn)在耦合共振上時儲存環(huán)的注入效率和動力學(xué)孔徑依然很好,但當(dāng)儲存束流的工作點(diǎn)偏離共振線時注入效率和動力孔徑反而會差。我們對這個現(xiàn)象進(jìn)行了仿真解釋。仿真結(jié)果表明這是由于大的橫向震蕩導(dǎo)致的注入束團(tuán)的工作點(diǎn)偏離造成的。第一部分緒論電子儲存環(huán)是一種環(huán)形加速器,在其中高品質(zhì)脈沖電子束團(tuán)能夠長期保存。電子束團(tuán)在儲存環(huán)中運(yùn)動經(jīng)過二極鐵,扭擺器,波蕩器時會產(chǎn)生同步輻射光。同步輻射光具有很多優(yōu)異品質(zhì)如寬波段,高通量,高亮度,高極化,脈沖時間結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@些優(yōu)異品質(zhì),同步輻射光在科學(xué)領(lǐng)域如生命科學(xué),材料科學(xué),能源科學(xué),環(huán)境科學(xué),物理化學(xué),醫(yī)療方面等有很廣泛的應(yīng)用。自20世紀(jì)60年代開始儲存環(huán)光源已經(jīng)經(jīng)歷了三代的發(fā)展。第三代光源因?yàn)椴捎玫桶l(fā)射度儲存環(huán)設(shè)計和插入元件的使用具有很高的亮度,是當(dāng)前同步輻射光源主力。儲存環(huán)光源技術(shù)依然在發(fā)展,在向著第四代“衍射極限儲存環(huán)DLSR光源”過渡。2016年,瑞典MAX-IV的成功運(yùn)行標(biāo)志著“衍射極限儲存環(huán)DLSR光源”的時代即將來臨。DLSR光源中,因?yàn)殡娮邮鴪F(tuán)的發(fā)射度與插入元件產(chǎn)生的光束團(tuán)衍射極限發(fā)射度具有可比性,所以具有極高的亮度和橫向相干度,這在前沿科學(xué)領(lǐng)域是十分需要的。然而衍射極限儲存環(huán)光源無論在物理設(shè)計上還有技術(shù)上都存在諸多限制。物理設(shè)計難點(diǎn)主要有超低發(fā)射度儲存環(huán)lattice設(shè)計,非線性lattice優(yōu)化等。技術(shù)層面的困難主要有高強(qiáng)度磁鐵技術(shù),小孔徑真空盒技術(shù)等。為了建造衍射極限儲存環(huán),機(jī)器的最終性能和造價上必須取得比較好的平衡。好的物理設(shè)計可以緩解技術(shù)層面的壓力,進(jìn)而降低造價。低發(fā)射度儲存環(huán)lattice設(shè)計一直以來是儲存環(huán)光源設(shè)計的熱點(diǎn),它的革新和進(jìn)步伴隨著同步輻射光源亮度的提升。如double-bend-achromat(DBA)和triple-bend-achromat(TBA)造就了三代光源的成功。儲存環(huán)中電子束團(tuán)發(fā)射度主要由磁鐵lattice和束團(tuán)能量決定,如式εn=F/1215Cqγv3/Jx。因此撇開束團(tuán)能量,有三種方法可以降低束團(tuán)發(fā)射度:1.增加lattice單元數(shù)目;2.增大水平方向輻射分配數(shù)Jx;3.降低因子F。增加lattice單元數(shù)目,可以降低每塊彎鐵內(nèi)的偏轉(zhuǎn)角θc,這樣可以限制彎鐵內(nèi)的色散函數(shù)增長,從而降低發(fā)射度。使用組合型二四極磁鐵可以提高Jx,并且可以節(jié)省空間,這在以往的lattice設(shè)計中已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)上,FTME的最小值為1,然而在lattice實(shí)際設(shè)計時F3,如能進(jìn)一步降低FTME將會進(jìn)一步降低束流發(fā)射度,同時也意味著空間的節(jié)省。為了降低F,LGBM和ABM被應(yīng)用到lattice設(shè)計中如ESRF-EBS,APS-U,SLS-2的設(shè)計。組合型磁鐵,LGBM,ABM在lattice設(shè)計中的應(yīng)用引起我們對lattice單元中什么樣的二極場和四極場分布能夠得到最低發(fā)射度的興趣。超低發(fā)射度儲存環(huán)的圓束團(tuán)模式近年來一直是個熱點(diǎn)問題。盡管三代光源中,為了提高光源亮度,會將束團(tuán)的橫向耦合系數(shù)κ=εx/εy會矯正到很小κ～0.1-1%。但當(dāng)電子束團(tuán)發(fā)射度很小并且接近光束的衍射極限發(fā)射度時,繼續(xù)維持很小的κ并不會提高亮度反而還會影響到儲存環(huán)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)圓束團(tuán)模式,近年來有四種方案被提出:相空間適配器,徑向場阻尼扭擺器,莫比烏斯儲存環(huán),線性耦合差共振。這四種方案在實(shí)現(xiàn)圓束團(tuán)模式上各有特點(diǎn)各有難度。其中線性耦合差共振是比較流行的方案,它對加速器的硬件方面沒有特別要求,僅需要使儲存束團(tuán)的工作點(diǎn)接近線性差共振即可。本文基于線性差共振的方案,在SPEAR3儲存環(huán)上進(jìn)行了圓束團(tuán)模式的實(shí)驗(yàn),并對圓束模式的相關(guān)非線性行為進(jìn)行了測量。第二部分超低發(fā)射度儲存環(huán)lattice設(shè)計這部分主要分為三個方面:1.儲存環(huán)設(shè)計中常用laittce單元的討論;2.低發(fā)射度儲存環(huán)lattice單元的數(shù)值優(yōu)化;3.基于LGBM和ABM的lattice設(shè)計實(shí)例。常用lattice單元在這個部分中,我們討論了FODO單元,DBA單元,TBA單元的一些基本特性,回顧了它們在儲存環(huán)設(shè)計中的應(yīng)用,另外還著重討論了TME單元在兩種條件下的最小發(fā)射度問題。對這些常用lattice單元的討論有助于更好的lattice設(shè)計。MBA是當(dāng)前超低發(fā)射度儲存環(huán)的主流,因此在文中討論了MBA發(fā)展的歷史。MBA lattice雖然能夠大幅度降低束流發(fā)射度,但它往往也伴隨著比較差的非線性動力學(xué)性能,因此在本文我們總結(jié)了當(dāng)前比較好的非線性優(yōu)化方案:1.Hybrid-MBA;2.LS-MBA;3.IDB-MBA。LGBM和ABM如今已經(jīng)廣泛的使用于超低發(fā)射度儲存環(huán)lattice設(shè)計中,其中以SLS-2的設(shè)計最具有代表性,因此在文中對SLS-2進(jìn)行了簡要介紹。低發(fā)射度儲存環(huán)lattice單元的數(shù)值優(yōu)化在這個部分中,我們采用了一般的方法對lattice單元進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化。在數(shù)值優(yōu)化中,束團(tuán)發(fā)射度和光束團(tuán)亮度分別作為優(yōu)化目標(biāo)。并且為了使優(yōu)化的結(jié)果具有普遍的意義,我們使用了歸一化的思想,即將Twiss函數(shù)和色散函數(shù)對lattice單元對lattice單元的長度歸一化。在此基礎(chǔ)上,我們對歸一化后的lattice單元進(jìn)行了長度分片,每個分片上都有二極場和四極場。每個分片上的二極場和四極場均是優(yōu)化過程中的控制變量。為了使lattice單元的總偏轉(zhuǎn)角在優(yōu)化過程中保持不變,我們引入了一組標(biāo)準(zhǔn)正交基,這組基能很方便地實(shí)現(xiàn)這個要求。四極場作為控制變量,只需要在優(yōu)化過程中小于某個限制即可。同時,在這個數(shù)值優(yōu)化過程中,四極場的最大強(qiáng)度Kmax是個很重要的限制,這在以往此類數(shù)值優(yōu)化中是沒有過的。我們首先以亮度為優(yōu)化目標(biāo)。在計算亮度時,我們降低波蕩器的長度為L=2.5 m,電子束團(tuán)的能量為2 GeV,我們感興趣的光子能量為10 keV。1.束團(tuán)的耦合系數(shù)κ=εy/εx對優(yōu)化結(jié)果的影響。我們比較了κ=0,0.1,0.5,1.0時的結(jié)果,結(jié)果表明κ=0和κ0的優(yōu)化結(jié)果在束團(tuán)發(fā)射度,水平方向輻射分配數(shù),兩個方向的相移上是不同的。κ0時,優(yōu)化結(jié)果基本相同。2.Kmax對優(yōu)化結(jié)果的影響。我們比較了Kmax=13,30,52,208四種情況下的結(jié)果。當(dāng)Kmax=13時,在優(yōu)化結(jié)果中出現(xiàn)了LGBM和ABM,并且四極場自動組合成聚焦磁鐵和散焦磁鐵。并且此時四極場的強(qiáng)度均已達(dá)到設(shè)定的最大值,這說明繼續(xù)提高Kmax會有新的結(jié)果。當(dāng)Kmax=30時,Kmax=13時得到的優(yōu)化結(jié)果開始出現(xiàn)分裂趨勢。當(dāng)Kmax=52=13 ×4時,Kmax=13的優(yōu)化結(jié)果完全分裂成兩個具有相似特征的二極場和四極場。當(dāng)Kmax=208=13 ×16時,Kmax=13的優(yōu)化結(jié)果有分裂成多個具有相似特征的二極場和四極場的趨勢,但由于優(yōu)化過程中分片數(shù)不足未能實(shí)現(xiàn)完全分裂。這個分裂過程表明Kmax=13的優(yōu)化結(jié)果可以作為高亮度lattice單元的參考。當(dāng)Kmax提高,lattice單元的分裂行為與MBA的概念是相符的。3.Lattice單元從一個分裂成兩個。在這個過程中,我們簡化了對四極場的控制。最高四極場強(qiáng)度Kmax由23逐步增加到153,每個步長為5。Kmax=23得到的優(yōu)化結(jié)果在Kmax=93時得到完全分裂。分裂行為不僅表現(xiàn)在二極場的分裂,也伴隨著四極場的分裂與組合,還有發(fā)射度的突然減小和橫向相移的激增。在分裂前從Kmax=23到Kmax=88,并沒有明顯的發(fā)射度和相移的變化。在分裂后從Kmax=93到Kmax=163,只有垂直方向相移在慢慢變大,發(fā)射度和水平相移均沒有明顯的變化。以發(fā)射度為優(yōu)化目標(biāo)。在以發(fā)射度為優(yōu)化目標(biāo)時,我們進(jìn)一步簡化四極場分布為FODO結(jié)構(gòu)。二極場和四極場并不再相交,二極場分布在四極場薄片之間。1.二極場分片數(shù)對優(yōu)化結(jié)果的影響。我們比較了分片數(shù)N=2,4,8,16,32,64情況下的優(yōu)化結(jié)果。由于對稱性,N=2即是均勻的二極場分布。當(dāng)N=4時,優(yōu)化結(jié)果中即出現(xiàn)縱向梯度二極場和反向二極場。隨著N的增大,形狀因子F在減小,.水平方向的相移不斷靠近180。。當(dāng)N=16時,即出現(xiàn)F=0.591。2.最強(qiáng)四極場強(qiáng)度Kmax對優(yōu)化結(jié)果的影響。優(yōu)化過程中,最高四極場強(qiáng)度Kmax由340逐步增加到1340。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著Kmax的不斷提高,因子F在不斷減小,水平方向的相移在不斷增大。在Kmax由800變?yōu)?50的過程中,出現(xiàn)了反向二極場,因此二極場的分布發(fā)生了劇烈的變化。然而在二極場發(fā)生劇烈的過程中,因子F并沒有發(fā)生太大的變化,這是由于輻射積分項(xiàng)I2和I5在這個過程中都有不同程度的增長�；贚GBM和ABM的lattice設(shè)計Lattice設(shè)計中,LGBM和ABM在降低發(fā)射度方面效果顯著。然而,在實(shí)際的lattice設(shè)計中還要考慮到其它參量如動量緊縮因子,自然色品等。因此我們從動量緊縮因子,自然色品,橫向相移三個方面對使用LGBM和ABM的TME單元進(jìn)行了分析。我們設(shè)置了不同的二極鐵偏轉(zhuǎn)角度和縱向梯度二極鐵的梯度。不同的設(shè)置下,我們在合理的區(qū)間對四極鐵的強(qiáng)度進(jìn)行精細(xì)掃描。結(jié)果表明通過選擇合理的反向二極鐵偏轉(zhuǎn)角和縱向梯度二極鐵的梯度,動量緊縮因子和發(fā)射度方面可以取得良好的平衡,另一方面合理地選擇橫向相移,自然色品可以控制在合理的范圍內(nèi)。另外,我們使用LGBM和ABM設(shè)計了一個9BA。整個lattice具有20個周期,總長528 m,自然發(fā)射度為24 pm,束流能量為3 GeV。由于lattice中采用了反向彎鐵,整個lattice的輻射量較大,這使其縱向的阻尼時間僅有5.9 ms。在這個例子中,每個lattice單元的相移被控制在(3/7,1/7)× 2π,整個9BA lattice的相移控制在(4.2112,1.4612)×2π附近。這種相移設(shè)置可以對非線性實(shí)現(xiàn)不錯的相位相消。初步的非線性優(yōu)化也表明,這個9BA lattice具有不錯的在能動力學(xué)孔徑(300σ)和偏能動力學(xué)孔徑。第三部分圓束團(tuán)模式儲存環(huán)中,當(dāng)電子束團(tuán)的發(fā)射度接近衍射極限時,圓束團(tuán)模式無論對進(jìn)一步降低發(fā)射度提高亮度,還是儲存環(huán)的高效運(yùn)行都是一個必要選擇。本部分首先討論儲存環(huán)圓束團(tuán)模式方案,然后討論了關(guān)于我們在SPEAR3儲存環(huán)上的圓束團(tuán)實(shí)驗(yàn)。儲存環(huán)圓束團(tuán)模式方案近年來儲存環(huán)上的圓束團(tuán)方案主要有:相空間適配器方案;徑向阻尼扭擺器方案;莫比烏斯儲存環(huán)方案;線性耦合共振方案。1.相空間適配器方案。這種方案基本配置為(扁平到圓束團(tuán)適配器)-(置于螺線圈中的波蕩器)-(圓到扁平束團(tuán)適配器)。這種方案的一大亮點(diǎn)是能夠在局域產(chǎn)生圓束團(tuán),儲存環(huán)其它部分依然能夠是扁平束團(tuán)。理論上這種方案可以具有極好的性能,圓模式時橫向發(fā)射度εx=εY=(?),式εx,εy是扁平束的橫向發(fā)射度。然而這個裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對儲存環(huán)也有特殊要求,技術(shù)上也比較難以實(shí)現(xiàn)。目前,在SOLEI和MAX-IV的實(shí)驗(yàn)中,該方法得到初步的證明,然而由于螺線圈強(qiáng)度的限制,目前束團(tuán)的水平方向尺寸只縮減到以前的三分之一。2.徑向阻尼扭擺器方案。這種方案通過引入垂直色散能夠激發(fā)出垂直方向的發(fā)射度,并且還會增大輻射阻尼。增大輻射阻尼有很多好處,這對抑制不穩(wěn)定性,減弱optics對儲存環(huán)運(yùn)行時的敏感度等方面有幫助,并且還會減小水平方向的發(fā)射度。我們以HALS的參數(shù)為例,對該方案進(jìn)行了初步分析。結(jié)果表明當(dāng)徑向阻尼扭擺器的長度為18 m,峰值場強(qiáng)1.5 T,周期長度為200 mm時,即可實(shí)現(xiàn)εy=εy=18 pm的圓束團(tuán),并且橫向和縱向的阻尼時間也都得到了有效降低。3.莫比烏斯儲存環(huán)。莫比烏斯儲存環(huán)通過莫比烏斯插入件使水平方向和垂直方向的運(yùn)動完全耦合在一起。莫比烏斯插入件由具有特殊相移關(guān)系的斜四極鐵組成。在莫比烏斯儲存環(huán)中,由于橫向的完全耦合,兩圈的束流運(yùn)動才是一個完整周期。在這個完全周期運(yùn)動中,束團(tuán)的一半運(yùn)動時間在水平方向上,一半運(yùn)動在垂直方向上,所以自然發(fā)射度完全平等的分配到兩個方向上。由于這種特殊的運(yùn)動,使非線性上也具有了不一樣的特征。我們分析了莫比烏斯儲存環(huán)在六極鐵參與下的束流運(yùn)動,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該儲存環(huán)一圈的相移接近在υx=υy=1/3時束流是能夠穩(wěn)定運(yùn)行的,但當(dāng)儲存環(huán)的相移接近υx=υy=1/6,束流不能夠穩(wěn)定運(yùn)行。4.線性耦合共振方案。使用線性耦合共振的方案產(chǎn)生圓束團(tuán)沒有特別的硬件需要,只需將儲存束流的工作點(diǎn)置于線性差共振上即可。線性耦合共振分為兩種,其一是線性差共振,另外一種是線性和共振。我們對束流工作點(diǎn)接近線性耦合共振線的束流動力進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo),并對兩種線性耦合共振進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值模擬。結(jié)果都表明,當(dāng)束流的工作點(diǎn)接近線性差共振時(υx-υy=l)束流是能夠穩(wěn)定運(yùn)行的,但線性和共振(υx+υy=l)會導(dǎo)致束流的崩潰。線性差共振產(chǎn)生圓束團(tuán)實(shí)驗(yàn)和偏軸注入當(dāng)儲存束流的工作點(diǎn)接近線性差共振線時,束團(tuán)的橫向耦合κ與束團(tuán)的橫向工作點(diǎn)之差△=υx-υy和儲存環(huán)的耦合系數(shù)G有關(guān),如公式κ=εx/εy=G2/△2+G2。在日常運(yùn)行時,SPEAR3儲存環(huán)采用13塊斜四極鐵對儲存環(huán)的耦合系數(shù)G矯正從而達(dá)到矯正束流耦合系數(shù)κ的目的。實(shí)驗(yàn)中,我們采用對13塊斜四極鐵的供電方式來改變這些耦合系數(shù),分別為100%供電,70%供電,0%供電。當(dāng)工作點(diǎn)在(14.106,6.177)時,這三種情況對應(yīng)的束團(tuán)耦合系數(shù)分別為0.07%,0.13%和0.95%。然后在不同的斜四極鐵供電的情況下,同時增大υx和減小υy來改變束流的耦合系數(shù)κ。我們通過LOCO來獲取的全環(huán)參數(shù)來計算耦合系數(shù)κ。隨著工作點(diǎn)的改變,三種情況下都觀察到了耦合系數(shù)κ從小變大,再由大變小的過程。其中,0%和70%斜四極鐵供電時,均得到了很高的耦合系數(shù)κ。100%斜四極鐵供電時,由于△不能被控制的很小,所以最高只獲得了κ= 30%。雖然這些耦合系數(shù)κ比較高的束團(tuán)都穩(wěn)定的存在SPEAR3中,但由于G和△的改變,SPEAR3的非線性發(fā)生了很大的變化。因此,我們在進(jìn)行圓束團(tuán)實(shí)驗(yàn)時,也對能夠反映非線性性能的注入效率和動力學(xué)孔徑進(jìn)行了測量。結(jié)果顯示,0%斜四極鐵供電時,注入效率和動力學(xué)孔徑在△的很大范圍內(nèi)都比較差。70%斜四極鐵供電時,注入效率和動力學(xué)孔徑比較好,但△接近0時很差。100%斜四極鐵供電時,注入效率和動力學(xué)孔徑在包括△接近0的很大范圍內(nèi)都是很好的,但在△=0.008處是最差的(測試了三次)。通過與SPEAR3以往的非線性測量的結(jié)果對比,我們發(fā)現(xiàn)發(fā)生在100%斜四極鐵供電時的這種現(xiàn)象與大幅度橫向震蕩引起的工作點(diǎn)偏移有關(guān)。同時,我們也通過仿真追蹤的方法對這個現(xiàn)象進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,由于SPEAR3采用水平偏軸注入,注入束團(tuán)的工作點(diǎn)會偏離儲存束流的工作點(diǎn),當(dāng)△=0.008時,注入束團(tuán)的工作點(diǎn)剛好位于線性差共振上,這會在垂直方向上激勵出很大幅度的運(yùn)動,由于SPEAR3在垂直方向上很小的物理孔徑,束團(tuán)很快丟失;當(dāng)△接近0,雖然儲存束團(tuán)的工作點(diǎn)位于線性差共振上,但注入束流的工作點(diǎn)偏離共振線很遠(yuǎn),所以能夠逐漸阻尼到儲存束流,因此注入效率比較高。第四部分總結(jié)和展望總結(jié)超低發(fā)射度儲存環(huán)能夠提供極高亮度的光束給SR用戶,因此超低發(fā)射度儲存環(huán)設(shè)計成為研究熱點(diǎn)。本文簡要的回顧了一些常用的lattice單元如FODO單元,TME單元,DBA單元,TBA單元。儲存環(huán)來源于二極鐵中的色散函數(shù)。但傳統(tǒng)上,研究者對理論最小發(fā)射度lattice單元討論時,總是假設(shè)彎鐵中的二極場是均勻分布的。最近,LGBM和ABM在設(shè)計超低發(fā)射度儲存環(huán)上表現(xiàn)出了優(yōu)異的潛力,這激發(fā)我們采用一般的方法來對理論最小發(fā)射度lattice單元進(jìn)行優(yōu)化。為了使優(yōu)化結(jié)果具有普遍適用性,我們采用了歸一化lattice思想,并且在優(yōu)化過程中自由控制二極場和四極場分布。無論采用光束亮度還是電子束發(fā)射度,縱向梯度二極場和反向二極場都出現(xiàn)在優(yōu)化結(jié)果中。并且在以亮度為優(yōu)化目標(biāo)時,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)四極場的強(qiáng)度不斷提高時,lattice單元可以分裂成具有相似特征的多個lattice單元。這種分裂現(xiàn)象與MBA的概念是吻合的。此外,我們從自然色品,動量緊縮因子,相移三個方面對采用LGBM和ABM的lattice進(jìn)行了討論。這對充分全面運(yùn)用這兩種彎鐵是很有幫助的。同時,我們也采用這兩種彎鐵設(shè)計了一個9BA lattice。這個lattice在應(yīng)對非線性效應(yīng)方面采用了新穎的相位相消方案。初步非線性優(yōu)化結(jié)果表明,該lattice具有不錯的非線性動力學(xué)性能。另一方面,當(dāng)儲存環(huán)的自然發(fā)射度很低,并且與光束的衍射極限發(fā)射度相當(dāng)時,圓束團(tuán)模式無論對進(jìn)一步提高光束亮度還是儲存環(huán)的高效運(yùn)行都是必不可少的。本文分析了當(dāng)前流行的圓束團(tuán)方案如相空間適配器,徑向阻尼扭擺器,莫比烏斯儲存環(huán),線性耦合共振。使用線性耦合共振的方法,我們在SPEAR3儲存環(huán)上進(jìn)行了圓束團(tuán)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,通過儲存環(huán)耦合系數(shù)G和儲存環(huán)工作點(diǎn)的控制,不同耦合程度的圓束團(tuán)可以產(chǎn)生。雖然圓束團(tuán)能夠穩(wěn)定儲存,但注入過程中大的橫向針振蕩引起的束流工作點(diǎn)偏移會使非線性性能變差。展望在本論文中,我們給出了一個9BA lattice,并為之設(shè)計了相位相消方案來保證非線性動力學(xué)性能。經(jīng)過初步非線性優(yōu)化,9BA lattice非線性動力學(xué)性能表現(xiàn)不錯。這個相位相消方案相當(dāng)有潛力,接下來我們會對9BA lattice的非線性進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化�？v向梯度彎鐵在實(shí)際儲存環(huán)中從來沒有應(yīng)用過。我們需要對它進(jìn)行仔細(xì)建模。由于簡單易行,線性差共振在產(chǎn)生圓束團(tuán)方面很有潛力。但這個方案需要精確控制工作點(diǎn)還有儲存環(huán)的耦合系數(shù)。因此我們需要發(fā)展這些方面的技術(shù)和方法。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TL594

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