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超周期结构储存环的非线性动力学比例研究

作　者: 郝浩
导　师: 王相綦; 吴英
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 核科学与技术
关键词: 储存环低发射度超周期合肥光源动力学孔径六极磁铁 lattice 束流动力学阻尼时间电子束能量聚焦结构同步辐射光非线性动力学色品电子束流直线段闭轨畸变横向尺寸 emittance 电子束团
分类号: TL594
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

提高合肥光源的亮度是中国科学技术大学国家同步辐射实验室在加器物理和工程方面的的一项重要任务本论文中，我们介绍了合肥光源中几组中等发射度f水平方向自然发射度Ex从40 nm—rad到80 nm—rad)和低发射度(Ex<40 nmrad)lattice首先我们给出了两组基于合肥光源储存环现有硬件设施的中等发射度的lattice，“w3l”和“w32”，它们的发射度均在60 nm—rad左右，约为现在合肥光源运行的通用光源(General Purpose Light source，GPLs)lattice的一半我们对这两组中等发射度lattice的单粒子动力学进行了计算研宄，内容包括注入模拟，动力学孔径计算，闭轨畸变计算，等等这些研宄表明，从理论上讲，我们是可以在不升级合肥光源现有的硬件设施的基础上实现这两组中等发射度lattice的我们还提出了一组发射度为35 nm—rad的lattice，“w32u”，这组lattice可以由w32 lattice在运行能量下平滑地过渡而来使用w32 lattice作为注入和慢加速lattice，然后在运行能量8fJfJ MeV下将w32 lattice平滑地过渡到w32u lattice，这样可以实现合肥光源的低发射度，高亮度模式运行这种运行方案可以避免由2fJfJ MeV能下注入引起的如长阻尼时间，强集体效应等问题为了挖掘合肥光源的的潜力，我们还讨论了利用合肥光源现有建筑，包括地基，储存环实验大厅等，其可能实现的最低发射度为此我们计算了一组16 7 nm—rad发射度的lattice，将其称为w2^lattice它是由八个double_hend achromat(DBA)结构的超周期构成，可以基于合肥光源现有的地基和实验大厅现代的光源储存环普遍使用多个重复结构来构建储存环，这种重复结构被称为超周期研宄这种储存环中最小的重复聚焦结构不仅能够节约计算资源，还可以更清楚地揭示这个储存环的线性和非线性动力学性质，并且此时也能根据己知的储存环中横向动力学孔径与多极磁铁，如四极铁，六极铁，强度之间的比例关系通过使用粒子跟踪方法和和频率分析方法，我们以ALs lattice为例对triple_hendachromat(TBA)lattice的非线性动力学进行了研宄，验证了横向动力学孔径与六，八，十极磁铁的比例关系然后我们使用构建了其超周期与ALs lattice超周期的线性聚焦基本相同的的具有不同超周期数的类ALs lattice，并找到了其动力学孔径与超周期数之间的比例关系这个关系使得我们能够对比具有不同超周期数，不同能量，不同发射度，甚至不同代光源储存环之间的非线性动力学在设计一个光源储存环lattice时，在保持其他部分lattice参数不变的情况下插入2nπ(n一正整数)beta相移直线节可以用来设计具有大量直线节的lattice根据本论文中的动力学孔径与多极子强度的比例定律，我们提出当在储存环中插入2π直线节后，其动力学孔径以一种可以预测的方式减小通过在ALs lattice中插入2π相移直线节并对其做粒子跟踪，我们验证了这一理论动力学孔径的减小与由这些插入直线节产生的额外的色有关在储存环设计中，这种方法可以用来系统地建造一些直线节，这些直线节可以用来安装插入元件或者其他的部件，并将这些直线节任意地插入到已经经过优化具有良好动力学性能的lattice中以获得具有更好性能的储存环或阻尼环lattice

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
致谢  12-14
1 综述  14-27
  l.l 同步辐射光源及自由电子激光器简介  14-18
  l.2 本论文的出发点  18-24
  l.3 本论文内容概述  24-27
    l.3.l 储存环中带电粒子单粒子束流动力学  24
    l.3.2 合肥光源储存环中低发射度Lattice理论研宄  24-25
    l.3.3 具有超周期结构储存环非线性动力学研宄  25-27
2 储存环中带电粒子单粒子束流动力学  27-76
  2.l 储存环中相对论性带电粒子的哈密顿量  28-40
    2.l.l 相对论性带电粒子的电磁场中的哈密顿量  28-33
    2.l.2 2(n+1)极子的磁场分布  33-35
    2.1.3 Linear Motion of the Electron in the Storage Ring  35-40
  2.2 非线性束流动力学中的李代数方法  40-43
    2.2.l 李算符与李映射  40-43
  2.3 Normal Form方法  43-73
    2.3.l 线性李映射  46-47
    2.3.2 Normal Form 方法  47-51
    2.3.3 应用于储存环的 Normal Form 方法  51-56
    2.3.4 4n极磁铁  56-57
    2.3.5 4n+2极磁铁  57-61
    2.3.6 纵向运动  61-64
    2.3.7 三阶共振  64-71
    2.3.8 动力学孔径  71-73
  2.4 结论  73-76
3 合肥光源储存环中等与低发射度Lattice设计研究  76-108
  3.l 合肥光源储存环分析  77-79
  3.2 中等发射度Lattice w31和32 的Twiss参数  79-85
  3.3 闭轨畸变  85-87
  3.4 注入  87-89
  3.5 动力学孔径  89-96
    3.5.1 动力学孔径与 Frequency Map Analysis  89-91
    3.5.2 能量孔径  91-93
    3.5.3 考虑误差情况下的动力学孔径  93-96
  3.6 低发射度Lattice  96-106
    3.6.1 可由 w32 Lattice 平滑过渡而来的 w32u Lattice  96-103
    3.6.2 一个采用了新硬件的低发射度Lattice  103-106
  3.7 结论  106-108
4 具有超周期结构的储存环非线性动力学研究  108-146
  4.l 简介  108-110
  4.2 动力学孔径与多极子强度的比例定律  110-125
    4.2.l 一个例子：动力学孔径与六极铁强度的比例定律  110-111
    4.2.2 基于显含s哈密顿量的证明  111-115
    4.2.3 使用李代数证明  115-117
    4.2.4 例子：ALS Lattice  117-121
    4.2.5 另外一个例子– NSLS-II 储存环 Lattice  121-122
    4.2.6 例子一个包含有六，八，十极铁的Lattice  122-125
  4.3 动力学孔径与储存环超周期数量之间的比例关系  125-139
    4.3.l 定性描述  125-126
    4.3.2 非偏能的情况  126-133
    4.3.3 动力学孔径与发射度的比例关系  133-137
    4.3.4 偏能情况下的研宄  137-139
  4.4 2nπ相移直线节对非线性束流动学的影响研究  139-144
  4.5 讨论  144-146
5 总结与讨论  146-148
参考文献  148-159

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