（核技术及应用专业论文）hls储存环束流负载效应和高频系统相关问题的研究.pdf

h is 储存环束流负载效应和高频系统相关蠲题的研究 摘要 本论文主要研究了h l s 束流负载效应和嵩频系统的相关问题。 对泵流负载效应盼基本理论进行了总结和改进。目前通常采用的分辑方法 是w i l s o n 等提密豹矢薰分解法，在赢角坐标系巾将发射祝露浆流在高频靛审建 立的场进行分解，由此导出相关函数关系。这种方法的不足z 处是矢量分解后 失去了与高频工程技术常用处理方法之间的关联。推导过程较为繁琐，袭达式 笼较复杂，置显含箨鑫变量，不黥藏接缮嚣与麓频运行参数懿关系。本文豹改 进之处魑，完全从高频工程技术的角度分析束腕相互作用，基于束流的导纳等 效，以嵩频系统运行中幅控环控制的腔压和频控环控制的等效失谐角( 予失谐 囊) 菇及寒流流强终凳自交量，褥麓了发射瓿埝邂凄率秘嵩羰羟失港受与这些 自变量之间的关系。推导过程比较简明，相关公式可以直接作为高频参数设雹 的计算依据。并且这种推导方法使以下结论变褥非常明确，郫无论怎样设鼹高 菝参数，要捷素滚离r o b h l s o n 不稳定淫透赛更逡，一定幕要发越凝羧窭簧多煞 功率。 h l s 在2 0 0 m e v 嫩入阶段最大的困难是注入腚压只能设凝在4 0 - - - 5 0 k v 左 右，垂_ l | ：产生懿蠲鬈怒索滚受载效藏露严重，3 0 0 m a 滤强瓣应戆素浚受簸霆 子y 约为1 3 ，而目前绝大多数储存环运行在1 0 以下。同时波入束的瞬态效应 也很强，1 0 m a 的注入束瞬态下在高频腔中所建场接近发射机建场的一半。导 致在毒滤强下紊滚琴稳定，表瑗为频繁部分捧寨甚至全部丢失。铮薅这秘静态 和瞬态负载效应都很严熏的情况，依据理论计算和实验结栗，将予失谐角设置 在4 5 0 发密( 其它储存坏通常为5 1 0 0 ) ，使静态柬流远离r o b i n s o n 不稳定性边 赛，势为注入束馨秀怒够的稳定余爨。对幅控黟参数应该如键设置以适应纛寒 流负载也进行了详细研究。通过魄较不同注入方式豹效果和糍控环参数的测鬣， 以及对瞬态过程的计算分析，证实了幅控环的增菔如果按照其它储存环上完全 可行( 衣h l s g m e v 运荦亍阶段也没有闻题) 的常规设置( 终3 潲) ，褒注入 过程率鲻摄得过高，辩注入瞬态静晦应会影嫡浆流稳定。困戤适当地降 氛了幅 控环的增髓和带宽，减小环路在瞬态过程中对束流的冲击，同时兼顾8 0 0 m e v 供光阶段对腔压稳定豹要求。取褥了明显效果，淀入中高频系统可以承受较毒 匏注入速率，束滚潜长稳定，簿乘魏象缀少发生。只要注入速褰能保持在1 s m a h l s 储存环柬流负载效应和高频系统相关问题的研究 以上，束流流强可以稳定而迅速地达到3 0 0 m a 以上，最高达到3 6 0 m a 。 为了对四极管发射机输出特性进行线性近似，引入了高阻电流源等效模型， 得到了任意负载下的输出功率表达式。由于四极管发射机为非匹配源，以往在 研究它和高频腔直接相连的情况下与束流的相互作用时，一般只进行定性分析。 而该模型则可以给出更详细的描述。利用功率表达式计算了当四极管发射机与 高频腔直接相连时，传输线长度对束腔相互作用稳定性的影响，其结论与相关 实验一致。 研制了高频联锁保护系统，该系统对高频腔真空变差、腔过功率、腔馈入 点超温、环行器缺水等故障进行联锁保护。并实现了对环行器打火的快速保护， 保证了环行器的运行安全。 利用高性能仪器，构建了新的高频剔除( r f k o ) 系统，获得了最高流强1 8 m a 的单束团以及其它不均匀填充模式( 例如3 串6 束团) 。研究了h l s 的单束团 振荡现象，以及在多束团运行方式下单束团振荡与多束团集体不稳定的关系。 研究了高频加速场幅相调制对束流寿命增长的作用。结果表明采用调制频 率接近同步振荡频率正的高频幅度调制，可以提高束流寿命。同时观察到束流 频谱中高次分量的降低，这有利于抑制多束团耦合不稳定性。 提出了一种新的柬流负载效应补偿模式一调频，并进行了原理性实验。与 当前采用的调谐运行方式相比，调频方式具有纯电路化，响应速度快，可以构 建快速反馈环路等优点。 关键词：束流负载效应， r o b i n s o n 不稳定性，柬腔相互作用，高频环路， 四极管发射机，环行器，单束团，高频调制。 h l s 储存环柬流受载效应耜高频系统相关翘题的研究 a b s t r a c t t h ea d m i t t a n c em e t h o di sd e v e l o p e dt oa n a l y z et h eb e a m - e a v l t yi n t e r a c t i o n t h e r fc u r r e n ti n d u c e di nt h ec a v i t yb yt h eb e a mi s e q u i v a l e n tt oa d m i t t a n c e t h e r e l a t i o n a lf u n e t i o ma r ee x p r e s s e di nm i c r o w a v et r a n s m i s s i o n - l i n ee q u a t i o n , w h i c h i n d e p e n d e n tv a r i a b l e sa r et h er fp a r a m e t e r ss e tb yt h ea l cl o o p ( c a v i t yv o l t a g e ) a n db yt h et u n i n gl o o p ( p r e - d e t t m i n ga n g l e ) c o m p a r e d 协t h ef o r m e rp r o c e s s i n g , t h e n e wo n ei sc o n v e n i e n tt oa n a l y z ea n ds i m p l et oc a l c u l a t et h er fp a r a m e t e r s d u et ot h el o wc a v i t yv o l t a g e ( 5 0 k v ) ，t h eb e a ml o a d i n gi sv e r yh e a v yd u r i n g t h eh l ss t o r a g er i n gi n j e c t i o n t h ep r e - d e t u n i n ga n g l ei ss e tt o4 5 。i no r d e rt o 懿单弘躐t h es t e a d yb e a ml o a d i n ga n dl e a v ee n o u g hs p a c ef o rt h ei n j e c t i n gb e a m t h er e s p o n s eo ft h ea l cl o o pt ot h et r a n s i e n te f f e c tu n d e rh e a v yb e a ml o a d i n gi s c a l c u l a t e da n dm e a s u r e d 。b ya d j u s t i l l gt h eg a i l la n db a n d w i d t ho fa l cl o o p , t h e i n j e c t i n gi si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y 蘩l eb e a ml o s t i sd e c r e a s e d , a n dt h eb e a m c u r r e n t sa c c u m u l a t es t a b l ya n dr a p i du pt o3 0 0 m aa sl o n ga st h ei n j e c t i n gr a t ek e e p s l i p1 5 m a e v e ni nal o w e ri n j e c t i n gm t c ，t h eb e a mc u r r e n t sc a ne x c e e d2 0 0 m a t h em o d e lo fh i i g hi m p e d a n c ec u r r e n ts o u l c ci sa p p l i e d 协s i m u l a t et h eo u t p u t c h a r a c t e ro f t e t r o d ea m p l i f i e r t h ef u n c t i o no f t e t r o d eo u t p u tp o w e rt oa r b i t r a r yl o a d i sd e r i v e d u t i l i z i n gt h et h n e t i o n , i nt h ec a s eo ft h et e t r o d ec o n n e c t i n gw i t ht h er f c a v i t yd i r e c t l y , t h er e l a t i o no f r o b i n s o ni n s t a b i l i t y 协t h el e n g t ho f t r a n s m i s s i o nl i n e i so b t a i n e d 。i nt h ec a s eo ft h ec i r c u l a t o ri n s e r t e a , t h e 戤p h e n o m e n o no ft h e c i r c u l a t o rf o l l o w i n gt h eh i g ho r b - - r e n tb e a ml o s ti sa n a l y z e d af a s ti n t e r l o c kc i f c u i t h a sb e e ni n s e r t e di n t ot h er fs y s t e mi no r d e rt op r o t e c tt h ec i r c i l l a l _ o r an o wr f k o ( r fk n o c ko u t ) s y s t e mh a sb e e nc o m m i s s i o n e df o rp a r t i a l f i l l i n go p e r a t i o n t h es i n g l eb u n c h i sa c h i e v e d , a n dt h eb e a mc u r r e n t sr e a c h18 m aa i p r e s e n t s o m eb u n c h - t r a i np a t t e r n ss u c ha s6 x3o rn o n - u u i f o r mb u n c ht r a i na l ea l s o t e s t e d 。t h eo s c i l l a t i o no f s i n g l eb u n c ha n dm u l t i - b u n c hi sm e a s u r e d t h ee x p e r i m e n to fr fm o d u l a t i o ni si n t r o d u c e d t h ea m ( a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) w i t ht h em o d u l a t e df r e q u e n c yc l o s e dt ot h el o n g i t u d i n a ls y n c h r o t r o n o s c i l l a t i o n 蠹j e q 譬髓蟛i n c r e a s e st h eb e a ml i f e t i m e t h ee x p e r i m e ma l s of i n d so u tt h e i n t e n s i t yo ft h eb e a ms p c g t l u mr e d u c e da f t e ra p p l y i n gt h er fm o d u l a t i o n , w h i c h m h l s 储存环柬流负载效应和离频系统相关问蹶的研究 s h o w st h a tt h em o d u l a t i o ni su s e f u lf o rs u p p r e s s i n gt h ec o u p l e ( i - b u n c hi n s t a b i l i t y an e wt e c l m i q u ef o rb e a ml o a d i n gc o m p e n s a t i o nd u r i n gi n e c t i o ni sp r o p o s e d 。 t h ei d e ai su s i n ga d c - e o u p l ep l l t ol o c kt h ep r e - d e t u n i n ga n g z e ( b ya d j u s t i n gt h e r ff r e q u e n c y ) f o rf a s tc o m p e n s a t i n gt h ei i l j e c t i n gb e a m ，a n dt h ec a v i t yt u n i n gl o o p r 找y o v e l st h ef r e q u e n c ys l o w l y 戚e t h ep r o g r a m m a b l ec o n t r o lt or e s p o n s et h e b e a mc u r r e n tc h a n g e t h eb a s i cp l lc i r c u i ti st e s t e ds u c c e s s f u l l y k c y w o r d s ：b e a ml o a d i n ge f f e c t , r o b i n s o ni n s t a b i h t y , b e a m - c a v i t yi n t 渊a c t i o n , r fl o o p , t e t r o d ea m p l i f i e r ,r fc i r c u l a t o r , s i n # eb u n c h , r fm o d u l a t i o n 幸重科学技术大学学傻论文相关声曩莠 本人声鹱爨墨交酶学位论文，是零入在导师接导下进行磷究 工作所取得的成果。除己特别加以标洼和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人爨经发表绒撰写过的研究成果。与我一圊工作的 同志对本研究所徽韵贡献均已在论文串作了髑确躺说碉。 本人授权中蘑科学技术大学擐农学位论文的部分使耀粳， 即：学校有权按有关规定向图家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被蹙阅和借阕，可以将学位论文编入有关 数撼薄迸行检索，可馥采焉影印、缩印或摆接等复毒手袋保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：莲茎委 鲫7 年占要黝e l 第一章引言 本举综述了高频系统和柬腔相飘作用研究的历史背景和当前进展，分析了 合肥光源( 1 鲴湛) 电子储存坪束流负载效应的基本情况以及存在的闻题。阐明 了对h l s 柬靛籀互律桶及高颓系绕籀关两题遴符研究豹意义，介绍了本论文工 作的基本内容。 l 。1 论文疆究工馋韵意义 在储存环中束流与高频腔的束胶相互作用引起的束流不稳定性问题是限制 束滚滚强_ 穰瑟质的重簧嚣素，该越越秘簇存强的搬器参数毒美，不露健存环戆 闻题往镶备有特点。 束流在高频腔中建立的场有基模和高次模。柬流基模常称为柬流负载效应， 它会造成簇模懿r o b i n s o n 不稳定馁，弓l 起寒流强棠静不稳定，是限毒诺存弼：滤 强的主要阂素之一。麓次模可引起多柬团藕合不稳定性和单慕翅商次模不稳定 性。 束流受载效应可髑受载效应因乎y 衡量( 定义见式1 3 ) 。瑷论上y 5 以上的机器较少。但 是近年来，有不少机器的升级计划或舞i 机器设计的y 值超过5 。主要由2 个因 素遥戒：1 ) 绝对流强撵薅；2 ) 超等靛或毒分路辍抗常焱整游使蘑。翔b e p c 改造，流强目标0 9 a ，采用超导腔，y 一1 0 。其中有一些已缀达到设计目标， 如u v s o r - i i ，3 5 0 m a ，y = 7 3 5 ，这是目前稳定达到的比较高的r 值。运行流强 较毫豹髓存繇莛n s l s 麴v t 掰环，稳定运雩亍奁8 0 0 1 0 0 0 m a ，最高速弱1 4 a 。 但是由于v u v 环的高频系统具有极强的带束流负载能力，仪就基模的束i i ；c 负 载效应而密，在高流强时仍属于轻载( 1 0 0 0 0 m a 的y 值约为3 ) ，高频参数岛柬 滚受载效疲鹣关系赘焱第五章孛遴耱分舞。 h l s 储存环在二期工程改造后，2 0 0 m e v 注入阶段3 0 0 m a 对应的r 离达 1 3 ，8 0 0 m e v 运行因为腔压提高3 倍，y 也相应下降3 倍。虽然3 0 0 m a 的目标 已经实瑗，甚至注入除段爱裹一次达到4 0 0 m a ，毯是邀存在一整瘸题。弼熬在 h l s 储存环束流负载效应和高频系统相关问题的研究 1 5 0 m a 以上频繁出现部分甚至大量丢束，导致达到高流强困难，注入时间长。 通常可达到的流强在2 6 0 m a 左右( y - 1 0 ) ，超过3 0 0 m a 的次数较少。这些现象 虽然并不一定完全由束流负载效应引起，但重束流负载可以造成高流强束的纵 向不稳定。 二期工程改造更换了高频腔，投入了低电平控制环路和高质量的环行器， 高频系统发生了很大变化。在新的高频环境下，有必要对束腔相互作用的特点 和高频系统可能的不稳定因素进行深入研究。 此外h l s 为克服重柬流负载效应，采取了所谓的“大失谐”注入方式，即 使在环路投入后，仍保持了较大的预失谐角。运行证明这种方式是有效的，现 在也有一些机器采用，有必要对其物理机制进行分析探讨。 由r o b i n s o n 不稳定性决定的最高流强限，对于质子环或低能电子环而言， 理论上是无穷大，而高能电子环往往运行在远低于理论流强限之下。目前还没 有研究指出y 的最大可能值。并且仅用普适y 值衡量一个具体储存环的束流负 载效应也是不充分的，机器的具体情况对最高流强影响很大。 因此开展对h l s 重束流负载效应的研究，分析可能存在的不稳定性机制， 对提高h l s 注入效率和高流强的稳定性有实际意义，并且对高y 值的研究本身 也是一件很有意义的工作。 1 2 束腔相互作用研究的历史和当前发展 1 2 1 束腔相互作用与束流不稳定性研究的历史 束流在加速器真空管道内运动时，在其后方将激励起电磁场，即所谓尾场。 它反作用于束流，扰动了束流的运动，高流强束的尾场可以形成对束流有影响 的扰动。如果扰动对尾场是增强的，那么束流受扰运动的幅度以指数增长，即 发生集体不稳定性【1 1 。它将导致束流品质的降低和大量粒子的丢失，因此集体 不稳定性是限制现代加速器性能的一个重要因素1 2 j 。 束流尾场在时域可以用尾场函数进行分析，在频域中对应的是阻抗。储存 环中尾场阻抗主要有电阻壁，宽带和窄带阻抗等。电阻壁阻抗来自真空管道； 宽带阻抗来自类腔结构；而窄带阻抗指的是束流通过腔体时建立窄带谐振所产 生的阻抗，称为谐振子阻抗 3 1 。储存环中的高频加速腔通常具有很高的q 值和 第一耄渤京 分路阻抗，谐振模式除凝模外，还肖很多高次模，窄带阻抗非常丰富，所以柬 整相互像爝对束流的横级向稳定鸯麓重要影确。环形热速器豹缀多不稳定现象 如r o b i n s o n 不稳定性、微波不稳定饿以及束团耦龠不稳定性等等都由束腔相互 作用有关。 对予窳腔耱互雩挈爝，燕速器赛悉经透露了犬簸静理论磷究，建立了车豢豹 理论模型。其中第一个星程碑是k w r o b i n s o n 提出的r o b i n s o n 不稳定性，它 限制了一个加速器可以达到的流强 4 1 。p b 。w i l s o n 在此基础上发展了束流负载效 应戆基零理论瑟溺，m s a n d s 等完善了索菠等效模黧熬矢量努褥理论掇。寨浚趸 场理论以及v l a s o v 方程法的建立提供了分析束流所含大量粒子的集体行为的工 具 8 1 ，基予e s a c h e r e r 提出的模式理论的b b i 和z a p 程序可以衡量高次模的影 羲程度懿攘式数、瓒妖率等翻。 借助这些理论成果和技术手段，人们在很多储存环上进行了大量实验研究， 对束腔相飘作用的物理机制和影响有了比较深入的认识，发现并解释了很多柬 滚不稳定联象，我到了缀多宪骚不稳定夔藏功攘施。热基模逡续疆子振荡 媛蘧 ( r o b i n s o n 不稳定性) 的研究0 1 l i t j ；微波不稳定性引起的柬翻拉长效应的理 论模型和测量1 1 2 】i t 3 ；多柬团耦合不稳定性模式的研究等等 1 4 1 1 刺。 勇一令麓载于蠢频腔静电磁场怒发菇辊产生故乡 部毫频绣，它戆终麓怒给 束流补充能量和提供纵翔聚焦。发射机，束流与高频腔三者之间形成了“柬腔 源相互作用”。发射机包含高功率放大器和低电平控制系统。发展高频技术克服 柬流负载效应也取褥了缀多成果。攀麓环形加速器滚强缀弱，基本可以不考感 负载效成，高频系统的运行基本上可认为是r u nf r e e 的。随着流强提高，辫柬 流在腔中建立的场不可忽视时，就需器反馈机制稳定腔压和必谐，高频系统是 基于高频腔的( r fs y s t e mb a s e do nc a v i t y ) 。随麓滚强进一步提蔫和质子熬艇 速器静遴符，反馈税剃还需要辛露制柬瀛静振荡。反馈信号不仪来自高频腔，还 来自束流，这就是基于柬流的高频系统( r fs y s t e mb a s e do nb e a m ) 【1 6 1 。柬流 反馈最终还要作用予寐波，因此移在反馈的响应和稳定闻鬏。e p e d e r s e n ， d b o u s s a r d 等建立了p e d e r s e n 模登镣一系列熬环魏分析理论，为繇路静增藏、 频响和束流稳定提供了数学分析方法【1 7 1 1 8 1 。 现在大型储存环的赢频系统已经非常庞大复杂，应用了诲多前沿的电子移 蹇菝技术。溺錾季穰多审廖墅髓存环( 光源嚣占大多数) 秀了撬态柬滚滚强秘箍 3 h l s 储存环柬流负载效应和黼额系统相关闯蹶的研究 矮，瞧在不嫒吸取大热速器懿懋遴经验，对蹇频系统遴纷羧遴翻完善。 由于束流含肖大量的粒予，而储存环本身也是一个由很多元件构成的复杂 系统。束腔相互作用导致的柬流不稳定性瞄束流、高频胶以及加速器很多其他 因豢都有关系。缀然素整稳定挫研究取得了缀多戒果，馥还有耄年多瑷象有待送 一莎探索。而且缳一个加速嚣的不稳定问题都有自己的特点，只有深入分析自 身特性，借鉴其他机器的经验，才能找到合适的克服不稳定性的方j 焱。 我国热速器努对束腔朝赢作用与柬浚不稳定性鼹开了缀多研究，如在 b e p c ，秦庆，溺餐远，张闯等对束团拉伸效应的研努1 9 1 2 0 l ；赵振堂关予柬腔俸 用不稳定性的抑制【2 1 】：潘卫民，孙毅等关予发射机阻抗特性与束腔作用不稳定 性笛等吲。在h l s ，裴元吉，刘祖平等对h l s 束腔作煺的基模不稳定性进行 了火整分析 2 3 1 1 2 4 1 ，陈龙康，众燕瞬，刘蘧艇，戴建坪等瓣寒流不稳定性与高簇 系统进行了深入研究【2 5 1 2 6 1 口7 1 1 2 引。这些研究成果给本论文研究提供了黧鼹指导和 参考。 1 2 2 克腋来腔依带不稳定性的当前发展 当前克服柬腔不稳定性的方法主要有高频腔改进和发展低电平反馈技术两 令蠢嚣。 1 ) 禽频腔的改谶 在一个储存环建设或改进的设计阶段，确立高频腔的类型和参数非常关键， 会璎熬设势虿浚减轻不穆定馊懿影睫。整豹类垄奏露瓣警俸整窝超导羧。 高频腔参数的选取 高频腔的重爱参数是谐搬铷值和分路阻抗见，与发射机电路耦含后为有载 幺黟怒，戮及运纾黢压强。囊忿又产生形状因子e j q ( r j q o 夔篱纯) 耨搿嚣 个参数。 除了少数需鼹大范围调熬腔谐振频率的旗子环，一般而言，q 上应尽可能高， 腔巾姥毙越毫，越有利予柬滚稳定。爰则稷爱，越低越蠢； | 予素流稳定，因为 如聚把发射机等效为电流源，觑为其内阻，那么恐越小，带束流负载的能力越 强，或者说束流变化引起的胶臌变化越小。但小的凰意味着在同等腔压下发射 枫嚣要输出更多的功率，若是常烧导体腔，黢耗也会成为受担。 形状因子r q 的选择也静常重要，r q 为束流脉i 申餐到的宽带隰抗，又被 第一章号 言 称为形状阻抗( g e o m e l 黟h n p e c h n c e ) 。r q 低是蠢益的，在| l 瓢l o o q 之雠的腔 瑗在魄较多，匿蘩磁铰低懿为1 5 d 。 r q 的重要性还在于它衡量了为克服束流负载效应高频胶的频率偏移。 掣= 半嘞 t ， 置幻越大，同等流强和乃下，高频腔的失谐越大，高q 腔稳定束流的作 用越低。 参数v j r l 衡量了储存环束流熊载效应静程溲。该值对应的是琢在魁上建 立的电流而 i 。一 ( 1 。2 ) 束流负载效应因子】， r 。l( 1 3 ) y = i 为临界点。y i 束流对垃愿的影响增大。当 y 5 时，柬流离r o b i n s o n 不稳定性边界比较近( 见第二章2 6 节的分析) ，柬流 负载效应严重。 常规导体腚 当前常规导体腔的优化主要在商次模抑制方丽取得进展，设计出了很多高 次模较低，其它参数慰魄较合适懿颓整整体刚，泼送高额黢怒次模之爱祝器性 能得到提商的铡子很多，如h i s o r ，在使用有针对性设计的低离次模的新腔质， 流强从1 5 0 m a 升至3 5 触l a 踟。 同时腔蠹赢次模吸收或弓l 出的技术也被广泛浆鼹p n 。一静方法是将戆次模 弓l 至柬流管道，在管邋内弓| 出或喷涂吸收奔质吸收。另一种方法是在腔上插入 高次模耦含天线，把高次模从腔中引出，并匹配吸收，从而降低腔高次模的q 值。为了不降低主模q 馕，往往在天线后加一截止频率高于生模的谐振腔用予 阻挡主模，起高遥滤波器的雩# 瑁。 此外控制腔温度和辅助调谐秆使置，使有害高次模的频率与束团耦合振荡 模式的频搴错开，高次模不被激励，也是抑制束阕藕合不稳定的有效方法【瑚。 h l s 储存环束流负载效应和高额系统相关问题的研究 越撼黢 超导腔具有腔耗极低，离次模容易在设计上进行控制的优点，融经成为新 建机器或旧机器改造的首选，如b e p c 改造和上海三代光源都将采用超导腔。 c e s r 设计的5 0 0 m h z 超导黢农c e s r ，s r r c 等缀多璎上馒蘑 3 3 】。 但是在中低能电子环上聚用超导腔也裔需要注意的魏方。因为鲲很高，导 致荣流负载效威较强。例如s r r c ，超爵腔替换常规腔之后，y 的变化为 1 3 _ 6 。9 5 t 3 4 j ，b e p c 将有可熊达到l o 。 3 次谐波腔 3 次谐波腔使各个束团肴到的高频加遴场不一致，导数束团纵向同步振荡 频攀分数，可以撩铡多索函勰会不稳定性，并且还有控制寒透长度提舞寒流寿 命藏尧度等多方掰的优点，程相当多的储存环上发挥了作用。铹翔u v s o r ， 通道3 次谐波胶拉长束团，使寿命成倍增长f 3 5 1 。 a e r s a e r s ( a c c e l e r a t o rr e s o n a n t l yc o u p l e dw i t he n e r g ys t o r a g e ) 是程k e k 、 c e r n 等对撞机上发展的耦台储能腔的加速结构口6 1 ，它的r q 可以比单加速腔 小缀多，整令结橡在素滚负载下失谐缀夸，大大提高了热速垃豹带柬流受载缝 力。在k e k b 的l e r 和h e r 环上作为克服离流强纵向不稳定的重要揞施。 第一章鞭富 图1 1h l s2 0 4 m h z 纯铜脖 嘲1 2u v s o r9 0 m h z 铜+ 不锈锯复台奉| 辩藏 鹜1 3c e s r5 0 0 m h z 麓导腔 7 h l s 储存环束流负载效应和高频系统相关问题的研究 8 图1 4 超导腔低温装置( s r r c ) 图1 5k e k a r e s 腔结构示意图 图1 6d a o n el o n g i t u d i n a lk i c k e r ( 低q 腔) 第一肇| 言 2 ) 反馈技术 利用反馈抑制束激振荡盼技术有：快速电予举反馈，高频系统低电平反馈 电路。 唳逮耄予攀覆镶 对b p m 获取的束流信号进行快速数字取样，得到束团振荡信号，放大腐加 在k i c k e r 上，对振荡_ j 行抑制”。 横向k i c k e r 为条带( s t i p l i n e ) 纵向k i c k e r 有d r i f t t u b e 和l o w - qr e s o n a t o r 两种。 毫频低耄零反镶电疑 目前程储存环嵩频系统获得广泛应用的反馈环路有1 3 鞫： 1 ) 慢环( 调整环藏自动稳定环) ，储存环箭频系统一般至少具有2 个眨馈 闭强：高频胶失谐调整强鼹( t u n e rl o o p ) 羁腔压稳定环路( c a v i t y v o l t a g er e g u l a t i o n ) 。这2 个环路的反馈魄应带宽通常远小于同步锻荡 频率( 连续的和非连续的) ，所起的作用是克服静态柬流负载效应，对 逐续纵向振荡秃影响，所以称作慢环。具有多个高频腔的储存环，霭 辩楣位弱多环。有些褚存舔，特稍是鬟予环，还有纛流糖环，利掰薹l ： 柬流位置监测器( b p m ) 得到的轨道偏麓信号，控制高频频率，从而 锁定束流孰邋。 笱快速反馈环( f a s tf e e d b a c kl o o p ) ，基零藤理是将秉流鹃连续稻手掇荡 信号( 多取自柬流，也可以从高频腔取) 相移9 0 0 ，馈入高频回路，使 荣流振荡受到反馈的抑制。质子储存环内予没有同步辐射阻尼，寒流 强荡容易产凳簸著彩察，俊臻登不毒少。毫子结存环袋要弱多疆瓣阻 尼时间可比予柬流纵向二极振荡周期，振荡就会受别很强的阻尼，难 以稳定的持续并达到有害的程度。 麓缝露撞凝霹索瀛鑫矮要求离，毫流强下缀囊振荡会器致发舞发缵长， 所以一般需要快环。如k e k b ，不仅抑制一阶振荡，在其更高流强的 s u p e rk e k b 计划中，还考虑抑制二阶、三阶p 9 】。 鬻步辐射专惩镰存嚣寒浚强楚逵求戆譬糖之一，素滚受载效应毙较霪。 h l s 储存环束流负载效应和高频系统相关问题的研究 快环可以抑制束流注入过程的纵向振荡，提高注入效率。 3 ) 前馈( f e c d f o r w a r d ) 环和直馈( d i r c c t a lf e e d b a c k ) 环，从快环演变而 来，主要作用是抑制瞬态束流负载效应。取束流或腔压的瞬变信号， 通过环路馈给高频腔，相当于柬流看到的阻抗减小了，提高了高频腔 的带负载能力。首先在很多大型储存环如d e s y 、c e r n 、s l a c 、k e k 采用。随着储存环流强的提高，瞬态束流负载效应成为比较普遍的问 题，直接反馈环路越来越多地被采用，如c e s r 、s o l e i l 、s r r c 等很多 储存环已经投入或正在研制直接反馈环。 高频调制技术 近几年来，在同步辐射光源储存环上对高频加速场进行幅相调制的技术引 起了广泛关注。其基本原理是当调制频率接近束流纵向同步振荡频率奔的整数 倍时，将引起束团内粒子的重新分布，导致束团长度拉长【4 i l 。束团拉长有2 个 重要作用，其一是提高束流的托歇克( t o u s c h e k ) 寿命，而托歇克寿命在光源的 束流总寿命中比重很大，所以束流寿命将获得增长。其二是可以抑制多束团的 耦合作用，提高束流的稳定性，在一定程度上可以替代高次谐波腔和快速纵向 振荡抑制电路。这两者都技术复杂且成本较高，而高频调制简便易行。在p f ， p l s ，s r r c 等光源上取得了很好的效果。 第一鬻| 京 1 3h l s 机器参数 h l s 储存环采喇低能注入方式，其注入器是一台能量为2 0 0 m e v 的直线加 速器，储存环满能量为8 0 0 m e v ，流强3 0 0 m a 。 与会糕光源 零类叛静懿器蠢美国终易鬻安娜大学鹃c a m d ( 2 0 0 m e v - * 1 3 l 5 0 e v ) 、威斯康辛大学的s r c ( 1 0 0 m e v - , 8 0 0 - 1 0 0 0 m e v ) 。日本广黼大 学的m s o r ( 1 5 0 _ 8 0 0 m e v ) 。 其麓菱在运孬黪戌十套弱多赣瓣镶存饔多数聚蠲瀵戆莹淀入，乡数采弼孛 能注入如日本的u v s o r ( 6 0 0 m e v - 7 5 0 m e v ) 。 相对于中高能注入，低能注入方式的同步辐射阻尼作用非常有限，荣流负 载效应魄较严重，客荔受到各撩泵浚不稳定较弼瓣影穗。其审寒浚懿缀囊不稳 定现象对流强限制贡献很大，需要加以研究和解决。 表1 1l i n a c 参数 1电子能量 2 0 渊e v i柬流强度8 0 6 m a |袋漉辣宽巍2 一1 o # s 柬流能谱 0 8 ! 速调管输出功率l s 辩 l遘调管数 吝 微波频率2 8 5 6 0 绷2 l羔傍摸式 2 # 3 l加速结构 常阻抗 h l s 储存环束流负载效应和高频系统相关问题的研究 表1 2h l s 储存环参数 储存电子能量 8 0 伽e v 循环束流流强1 0 0 一3 0 0 循环电子数目1 3 8 i o ”- - 4 1 4 1 0 “ 辐射损失能量 1 6 3 i k e v 总辐射功率1 6 3 4 8 9 k w 辐射特征波长2 4 a 聚焦结构类型 t b a , 分离作用强聚焦 平均轨道半径 1 0 5 2 5 m 弯铁弯转角度3 0 0 弯铁曲率半径2 2 2 2 1 m 电子喇旋频率4 5 3 3 肼z 高频频率 2 0 4 0 删z 谐波数4 5 高频电压峰值1 5 0 k v 辐射衰减常数( x )2 1 1 5 m s ( y )2 l - 6 5 ( z )1 0 9 5 m s 真空室横向尺寸8 0 x 4 0 m m z 1 2 第一牵| 言 1 4 谂变研究工佟麓余 1 ) 对束流负载效威的基本理论进行了总结分析。提出了种较简明的袭达 方式，莠用越磷究了i l l s 为宠骧重寒滚受载效应掰浆耀懿裹频运锊方 式。 2 ) 对高频系统的擞要组成部分如发射机和环行器等的相关问题进行了深 入探讨。提出了霆极管发射橇输出特性懿藏阻毫滚源等效模型。势戮惩 该横型，得到了任意负载下躺输出功率表达式。由此推导的一些绪论与 有关实验比较吻合。分析了环行器打火的原因，研制了快速保护系统。 3 ，对淡入阶段的寒流负载效应遴露了较为全露的分辑，给爨了h l s 注入酸 段离频系统参数设置韵理论依据和实验绐果；分析了鬟柬流负载效废所 产生的影响；探讨了重束流负载效应下的环路响应以及高频噪声的影 晚。通过实验诞明了注入过稷中频繁搏慕现象的两大原霞：高流强的重 染流负载效应和强瞬态束流受载效应。邋过调整幄控环的增益帮带宽， 有效地减轻了幅控环在注入瞬态过程中对柬流稳定的不利影响，使掉柬 现象极少发生，注入可以比较稳定地达到3 0 0 m a 掰究了高频麓遮场辐籀调翻蹲束流寿命增长豹箨溺。稍臻蔫性能仪器， 构建了新的高频剔除( r f k o ) 系统，获得了比较纯净的单柬团以及其它不 均匀填充模式。并用此研究了h l s 的单柬髓不稳定现象，以及在多泶匝 运行方式下鼙浆弱不稳定每多柬丞集髂不稳定豹关系。 5 ) 挝出了一种新的储存环高频遂行模式一调频，与当前采用的调谐运行方 式相比，调频方式具有纯电路化，响应速度快，可以构建快速反馈琊路 餐俊点。 h l s 储存环束流负载效应和高频系统相关问题的研究 参考文献 【l 】 c h a oaw p h y s i c so fc o l l e c t i v eb e a mi n s t a b i l i t i e si nh i g he n e r g ya c c e l e r a t o r s , j o h n w i l e y & s o n sl n c 1 9 9 3 【2 】 刘乃泉加速器理论，清华大学出版社2 0 0 4 年第2 版 【3 】 z o t t e rbw k b e i f e t ssa i m p e o a n c e sa n dw a k e si nh i g h - e n e r g yp a r t i c l ea c c e l e r a t o r s , w o r l ds c i e n t i f i cc o ，1 9 9 7 【4 】 r o b i n s o nkw s t a b i l i t yo fb e a mi n r a d i o f r e q u e n c ys y s t e m , c e a r e p o r t c e a l l 0 1 0 ( 1 9 6 4 ) 【5 j w i l s o npb f e r m i l a bs u m m e rs c h o o l ，1 9 8 1 ，a l pc o n f e r e n c ep r o c e e d i n g s ，n o s t , 1 9 8 2 ， a l pp 4 5 0 【6 】 w i l s o npb b e a ml o a d i n gi nh i g h - e n e r g ys t o r a g er i n g s ，s l a c p u b - 1 4 5 6 ，1 9 7 4 【刀 s a n d sm b e a m - c a v i t yi n t e r a c t i o n , t e c h n i q u er e p o r t , o r s a y , 1 9 7 6 【8 】 n gky p h y s i c so fc o l l e c t i v eb e a mi n s t a b i l i t i e s ，u sp a r t i c l ea c c e l e r a t o rs c h o o l ，n e w y o r k , 2 0 0 0 【9 】 s a c h e r e rfj al o n g i t u d i n a l s t a b i l i t yc r i t e r i o n f o rb u n c h e db e a m s ，c e r nr e p o r t c e r n ，m 咿s 肥r7 3 一1 1 9 7 3 【1 0 】w i l s o npb f u n d a m e n t a l - m o d er fd e s i g n i ng es t o r a g er i n gf a c a t o r i e s l a c s l a c p u b - 6 0 6 2 ，1 9 9 3 【l l 】h o f m a n na ，m y e r ss b e a md y n a m i c si nad o u b l er fs y s t e m ，p r o c 11 “i n t c o n f n i g h e n e r g ya c c e l g e n e v a , 1 9 8 0 1 2 】m o s o i e r a m i c r o w a v ei n s t a b i u t ya n di m p e d a n c em o d e l ，p r o c p a c ，n e w y o r k 1 9 9 9 【1 3 】z o b o vm ，e t a l b u n c hl e n g t h e n i n ga n dm i c r o w a v ei n s t a b i l i t yi nt h ed a o n ep o s i t r o nr j 晦 n o t e ：b 奎3 n f n l n f 【1 4 m o s n i e r a c u r e so f c o u p l e db u n c hi n s t a b i l i t i e s ，p a c 9 9 【1 5 1p e d e r s e nes a e h e r e rf t h e o r ya n dp e f o r m a n c eo f t h el o n g i t u d i n a la c t i v ed a m p i n gs y s t e m f o r t h ec 啪p sb o o e r 【1 6 g a r o b y 艮l o wl e v e lr fb u i l d i n gb l o c k s r fe