（核技术及应用专业论文）合肥光源紫外光束流截面及发射度测量系统的研制.pdf

塑堂堕堑垄塞壅壁坠苎壁堡塑兰墨竺幽!垫篁￥! ! ! ! ；8 7 摘要 对了二同步辐射光源，康团截面及柬流发射度是表征求流性能的一个很重要的参数。为了 提高束流品质和对柬流不稳定性的研究，必须进行束团截面及发射度的测量。对于合肥光源 原有束斑测量系统，存在光路失真、c c d 探测器非线性、数据处理部分粗糙等问题，不能 很好地对束团截面及发射度进行测量，为此研制了新的束团截面及柬流发射度测量系统。 本文介绍了台肥光源储存环紫外光束团截面及柬流发射度测量系统。本系统采用光学探 测，由光学成像和图像采集处理两大部分组成。光学成像部分利用光学成像将中心波k 3 6 6 1 n m 紫外光1 ：1 成像于c c d 探测器上，由两路接收，分别采集在2 0 0 m e v 和8 0 0 m e v 运行 时的束团截面。图像采集处理部分将c c d 探测器采集的视频信号由电缆输出到图像采集 进行图像采集，然后由l a b v i e w 程序进行数据处理获得柬团截面尺寸以及柬流发射度和耦 合度。该系统可以实时显示束团截面形状以及测得的束团截面尺寸以及束流发射度和耦合 度，同时可以进行图像离线分析。另外，根据束流流强和同步光光强的线性关系对原系统的 c c d 的非线性进行标定。 在合肥光源上开展了如下实验测量：束团截面横向振荡测量：柬斑尺寸随流强变化测黉； 横向激励时束斑尺寸变化测量；8 0 0 m e v 运行时束流中心振荡与漂移测量：r a m p i n g 时束流 中心位置漂移测量等。实验观察到在2 0 0 m e v 运行时束团截面会产生横向或纵向振荡；束流 中心位置随时间漂移。初步实验结果表明，在8 0 0 m e v 运行时，束斑尺寸随流强减小而减小， 在有激励时柬斑尺寸随激励大小而改变。 关键词：图像采集；束团截面；发射度；耦合度；l a b v i e w 中国科学技术人学硕l j 论艾 合目巴扎濂索外光柬流截面及发身j 度测量系统的列f 制 摘要 a b s t r a c t a si n d i c a t i o no fs t o r e db e a mp e r f o r m a n c e s ，b e a mp r o f i l ea n de m i t t a n c ea r ek e y s p e c i f i c a t i o n so fs y n c h r o t r o nr a d i a t i o nl i g h ts o u r c e s w i t ht h e s em e a s u r e m e n t s ，w ec a l lc o n d u c t r e s e a r c h e so ni n j e c t i o n ，b e a ms t a t u sa n dp a r a s i t i ci n s t a b i l i t i e s w h e r e a st h eo r i g i n a lm e a s u r e m e n t f a c i l i t yi sn o tc a p a b l eo f p r o v i d i n gs a r i s f y i n sr e s u l t s ，w i t hd e f e c t sl i k ed i s t o r t i o ni no p t i c a lf i d e l i t y n o n l i n e a r i t yi nc c dd e t e c t o r s ，n o n - o p t i m a la l g o r i t h mi nd a t ap r o c e s s i n g t h e r e f o r ei ti so fg r e a t i m p o r t a n c et oi m p l e m e n tan e wm e a s u r e m e n ts y s t e m t h i sp a p e rd e a l sw i t hh l s ( h e f e il i g h ts o u r c e ) u l t r a v i o l e tb a n db e a mp r o f i l ea n de m i t t a n c e m e a s u r e m e n ts y s t e m t h es y s t e mi sb a s e do no p t i c a lm e a s u r e m e n t ，c o m p o s e db yt w of u n c t i o n a l b l o c k s ：o p t i c a li m a g i n ga n di m a g ea c q u i s i t i o n t h es y s t e mr e c e i v e sn t s cs i g n a lf r o mt h ec c d c a m e r aw h i c ha c q u i r e st h es y n c h r o t r o nl i g h ti m a g i n gt h r o u g ht h ed e d i c a t e do p r c a is y s t e m n e x t ， t h es i g n a li sp r o c e s s e db yal a b v i e wc o d et oo b t a i ni n f o r m a t i o nl i k eb e a mp r o f i l es i z e ，e m i “a n c e a n dc o u p l i n gb e t w e e nv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i r e c t i o n s t h es y s t e mi sc a p a b l eo fr e a l t i m e r e p r e s e n t i n gb e a mp r o f i l es i z e 。e m i n a n c ea n dc o u p l i n gm e a s u r e m e n tr e s u l t s , a sw e l la sa n a l y z i n g t h ei m a g eo f f i i n e i na d d i t i o n ，t h en o n - l i n e a r i t yo ft h ec c di sc o r r e c t e da c c o r d i n gt ot h el i n e a r i t y o f b e a mi n t e n s i t ya n dl i g h ti n t e n s i t y t ot e s tp e r f o r m a n c eo ft h ed e v e l o p e di n s t r u m e n t ，an u m b e ro fe x p e r i m e n t sh a v e b e e n c o n d u c t e d ：t r a n s v e r s eb e a m p r o f i l eo s c i l l a t i n g ；b e a ms i z ec h a n g i n gw i t hb e a mc u r r e n t ：b e a ms i z e v a r y i n gw i t ht r a n s v e r s ep r o m p t i n g ；b e a mp r o f i l ec e n t e ro s c i l l a t i n ga n d e x c u r s i o ni nc a s eo f 8 0 0 m e vo p e r a t i o n ；b e a mc e n t e re x c u r s i o ni nr a m p i n g t h eo b t a i n e dr e s u l t si nt h i sp a p e rl e a dt oa n u m b e ro fq u a l i t a t i v ec o n c l u s i o n sb e a mp r o f i l eo s c i l l a t e st r a n s v e r s e l yo rv e r t i c a l l ya tt i m _ e si n c a s eo f2 0 0 m e vs t o r i n g c e n t e rp o s i t i o no fb e a mp r o f i l ee x h i b i t se x c u r s i o nw i t ht i m e b e a ms i z e c h a n g e ss l i g h t l yw i t hb e a mc u r r e n ti nc a s eo f8 0 0 m e vs t o r i n g b e a ms i z ev a r i e sw i t hs t r e n g t ho f a p p l i e de x c i t i n g k e yw o r d s ：h n a g ea c q u i s i t i o n ；b e m np r o f i l e ；e m i t t a n c e ；c o u p l i n g ；l a b v i e w 中国科学投术太学颁卜论文 台肥光源紫外光束流截面及发射度测量系统的研制第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义 同步辐射加速器中，束团截面及柬流发射度是表征求流性能的一个很重要的参数。为了 提高束流品质和对束流不稳定性的研究，必须进行束团截面及发射度的测量。为此，国内外 很多实验宝1 - 2 4 1 ( 如美国的n s l s 实验室、美国的s l a c 实验室、日本的k e k b 以及北京高 能所的上e 负电子对撞机等) 非常重视束团截面及束流发射度测量系统的研制，并已投入实际 应用。因此，合肥光源研制了一套储存环柬团截面及发射度测量系统( ”1 。 在储存环上利用电子的同步辐射光来测量，原理上可以利用同步光中的可见光部分，或 者紫外以及x 光部分。储存环束团截面及发射度测量系统般采用光学探测系统，它主要 由光学成像系统和图像采集处理系统两大部分组成。光学成像系统由水冷铜镜，水平狭缝、 透镜组、窄带滤光片、衰减滤光片和反射镜等组成。电子束团在经过二极铁时做弯转运动， 在瞬时运动方向产生同步辐射光，光束包络反映了发光处的电子束团特性。光束经水冷铜镜 反射，紫外光、可见光和红外光被反射出来，经光学成像系统将束团截面图像分两路1 ：l 成 像于c c d 探测器上，c c d 探测器给出电视信号，经电缆传输后，经图像采集卡采得图像信 息，经过a d 转换产生数字信号，由l a b v i e w 程序拟合计算得到束团截面尺寸、束流发射 度及耦台度。 n s r l 原有束流发射度测量系统安装在b 3 e 铁的a 山光e l ，由丁科学院创新项目要在该 山光口建立条与真空系统共_ 珥j 的求流诊断光束线，这样当真空系统做实验时，需要将水冷 铜镜提起，就无法进行观测束团截面及束流发射度的测茧，为此我们需要进行新的储存环水 团截面及发射度测量系统的研制。新系统安装在与其对称的b 3 w 铁的a 山光口，并在经过人 量涧研的基础上，采用同步光的紫外部分进行测量。冈此，台肥光源采川紫外光的储存环求 团截面及发射度测量系统将是提供高稳定性高品质同步光的一个重要诊断装置，获得求团截 面及柬流发射度是本课题基本任务。 1 2 国内外研究现状 测量电子束团截面和发射度的方法可以分为两类：拦截式和非拦截式。 拦截式 电子束流直接作用于测量器件荧光靶上。如美 s l a c 实验室，它的直线加速器束流发 中国科学技术大学硕j ：论文 台肥光源紫外光束流截面发发射度测量系统的研制 第一章绪论 射度很小，在注入器l2 g e v 处装了一个荧光靶，当电子打在荧光靶上，由化面上产生的光， 被光电二极管阵列接收，信号通过电缆传输，由数据采集p 进行采集，由计算机程序州高斯 分布进行模拟计算山束团尺寸，计算出束流发射度军耦合度。在台肥光源直线加速器和储存 环上均安装有荧光靶，对束斑形状及位置进行观测。 利用荧光靶测量束流截面方法直观简单，没有复杂的光路，观测剑柬流的实际形状，但 是阻挡了电子束流通过，不适合连续的观测，不能应用于储存环上。只适用于束流的初调。 非拦截式 在储存环上利用电子的同步光来测量。原理上可以利用同步光中的可见光部分，紫外光 部分。利用光学成像系统把同步光成像于c c d 探测器上，由图像采集 采集数据，由计算 机进行数据处理，得出测量到的束团尺寸，根据公式计算山束流的发射度和耦台度。由于现 在c c d 技术的飞速发展，我们可以用c c d 探测器看到可见光、紫外光甚至软x 射线，国内外 大部分实验室采用这种方法进行发射度测量。这种方式为非拦截式的，可以连续测量，具用 很好的分辨率。 台湾s r r c ：在能量为1 3 g e v 的储存环上，同步光经由光学成像系统成像，采用t u r n b y - t u r n 系统，利用光电二极管阵列对图像进行采集，数据处理而得出束斑尺寸及束流发射度。发射 度测量系统如图1 1 所示。此实验装置处于实验阶段，未投入实际使用。1 1 1 图1 - 1台湾s r r c 发射度测量示意图 中国科学技术大学硕k 论文 一2 台肥光源紫外光束流截面及发射度测量系统的研制第一章绪论 m a x i f ：在注入能量0 4 7 g e v ，运行状态能培为1 5 g e v ，光学成像系统对同步光进行一次 成像，利用干涉现象在弯铁曲率、r 径3 3 3 m ，发射度大约9 n m t a dr ，。1 j 作波艮为3 6 0 n m 的 紫外波段同步光进行束团截面及发射度进行测量。利州两种方法，一种普通成像方法，另一 种为l l o y d 镜进行干涉形成干涉条纹进行测量。利用s o n yx c 7 7 c ec c d 探测器，分辨率 1 1 0 岬。在流强1 5 0m a ：呵= 7 6 + 7p m 。发射度测量系统如图l - 2 所示。 3 1 杯4 - 二6 l 、反射镜，2 、成像透镜，3 、狭缝，4 、真空窗，5 、探测器，6 、支架 图1 - 2 m a x i i 发射度测量系统示意图 s p r i n g - 8 ：由光学系统经过二次成像，由光学探测器在工作波长为4 4 1 6 1 1 1 1 1 的可见光波段利 刚干涉现象，对s p f n g - 8 储存环进行发射度测量，在流强1 0 0 m a 时，6 x = 1 5 3 7 士5 1p m ，仃y 3 1 9 5 4 - 1 8l a m ，。2 7 3 & 0 8 ( n m r a a ) ，e y = 1 4 2 4 - 2 7 ( p m 。t a d ) ，k = e 。= o 0 0 1 9 = l 4 ) 0 0 0 6 。发 射度测鼙系统如幽1 - 3 所示。【4 】 中国科学技术大学硕士论文 图1 - 3 s p r i n g - 8 发射度澳4 量装置图 ；厂： 。，1_ 一 一一 合肥光源紫外光柬流截面及发射度测量系统的聊f 制第一章绪论 l n l s ：同步光经过狭缝过滤，反射镜偏转后由两块透镜进行光学成像，由窄带滤光片真空 紫外光部分进行成像，测量注入和运行时柬流截面，由c c d 探测器测量横向尺寸，由快光 电二极管测量纵向尺寸。利用分光镜分路进行测量。利用一个7 p s 的光l 岜探测器进行单求团 长度测量。1 3 , = 1 4 m ，b 。= 1 8 9 m ，在注入能量1 2 0 m e v 时，水平方向发射度”9 0 0h i - f i n d ， 在运行状态1 3 7 g e v 时，水平方向发射度为9 9 8 n m r a d 。其测量原理如图1 _ 4 所示。f 5 3 l 明el 呻； 图l - 4l n l s 发射度测量装置 b e p c ：利用光学成像系统对同步光进行分光及成像，分三路采集图像，工作波长采用4 9 1 r i m 的可见光，利用c c d 探测器对透镜成像系统所成同步光进行采集，由此计算出束斑在二维 分布的尺寸以及发射度，利用光探测器进行束流位置探测，利用条纹相机进行单束团长度探 测。其工作原理如图i - 5 所示。【” 、辫。主 南ran 厂 u 赫茹“息 ：o 2 ”：篙篙胁。 擞菇 t 掣” 宝器白 、嚣 dn 图i - 5b e p c 发射度测量系统装置图 中国科学技术大学硕：匕论文4 台肥光源紫外光束流截面及发射度测量系统的研制第一章绪论 n s r l 原有发射度测量系统及其存在的问题 1 9 9 4 年7 月，合肥光源在储存环b 3 e 铁a 出光口处安装了一套束斑检测器，其一：作波 氏为5 0 0 n m ，由两块透镜对同步光进行二次成像，块透镜作为场镜使光束会聚，减小后面 透镜口径及矫正像场弯曲，所成的像由c c d 探测器进行图像采集，由计算机进行对束团截 面尺寸、发射度和耦合度进行测量，图1 - 6 为其测量原理图田】。 ( 1 )( 2 ) ( 3 )( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 )仰 图i - 6n s r l 原测量系统图 其光学系统和图像采集系统包括： ( 1 ) 水冷反射铜镜：吸收x 光反射紫外线、可见光和红外线； ( 2 ) 水平狭缝：提高由光源引起的测量分辨率： ( 3 ) 第一透镜：一次成像，成像比例1 ：4 ： ( 4 ) 场镜：场镜的物方主面忙丁- 求团截面经过第一透镜成像的像平面上，场镜的像方主 面就是束团截面经过场镜成像的像平面。场镜对系统总焦距没有影响，但它可以改 变斜光求的方向，员：有止光焦度的场镜可以使光求会拢，以减小它后面的透镜口 寻= ， 同时可以矫正像场弯曲： ( 5 ) 第二透镜：1 二次成像，成像比例4 ：i 使系统放人率为1 ； ( 6 ) 窄带滤光片：提高测量分辨率，消系统色著，中心波k5 0 0 n m 、r 宽5 0 n m ； ( 7 ) 衰减滤光片：增大测量动态范围，由六块组成，透过率分别为：5 0 ，1 0 ，1 t 1 ，l 1 ： ( 8 ) c c d 探测器：采用p a n a s o n i c 公司的w v - - b p l 3 0 型c c d 探洲器，感光面积6 4 m m 4 8 m m ，像素5 1 2 5 1 2 ； 中国科学技术人学硕士论文 合肥光源紫外光束流截面及发射度测量系统的研制第一章绪论 ( 9 ) 图像采集，数据处理部分：c c d 视频信号馈到计算机的图像采集卡上，由计算机进 行处理测量出束团截面的电荷分布、束团尺寸及发射度。 在实际测量中，我们发现原系统存在的缺点和不足： 1 1 由于光路为二次成像，光学系统比较复杂使系统误差增人： 2 ) 没有很好的矫正球差，产生很大的球差； 3 1 所用窄带滤光片带宽5 0 r a n ，不能很好的使光路单色： 4 ) 光学系统在安装时光路同轴没有进行很好的矫正，系统产生很大的慧差，使图像产 生失真： 5 1 系统所加衰减滤光片不够，致使c c d 探测器饱雨i ，使采得信号失真： 6 ) 所采州p a n a s o n i c 公司的w v - b p l 3 0 型c c d 探测器在i ：作范围为非线性，没有进行 修正，产生非常大误差： 7 ) 工作波长采用5 0 0 r i m ，由光源引起的偏差较差，a y = 7 1 9 m ； 8 ) 由于束流能量在2 0 0 m e v 和8 0 0 m e v 的时候束斑位置不一致，原系统没有进行分光， 使系统在束流能量为2 0 0 m e v 时不能进行测量。 由于原系统存在的上述缺点和不足，所以有必要重新研制束斑尺寸及发射度测量系统。 利用同步光中x 光部分进行测量 让同步光通过单色仪，让一定波k 的x 光通过，经过狭缝到达扫描分析晶体，扫描分 析晶体的角度包含了原发射点的信息，这个原理本质上是小孔成像。美国c o m e l l 人学电 子同步加速器c e s r 就是采j = = j 此种方法进行发射度测量。这种测苗方法优点是具有很好的分 辨率，但造价昂贵。 综合上述各种测量柬团截面及柬流发射度的方法，以及备白的优缺点。根据台肥光源的 具体情况，首先要求测鼙系统不能影响求流的u 三常运行，决定利川b 3 w 的a 口处弯铁发出 的同步光进行洲鹫。考虑刘合肥光源发射度的鹫级平所需要的测姑精度。我们选取紫外光部 分进行发射度测量。水冷铜镜吸收掉x 光部分通过狭缝约求，达剑最佳光源测量精度， 利用窄带滤光片滤掉无刚光，经光学成像系统成像于c c d 探测器靶面上，通过图像采集 进行图像采集，由计算机进行数据处理得出束团尺寸及束流发射度。该测量方案结构简单， 造价便宜，不影响束流的正常运行，且具有很好的分辨率。 通过发射度测量系统，我们可以测山束团截面的电子分布，束团截面尺寸，和束流发射 度及耦合度。还可以观测出束斑截面水平方向的振荡，束团尺寸及发射度随束流流强的变化， 中国科学技术大学硕士论文 6 台肥光源紫外光束流截面及发射度测量系统的研制 第一章绪论 以及束流中心位置的漂移和振荡。并且可以观测束流注入状态、r o m p i n g 状态和8 0 0 m e v 运 行状态f 的束团截面及分布。 1 3 储存环束流诊断系统 储存环束流诊断系统的任务有两方面，一是2 0 0 m e v 注入能量下，提供足够的信息， 以便进行注入过程的调节，达到高的注入效率利高的积累束流流强；二是在8 0 0 m e v 储存 能量下，对各种束流参数( 如束流强度、束流位置、t 作点、b 振荡频率、同步振荡频率、 束团长度、束流截面以及柬流发射度等) 进行测量。现有系统包括注入检测器和荧光靶束斑 观察器、束流位置测量系统、直流流强测量系统、l ：作点测量系统、以及束团长度测量系统 等。表1 - 1 列举了8 0 0 m e v 储存环现有束流诊断系统。幽1 7 为8 0 0 m e v 储存环现有柬流诊 断元件分布图。台肥光源储存环束流截面及发射度测量系统安装在如图左r 角位置。 表1 18 0 0 m e v 储存环现有束测系统 设备数量用途性能 测量范围为0 - 1 a 直流流强检测器( d e c t ) l 束流直流流强 分辨率为l u ar i l l s 精度可达0 1 荧光靶束斑观察器( f l a g ) 3 束流光斑形状和位置直观显示柬流光斑 钮扣型位置检测器分辨率为l p m 3 1 1 束流位置 及测量系统 测量时间1 5 秒 条带型位置检测器 2 束流波形t u n e 检测 测量p s 柬流脉冲 注入监测器 i 注入求流位置观察多圈注入 同步光观察器 1 同步光光斑直观观察同步光 有效地克服离子俘 直段清洗电极及清洗系统 1 4 l 离子清洗 获效应 有效地克服离子俘 弯段清洗电极及清洗系统 1 2 1 离子清洗 获效应 激励也极 精度好丁l x ：1 0 一，激 及工作点测量系统 1 门 r 作点 励功率小，可以自动 测量 柬流截面测量系统 2 柬流横向尺寸发射度 测量范围为 柬团长度测量系统 1 束团长度 3 c m 1 2 c m 精度好干1 0 中国科学j 熏术大学硕上论文 台肥光源紫外光束流截面及发射度测量系统的研制 第一章绪论 基于柬流准直系统 l 测量四极铁的磁中心和p 函数 光位置检测器 4 测鼙同步光的位置和角度 测量束流横向振荡的相图和逐 t u r n - b y t u m 位置测量系统 l 圈束流位置 幽1 78 0 0 m e v 储存环现有束流诊断元件分布剀 1 4 同步辐射光简介 同步辐射是自由电子在磁场中作曲线运动时沿切线方向发射的电磁波，覆盖了从红外到 硬x 射线的各种波长。由于光谱连续、高亮度、准矗性好，义有偏振、脉冲时间结构等特点， 与其它光源相比，具有无可比拟的优越性。因此在物理学、化学、生命科学、材料科学、信 息科学、能源和环境科学以及许多高科技领域中都有广泛的应州。 1 5l a b v i e w 简介 图形化虚拟仪器集成开发环境l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g 中国科学技术大学硕士论文 - 8 盘肥光源紫外光束流域面发发射度测量系统舶研制第一章绪论 w o r k b e n c h ) 为标准化总线和网络化、软件化的仪器提供了一个平台。l a b v i e w 支持 v x i p x i u s b i e e e1 3 9 4 等箨种测试总线，支持v i s a ，s c p i ，i v i ，d a t a s o c k e t 等各种虚拟一 起软件标准。l a b v l e w 时个功能完整的软件开发环境，同时也是一种功能强大的编程语 言，采用基于流程图的剀形化编程方式。l a b v i e w f j 】= 势在阿个方面：编程简单，易r 理解， 尤其是对熟悉仪器结构的一i ：程技术人员；l a b v i e w 针对数据采集、仪器控制、信号分析和 数据处理等任务，设计提供了丰富完善的功能图标，川户可以直接调刷，而且_ l a b v i e w 作 为开放的工业标准，提供了各种借口总线和常_ e f j 仪器的驱动程序，是一个通川的软什开发平 台1 2 ”。 虚拟仪器v 1 ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 是l a b v i e w 提出的概念：一个v l 可以由前面板、数据 流框图和国标连接端口组成，前面板相当于真实物理仪器的操作面扳而数据流框幽相当予 仪器的电路结构，前面板和数据流框图有各自的设计窗口，而图标连接端口则负责前面板窗 口和框图窗口之间的数据传输与交换。虚拟仪概念是l a b v i e w 的精髓也是g 语言区别于其 他高级语言最显著的特征。 l a b v i e w 在包括航空、航天、通信、汽车、半导体、生物医学等众多领域得到广泛应 用，从简单的仪器控制、数据采集、到尖端的测试和工业自动化。l a b v i e w 已成为测试与 测量领域的工业标准，通过g p i b ，v x i ，p l c 、串行设备等构成实际的数据采集系统，提供 工业界最大的仪器驱动程序库，还支持通过i n t e r n e t ，a c f i v e x 。d d e ，s o l 等交互式通信方式 实现数据共享，提供众多的开发 具使得复杂的测试与测量任务变的简单易行。l a b v i e w 提供功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、同归分析、线性代数、信号生成算法、 时域手频域算法等众多科学计算模块，满足计算、分析的需求。在联合时域分析、小波和数 字滤波器设计等高级或特殊分析场合，l a b v i e w 也提供了专门的附加软件包。 中国科学技术大学岫i 论文 9 一 光源紫外光束流截_ 血及发射度测量系统的研制第二章储存环束团截面及发射度概念和理论计算 第二章储存环束团截面及发射度概念和理论计算 1 束团尺寸 电子在储存习、中运动时由于辐射效应而使振荡具有激发和阻尼曲个相反的过程，最终会 j 平衡。在这种平衡状态下，电子柬团会有一个稳定的分布，也就是说束团会具有一定的 | 3 3 】。 横向尺寸：由于量子发射会激发起随机的横向振荡，而这种振荡将会影响到电子束团的 i 尺寸。一个初始条件为x ，雨l x ：( s i 处) 的粒子在5 2 处的x 方向的振荡为 勃( s 2 ，t ) = n 压c o s q ? ， ( 2 一1 ) i a 为不变振幅因子。 则s t 处的振荡为 ( _ ，t ) = 口屈c o s 竹 ( 2 2 ) ：撕炉一击s i n 镑+ 掣 可得 - 【1 葺2 堋十三鹏) 2 ( 2 - 3 ) 当s 处发射一个能量为u 的量子时，横向振荡的位移和斜率分别为 6 劫一印百= - t 7 7 - 7 弦叫等叫去 平均来说有 ：，7 篓 s s o _ 硝2 告 丘o 由此可以得到 如z ：鲁去 7 7 7 + ( 届叩： e ip i 一。 * 学技术大学硕士论文一1 0 一 ( 2 _ 4 ) ( 2 - 5 ) 合肥光源紫外光束流截血及发射度测量系统的研制第二章储存环束团截面及发射度概念羊口理论计算 只要量子发射与横向振荡的初始相位无关，并且量子发射完全是随机的，那么在s ，发射 一个能量为u 的量子引起的横向振荡的振幅的改变量的虽可几值为 令 胁2 x 警扣删一争2 ， 郧) = f l r l + ( 纠一争2 设n 为单位时间发射的量子数，则 占 - 丝 h 0 ) c 瑶 电子回旋一圈时a 的改变量为 d 一 j 。! 一一。= 。一 d t 尉 又径向振荡阻尼对振幅平方贡献为 壁s g ! 一一2 5 9 ! d t z x 稳定条件下由式2 2 ，取x 的平方期望值，可等在s 2 处的径向振荡位移的均方值 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 略( s ：) = 互1 a 2 腹 = 丢。半删 。 式中t 币| l q 是由储存环的弯铁性质决定的，不随s 变化，当磁场确定时，为一个不变的量。6 是由予量子发射引起的横向振荡对储存电子束团的水平方向的尺寸展宽的结果。 考虑剑由丁- 能散引起的径向加宽 盯：= 7 7 2 ( 詈) 2 总的径向半宽为 o ：= o ：8 + o 二 2 1 垂直高度 中国科学技术大学硕士论文 ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 合肥光源紫外光束流截面及发射度测量系统的研制第二章储存环束团截面及发射度概念和理论计算 在计算束团横向尺寸时，我们假定了量子在发射时不改变电子的运动方向，这个假设不 是严格成立的我们可以认为任何一个量子发射都相应于电子的动量成0 角的一个动量为u c 的光子的发射。它带走一部分横向动量，数值为o ，u ，c 。根据动量守恒，电子在水平方向的 横向动量的相应改变量为 d 工兰n ：口。兰 cc 即 ( 2 一1 3 ) 积=鲁吼(2-14) 式p o 。为o ，在轨道平面上的投影。 如果电子轨道严格地位于一个平面内，量子发射在垂直方向上讲没有一级效应。因此， 在垂直方向只要考虑量子发射时辐射的角分布影响。一般来说量子发射是沿电子的运动方向 的，但它分布在一个半张角为1 叶的锥角内。在不考虑两个方向的耦合时，有o v = 1 0 m 。 3 )横向振荡耦合时的柬团尺寸 垂直方向线性运动方程及其解不含粒子的能量偏差，s r 的量子性造成的电子能量涨落 与垂直振荡没有明显的关联，则y 方向振荡只受到阻尼，而不存在量子激发。电子束的垂直 发射度e 。将不停地减小，束团的横截面将成为只有宽度没有高度的水平线段。 束流稳定运行时，所有光源的束团横截面都呈椭圆形，测量它的高度，可以计算出0 。和 e 。大多数光源的稳态的e 。是e 。的百分之几。横向运动方程没有耦合项，有赖于两个条 件：其一，磁场是理想场，在弯转平面内只有b 。分量；其二，采用线性假设，略去了高阶 项。在实际的机器中，这两条显然不能完全实现。磁铁总有不同程度的缺陷高阶项的影响 也不会消失。所以横向耦合是不可避免的。电子柬的振荡能量在两个横向分别表现为c a 。 释k a 。，由下存在耦台，两者可以相互转化：在s r 阻尼的作蹦下，两者箨以自己的速率衰 减：s r 量子激发使 不断得到补充t 而 却没有。当 太小时，a x 的一部分就 “流向”c a v ，称单位时间内在两个横向之间转移的振荡能量为b 。 一d +6(2-16)vt - 一7 锄) + 扫 达到稳态时，两式的右边都等于0 。将两式相加( 消去b ) ，用束流发射度e 。代替 中国科学技术大学硕l 论文1 2 合肥光源紫外光束流截面放发射度测量系统的研制第二章储存环柬团截面驶二射度慨念和理论计算 经过整理，两个稳态发射度之间的关系是： j x 。+ j y 。= l 。( 2 - 1 7 ) 以上推导过程的依据为振荡能量流动的简化模型。对于s r 光源，假设j 。t j 。= l ：于 是， e 。+ v = 。( 2 - 1 8 ) 一台具体光源的两个稳态横向发射度，和，都是不随时间变化的常数，可以测量。 二者之比t 称为耦合系数。即： v 。丘x( 2 - 1 9 ) 耦合系数k 是个表象参数与由我们给定的其他加速器参数不同，应该由测量得出。 其数值的大小反映横向耦合的强弱，耦合越强，e 。越丈e 。相应减小。理论上，k 最小 可为0 ，最大可等于1 。s r 光源一般以k 较小为佳，因为k 越小，e ，也越小，束团的横截 面越扁，面积小，垂赢发散角也小，s r 的亮度就越大，这对多数s r 实验是有益的。 计算束团尺寸时当然要用到足。如果不靠实测，耦合程度还不甚清楚，k 值一般按两条 惯例处理： 1 ) 为了向用户提供s r 光斑截面尺寸和亮度，取k = 0 1 。 2 )为了确定真空室截面尺寸这一类目的，取束团可能的最大宽度或高度。计算o 。时 假设零耦合，取k = 0 ；计算o 。时假设满耦合，取置= 1 。 2 2 束流发射度 沿储存环各点的横向相空间椭圆( 包括x 方向和y 方向的) 可以用计算聚焦结构的程序 计算出来。根据刘维定理，换上各点的相椭圆尽管其形状不同，但其面积是相等的，即所谓 相空间守恒。电子横向振荡的轨迹方程为 = a 拓c o s + o o ) ( 2 - 2 0 ) 其中是不变振荡园子 j i l j 中：r d s b 口 中国科学投术人学颂，i j 论文1 3 ( 2 - 2 1 ) 里型型型堕墅塑壁塑生坚堕丝堡型堕! ! ! i 篓竺塑婴型 笙三翌堡童堑塞里塑堑丝叁盟崖! 堕塑些堡盐竺 焉= 口参c o s ( h 历嘶圳 2 万x p f l 一芳s i n ( ) 从上两式可得 口2 = 二 x 2 + ( a x + p x ) 2 d 令w = a 2 ，则有 ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 矽=yx2+2axx+fix2(2-24) 这里，w 为一常数，独立于变量s 的。 所以粒子在运动过程中其椭圆面积是不变的，在不同的s 处尽管椭圆形状不同，但 其面积是相等的。如图2 - 1 所示。 y 弋r i 加万 t 一 i 屑万 例2 - 1 横向运动的相空间椭圆 任意一点的相空间椭圆的面积都代表该储存环的束流发射度。计算相椭圆的面积的见到 方法是选一个正椭圆，若知道其长半轴和短半轴，则束流发射度为 sx = o x 口o ：8 ，s y = o y 8 0 ：p ( 2 2 5 ) 由于要找一个正椭圆相空间不是很方便，在实际上我们用任一点的o b 和p 函数值来计算 柬流发射度。取其均方值，则 盯品= ( ) 2 万a 2 = ( 2 ( 2 _ 2 6 ) 中田科学技术人学坝i 论史 1 4 台肥光源紫外光束流截面及发射度测量系绩的研制第二章访1 竽环束团截面及发射度概念和ir 世沦计算 上式中，假定口= 0 则水平方向发射度为 皆嘣。2 警 垂直方向为 ( 2 2 7 ) = q ，嘞= 管0 2 z s ， 如果x ，y 两个方向之间有耦合，则e ，= 女e 。，其中k 为耦合系数。 储存环束流发射度计算公式为 2 扣吖( 印 弘：。， 1， o 2 瓦丐 我们在b 3 w 铁处的a 出口窗测量，在弯铁入口处2 度的地方，在测量点处的”值很小， 吼e o = o 0 0 4 5 ，相对于前一项非常小，所以我们可以不考虑能量分散引起的径向加宽，可 以用近似公式 来计算束流发射度。 2 3 l a t t i c e 参数 我们从加速器物理中知道粒子的横向运动是一种自由振荡运动，运动方程可以从洛伦兹 力得到，当忽略了高次项时，得出下面的形式： 象+ 高删卜高等 陋，。， 窘嘲咖= 。 式中p ( s ) 为轨道曲率半径，k ( s ) 为元件的聚焦函数，它们都是轨道坐标s 的函数，a p p 是动量散度。当电子横向振荡时，可先令a p p = o 。于是式( 2 - 3 1 ) 中两个方程可取相同形式： 丁d 2 y + k ( s ) y ：o 凼2 一 中国科学技术人学砸j 。论文 r 2 3 2 ) 但 畔， 上展上层 = = 型竖堕型堕丛些! 幽堕丝墨塾堕型里墨竺塑竺堕! 笙= ：主堡壹兰塞里垫堕丝垄堑堕壁垒塑些丝生墨 由十在储j 罕环中平衡轨道式 = i j 合的，所以k ( s ) 是一个咀机器的周长为周期的周期函 数。我们使用矩阵的方法米解此方程可写成如下形式解： ；嚣， l = m ( s s o ) 匕l , 譬 i = 2 乏 b 嚣 c z 书， 此处m o s 。) = i 牌】 1 | i , 1 2f 是一个变换矩阵，它仅仅取决于函数k ( s ) 。 l m 2 , m 2 2 j 对于自由空间k ( s ) = o ，则 m ( s l s o ) = j ：3 对于扇形弯铁，水平方向的变换矩阵是 c o s op s i n 0 m ( s s o ) = i s i n 0 。i l 一c o s l lp j 式中e 为扇形铁张角，p 为电子轨迹曲率半径。扇形铁的垂直方向相当于自由空间。对于边 m ( s s o ) = 1 0 7 t a n 占1 l p 式中为磁铁端面的法线与粒子入射方向之间的夹角。 同样，边缘场( 图2 。2 ) 的垂直方向的变换矩阵为 一等1(ssoo m ) 2 | _ 坐1 l尸j 中田科学挫术火学颐f ：论文1 6 0 h 巴光源紫外光束流截面及发刳度测量系统的研制 第一幸 睹存王 ：柬团截面及发射度概念和理论汁算 j j i j 二级铁的水平方向的传输矩阵为 r 垂直方向的传输矩阵为 10 m ( m 。) 2 l 一堕l lp z = 一善一每 ( 2 3 4 ) ( 2 - 3 5 ) 若已知8 0 $ 1 3 s 处的c o u m m s n y d e r 参数及他们之间的相移v ，设so 处的相角为、l ，o ，则 y 。= 口万c o s t 。 成一去( s i 啪帕0 c o 叫。) s 处相应为 y = d 卢s i n ( y o + y ) y = 一芳陋( 训懈。s ( 训】 由上面两式联立，可得 ( 2 3 丘) ( 2 3 7 ) c o s a y + s i n y ) 鬲s i n y 一坐业与等业坐j 知出s i n 钏0 p p o、 芦 从上式中我们可以得出 一坐业等产 = 悟咖一m ， 中国科学技术大学坝。论文 17 佗一3 8 ) 合肥光源紫外光束流截曲l 技发射度测量系统的研制第一二章储存环束团截面及发射度概念和理论计算 其中 = 侉( c o s 妒帕袖圳( 2 3 9 ) 聊，：= 万瓦s i n y 消去s i n v 和c o s v，整理后得 = 商属一孤，m ：+ 唬 口2 叫l _ 2 届+ ( 1 + 孤2 伤l 概一嘲2 ( 2 - 4 0 ) ，= 嚏一玉礓。+ 幢 刚有 n = 6 口 ， = n 屁 口0 删j 2 1 1 棚1 2埘三 m l l t 】2 ( 1 + 2 m 1 2 2 1 ) 一1 2 2 2 ；l 2 m 2 】, i n 2 2m 2 2 2 ( 2 - 4 1 ) 若已知，陆和传输矩阵n ，则可求得0 i , ，p 值。 由m a d - x 计算出全环的l a t t i c e 参数中的a 、b 。如图2 _ 4 为合肥光源储存环全环p 函数 的理论计算曲线。全环二级铁共1 2 块，每块偏转3 0 度，光源点在b 3 w - - 一级铁入口2 度的地方 ( 如匿 2 - 3 所示) ，在己知，b 的情况下，可以计算出由二级铁入口到光源点的传输矩阵， 由此计算出光源点的b 函数。 电罐， 图2 3 光源所在二级铁位置 中国科学技术大学颂j 论文1 8 合肥光源紫外光束流截面发发射度测量系统的研制第一二章储存环束团截面及发射度概念和理论汁算 图2 粤储存环一圈口函数 2 4 束斑尺寸和束流发射度理论计算 实际上，储存环的l a t t i c e 参数和自然发射度可以采用t r a c y 、m a d 8 和m a d x 等 程序计算。 根据2 0 0 3 年暑期储存环聚焦磁铁磁化曲线测量数据和平时运行中几种模式的磁铁激励 电流，理论组采用m a d x 程序计算了在几种不同运行模式下的束流儿何参数阱】。由于理论 的l a t t i c e 模型和实际储存环模型之间存在一定偏差，计算中没有考虑到任何集体效应( 如 i n t r a - b e a ms c a t t e r i n g ，i o n - t r a p p i n ge f f e c t s ，c o l l e c t i v ei n s t a b i l i t i e s ，这些效应将使束流几何尺寸 增大) ，计算中采用耦合度为3 ( 可能与实际情况中有偏差) ，计算线性l a t t i c e 参数过 程中没有考虑