加速器物理课件第9章同步加速器

1、92 电子回旋加速器 变倍频系数法实现共振加速- 微波加速器 1. 电场频率不变 frf 2. 轨道磁场不变 B 3. 轨道半径改变 r 4. 用微波谐振腔来代替D型盒，以适应高 频电场几GHz，高的电压降 几百kV 5. 轨道为一系列相切的园 6. 电子在谐振腔中获得能量，电子质量小， 相对论效应显著，相移突出，每圈的能 量变化大，相移增量为2n k k k k B B T T s s s s s s r r 设计倍频系数k的调变为每圈整数倍的增加， 就保证了同步粒子的共振相位不变。 设同步粒子第N圈的回转周期为： 圈的倍频系数为第 圈的倍频系数（整数）为第 1 2 1 2 s sn rfs

2、n sn sn k Nk Tk Bec T 的模式是最稳定的模式和 ，一般是组合为不同的加速模式和不同的 是相互制约的，和 倍频系数增量（整数） 第一圈倍频系数 我们有： 12 ) 1( 2 )(2 ) 1( 1 1 1 1 2 11 2 10 1 1 ss ss ss sssn srfs s s srfs s s rfsnsssn kk kk kk knkk kTk Bec T kTk Bec W T TkTnTT rfs TT2 1 rfs TT3 2 rfs TT4 3 定义：与静止能量与高频周期相对应的共振磁场强度为电子 回旋加速器磁场强度 0 011 0 2 0 0 2 ss ss

3、rf k k B B Tec B 共振条件： 定义相对磁场为： 0 01 0 01 0 2 01101 _ 2 ss ss rf sss k k B B k B Tec kW因为： 第N 圈 同步粒子的总能量： 0 011 ) 1() 1( sn ssssn k knkn 引入相对能量 snsnsnsnss s s sn s sn sn kkk . . 11 0 1 1 00 0 1, ) (1) , , 1 2 ()( 51 snrfrf ssns snsnrfrf snsnsn sn rf ssns ns fTB B N c k T Dk N DDDk s1s 如果都固定 如果 大， 大

4、则都大 要求注入能量大，每圈能量增益大，一般 任意第 圈的轨道直径为， 一般当 大于 时，因此相邻轨道的间距 93 同步加速器（synchrotrons） 一种加速高能粒子的回旋谐振式加速器。 它有一个大的环形磁铁。 带电粒子在环形磁场的导引和控制之下沿 着半径固定的圆形或接近圆形的轨道回旋运动， 穿越沿途设置的高频加速腔，从中获取能量。 加速过程中，磁场随时间增强，使粒子的 轨道半径保持恒定。 高频电场的频率则与磁场同步变化，与同 步粒子的回旋运动保持谐振。 由于电、磁场随时间周期变化，加速器在 脉冲状态下工作。为了使粒子束约束在狭长的 真空室内加速，需要有足够的聚焦力。早期用 梯度数值较小

5、的恒定梯度磁场进行聚焦。由于 聚焦力较弱，加速室以及整个加速器的体积不 得不做得相当大，这就从经济基础和技术上限 制了同步加速器向10GeV以上的能量发展。 后来发明了交变梯度的强聚焦方式，有效 聚焦力大大超过前者，使加速室的体积大为缩 小。例如一台强聚焦的30GeV质子同步加速器 磁铁的重量约4000吨，而如若采用恒定梯度聚 焦的话，则将重达100 000吨。 ，要一直调频（稳相）达不到质子时，速度 稳相同步加速器这种先稳相后同步叫做 要改变磁场来同步，既不需要稳相了，只需 不需要调频 电子时， 共振加速条件： cv Bqkc T c r k T cv v r k T k T qkB m B

6、qkc T k T s rfrf srf s srf . 2 . 21 211 221 0 2 0 0 00 2 调磁的规律 ) 1 ( )1 ( )1 ( 2 . 22 2 2 122 2 1 2 0 0 22 v v v v r v f v v f f B f qcTqc B s s s B 定律）：能量的面密度的一半（单位电荷一圈所获得的 的变化率等于轨道磁感应强度随时间 是时间的线性函数同步加速器调磁规律 利用 为谐振腔个数 粒子每圈能量增益为： 取 12 ,. cos 2 1 2 2 . cos1 cos1 .cos . 1 2 0 0 2 0 2 2 2 B r GV B Bqcv

7、 r TB T GqV B GqV B BT GGqV BTB TtB t B B B a s s ss a s as sas s s 通常在同步加速器中设有直线段，目 的是为了有利于设置注入、引出和谐振 腔的安装。整个轨道呈跑道型如果直线 段长为 段数为M，则总长 0 0 0 2 00 0 2 0 0 2 2(1) 22 (1) 2 1cos1 () 2 1 2 s ss s s a Lv TrMl Ml r Mlr T vqc Br GV B Ml r r l 总能量 动能 动量 磁刚度 0 0 0 0 2 0 13 2 0 819 2 0 222 0 22 22 2 2 1 2 1.6

8、10 2 3 101.6 10 1 2 300 3002 (300) 300 (300) 1 1 (300) p GWW qcq WW Z WW Z ZGWW ZG cqGZG ZG ZG 2 00 0 2 0 0 8819 0 13 00 0 22 00 0 0 0 11 () 22 1 1 2 (300) 3 103 101.6 10 ()14320 22 3.141.6 10 1 14320() (300) 1 2 .1. 2 rfs rfs s s kcc fkfk Ml rr r ZB r ZBccqGZG fkf MHzkkk rr ZB Ml ZB r r c f r 调频规律：

9、 当 常数 . rf f 不变 9-4 强聚焦同步加速器 强聚焦原理： 轴向和径向的磁聚焦要求： 0n1-弱聚焦加 速器 如果n1 则轴向磁聚焦、径向发散 如果n1 则径向磁聚焦、轴向发散 但是交替排列n1 和n1的两种磁铁就可以 获得两个方向上的强得多的聚焦作用，称为强 聚焦原理。采用这种聚焦方式的加速器为强聚 焦同步加速器-交变梯度聚焦加速器-周期 聚焦加速器 21 22 121122 12122 1212 1 01 0 1 s1 s 11 1 10 10 1 1 ss- 11 1- 111 ( ) ff sssss ffff ff ss fff ff s Ffff f 聚 焦 的 条 件

10、 12 1212 12 1 0 F 11 0 0 s ff fff f sff 临 界 条 件 ： 是 负 的 为 不 散 焦 条 件 f1 f2 s 2 1212 2 or 1221 2 12 0 (1) (1) yx y x y y-1x-1 sss fff f s fssss s ffff f ss x ff 设则 21 2 2 121 2 21 2121 y x 1 1 y 11 1 - 1 1 1 11 kF 11 f s f s k A x Ax y Ay y yA x f s f s k f s kff s f s f s ksff s ff ksF 倍的漂移空间不要太小了，要求

11、大于即 不过聚焦条件： 12 2 12 (1) y yx x y y-1x-1 ss s ff f ss x ff 12 y 111 1 x y AyyAxA x yyx ss A kff 径向轴向同时聚焦领带图 强聚焦同步加速器分为：复合作用结构与分离 作用结构两种。 复合作用结构：主导磁铁与聚焦磁铁合一，即 偏转又聚焦 A铁 n10 B铁 n20 A A A A A A A B B B B B B B 径向运动 轴向运动 径向运动 轴向运动 0)( d 0)(1( d 0 d 0)( d 0)(1( d 0 d 02 2 2 02 2 2 2 2 2 01 2 2 01 2 2 1 2 2

12、 rrn d r rrn d r zn d z B rrn d r rrn d r zn d z A 11 1 1 111 11 1 1 111 22 2 2 22 1 cos sin n A sin cos 1 n A 1 cos sin n sin cos z x x nn M nnn ch nsh n M n sh nch n nn M nn 铁，轴向聚焦 铁，径向散焦 2 22 2 2 222 B 1 n B z n ch nsh n M n sh nch n 铁，径向聚焦 铁，轴向散焦 1- 1)det( sincos sin- sin sincos sinsinM sinsinco

13、s cos 1 sin 1 M sincos M M 2 2121 2 1 22Z 21121221 21 2 21 1 12Z 21 2 1 2111 22Z21 12Z11 12 M M nconnconnn n n nconnnnnnM nshn n nchn n nshn n n nchnM M M MMM Z Z Z Z ZZZ )sin()Icos(kM )sin()Icos( sin(cossincos sincos J 1 0 0 1 I - - )( 2 1 cos cos2)( k 21 2121 221121 2 2211 kJMM J JJIMM JIM IJ MTr

14、MMMTr 则如果 ）（ 不同是如果两个矩阵相乘，只 定义： 矩阵的迹 12 1212 21 12 1212 21 11 ()2cos()sin 22 1 cos2cos()sin 2 n rz z nn Tnch nnsh n nn nn nch nnsh n nn n 强聚焦同步加速器 组合单元数， 周期数 1212 21 12 coscossin1 2 x nnnnnn chsh NNNNn n 1212 12 12 coscoscsins1 2 z nnnnnn hh NNNNn n 12 22 cos1; cos1 cos1; cos1 nn NN xx zz 利用 以和为坐标 12

15、 222 12 work point coscos0 1 4 1 2 2 zx nnn NNN nn NN Nn 分离作用强聚焦同步加速器 粒子的偏转和聚焦分别由两种磁铁来 完成，起弯转作用的磁铁为主磁铁，是 一种磁场均匀分布的零梯度的磁铁。强 聚焦作用靠四极透镜来完成。二者交替 排列，再加上无磁铁的直线段。 临界能量及跳相现象 弱聚焦、园轨道 但是在强聚焦加速器里， 2 L L 2 s 1L = L 1 n1 1 0 0 1 1 1 s s Tp Tp n n 2 2 L s 2 2 2 L s 2 22 22 L00 c 22 1 1 1 1 =0 0 1 1 =0 =1- s s s s

16、 s s s ss sc n if when 临界能量 克服跳相现象的途径 提高入射能量（电子） 提高临界能量（不现实) 相移：改变加速电压相角2-广泛采用 2 00 2 0.01 0.1 =5MeV ic LLc cc when 电子同步加速器 通常用电子回旋加速器或直线加速器作注入器， 将电子预加速至接近光速，然后注入到同步加 速器进一步加速至额定能量。小的电子同步加 速器往往不用注入器，它先在电子感应加速器 的状态下启动，待电子预加速至接近光速时， 开动高频加速腔，使粒子进行同步加速，以近 乎光速旋转的电子其回旋频繁不再随能量而变， 因此电子同步加速器采用恒频的加速电场。典 型的电子同步

17、加速器能量为0.38GeV，流强为 1011pps(粒子/秒)，束流脉冲重复频率1060Hz。 高速电子沿环形轨道运动时所发出的电 磁辐射是限制电子同步加速器能量增高 的重要因素。电子能量达10GeV时，每 转一圈辐射10MeV的能量。但这种同步 辐射有一系列特殊的优点：即发射由红 外到X射线的可以控制的连续性光谱，且 辐射是偏振的、强度高、方向性强、有 很高的应用价值。已被广泛地用于固体 物理、分子生物学及集成电路研制等等 各个方面。 同步辐射光源Synchrotron Radiation Light Source 一种利用相对论性电子(或正电子)在磁场中偏转时产生 同步辐射的高性能新型强光

18、源。电子同步加速器的出 现,特别是电子储存环的发展,推动了同步辐射的广泛应 用。同步辐射的早期研究是在电子同步加速器上进行 的,有人把它称为第零代光源。 第一代则是在主要用作高能物理实验的正负电子对撞 机上的“寄生”光源。北京正负电子对撞机上的同步 辐射装置就属于这一类。 第二代是专门为同步辐射应用而建造的储存环,主要使 用偏转磁铁引出的同步光。1990年建成的束流能量为 800MeV的我国合肥同步辐射装置属于这第二代光源。 第三代是耀度更高、以插入元件(扭摆磁 铁或波荡器)产生光辐射为主的储存环。 中国台湾已经建成一台1.3GeV的第三代 光源。尽管多数第三代光源还处在设计 或建造阶段,人们

19、巳在讨论性能更好的第 四代光源。同步辐射光源通常有两个工 作能区,一个是真空紫外/软X, 相应束流能 量为1-2.5GeV;另一是硬X光光源,相应束 流能量为5-8GeV。 The SSRF accelerator complex consists of a 150MeV Linac, a full energy booster and 3.5GeV storage ring 对撞机 Collider 在同步加速器基础上发展起来的一种超高 能试验装置。以前人们总是用相对论速 度的粒子轰击静止靶，进行粒子物理试 验。然而在这样的作用方式中质心系统 中只有一小部分能量可用于产生新粒子 或种种有意义

20、的反应。如果变化一下作 用方式，让二个相向运动的高能粒子束 对头碰撞，那么有效的作用能量将远比 前一种方式高得多。 The center-of-mass energy for the collision of two particles with energy E1 and E2, and crossing angle is expressed as where m1 and m2 are the rest masses of the two particles. In fixed target experiments, where E2= mc2=E0 , Eq. is written as

21、 In the case of colliders, E1,2E0; while in most existing colliders, m1=m2, E1=E2=E and =0, and thus Eq. becomes It is clear that Ecm, collider Ecm,fixed target when EE0, which is the case in high energy physics experiments. 1/2 224224224 cm12121122 2()2 ()()cos EE Emm cEm cEm c 2 2/1 0 EEEcm 2 2 21

22、 2/1 21cm EEEE EEE 0target fixedcm,collidercm, /2/EEEE 例如让两个能量为E（m0c2）运动 方向相反的束对撞，其作用能量大约与 一个能量为2E2/m0c2的束去轰击静止靶的 效果相当。比如300+300GeV的质子质子 对撞机,与180000GeV的质子同步加速器 相当。 在一般情况下，粒子束的密度远低于 静止靶，因而通过对撞发生的反应产率 太低，不能进行有效的实验。为了克服 这种困难，60年代以后发展了一种能通 过聚积大量粒子束团，大大提高束流密 度的“储存环” 。 e- RFRFSR e+ IP 用来使粒子束对头碰撞的对撞机，包括一个或

23、数 个储存环。电荷相反的高能粒子，如电子和正电 子、质子和反质子可以在同一储存环中反向回旋 而发生对撞。电荷相同的粒子束，就需用两个 “交叉”着的储存环。每一环内各有一束粒子， 但回旋的方向恰好相反。在二环交叉点上，粒子 束发生对撞。各种对撞机的性能常用亮度来表征， 它的单位是厘米-2秒-1，亮度乘以反应截面即得反 应产率。 储存环（Storage Ring 一种储存、积累、加速带电粒子, 进行对 撞、产生同步辐射光以及提供高性束流 的设备。按储存粒子的种类不同,有电子 储存环、质子储存环和重离子储存环等。 北京正负电子对撞机上的束流对撞是在 一台能量为l.1-2.8GeV的储存环上进行的。

24、合肥同步辐射装置的储存环可以把电子 加速到800MeV。 质子同步加速器 通常以高压倍加器和质子直线加速器作注入器，将质 子预加速至20200MeV后再注入到同步加速器的环形 轨道上进行加速。大型的同步加速器往往在注入器之 后还增设一个较小的快周期同步加速器作中间级（又 名“增强器）将质子加速至10GeV左右，以增加加速 粒子的流强。加速过程中，质子的速度在相当大的范 围内变化，电场的频率也必须相应地在相当宽的范围 内调变，并需精确地加以控制，使之与磁场的上升同 步。为此常常在束流轨道周围设置拾波板，监测质子 的运动，并以此信号自动校正高频电场频率调变的进 程。 老的强聚焦同步加速器的主磁铁采

25、用 “复合作用”方案，即每个磁节兼起偏 转导引和聚焦二种作用。这种磁铁的轨 道磁场不能太高，仅1.4T左右，故用铁 量较大；新的巨型同步加速器采用“分 离作用”方案，即导引和聚焦分别由二 级磁铁和四极透镜承担，结果轨道上的 场强可增至2T，大大节省用铁量。 至今，国际上建成的质子同步加速器有 十几台，最大的一台是美国费密国家加 速器实验室的1000GeV加速器。 CSNS H H 剥 剥 离离 本底气体本底气体 1010 8 8Torr Torr 磁场： H H 剥离损失与 剥离损失与 磁场和能量的关系磁场和能量的关系 采用H剥离注入是降低注入束流损失的有效方法。 在两块偏转磁铁之间放一个剥离

26、膜，新注入的H束流 通过它后，98的H粒子变成质子，在环的内圈进入 环的轨道。剩下的一部分完全未被剥离的H偏转出环， 一部分只剥离掉一个电子的粒子成为电中性的H0束流， 到束流垃圾站上。 相空间涂抹技术 空间电荷效应是限制RCS 累积流强的重要 因素。注入过程中需要采用相空间涂抹技术， 将直线加速器的发射度较小的束流，尽可能均 匀地涂抹到较大的RCS 环的接受度中，可在很 大程度上减小强流束的空间电荷效应。在 SNS/RCS中，要累积约1.61013 个质子， RCS 注入系统拟在水平和垂直两个方向上均采用移 动凸轨的涂抹方案，即通过快速移动凸轨的方 式来实现，优点是不易受注入条件的影响且剥

27、离膜的质子穿越次数较少。 调磁 磁铁的重复频率较高（25Hz和50Hz），对线圈和铁芯 的涡流及其损耗必须给予特别的重视。而交变励磁引 起的电感上的电压降远大于直流磁铁中线圈上的电阻 电压降，线圈的绝缘结构也是要着重考虑的问题，在 材料选择和线圈工艺上必须考虑高达数千伏的耐压能 力。为减小铁芯中的涡流，将采用低损耗的硅钢片。 为了克服25Hz（50Hz）下的铁芯的振动力，铁芯叠片 时要用环氧树脂涂复，然后热压，形成一个整体，再 用不锈钢端板、顶板、底板以及边板焊接成为一体。 调频 高频加速系统的任务是给质子束提供一 定的能量，同时保证束流纵向运动的稳 定性。在加速过程中，质子束的回旋频 率随能

28、量的增加而增加。因此要求射频 加速结构工作在一定频宽的扫频状态工 作,扫频范围为1.03-2.62 MHz。CSNS- RCS的射频腔有两种方案。一是采用铁 氧体加载，另一是采用磁合金加载。 束流相关主要参数束流相关主要参数 参数单位数值 周长 Cm238.8 平均半径 m38.0062 每脉冲质子数 N/cycle1.561013 注入回旋周期 Trevs2.175774541 引出回旋周期 Trevs0.857243930 注入回旋频率 frevMHz0.459606444 引出回旋频率 frevMHz1.166529111 束团数目 （h=2）2 引出电流 IbA62.5 注入循环平均流

29、强 A1.1487 引出循环平均流强 A2.9156 归一化发射度 Nmmmrad254.6 引出非归一化发射度UNmmmrad101.3 注入平台时间间隔ms1 参数参数单位单位数值数值 谐波数谐波数 h2 每圈能量增益每圈能量增益 E/turnkeV81.262 加速总电压加速总电压kV81.262 高频峰值电压高频峰值电压 VrfkV160 高频频率高频频率MHz0.919 2.333 高频腔数目高频腔数目4 高频腔处真空盒内径高频腔处真空盒内径cm16.42 每个高频腔峰值电压每个高频腔峰值电压kV40 每个高频腔峰值功率每个高频腔峰值功率 总束流功率损耗总束流功率损耗kW301.75

30、0 调频调频 调磁 参数单位数值 二极磁 铁 磁铁数目32 弯转半径 m8.148733 弯转角度 Rad 度 0.1963495 11.25 注入磁场强度 BT0.151103 引出磁场强度 BT0.965426 累积环中的束流损失累积环中的束流损失 AGS SNS 脉冲粒子数 61013ppp 1014 ppp 频率 0.5 Hz 60Hz 通量 31013pps 61015pps 束损 131011pps 61013pps 要求束损 2x10-4 , 比AGS低102 ! 经过上千圈的累积后，环中的脉冲流强成为直线加速器 中的脉冲流强的上千倍，即由几十毫安变为几十安培。 强烈的空间电荷效

31、应带来的tune shift可能使束流的 betatron tune 进入不稳定区，从而引起束流损失。要提高 环中可容纳的粒子数或脉冲流强，有三条途径： 1）提高注入束流能量：需要采用较高能量的直线加速器， 由于直线加速器较贵，因此投资会提高； 2）增大束流发射度：即采用横向与纵向相空间同时“涂抹” 注入方法，使环中束流六维发射度增大。相应地，环要 有大的接受度（比如，为200400mmmrad），即真 空室截面要大，并需要更多的高频腔、及其相应的更长 的直线节。结果，环的造价提高； 3）增大聚束因子：可增加二次谐波腔，使聚束 RF bucket 变平，同时还要精心设计“涂抹”程序，以改善束团

32、的 纵向均匀性。 占空比=重复频率X宏脉冲宽度 磁刚度、周长、窄脉冲 2MW US-SNS LINAC 1GeV 52mA 峰值 6% 占空比 68%切割率 60Hz 累积储存环: 1060圈/1.0ms 1MW JPAC 400MeV 50mA 峰值 2.5% 占空比 56%切割率 50Hz 以500s的脉 冲注入到 3GeV 的25Hz的RCS里 500圈 5MW ESS LINAC 1.3GeV 107mA 峰值 6% 占空比 60%切割率 2x50Hz 累积储存环: 1000注入圈/ 600s 总体方案方案 H- 80kev 3 MeV 150MeV DTL 352MHz 352MHz 704MHz RFQ 30mA ARAR MEBTSDTL 物理终端物理终端 中子靶 P 50mA50mA LEBT 200M 20M 15M 20M 环基本参数 注入能量: 150MeV 输出能量: 150MeV 束团数: 1 重复周期: 100Hz 注入脉冲宽度: 400s 注入圈数: 1000圈 切