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-微波加速器电场频率不变 frf轨道磁场不变 B轨道半径改变 r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轨道为一系列相切的园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 kkkkBBTTssssssrr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1212ssnrfsnsnsnkNkTkBecT 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

2、数增量（整数）第一圈倍频系数我们有：12) 1(2)(2) 1(111121121011sssssssssnsrfssssrfsssrfsnsssnkkkkkkknkkkTkBecTkTkBecWTTkTnTTrfsTT21rfsTT32rfsTT43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001102002ssssrfkkBBTecB共振条件：定义相对磁场为：0010010201101_2ssssrfssskkBBkBTeckW因为： 第N 圈 同步粒子的总能量：0011) 1() 1(snssssnkknkn引入相对能量snsnsnsnsssssnssnsnk

3、kk.110110001,)(1),12()(51snrfrfssnssnsnrfrfsnsnsnsnrfssns nsfTBBNc k TDkNDDDk s1s如果都固定如果 大， 大 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

4、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

5、不需要稳相了，只需不需要调频电子时，共振加速条件：cvBqkcTcrkTcvvrkTkTqkBmBqkcTkTsrfrfsrfssrf.2.212112210200002调磁的规律 )1()1 ()1 (2.22221222120022vvvvrvfvvffBfqcTqcBsssB 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,.cos2122.cos1cos1.cos.120020222BrGVBBqcvrTBTGqVBGqVBBTGGqVBTBTtBtBBBassssasassa

6、sss 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000200020022(1)22(1)21cos1()212sssssaLv TrMlMlrMlrTvqc BrGVBMlrrl总能量动能动量磁刚度0000201320819202220222222121.6 1023 101.6 10123003002(300)300(300)11(300)pGWWqcqWWZWWZZGWWZGcqGZGZGZG20002008819013000220000011()22112(300)3 103 101.6 10()1432

7、022 3.141.6 10114320()(300)12.1.2rfsrfssskccfkfkMlrrrZB rZBccqGZGfkf MHzkkkrrZBMlZB rrcfr调频规律：当 常数 .rff 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21221211221212212121 01 01 s1 s11 1 1

8、0 10 11 ss-11 1-111( ) ffsssssffff ffssfff ffsFfff f 聚 焦 的 条 件121212121 0F11 0 0 sfffff fsff临 界 条 件 ：是 负 的为 不 散 焦 条 件f1f2s212122 or 1221212 0(1)(1)yx y x yy-1x-1sssfff fsfsssssfffffssxff 设则21221212212121y x11y 111- 1 1 1 11kF 11fsfskAxAxyAyyyAxfsfskfskffsfsfsksffsffksF倍的漂移空间不要太小了，要求大于即不过聚焦条件： 12212(

9、1) yyx x yy-1x-1sssfffssxff 12 y1111 x yAyyAxAxyyxssAkff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 n20AAAAAAABBBBBBB径向运动轴向运动径向运动轴向运动 0)(d 0)(1(d 0d 0)(d 0)(1(d 0d 0222022222201220122122rrndrrrndrzndzBrrndrrrndrzndzA111111111111112222221cos sinn Asin cos 1 n A 1cos si

10、nnsin coszxxnnMnnnch nsh nMn sh nch nnnMnn铁，轴向聚焦铁，径向散焦22222222 B 1 n B znch nsh nMn sh nch n铁，径向聚焦铁，轴向散焦1- 1)det( sincos sin-sin sincossinsinMsinsincoscos1sin1MsincosM M 221212122Z2112122121221112Z2121211122Z2112Z1112MMnconnconnnnnnconnnnnnMnshnnnchnnnshnnnnchnMMMMMMZZZZZZZ)sin()Icos(kM )sin()Icos(

11、sin(cossincossincosJ 1 00 1 I - - )(21coscos2)(k21212122112122211kJMMJJJIMMJIMIJMTrMMMTr则如果）（不同是如果两个矩阵相乘，只定义：矩阵的迹121212211212122111()2cos()sin221cos2cos()sin2 n rzznnTnch nnsh nnnnnnch nnsh nnnn强聚焦同步加速器组合单元数， 周期数12122112coscossin12xnnnnnnchshNNNNn n12121212coscoscsins12znnnnnnhhNNNNn n1222cos1; cos1

12、 cos1; cos1nn NNxxzz 利用以和为坐标1222212work pointcoscos014122zxnnnNNNnnNNNn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，2LL2s1L = L1 n1 1 0 011 1ssTpTpnn 22Ls222Ls22222L00c221 1 11 =0 011 =0 =1- sssssssssscnifwhen 临界能量克服跳相现象的途径 提

13、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2002 0.01 0.1 =5MeVicLLcccwhen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

14、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

15、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5-8

16、GeV。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

17、 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 asIn the case of colliders, E1,2E0; while in most existing colliders, m1=m2, E1=E2=E and =0,

18、and thus Eq. becomesIt is clear that Ecm, collider Ecm,fixed target when EE0, which is the case in high energy physics experiments.1/222422 422 4cm121211222()2 ()()cos EEEmm cEm cEm c 22/10EEEcm 2 2212/121cmEEEEEEE 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

19、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-RFRFSRe+IP 用来使粒子束对头碰撞的对撞机，包括一个或数个储存环。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

20、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。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

21、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

22、一台是美国费密国家加速器实验室的1000GeV加速器。CSNSH H 剥剥 离离 本底气体本底气体 10108 8TorrTorr 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

23、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

24、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

25、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

26、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kW301.750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0.196349511.25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 ,

27、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

28、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 150MeVDTL 352MHz 352MHz 704MHzRFQ 30mAARARMEBTSDTL物理终端物理终端中子靶P 50mA50mALEBT200M20M15M20M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 切割效率: 40% 环周长: 63m 环半径: 10m RF频率: 2.2MHz粒子粒子负氢负氢H-负