1、中國科學院中國科學院高能物理研究所加速器中心電源組注入引出技術(shù)注入引出技術(shù)第一講：注入引出的物理機制陳錦暉 2015年3月3日自我介紹姓名： 陳錦暉學歷： 博士職稱： 高級工程師單位： 中國科學院，高能物理研究所 加速器中心 電源組研究經(jīng)歷：1999年至今，一直從事加速器注入引出相 關(guān)技術(shù)的研究。 學科奠基人：韓謙 研究員課程內(nèi)容第一講：注入引出的物理機制和主要方式第二講：切割磁鐵和沖擊磁鐵第三講：高壓大電流快脈沖電源本講提綱一帶電粒子環(huán)形同步加速器的注入引出系統(tǒng)簡介二簡單回顧一下理解注入、引出機制所必備的物理概念，并建立起與注入引出相關(guān)的物理圖像，質(zhì)子與電子在注入引出方面的區(qū)別。三重點了解注

2、入、引出的主要方式；理解注入引出系統(tǒng)相關(guān)部件的功能與技術(shù)指標要求 。一、環(huán)形同步加速器的注入引出系統(tǒng) 現(xiàn)代的高能加速器都是由多個加速器從低能到高能串聯(lián)起來工作的，包含有多個注入和引出的環(huán)節(jié)。所謂注入就是將束流輸運線輸送過來的束流準確、高效率地注入到下一個加速器中去；引出則相反。二、同步加速器粒子運動的物理概念和圖像強聚焦環(huán)形同步加速器基本結(jié)構(gòu)強聚焦環(huán)形同步加速器的粒子運動橫向振蕩（振蕩）縱向振蕩（同步振蕩）研究振蕩的方法相空間束流的橫向發(fā)射度（Emittance）機器的橫向接受度（Acceptance）相穩(wěn)定原理機器的縱向接受度相穩(wěn)定區(qū)（bucket）劉維定理輻射阻尼和絕熱收縮質(zhì)子機器和電子機

3、器區(qū)別強聚焦同步環(huán)形加速器基本結(jié)構(gòu)高頻加速腔（RF Cavity）諧振腔（電磁場駐波）提供同步高頻電場用于加速粒子（電場力方向和粒子運動方向相同，電場力做功）粒子的能量由高頻腔提供磁鐵（Magnet）電磁鐵提供靜磁場用于偏轉(zhuǎn)粒子（磁場力方向與粒子運動方向垂直，只改變粒子運動方向，磁場力不做功）二極磁鐵（Dipole）：彎轉(zhuǎn)功能四極磁鐵（Quadrupole):聚焦（散焦）功能粒子的運動軌跡主要由磁鐵控制磁鐵按照一定順序周期性排列結(jié)構(gòu)，稱為磁聚焦結(jié)構(gòu)（Lattice）交變梯度的強磁聚焦結(jié)構(gòu) 這張圖會幫助我們對強聚焦原理建立起清晰的物理圖象。光學透鏡和四極磁鐵有著相似的特性，即聚焦力（或散焦力）與

4、束線到軸線的距離成正比。在上面周期性排列的聚、散透鏡組中，散焦透鏡的作用是促使束線在離軸線更遠的位置上通過聚焦透鏡，因此可以得到更強的聚焦效果。10 橫向振蕩（振蕩）圖中的圓代表理想的閉合軌道，只有理想的粒子（具有一定的能量、位置處于圓上、速度方向恰是切線方向）才會沿著這個閉軌旋轉(zhuǎn)，實際上這樣的粒子是不存在的。真正穩(wěn)定運行在加速器中的粒子都是在聚焦系統(tǒng)的作用下，圍繞閉軌不斷的振蕩，即所謂的振蕩。為描述振蕩，引入一個沿閉軌運動的參考坐標，其坐標原點恰是理想粒子。在這個坐標上振蕩可分解為x方向（水平方向）和z方向（垂直方向）的振蕩，它們都是在垂直于閉軌的平面上，稱之為橫向振蕩。請注意圖中振蕩軌跡不

5、是閉合的，即粒子轉(zhuǎn)一圈振蕩的次數(shù)（稱為工作點）不可以是整數(shù)，也不可以是1/2、1/3等的整數(shù)倍，否則要發(fā)生共振。11 縱向振蕩（同步振蕩,相位振蕩）同樣粒子也存在著沿s方向的振蕩，稱之為縱向振蕩，又稱為同步振蕩。上圖的縱坐標是高頻腔的加速電場，橫坐標是高頻相位，S是同步相位，是理想粒子到達高頻腔時對應的高頻相位；實際粒子圍繞S所作的相位振蕩就是縱向振蕩。同步相位12 描述粒子束運動的局部坐標系橫向：y（x 水平和z垂直）縱向：s13 描述粒子束運動的常用符號14 單擺運動和相空間 描述振蕩的新方法描述振蕩的新方法相空間相空間（相角 ，角動量P = ml/t ）: 無阻尼單擺運動可用哈密爾頓方程

6、描繪,哈密爾頓量即系統(tǒng)總能量E，包括動能T和勢能V,即 H =T+V= P /2ml - mgl cos=E單擺：無阻尼，小角近似單擺運動力學方程單擺運動力學方程：小角近似 橢圓方程15 從單擺運動引伸到同步振蕩與振蕩 單擺同步振蕩橫向 振蕩坐標: 擺角 /t類橢圓中心 : =/t=0穩(wěn)態(tài)擺球處于封閉類橢圓內(nèi) 坐標:高頻加速相位角 /t類橢圓中心 :同步加速相位角 s穩(wěn)態(tài)粒子處于封閉類橢圓內(nèi)最大封閉類橢圓面積：機器縱向接受度 (BUCKET) 坐標:橫向位置坐標 /t類橢圓中心 : = /t=0穩(wěn)態(tài)粒子處于封閉類橢圓內(nèi)包圍束流的最大橢圓面積除以：束流發(fā)射度 機器橫向接受度16 發(fā)射度 描述符合

7、統(tǒng)計規(guī)律的大量粒子的振蕩，最直觀有效的方法是建立相空間，發(fā)射度就是在相空間中描述粒子振蕩行為的物理量。對于lattice上的不同位置，這個橢圓將有不同的形狀和方向，但這些橢圓都有相同的面積。發(fā)射度就是束流所占相空間的面積。17 發(fā)射發(fā)射度與劉維度與劉維定理定理 i dqi = m0c xdx = m0c = 不變 歸一化發(fā)射度不變 =*橢圓面積發(fā)射度劉維定理18 橫向接受度束流進入機器后會不會碰壁，一方面取決束流質(zhì)量（束流發(fā)射度描繪）另一方面取決機器管道粗細，在相空間( /s )描寫機器這一特性引出機器接受度的概念。接受度是加速器所能接受的最大橢圓的面積。例如，機器真空管道水平半寬為r，在相空

8、間的水平接受度A=r/ 。接受度是機器參數(shù)而且是機器整體概念。注入橫向俘獲就是說束流發(fā)射度被容納到機器接受度(A)之中。束流發(fā)射度19 縱向接受度左下圖陰影部分就是相穩(wěn)定區(qū)，即bucket。同步加速器中的束流只有在相穩(wěn)定區(qū)內(nèi)才能被穩(wěn)定加速，穩(wěn)定區(qū)外的粒子將會丟失。填充于同一個bucket中所有粒子的集合稱之為束團。Bucket的面積即為縱向接受度。同步相位縱向接受度相橢圓20 注入的物理本質(zhì)注入過程：就是使束流的發(fā)射度容納到機器的接受度中去，包括橫向和縱向接受度。質(zhì)子與電子在注入引出技術(shù)方面是有區(qū)別的,原因是質(zhì)子與電子的屬性有區(qū)別.（質(zhì)子的質(zhì)量比電子重，1836.5倍） 電 子 質(zhì) 子 100

9、MeV就很不明顯 明顯 存在 幾乎沒有 沒有 存在 (歸一化發(fā)射度不變) 易實現(xiàn)多次注入 靠負氫離子實現(xiàn)多圈注入劉維定理限制 不受限制受限制經(jīng)過一倍阻尼時間，就減小經(jīng)過一倍阻尼時間，就減小到到1/e1/e，將外圍空出來，將外圍空出來必定造成束流發(fā)射度的稀釋必定造成束流發(fā)射度的稀釋 劉維定理限定注入的質(zhì)子束發(fā)射度在劉維定理限定注入的質(zhì)子束發(fā)射度在接受度中所占有的相空間不能空疊。注入接受度中所占有的相空間不能空疊。注入方式上一定要使開始注入的質(zhì)子占據(jù)水平方式上一定要使開始注入的質(zhì)子占據(jù)水平接受度的中心位置，而后相繼注入的質(zhì)子接受度的中心位置，而后相繼注入的質(zhì)子束占據(jù)接受度中靠外的位置。要靠控制凸束

10、占據(jù)接受度中靠外的位置。要靠控制凸軌收縮實現(xiàn)多圈注入軌收縮實現(xiàn)多圈注入 。 輻射阻尼輻射阻尼的存在使的存在使劉維定理限定的劉維定理限定的條件不再成立，條件不再成立，使并使使并使注入的電子束在注入的電子束在水平接受度中向中心收縮。水平接受度中向中心收縮。便于多次注入便于多次注入23 電子輻射阻尼對束長的影響24 電子輻射阻尼對橫向發(fā)射度的影響25 劉維定理對質(zhì)子機器注入的限制質(zhì)子受劉維定理限制： 束團在接受度相空間中的位置不能重疊 其結(jié)果必定造成束流發(fā)射度的稀釋26 質(zhì)子絕熱收縮對發(fā)射度的影響 在質(zhì)子機器中,由于歸一化發(fā)射度不變,束流發(fā)射度隨能量升高而變小即朗道阻尼也稱之為絕熱收縮 絕熱收縮對注

11、入引出有利。束流橫截面尺寸變小劉維定理：歸一化發(fā)射度不變 =*27 三、注入與引出的基本方式、要求與系統(tǒng)組成注入方式注入方式按照完成注入過程的按照完成注入過程的重復性重復性來區(qū)分，可分為來區(qū)分，可分為單圈單次注入單圈單次注入、單圈多次注入單圈多次注入、多圈單多圈單次注入次注入( (質(zhì)子質(zhì)子H H電荷交換注入電荷交換注入) )和和多圈多次注入。多圈多次注入。按照注入方向來區(qū)分按照注入方向來區(qū)分, ,可分為水平注入和垂直注入?？煞譃樗阶⑷牒痛怪弊⑷?。按照注入點相對平衡軌道位置分，可分為在軸注入和偏軸注入按照注入點相對平衡軌道位置分，可分為在軸注入和偏軸注入引出方式引出方式 快引出快引出又分為一次

12、全部引出和多次部分引出等情況。多用于向下一個能量更高的又分為一次全部引出和多次部分引出等情況。多用于向下一個能量更高的加速器輸送束流，或用于某些物理研究工作。加速器輸送束流，或用于某些物理研究工作。 慢引出慢引出-多用于物理研究工作，如中微子實驗。而某些束流應用，如癌癥治療多用于物理研究工作，如中微子實驗。而某些束流應用，如癌癥治療, ,也也需要將束流慢慢引出。需要將束流慢慢引出?；疽蠡疽?：高效率 高質(zhì)量(束流的發(fā)射度)系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：切割磁鐵（組）+沖擊磁鐵（組）28 單圈單次注入單圈單次注入在歸一化橫向相空間中的描繪 多見于光源的增強器（booster）的注入29 沖擊磁鐵系

13、統(tǒng) 在單次注入的情況下，沖擊磁鐵的作用是,當注入束進入到環(huán)形機器后，第一次與平衡軌道交叉的一瞬間，使其偏轉(zhuǎn)成與平衡軌道相切，落在機器接受度的中心位置。使束團迅速偏轉(zhuǎn)的動作只允許發(fā)生在注入或引出的一瞬間，要求脈沖磁場的建立和消失必須足夠的快（幾十納秒至幾百納秒）, 時間足夠的精準(縱向俘獲)。而脈沖的寬度也很窄(一般是幾百納秒幾微秒).脈沖磁場必須足夠強(一般是幾百一千多高斯),通常勵磁電流都得幾千安培。30 切割磁鐵組 切割磁鐵處于注入輸運線與環(huán)型機器的交叉入口處。 切割磁鐵即要產(chǎn)生很強的磁場來偏轉(zhuǎn)注入束，又不要影響在它旁邊擦肩而過的循環(huán)束流。因此，“切割”二字的含義可以理解為將空間切割成兩半

14、，一邊是由它建立的強場區(qū)，用于偏轉(zhuǎn)注入束,而另一邊必須是無場區(qū)，以免影響在那里通過的循環(huán)束流。 同時切割板的厚度必須盡可能的薄。為了讓注入束盡可能地貼近環(huán)形機器的平衡軌道,通常切割磁鐵要置放在高真空中，因此除電磁性能和機械結(jié)構(gòu)的特殊要求外，還必須滿足真空性能的要求。31 循環(huán)束32 注入過程的縱向俘獲 注入束流脈沖以一定的時間結(jié)構(gòu)有序地注入到予定的BUCKET中實現(xiàn)縱向俘獲 以左圖中間s =150為例，高頻加速腔頻率500MHz BUCKET間距2ns，單束團注入就是注入到有陰影的BUCKET中靠嚴格的時間同步來實現(xiàn)Phase space trajectories for different

15、s33 舉例：BEPCII束團時間結(jié)構(gòu)Frf=499.8MHzF0=1.2621MHz h=Frf /F0=396單束團注入，每4個Bucket注1個 共93個，27個連續(xù)Bucket 空著34 單圈多次注入（1）凸軌循環(huán)束注入束切割板BEPCII 儲存環(huán)的注入 在多次或多圈注入的情況下，由分別安放在適當位置上的若干(24)塊沖擊磁鐵共同作用，造成局部平衡軌道的臨時凸起，使橫向接受度移向注入束(即移向切割板)，并將其包容到接受度之中。 沖擊磁鐵組的共同作用造成局部平衡軌道的臨時凸起，因而沖擊磁鐵又叫凸軌磁鐵。 切割板厚度直接影響到凸軌幅度，越厚要求凸軌幅度切割板厚度直接影響到凸軌幅度，越厚要求

16、凸軌幅度越大，也就是沖擊磁鐵強度越大?；蛘哒f越厚就會使束流越大，也就是沖擊磁鐵強度越大?；蛘哒f越厚就會使束流清晰區(qū)越小，會造成瓶口。因此，希望在注入點處切割板清晰區(qū)越小，會造成瓶口。因此，希望在注入點處切割板越薄越好（一般越薄越好（一般1mm3mm）。）。36 單圈多次注入（2）注入過程就是使束流的發(fā)射度容納到機器的接受度中去。 上圖中給出新注入的束團頭上圖中給出新注入的束團頭9圈經(jīng)過注入點時在相空間圈經(jīng)過注入點時在相空間的位置。若沖擊磁鐵脈沖磁場是底寬為的位置。若沖擊磁鐵脈沖磁場是底寬為4s的半正弦波，的半正弦波，束團轉(zhuǎn)一圈的時間是束團轉(zhuǎn)一圈的時間是1.329s，當注入束轉(zhuǎn)了頭一圈又回，當注

17、入束轉(zhuǎn)了頭一圈又回到切割板處時，凸軌已收縮了一半，其發(fā)射度基本上都處到切割板處時，凸軌已收縮了一半，其發(fā)射度基本上都處于相空間切割板的內(nèi)側(cè)，束流不會碰板。可以獲得比較高于相空間切割板的內(nèi)側(cè)，束流不會碰板?？梢垣@得比較高的注入效率。的注入效率。38 多圈注入CSNS RCS環(huán)的注入質(zhì)子機器的H-電荷轉(zhuǎn)換注入 H電荷轉(zhuǎn)換注入-實現(xiàn)多圈注入的一種好方法 質(zhì)子向接受度中填充不再受不準重疊占據(jù)相空間的限制質(zhì)子向接受度中填充不再受不準重疊占據(jù)相空間的限制（劉維定理限制），質(zhì)子在相空間的密度隨注入圈數(shù)的增，質(zhì)子在相空間的密度隨注入圈數(shù)的增加而不斷提高。加而不斷提高。直至將橫向與縱向相空間填滿到所規(guī)定的直至將

18、橫向與縱向相空間填滿到所規(guī)定的發(fā)射度而不至有過強的空間電荷力為止。發(fā)射度而不至有過強的空間電荷力為止。 剝離膜可以使用高純鋁膜制作(99)，厚127m，用陽極氧化沉積法生成厚度為0.25m的Al2O3氧化層，因Al2O3熔點很高，可以承受剝離與質(zhì)子穿透時引起的溫升(100260)。 塗抹(painting)技術(shù)-克服空間電荷效應 塗抹(painting)技術(shù)-克服空間電荷效應42 在軸注入和離軸注入 離軸注入 脈沖凸軌注入 脈沖六極磁鐵注入 在軸注入 超快脈沖在軸置換注入 超快脈沖在軸縱向注入低發(fā)射度環(huán)的恒流注入方式43 引出技術(shù) 引出是注入的逆過程，用于向下一個加速器注入或用于某些物理研究工

19、作(外靶) 快引出：可分一次全部引出，多次部分引出等情況 慢引出：有些物理研究工作，比如中微子實驗和某些束流應用，比如治療癌癥,需要將束流慢慢引出。44 舉例：若BEPC儲存環(huán)束流 一次全部引出 在引出的情況下,沖擊磁鐵的作用是使被引出束偏轉(zhuǎn),偏離平衡軌道落入切割磁鐵的主場區(qū),進而由切割磁鐵很強的磁場將引出束偏轉(zhuǎn)出去. （注入的逆過程）借用此束團時間結(jié)構(gòu)，研究一下引出的波形Frf=499.8MHz F0=1.2621MHzh=Frf /F0=396單束團注入 每4個Buckets注1個 共93個27個連續(xù)Bucket 空著北京BEPC束團時間結(jié)構(gòu)47 切割磁鐵的作用和技術(shù)特點 切割磁鐵處于注入

20、輸運線與環(huán)型機器的交叉入口處。 切割磁鐵即要產(chǎn)生很強的磁場來偏轉(zhuǎn)注入束，又不要影響在它旁邊擦肩而過的循環(huán)束流。因此，“切割”二字的含義可以理解為將空間切割成兩半，一邊是由它建立的強場區(qū)，用于偏轉(zhuǎn)注入束,而另一邊必須是無場區(qū)，以免影響在那里通過的循環(huán)束流。 同時切割板的厚度必須盡可能的薄。為了讓注入束盡可能地貼近環(huán)形機器的平衡軌道,通常切割磁鐵要置放在高真空中，因此除電磁性能和機械結(jié)構(gòu)的特殊要求外，還必須滿足真空性能的要求。48 沖擊磁鐵的作用 沖擊磁鐵系統(tǒng)是產(chǎn)生快脈沖磁場的裝置。 在多次或多圈注入的情況下，由分別安放在適當位置上的若干(24)塊沖擊磁鐵共同作用，造成局部平衡軌道的凸起，使橫向接受度移向注入束(即移向切割板)，并將其包容到接受度之中。在單次注入的情況下，沖擊磁鐵的作用是,當注入束進入到環(huán)形機器后，第一次與平衡軌道交叉的一瞬間，使其偏轉(zhuǎn)成與平衡軌道相切，落在機器接受度的中心位置。在引出的情況下,沖擊磁鐵的作用是使被引出束偏轉(zhuǎn),偏離平衡軌道落入切割磁鐵的主場區(qū),進而由切割磁鐵很強的磁場將引出束偏轉(zhuǎn)出去.49 沖擊磁鐵的技術(shù)特點 使束團迅速偏轉(zhuǎn)的動作只允許發(fā)生在注入或引出的