課件201503-注入引出-1

注入引出技術(shù)

第一講：注入引出的物理機(jī)制

陳錦暉2015年3月3日www.ihep.粒子加速器技術(shù)chenjh@自我介紹姓名：陳錦暉學(xué)歷：博士職稱：高級工程師單位：中國科學(xué)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(xué)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(jī)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帶電粒子環(huán)形同步加速器的注入引出系統(tǒng)簡介簡單回顧一下理解注入、引出機(jī)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。重點(diǎn)了解注入、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(biāo)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(gè)加速器從低能到高能串聯(lián)起來工作的，包含有多個(gè)注入和引出的環(huán)節(jié)。所謂注入就是將束流輸運(yùn)線輸送過來的束流準(zhǔn)確、高效率地注入到下一個(gè)加速器中去；引出則相反。二、同步加速器粒子運(yùn)動(dòng)的物理概念和圖像強(qiáng)聚焦環(huán)形同步加速器基本結(jié)構(gòu)強(qiáng)聚焦環(huán)形同步加速器的粒子運(yùn)動(dòng)橫向振蕩（β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(jī)器的橫向接受度（Acceptance）相穩(wěn)定原理機(jī)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(jī)器和電子機(jī)器區(qū)別強(qiáng)聚焦同步環(huán)形加速器基本結(jié)構(gòu)高頻加速腔（RFCavity）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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向垂直，只改變粒子運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)磁聚焦結(jié)構(gòu)

這張圖會(huì)幫助我們對強(qiáng)聚焦原理建立起清晰的物理圖象。光學(xué)透鏡和四極磁鐵有著相似的特性，即聚焦力（或散焦力）與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(yuǎn)的位置上通過聚焦透鏡，因此可以得到更強(qiáng)的聚焦效果。橫向振蕩（β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(huì)沿著這個(gè)閉軌旋轉(zhuǎn)，實(shí)際上這樣的粒子是不存在的。真正穩(wěn)定運(yùn)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β振蕩。為描述振蕩，引入一個(gè)沿閉軌運(yùn)動(dòng)的參考坐標(biāo)，其坐標(biāo)原點(diǎn)恰是理想粒子。在這個(gè)坐標(biāo)上β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β振蕩軌跡不是閉合的，即粒子轉(zhuǎn)一圈β振蕩的次數(shù)（稱為工作點(diǎn)）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?？v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(biāo)是高頻腔的加速電場，橫坐標(biāo)是高頻相位，ФS是同步相位，是理想粒子到達(dá)高頻腔時(shí)對應(yīng)的高頻相位；實(shí)際粒子圍繞ФS所作的相位振蕩就是縱向振蕩。同步相位描述粒子束運(yùn)動(dòng)的局部坐標(biāo)系橫向：y（x水平和z垂直）縱向：s描述粒子束運(yùn)動(dòng)的常用符號單擺運(yùn)動(dòng)和相空間描述振蕩的新方法——相空間（相角，角動(dòng)量P=ml2/t）:無阻尼單擺運(yùn)動(dòng)可用哈密爾頓方程描繪,哈密爾頓量即系統(tǒng)總能量E，包括動(dòng)能T和勢能V,即H=T+V=P

2/2ml2-mglcosθ=E單擺：無阻尼，小角近似單擺運(yùn)動(dòng)力學(xué)方程：小角近似

橢圓方程從單擺運(yùn)動(dòng)引伸到同步振蕩與振蕩

單擺同步振蕩橫向振蕩坐標(biāo):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(biāo):高頻加速相位角Ф

Ф/t類橢圓中心

:同步加速相位角Фs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(jī)器縱向接受度(BUCKET)

坐標(biāo):橫向位置坐標(biāo)/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(jī)器橫向接受度發(fā)射度描述符合統(tǒng)計(jì)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(gè)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。發(fā)射度與劉維定理∫Ρi

dqi=m0γβc∫x′dx=m0γβcπε=不變歸一化發(fā)射度不變γβε=ε*橢圓面積發(fā)射度劉維定理橫向接受度束流進(jìn)入機(jī)器后會(huì)不會(huì)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(jī)器管道粗細(xì)，在相空間(/s)描寫機(jī)器這一特性引出機(jī)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(jī)器真空管道水平半寬為r，在相空間的水平接受度A=r2/。接受度是機(jī)器參數(shù)而且是機(jī)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(jī)器接受度(A)之中。束流發(fā)射度?橫向接受度A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(huì)丟失。填充于同一個(gè)bucket中所有粒子的集合稱之為束團(tuán)。Bucket的面積即為縱向接受度。同步相位縱向接受度相橢圓注入的物理本質(zhì)注入過程：就是使束流的發(fā)射度容納到機(jī)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）質(zhì)子與電子在注入引出方面的區(qū)別

電子

質(zhì)子電荷效應(yīng)

>100MeV就很不明顯明顯輻射阻尼存在幾乎沒有

朗道阻尼（絕熱阻尼）沒有存在(歸一化發(fā)射度不變)注入方式易實(shí)現(xiàn)多次注入

靠負(fù)氫離子實(shí)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(shí)間，就減小到1/e，將外圍空出來必定造成束流發(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。要靠控制凸軌收縮實(shí)現(xiàn)多圈注入

。

質(zhì)子電子

輻射阻尼的存在使劉維定理限定的條件不再成立，使并使注入的電子束在水平接受度中向中心收縮。便于多次注入電子輻射阻尼對束長的影響電子輻射阻尼的存在造成電子縱向阻尼收縮注入后束團(tuán)長度隨時(shí)間變小束團(tuán)之間的間隙變大對引出脈沖磁場的建立有利電子輻射阻尼對橫向發(fā)射度的影響電子輻射阻尼的存在造成電子橫向阻尼收縮注入后束團(tuán)橫向發(fā)射度隨時(shí)間變小束團(tuán)阻尼收縮有助于多次注入劉維定理對質(zhì)子機(jī)器注入的限制質(zhì)子受劉維定理限制：束團(tuán)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)射度的稀釋質(zhì)子絕熱收縮對發(fā)射度的影響在質(zhì)子機(jī)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γβε=ε*三、注入與引出的基本方式、要求與系統(tǒng)組成注入方式按照完成注入過程的重復(fù)性來區(qū)分，可分為單圈單次注入、單圈多次注入、多圈單次注入(質(zhì)子H－電荷交換注入)和多圈多次注入。按照注入方向來區(qū)分,可分為水平注入和垂直注入。按照注入點(diǎn)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

快引出—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(gè)能量更高的加速器輸送束流，或用于某些物理研究工作。慢引出---多用于物理研究工作，如中微子實(shí)驗(yàn)。而某些束流應(yīng)用，如癌癥治療,也需要將束流慢慢引出?；疽螅焊咝矢哔|(zhì)量(束流的發(fā)射度)系統(tǒng)組成：切割磁鐵（組）+沖擊磁鐵（組）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(qiáng)器（booster）的注入沖擊磁鐵系統(tǒng)在單次注入的情況下，沖擊磁鐵的作用是,當(dāng)注入束進(jìn)入到環(huán)形機(jī)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(jī)器接受度的中心位置。使束團(tuán)迅速偏轉(zhuǎn)的動(dòng)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(shí)間足夠的精準(zhǔn)(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(qiáng)(一般是幾百～一千多高斯),通常勵(lì)磁電流都得幾千安培。切割磁鐵組切割磁鐵處于注入輸運(yùn)線與環(huán)型機(jī)器的交叉入口處。切割磁鐵即要產(chǎn)生很強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)的特殊要求外，還必須滿足真空性能的要求。循環(huán)束注入過程的縱向俘獲注入束流脈沖以一定的時(shí)間結(jié)構(gòu)有序地注入到予定的BUCKET中實(shí)現(xiàn)縱向俘獲以左圖中間s=150o為例，高頻加速腔頻率500MHzBUCKET間距2ns，單束團(tuán)注入就是注入到有陰影的BUCKET中靠嚴(yán)格的時(shí)間同步來實(shí)現(xiàn)Phasespacetrajectoriesfordifferents舉例：BEPCII束團(tuán)時(shí)間結(jié)構(gòu)Frf=499.8MHzF0=1.2621MHz

h=Frf/F0=396單束團(tuán)注入，每4個(gè)Bucket注1個(gè)共93個(gè)，27個(gè)連續(xù)Bucket空著單圈多次注入（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(dāng)位置上的若干(2～4)塊沖擊磁鐵共同作用，造成局部平衡軌道的臨時(shí)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(shí)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，越厚要求凸軌幅度越大，也就是沖擊磁鐵強(qiáng)度越大?；蛘哒f越厚就會(huì)使束流清晰區(qū)越小，會(huì)造成瓶口。因此，希望在注入點(diǎn)處切割板越薄越好（一般1mm～3mm）。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(jī)器的接受度中去。上圖中給出新注入的束團(tuán)頭9圈經(jīng)過注入點(diǎn)時(shí)在相空間的位置。若沖擊磁鐵脈沖磁場是底寬為4μs的半正弦波，束團(tuán)轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間是1.329μs，當(dāng)注入束轉(zhuǎn)了頭一圈又回到切割板處時(shí)，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(huì)碰板?？梢垣@得比較高的注入效率。多圈注入CSNS

RCS環(huán)的注入質(zhì)子機(jī)器的H-電荷轉(zhuǎn)換注入

H－電荷轉(zhuǎn)換注入-----實(shí)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(zhǔn)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)定的發(fā)射度而不至有過強(qiáng)的空間電荷力為止。

剝離膜可以使用高純鋁膜制作(99％)，厚127μm，用陽極氧化沉積法生成厚度為0.25μm的Al2O3氧化層，因Al2O3熔點(diǎn)很高，可以承受剝離與質(zhì)子穿透時(shí)引起的溫升(100℃—260℃)。

塗抹(painting)技術(shù)---------克服空間電荷效應(yīng)

塗抹(painting)技術(shù)---------克服空間電荷效應(yīng)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)的恒流注入方式引出技術(shù)引出是注入的逆過程，用于向下一個(gè)加速器注入或用于某些物理研究工作(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(shí)驗(yàn)和某些束流應(yīng)用，比如治療癌癥,需要將束流慢慢引出。

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(jìn)而由切割磁鐵很強(qiáng)的磁場將引出束偏轉(zhuǎn)出去.（注入的逆過程）借用此束團(tuán)時(shí)間結(jié)構(gòu)，研究一下引出的波形Frf=499.8MHzF0=1.2621MHzh=Frf/F0=396單束團(tuán)注入每4個(gè)Buckets注1個(gè)共93個(gè)27個(gè)連續(xù)Bucket空著北京BEPC束團(tuán)時(shí)間結(jié)構(gòu)

以上介紹了最基本、應(yīng)用得最廣的注入方式，它們的共同點(diǎn)是都在水平面上注入，這是因?yàn)橥ǔ－h(huán)形機(jī)器的水平接受度大于垂直面上的接受度。但并不排除在某些特定情況下采用垂直注入方式。事實(shí)上注入方式還很多，特別是質(zhì)子、重粒子機(jī)器的注入。根據(jù)機(jī)器的特點(diǎn)和物理工作的特殊要求，變換注入方式的做法很多。切割磁鐵的作用和技術(shù)特點(diǎn)切割磁鐵處于注入輸運(yùn)線與環(huán)型機(jī)器的交叉入口處。切割磁鐵即要產(chǎn)生很強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)的特殊要求外，還必須滿足真空性能的要求。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(dāng)位置上的若干(2～4)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(dāng)注入束進(jìn)入到環(huán)形機(jī)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(jī)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(jìn)而由切