课件201503-注入引出-1

注入引出技术

第一讲：注入引出的物理机制

陈锦晖2015年3月3日www.ihep.粒子加速器技术chenjh@自我介绍姓名：陈锦晖学历：博士职称：高级工程师单位：中国科学院，高能物理研究所加速器中心电源组研究经历：1999年至今，一直从事加速器注入引出相关技术的研究。

学科奠基人：韩谦研究员课程内容第一讲：注入引出的物理机制和主要方式第二讲：切割磁铁和冲击磁铁第三讲：高压大电流快脉冲电源本讲提纲带电粒子环形同步加速器的注入引出系统简介简单回顾一下理解注入、引出机制所必备的物理概念，并建立起与注入引出相关的物理图像，质子与电子在注入引出方面的区别。重点了解注入、引出的主要方式；理解注入引出系统相关部件的功能与技术指标要求。一、环形同步加速器的注入引出系统现代的高能加速器都是由多个加速器从低能到高能串联起来工作的，包含有多个注入和引出的环节。所谓注入就是将束流输运线输送过来的束流准确、高效率地注入到下一个加速器中去；引出则相反。二、同步加速器粒子运动的物理概念和图像强聚焦环形同步加速器基本结构强聚焦环形同步加速器的粒子运动横向振荡（β振荡）纵向振荡（同步振荡）研究振荡的方法—相空间束流的横向发射度（Emittance）机器的横向接受度（Acceptance）相稳定原理机器的纵向接受度——相稳定区（bucket）刘维定理辐射阻尼和绝热收缩质子机器和电子机器区别强聚焦同步环形加速器基本结构高频加速腔（RFCavity）谐振腔（电磁场驻波）提供同步高频电场用于加速粒子（电场力方向和粒子运动方向相同，电场力做功）粒子的能量由高频腔提供磁铁（Magnet）电磁铁提供静磁场用于偏转粒子（磁场力方向与粒子运动方向垂直，只改变粒子运动方向，磁场力不做功）二极磁铁（Dipole）：弯转功能四极磁铁（Quadrupole):聚焦（散焦）功能粒子的运动轨迹主要由磁铁控制磁铁按照一定顺序周期性排列结构，称为磁聚焦结构（Lattice）交变梯度的强磁聚焦结构

这张图会帮助我们对强聚焦原理建立起清晰的物理图象。光学透镜和四极磁铁有着相似的特性，即聚焦力（或散焦力）与束线到轴线的距离成正比。在上面周期性排列的聚、散透镜组中，散焦透镜的作用是促使束线在离轴线更远的位置上通过聚焦透镜，因此可以得到更强的聚焦效果。横向振荡（β振荡）图中的圆代表理想的闭合轨道，只有理想的粒子（具有一定的能量、位置处于圆上、速度方向恰是切线方向）才会沿着这个闭轨旋转，实际上这样的粒子是不存在的。真正稳定运行在加速器中的粒子都是在聚焦系统的作用下，围绕闭轨不断的振荡，即所谓的β振荡。为描述振荡，引入一个沿闭轨运动的参考坐标，其坐标原点恰是理想粒子。在这个坐标上β振荡可分解为x方向（水平方向）和z方向（垂直方向）的振荡，它们都是在垂直于闭轨的平面上，称之为横向振荡。请注意图中β振荡轨迹不是闭合的，即粒子转一圈β振荡的次数（称为工作点）不可以是整数，也不可以是1/2、1/3等的整数倍，否则要发生共振。纵向振荡（同步振荡,相位振荡）同样粒子也存在着沿s方向的振荡，称之为纵向振荡，又称为同步振荡。上图的纵坐标是高频腔的加速电场，横坐标是高频相位，ФS是同步相位，是理想粒子到达高频腔时对应的高频相位；实际粒子围绕ФS所作的相位振荡就是纵向振荡。同步相位描述粒子束运动的局部坐标系横向：y（x水平和z垂直）纵向：s描述粒子束运动的常用符号单摆运动和相空间描述振荡的新方法——相空间（相角，角动量P=ml²/t）:无阻尼单摆运动可用哈密尔顿方程描绘,哈密尔顿量即系统总能量E，包括动能T和势能V,即H=T+V=P

²/2ml²-mglcosθ=E单摆：无阻尼，小角近似单摆运动力学方程：小角近似

椭圆方程从单摆运动引伸到同步振荡与振荡

单摆同步振荡横向振荡坐标:摆角/t类橢圆中心

:

=/t=0稳态摆球处于封闭类橢圆内

坐标:高频加速相位角Ф

Ф/t类橢圆中心

:同步加速相位角Фs稳态粒子处于封闭类橢圆内最大封闭类橢圆面积：机器纵向接受度(BUCKET)

坐标:横向位置坐标/t类橢圆中心

:

=/t=0稳态粒子处于封闭类橢圆内包围束流的最大橢圆面积除以：束流发射度机器横向接受度发射度描述符合统计规律的大量粒子的振荡，最直观有效的方法是建立相空间，发射度就是在相空间中描述粒子振荡行为的物理量。对于lattice上的不同位置，这个椭圆将有不同的形状和方向，但这些椭圆都有相同的面积。发射度就是束流所占相空间的面积。发射度与刘维定理∫Ρi

dqi=m0γβc∫x´dx=m0γβcπε=不变归一化发射度不变γβε=ε*椭圆面积发射度刘维定理横向接受度束流进入机器后会不会碰壁，一方面取决束流质量（束流发射度描绘）另一方面取决机器管道粗细，在相空间(/s)描写机器这一特性引出机器接受度的概念。接受度是加速器所能接受的最大椭圆的面积。例如，机器真空管道水平半宽为r，在相空间的水平接受度A=r²/。接受度是机器参数而且是机器整体概念。注入横向俘获就是说束流发射度被容纳到机器接受度(A)之中。束流发射度ɛ横向接受度A纵向接受度左下图阴影部分就是相稳定区，即bucket。同步加速器中的束流只有在相稳定区内才能被稳定加速，稳定区外的粒子将会丢失。填充于同一个bucket中所有粒子的集合称之为束团。Bucket的面积即为纵向接受度。同步相位纵向接受度相椭圆注入的物理本质注入过程：就是使束流的发射度容纳到机器的接受度中去，包括横向和纵向接受度。质子与电子在注入引出技术方面是有区别的,原因是质子与电子的属性有区别.（质子的质量比电子重，1836.5倍）质子与电子在注入引出方面的区别

电子

质子电荷效应

>100MeV就很不明显明显辐射阻尼存在几乎没有

朗道阻尼（绝热阻尼）没有存在(归一化发射度不变)注入方式易实现多次注入

靠负氢离子实现多圈注入刘维定理限制

不受限制受限制经过一倍阻尼时间，就减小到1/e，将外围空出来必定造成束流发射度的稀释

刘维定理限定注入的质子束发射度在接受度中所占有的相空间不能空叠。注入方式上一定要使开始注入的质子占据水平接受度的中心位置，而后相继注入的质子束占据接受度中靠外的位置。要靠控制凸轨收缩实现多圈注入

。

质子电子

辐射阻尼的存在使刘维定理限定的条件不再成立，使并使注入的电子束在水平接受度中向中心收缩。便于多次注入电子辐射阻尼对束长的影响电子辐射阻尼的存在造成电子纵向阻尼收缩注入后束团长度随时间变小束团之间的间隙变大对引出脉冲磁场的建立有利电子辐射阻尼对横向发射度的影响电子辐射阻尼的存在造成电子横向阻尼收缩注入后束团横向发射度随时间变小束团阻尼收缩有助于多次注入刘维定理对质子机器注入的限制质子受刘维定理限制：束团在接受度相空间中的位置不能重叠其结果必定造成束流发射度的稀释质子绝热收缩对发射度的影响在质子机器中,由于归一化发射度不变,束流发射度随能量升高而变小即朗道阻尼也称之为绝热收缩绝热收缩对注入引出有利。束流横截面尺寸变小刘维定理：归一化发射度不变γβε=ε*三、注入与引出的基本方式、要求与系统组成注入方式按照完成注入过程的重复性来区分，可分为单圈单次注入、单圈多次注入、多圈单次注入(质子H－电荷交换注入)和多圈多次注入。按照注入方向来区分,可分为水平注入和垂直注入。按照注入点相对平衡轨道位置分，可分为在轴注入和偏轴注入引出方式

快引出—又分为一次全部引出和多次部分引出等情况。多用于向下一个能量更高的加速器输送束流，或用于某些物理研究工作。慢引出---多用于物理研究工作，如中微子实验。而某些束流应用，如癌症治疗,也需要将束流慢慢引出。基本要求：高效率高质量(束流的发射度)系统组成：切割磁铁（组）+冲击磁铁（组）单圈单次注入单圈单次注入在归一化横向相空间中的描绘多见于光源的增强器（booster）的注入冲击磁铁系统在单次注入的情况下，冲击磁铁的作用是,当注入束进入到环形机器后，第一次与平衡轨道交叉的一瞬间，使其偏转成与平衡轨道相切，落在机器接受度的中心位置。使束团迅速偏转的动作只允许发生在注入或引出的一瞬间，要求脉冲磁场的建立和消失必须足够的快（几十纳秒至几百纳秒）,时间足够的精准(纵向俘获)。而脉冲的宽度也很窄(一般是几百纳秒～几微秒).脉冲磁场必须足够强(一般是几百～一千多高斯),通常励磁电流都得几千安培。切割磁铁组切割磁铁处于注入输运线与环型机器的交叉入口处。切割磁铁即要产生很强的磁场来偏转注入束，又不要影响在它旁边擦肩而过的循环束流。因此，“切割”二字的含义可以理解为将空间切割成两半，一边是由它建立的强场区，用于偏转注入束,而另一边必须是无场区，以免影响在那里通过的循环束流。同时切割板的厚度必须尽可能的薄。为了让注入束尽可能地贴近环形机器的平衡轨道,通常切割磁铁要置放在高真空中，因此除电磁性能和机械结构的特殊要求外，还必须满足真空性能的要求。循环束注入过程的纵向俘获注入束流脉冲以一定的时间结构有序地注入到予定的BUCKET中实现纵向俘获以左图中间s=150º为例，高频加速腔频率500MHzBUCKET间距2ns，单束团注入就是注入到有阴影的BUCKET中靠严格的时间同步来实现Phasespacetrajectoriesfordifferents举例：BEPCII束团时间结构Frf=499.8MHzF0=1.2621MHz

h=Frf/F0=396单束团注入，每4个Bucket注1个共93个，27个连续Bucket空着单圈多次注入（1）凸轨循环束注入束切割板BEPCII储存环的注入

在多次或多圈注入的情况下，由分别安放在适当位置上的若干(2～4)块冲击磁铁共同作用，造成局部平衡轨道的临时凸起，使横向接受度移向注入束(即移向切割板)，并将其包容到接受度之中。冲击磁铁组的共同作用造成局部平衡轨道的临时凸起，因而冲击磁铁又叫凸轨磁铁。

切割板厚度直接影响到凸轨幅度，越厚要求凸轨幅度越大，也就是冲击磁铁强度越大。或者说越厚就会使束流清晰区越小，会造成瓶口。因此，希望在注入点处切割板越薄越好（一般1mm～3mm）。单圈多次注入（2）注入过程就是使束流的发射度容纳到机器的接受度中去。上图中给出新注入的束团头9圈经过注入点时在相空间的位置。若冲击磁铁脉冲磁场是底宽为4μs的半正弦波，束团转一圈的时间是1.329μs，当注入束转了头一圈又回到切割板处时，凸轨已收缩了一半，其发射度基本上都处于相空间切割板的内側，束流不会碰板。可以获得比较高的注入效率。多圈注入CSNS

RCS环的注入质子机器的H-电荷转换注入

H－电荷转换注入-----实现多圈注入的一种好方法质子向接受度中填充不再受不准重叠占据相空间的限制（刘维定理限制），质子在相空间的密度随注入圈数的增加而不断提高。直至将横向与纵向相空间填满到所规定的发射度而不至有过强的空间电荷力为止。

剥离膜可以使用高纯铝膜制作(99％)，厚127μm，用阳极氧化沉积法生成厚度为0.25μm的Al2O3氧化层，因Al2O3熔点很高，可以承受剥离与质子穿透时引起的温升(100℃—260℃)。

塗抹(painting)技术---------克服空间电荷效应

塗抹(painting)技术---------克服空间电荷效应在轴注入和离轴注入离轴注入脉冲凸轨注入脉冲六极磁铁注入在轴注入超快脉冲在轴置换注入超快脉冲在轴纵向注入低发射度环的恒流注入方式引出技术引出是注入的逆过程，用于向下一个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，多次部分引出等情况慢引出：有些物理研究工作，比如中微子实验和某些束流应用，比如治疗癌症,需要将束流慢慢引出。

举例：若BEPC储存环束流

一次全部引出

在引出的情况下,冲击磁铁的作用是使被引出束偏转,偏离平衡轨道落入切割磁铁的主场区,进而由切割磁铁很强的磁场将引出束偏转出去.（注入的逆过程）借用此束团时间结构，研究一下引出的波形Frf=499.8MHzF0=1.2621MHzh=Frf/F0=396单束团注入每4个Buckets注1个共93个27个连续Bucket空着北京BEPC束团时间结构

以上介绍了最基本、应用得最广的注入方式，它们的共同点是都在水平面上注入，这是因为通常环形机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况下采用垂直注入方式。事实上注入方式还很多，特别是质子、重粒子机器的注入。根据机器的特点和物理工作的特殊要求，变换注入方式的做法很多。切割磁铁的作用和技术特点切割磁铁处于注入输运线与环型机器的交叉入口处。切割磁铁即要产生很强的磁场来偏转注入束，又不要影响在它旁边擦肩而过的循环束流。因此，“切割”二字的含义可以理解为将空间切割成两半，一边是由它建立的强场区，用于偏转注入束,而另一边必须是无场区，以免影响在那里通过的循环束流。同时切割板的厚度必须尽可能的薄。为了让注入束尽可能地贴近环形机器的平衡轨道,通常切割磁铁要置放在高真空中，因此除电磁性能和机械结构的特殊要求外，还必须满足真空性能的要求。冲击磁铁的作用冲击磁铁系统是产生快脉冲磁场的装置。在多次或多圈注入的情况下，由分别安放在适当位置上的若干(2～4)块冲击磁铁共同作用，造成局部平衡轨道的凸起，使横向接受度移向注入束(即移向切割板)，并将其包容到接受度之中。在单次注入的情况下，冲击磁铁的作用是,当注入束进入到环形机器后，第一次与平衡轨道交叉的一瞬间，使其偏转成与平衡轨道相切，落在机器接受度的中心位置。在引出的情况下,冲击磁铁的作用是使被引出束偏转,偏离平衡轨道落入切割磁铁的主场区,进而由切