了得網自然科學_耦合束團不穩定性測量與抑制

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《耦合束團不穩定性測量與抑制》理論聯繫實際，所呈現的內容，對我國加速器界同行有較高的參考
價值。《耦合束團不穩定性測量與抑制》可供加速器領域相關的工作人員，尤其是束流測量方向的研究
生和本科生閱讀。同時由於技術的共通性，對從事快電子學、信號接收、數
據處理和分析等領域的工程技術人員也有一定的參考價值。

內容簡介

《耦合束團不穩定性測量與抑制》從加速器儲存環的基本理論入手，圍繞與儲存環中束流位置測量
的相關課題，較完整、繫統、詳盡地闡述了觀測和抑制儲存環束流不穩定性
的理論、方法和相關技術。同時，還介紹了信號接收、信號處理和耦合束團
不穩定分析技巧等。束流不穩定性測量和抑制措施已在高能加速器多年運
行中進行了考驗並得到驗證。《耦合束團不穩定性測量與抑制》列舉了許多應用例證，與實際結合緊密，
並涉及眾多領域。

作者簡介

前言
第1章緒論1
1.1高能加速器和同步輻射裝置簡明發展史1
1.2HLS儲存環測量繫統與束流位置測量6
參考文獻8
第2章束流動力學理論簡介10
2.1坐標繫10
2.2橫向運動方程及其解12
2.3橫向振蕩14
2.4縱向振蕩17
參考文獻18
第3章束流信號與頻譜理論19
3.1同步束團信號19
3.1.1單束團19前言
第1章緒論1
1.1高能加速器和同步輻射裝置簡明發展史1
1.2HLS儲存環測量繫統與束流位置測量6
參考文獻8
第2章束流動力學理論簡介10
2.1坐標繫10
2.2橫向運動方程及其解12
2.3橫向振蕩14
2.4縱向振蕩17
參考文獻18
第3章束流信號與頻譜理論19
3.1同步束團信號19
3.1.1單束團19
3.1.2多束團20
3.2橫向β振蕩幅度調制信號20
3.2.1單束團20
3.2.2多束團22
3.3縱向振蕩相位調制信號23
3.3.1單束團23
3.3.2多束團24
3.4同時存在橫向幅度調制和縱向相位調制26
3.4.1單束團26
3.4.2多束團27
參考文獻28
第4章束流不穩定性29
4.1尾場和尾場函數29
4.1.1自由空間中以光速運動的束流31
4.1.2理想導電管道中以光速運動的束流32
4.1.3電阻壁和腔體結構中的尾場函數32
4.2耦合阻抗35
4.2.1耦合阻抗定義35
4.2.2耦合阻抗某些重要性質36
4.2.3幾種典型的耦合阻抗和相應的尾場函數37
4.3不穩定性理論39
4.3.1橫向不穩定性41
4.3.2阻抗壁效應引起的不穩定性42
4.3.3頭尾不穩定性43
4.3.4縱向不穩定性———犚狅犫犻狀狊狅狀不穩定性46
4.3.5束腔不穩定性———高頻腔高次模不穩定性49
4.3.6多束團不穩定性49
4.3.7束團伸長效應50
4.3.8離子不穩定性55
4.3.9快離子不穩定性59
4.4不穩定振蕩模式概論62
4.4.1縱向振蕩模式63
4.4.2橫向振蕩模式69
4.5電子儲存環幾種典型阻尼機制和克服不穩定性所采取的措施72
4.5.1輻射阻尼72
4.5.2朗道阻尼77
4.5.3常用的克服不穩定性措施83
參考文獻84
第5章束流位置測量與相關理論基礎86
5.1信號探測基本原理86
5.1.1感應場86
5.1.2信號接收87
5.2束流位置探測原理88
5.2.1鈕扣電極BPM88
5.2.2條帶電極93
5.2.3條帶電極作為pickuo99
5.2.4條帶電極作為kicker105
5.2.5HLS所使用的kicker的覆蓋因子計算112
5.2.6HLS所使用的條帶的耦合阻抗計算113
5.2.7兩種BPM特性的比較114
5.3束流位置測量信號與處理114
5.3.1束流位置信號的要求114
5.3.2束流位置信號處理的要求114
5.3.3束流位置信號的處理方法115
5.4束流位置探測器在HLS的應用119
參考文獻121
第6章HLS鈕扣型束流位置探測器123
6.1鈕扣型探測電極的定標124
6.1.1定標裝置124
6.1.2定標中的數據處理126
6.1.3小二乘法逼近127
6.2素法驗證模擬定標129
6.2.素法理論簡介129
6.2.2靈敏度的計算131
參考文獻133
第7章閉軌測量繫統的研制與應用135
7.1HLS閉軌測量繫統研制的進展135
7.2升級的閉軌測量繫統結構與信號處理136
7.2.1COD測量繫統硬件和軟件結構136
7.2.2BPMModule137
7.3數據獲取繫統和數據的分析138
7.3.1數據獲取繫統138
7.3.2升級後的BPM繫統測量精度和分辨率138
7.4BPM繫統的應用141
7.4.1色散函數的測量141
7.4.2犅犅犃方法測量四極磁鐵磁中心的位置142
7.4.3全環閉軌校正143
參考文獻145
第8章數據處理方法146
8.1離散時間信號的處理147
8.1.1采樣信號的頻譜147
8.1.2采樣定理148
8.1.3數字信號處理中截斷的影響———洩漏149
8.2信號加窗150
8.2.1信號加窗意義150
8.2.2窗函數特性151
8.2.3幾個應用中的窗函數154
8.3Tune測量156
8.3.1工作點測量意義156
8.3.2工作點估算方法的探討157
8.4其他數據處理方法174
8.4.1基於數字鎖相檢測阻尼時間174
8.4.2小波方法在束測信號處理中的應用177
參考文獻188
第9章HLS逐圈測量繫統的研制與應用191
9.1TBT測量繫統的研制191
9.1.1TBT測量繫統參數選定191
9.1.2電子學線路及各部分的功能192
9.2逐圈測量繫統定標197
9.2.1繫統定標計算197
9.2.2探測電極靈敏度198
9.2.3BPM電子學增益定標198
9.2.4繫統的在線定標199
9.3逐圈測量繫統應用200
9.3.1逐圈位置測量200
9.3.2二期工程總調新注入繫統的檢測201
9.3.3低頻窄帶反饋繫統的初步嘗試203
9.3.4HLS若干物理參數的測量和不穩定性分析研究211
參考文獻226
第10章逐束團測量繫統研制與應用227
10.1逐束團測量繫統研制的必要性和意義227
10.1.1研制的必要性227
10.1.2BxB測量的意義229
10.2國內外發展狀況230
10.3HLS逐束團測量繫統的研制231
10.3.1繫統帶寬的確定231
10.3.2測量繫統的組成232
10.3.3關鍵器件性能的介紹241
10.4相關物理量測量與分析246
10.4.1HLS儲存環Twiss函數247
10.4.2激勵束流設備和線路247
10.4.3激勵門電路的研制248
10.4.4逐束團測量繫統的應用251
10.5逐束團流強測量繫統268
10.5.1新的檢波方案的應用269
10.5.2測量繫統準確性驗證270
10.5.3在線定標結果271
10.5.4逐束團縱向振蕩測量繫統273
10.5.5縱向振蕩對橫向測量影響分析276
參考文獻277
第11章橫向模擬反饋繫統研制與應用280
11.1反饋原理281
11.1.1反饋繫統理論281
11.1.2反饋繫統工作原理284
11.1.3反饋繫統類型和要求284
11.2HLS橫向寬帶反饋繫統設計思想285
11.2.1繫統的主要參數285
11.2.2pickuo選擇288
11.3模擬橫向反饋繫統樣機的研制288
11.3.1總體設計框圖289
11.3.2各組成部分290
11.4逐束團測量和橫向反饋繫統的調試302
11.4.1測量繫統的調試302
11.4.2模擬反饋樣機的調試305
11.5希爾伯特變換相空間重建方法308
11.5.1希爾伯特變換相空間重建理論308
11.5.2希爾伯特變換在相空間重建中的應用原理312
11.5.3希爾伯特變換數據處理方法在HLS上的應用314
11.6橫向反饋繫統的改進317
11.6.1線路改進318
11.6.2基於EPICS的繫統控制軟件319
11.6.3繫統調試與數據分析321
參考文獻323
第12章數字橫向反饋繫統研制與應用325
12.1數字反饋基本原理325
12.2數字反饋技術素及其發展過程326
12.2.1DSP陣列作為的數字反饋繫統326
12.2.2FPGA芯片作為的數字反饋繫統327
12.3數字信號處理理論330
12.3.1離散時間線性非時變繫統330
12.3.2單位取樣響應和卷積331
12.3.3離散時間信號和繫統頻域分析331
12.3.4離散傅裡葉變換332
12.4數字濾波器設計335
12.4.1IIR濾波器337
12.4.2FIR濾波器339
12.4.3數字濾波器的繫數量化誤差340
12.5數字反饋的犉犐犚濾波器算法實現341
12.5.1頻域法設計濾波器341
12.5.2時域小二乘法設計濾波器342
12.5.3選擇犉犐犚濾波器設計343
12.5.4數字橫向逐束團反饋方法與實現344
12.6HLS數字橫向逐束團反饋繫統345
12.6.1HLS數字橫向反饋繫統的構成345
12.6.2數字反饋處理器的犉犘犌犃程序修改352
12.6.3濾波器設計與優化354
12.6.4增益放大器358
12.6.5時鐘繫統361
12.6.6數字反饋繫統集成與控制361
12.7反饋繫統的調試與分析361
12.7.1頻率響應的測試362
12.7.2單束團時序試驗362
12.7.3200MeV反饋繫統相位調試363
12.7.4800MeV反饋繫統相位調試364
12.8800MeV運行狀態下的反饋效果檢測365
12.8.1抑制800MeV運行時的橫向不穩定性邊帶365
12.8.2降低六極磁鐵電流試驗366
12.8.3阻尼時間測量369
12.9橫向振蕩模式分析371
12.10提高注入流強371
12.10.1抑制注入邊帶371
12.10.2抑制注入殘餘振蕩372
12.10.3替代八極磁鐵提高注入流強373
參考文獻374

前言

媒體評論

在線試讀

第1章緒論
1.1高能加速器和同步輻射裝置簡明發展史
1919年,英國科學家盧瑟福(Rutherford)用天然放射源中能量為幾兆電子伏的高速!粒子束(即氦核)轟擊厚度僅為0.0004cm的金屬箔,實現了人類科學史上次人工核反應。利用靶後放置的硫化鋅熒光屏測得了粒子散射的分布,發現原子核本身有結構,從而激發了人們尋求更高能量的粒子轟擊原子核進而研究原子核結構的願望。
粒子加速器是利用電場來加速帶電粒子使之獲得高能量的裝置。基本原理是使帶電粒子在電場中受到電場力而加速,能量獲得增加。加速粒子的電場通常有三種形式:靜電場。磁感應電場和交變電磁場。用靜電場加速粒子是原始簡單的方式,靜電加速器。高壓倍加加速器就是利用此手段加速帶電粒子的。初級線圈產生的變化磁場能產生感應的電場也可以加速帶電粒子,這種加速器是電子感應加速器。交變電磁場中的電場同樣可以用來加速電子,這是多種加速器中應用廣泛的一種方法。采用這種方法加速的加速器種類很多,有回旋加速器。直線加速器。質子同步加速器。同步輻射加速器和對撞機等。
早在20世紀20年代,科學家就探討過許多加速帶電粒子的方案,並進行過多次試驗。其中早提出加速原理的是維德羅(Wideroe)。30年代初,高壓倍加加速器。靜電加速器。回旋加速器相繼問世,研制者分別獲得這一時期的諾貝爾物理學獎。此後,隨著人們對微觀物質世界深層次結構研究的不斷深入,各個科學技術領域對各種快速粒子束的需求不斷增長,多種新的加速原理和方法,如自動穩相原理和強聚焦原理被提出,相繼產生了電子感應加速器。直線加速器。強聚焦高能加速器和扇形聚焦回旋加速器等。通過高能粒子束之間的對頭踫撞(簡稱對撞)可提高粒子束的有效作用能。1956年,克斯特(Kerst)提出了建議,1960年意大利科學家托歇克(Touschek)首次提出了這項原理,並在意大利的Frascati國家實驗室建成了直徑約1m的AdA對撞機,從而驗證了該原理,這是加速器發展史上的一次飛躍。
電子儲存環是在20世紀50年代作為正負電子對撞試驗的粒子物理研究裝置提出的。60年代後相繼建成多臺正負電子對撞機。電子儲存環不僅是高能粒子物理研究的重要工具,也是同步輻射研究的重要儀器。同步輻射是接近光速的帶電粒子在做曲線運動時,沿軌道切線方向發出的電磁輻射。同步輻射於1947年在美國通用電氣公司的一臺70MeV的同步加速器中首次被肉眼看到,因此命名為同步輻射(synchrotronradiation,SR)。儲存環也可以把電子加速到更高的能量。儲存環有電子儲存環和質子儲存環兩種。在實用上,都是用電子或正電子產生同步輻射。第1章緒論
1.1高能加速器和同步輻射裝置簡明發展史
1919年,英國科學家盧瑟福(Rutherford)用天然放射源中能量為幾兆電子伏的高速!粒子束(即氦核)轟擊厚度僅為0.0004cm的金屬箔,實現了人類科學史上次人工核反應。利用靶後放置的硫化鋅熒光屏測得了粒子散射的分布,發現原子核本身有結構,從而激發了人們尋求更高能量的粒子轟擊原子核進而研究原子核結構的願望。
粒子加速器是利用電場來加速帶電粒子使之獲得高能量的裝置。基本原理是使帶電粒子在電場中受到電場力而加速,能量獲得增加。加速粒子的電場通常有三種形式:靜電場。磁感應電場和交變電磁場。用靜電場加速粒子是原始簡單的方式,靜電加速器。高壓倍加加速器就是利用此手段加速帶電粒子的。初級線圈產生的變化磁場能產生感應的電場也可以加速帶電粒子,這種加速器是電子感應加速器。交變電磁場中的電場同樣可以用來加速電子,這是多種加速器中應用廣泛的一種方法。采用這種方法加速的加速器種類很多,有回旋加速器。直線加速器。質子同步加速器。同步輻射加速器和對撞機等。
早在20世紀20年代,科學家就探討過許多加速帶電粒子的方案,並進行過多次試驗。其中早提出加速原理的是維德羅(Wideroe)。30年代初,高壓倍加加速器。靜電加速器。回旋加速器相繼問世,研制者分別獲得這一時期的諾貝爾物理學獎。此後,隨著人們對微觀物質世界深層次結構研究的不斷深入,各個科學技術領域對各種快速粒子束的需求不斷增長,多種新的加速原理和方法,如自動穩相原理和強聚焦原理被提出,相繼產生了電子感應加速器。直線加速器。強聚焦高能加速器和扇形聚焦回旋加速器等。通過高能粒子束之間的對頭踫撞(簡稱對撞)可提高粒子束的有效作用能。1956年,克斯特(Kerst)提出了建議,1960年意大利科學家托歇克(Touschek)首次提出了這項原理,並在意大利的Frascati國家實驗室建成了直徑約1m的AdA對撞機,從而驗證了該原理,這是加速器發展史上的一次飛躍。
電子儲存環是在20世紀50年代作為正負電子對撞試驗的粒子物理研究裝置提出的。60年代後相繼建成多臺正負電子對撞機。電子儲存環不僅是高能粒子物理研究的重要工具,也是同步輻射研究的重要儀器。同步輻射是接近光速的帶電粒子在做曲線運動時,沿軌道切線方向發出的電磁輻射。同步輻射於1947年在美國通用電氣公司的一臺70MeV的同步加速器中首次被肉眼看到,因此命名為同步輻射(synchrotronradiation,SR)。儲存環也可以把電子加速到更高的能量。儲存環有電子儲存環和質子儲存環兩種。在實用上,都是用電子或正電子產生同步輻射。
隨著正負電子對撞機的建立,寄生於高能物理儲存環上的同步輻射研究也逐步發展起來。寄生於為高能物理研究建造的儲存環上的同步輻射光源稱為代同步輻射光源。代同步輻射光源雖然不是為同步輻射應用專門設計的,但是其高強度和從遠紅外到X射線的寬闊的連續光譜,可以看出它具有空前的試驗基礎研究能力,從而開創了很多新的研究應用領域。目前絕大多數電子對撞機兼進行同步輻射的研究工作。自1968年美國威斯康星大學建成240MeV儲存環作為專用同步輻射光源以來,20世紀70年代開始建造了幾十臺專用於同步輻射的電子儲存環。第二代同步光源是專門為同步輻射的應用而設計的。為改進所產生的同步輻射光源的質量,需要將儲存環結構進行化的設計,一般采用Chas-man-GreenLattice結構。第二代同步輻射光源都是在80年代前後建成的,它們的發射度大約為100nm'mrad。而相繼建成的第三代同步輻射光源的特征是為大量使用插入件而設計的低發射度儲存環,這些環的發射度一般小於10nm'mrad。它們發出的同步輻射光源的亮度比亮的第二代光源至少高100倍。同步輻射光源的發展大體經歷了這三個階段。
同步輻射具有常規光源不可比擬的優良性能:寬廣平滑的連續光譜。強度大。亮度高。頻譜連續。方向性和偏振性好。有脈衝時間結構和潔淨真空環境的優異新型光源。因此,它廣泛應用於物理、化學、材料科學、生命科學、信息科學、力學、地學、醫學、藥學、農學、環境保護、計量科學、光刻和超微細加工等眾多基礎研究和應用研究。
用於儲存和加速粒子的儲存環,是應粒子物理試驗的需要而發展起來的,是加速器技術發展史上的一個重要飛躍,現在仍在不斷發展中。
目前中國內地有三家同步輻射光源,分別是HLS。北京同步輻射裝置(Beijingsynchrotronradiationfacility’BSRF)和新建的SSRF。其中,BSRF和SSRF的工作波長主要分布在軟X射線和X射線部分。HLS作為一臺能量為800MeV的低能光源,其輻射特征波長為24人,小可用波長為5人,主要服務於紫外和真空紫外用戶。HLS上還建有6T單周期三極超導磁鐵扭擺器(wiggle),用以產生輻射特征波長為4.8人。小可用波長為1人的X射線。
HLS是專用的同步輻射裝置,始建於20世紀80年代[1]。90年代末,又進行了二期工程建設,升級了電源。注入。高頻。束流測量和控制等繫統。在充分保證機器主體長期。可靠。穩定運行,大幅度提高光源積分流強。亮度和穩定性的基礎
上,新建1臺波蕩件和增建8條新光束線和相應8個試驗站[1,2]。
HLS是由一臺200MeV的直線電子加速器和一個周長66m的電子儲存環組成的。電子儲存環由12塊二極磁鐵。48塊四極磁鐵。六極磁鐵。注入和高頻繫統以及各種測量設備等組成,采用多圈多次全填充注入方式。來自直線的200MeV能量束流經過輸運線,通過注入繫統注入儲存環中,並Ramping到800MeV能量後運行,其運行流強通常為200。300mA。電子儲存環運行的各參數如表!!1所示。
對於HLS,來自儲存環彎轉磁鐵的同步輻射特征波長為2.4nm(24A)。環上還有扭擺器(wiggler)和波蕩器(undulator)。扭擺器為6T單周期三極超導磁鐵扭擺器,產生輻射特征波長為0.48nm(4.80)。小可用波長為0.1nm(lO)的可用X射線。波蕩器產生的輻射光波長為10。162nm,亮度比從彎轉磁鐵處發出來的同步光提高近3個量級。
HLS自20世紀90年代初投入運行以來,支撐了眾多前沿科學研究工作,取得了很多世界上矚目的科研成果。在HLS儲存環上安裝了光刻(U1)。紅外與遠紅外光譜(U4)。高空間分辨X射線成像(U7A)。X射線散射與衍射(U7B)。擴展X射線吸收精細結構(U7C)。燃燒(U10)。軟X射線顯微術(U12A)。原子與分子物理(U1.A)。真空紫外分析(U14C)。表面物理(U18)。軟X射線磁性圓二色(U19)。光電子能譜(U20)。真空紫外光譜(U2.)。光聲與真空紫外圓二色光譜(U25)。光譜輻射標準與計量(U26)共15個光束線試驗站,皆已投入使用並向國內外用戶開放。HLS—期工程期間和二期工程結束後,建有的光束線站分別如圖1.1.1和圖1.1.2所示。為了實現HLS儲存環低發射度的穩定運行和增加儲存環直線節的數目,以滿足客戶日益增長的科研要求,於2010年啟動了HLS重大維修改造項目(Hefeilightsourcen,HLS□)$改造的內容包括:①在更強的橫向聚焦作用下束流發射度能達到.Onrn'rad以下;②儲存環直線節的數目增加到8個,可以安裝更多的插入件,以便建造有特色的線站。更低的束流發射度和更多插入件的應用,使得束流品質將有明顯提升,殼度將會提!大約兩個數量級,並能產生!殼度的真空紫外和遠紅外輻射,整體性能將進入國際同類光源前列。
升級改造後的儲存環,運行能量仍為800MeV,流強指標大於300mA[3]。儲存環的周長為66.13m,有.個DBA(doublebendingachromatic)。全環由8塊彎轉磁鐵、32塊四極磁鐵、32塊多功能六極磁鐵、高頻腔、滿能量(800MeV)並能實現單束團、4個插入件和各測量設備等組成。全環共安裝32個BP。進行束流軌道畸變測量和單圈測量,與32個水平和垂直軌道校正線圈組成束流閉軌校正繫統。同時安裝了橫向。縱向快速束流反饋激勵腔和若干條帶電極,它們將用於束流反饋繫統和反饋信號檢測。
儲存環物理方案中的設計有兩種工作模式:傳統的消色散工作模式(簡稱模式A)和分布式色散工作模式(簡稱模式B)。HLSn儲存環磁鐵布局示意圖如圖!1.3所示,儲存環的基本參數見表!1.2。圍繞改造後的HLS儲存環建立14個光束線站,它將充分發揮光源在真空紫外能區的優勢,推動在以下科學研究方向達到國際領先或先進水平:①利用高分辨角分辨電子能譜。THz紅外譜學技術,建立量子調控研究平臺;②建立THz和紅外顯微成像研究平臺;③利用真空紫外。軟X射線譜學和成像技術,建立水科學研究平臺;④利用真空紫外光電子技術,建立化學動力學和催化研究平臺;⑤利用真空紫外光電離技術’建立燃燒反應動力學研究平臺,提高燃燒效率’發展新概念燃燒方法;⑥利用納米分辨成像技術,建立細胞CT研究平臺,為癌癥等重大疾病的早期診斷等醫學應用提供新的有效手段。
1.2HLS儲存環測量繫統與束流位置測量
束流測量繫統是加速器調試和運行過程中必不可少的組成部分。束流測量繫統可以對各種束流參數進行監測,為新機器的研制和運行。已使用機器的升級改造調試研究和性能的提高提供重要依據,因此被稱為加速器的“眼睛”，國內外

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