HLS-II儲(chǔ)存環(huán)束流清洗狀況

文鵬權(quán) 宋一凡 李 兵 宣 科 劉功發(fā)

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室 合肥 230029）

HLS-II儲(chǔ)存環(huán)束流清洗狀況

文鵬權(quán) 宋一凡 李 兵 宣 科 劉功發(fā)

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室 合肥 230029）

描述了一種基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的電子儲(chǔ)存環(huán)束流清洗狀況的分析方法，結(jié)合HLS-II (Hefei Light Source II)歷史數(shù)據(jù)庫討論了儲(chǔ)存環(huán)束流壽命、束流流強(qiáng)和真空壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)的選取條件，采用MATLAB編寫了數(shù)據(jù)處理和分析程序，對(duì)HLS-II自2014年調(diào)試以來的大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。HLS-II儲(chǔ)存環(huán)在2014年11月因更換陶瓷真空室而暴露大氣，因而束流清洗過程分為兩個(gè)階段。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，第二階段的束流清洗效果較第一階段更加明顯，且積分流強(qiáng)達(dá)到80 A·h 后動(dòng)態(tài)真空度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。此分析方法處理快捷，自動(dòng)化程度高，可幫助研究人員快速掌握儲(chǔ)存環(huán)的束流清洗狀況。

合肥光源，束流清洗，束流壽命，真空度

電子儲(chǔ)存環(huán)真空環(huán)境是影響束流壽命的重要因素，真空環(huán)境越好，束流壽命就越長(zhǎng)。故研究電子儲(chǔ)存環(huán)真空環(huán)境與束流壽命之間的關(guān)系對(duì)于評(píng)估電子儲(chǔ)存環(huán)的運(yùn)行狀態(tài)有著重要意義[1–2]。2010年初合肥光源進(jìn)行了重大維修改造，改造后的合肥光源稱為HLS-II (Hefei Light Source II)。HLS-II自2014年1月份開始進(jìn)行總體調(diào)試，2014年12月通過了總體工藝測(cè)試，2015年1月開始試運(yùn)行。HLS-II的數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)以關(guān)系數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，記錄了HLS-II調(diào)試以來各個(gè)子系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)。為分析HLS-II儲(chǔ)存環(huán)的束流清洗狀況，需要從大量的歷史數(shù)據(jù)中選擇具有代表意義的束流清洗數(shù)據(jù)。因此，本文提出了一種基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的電子儲(chǔ)存環(huán)束流清洗狀況的分析方法，并對(duì)儲(chǔ)存環(huán)真空壓強(qiáng)、束流流強(qiáng)和束流壽命等歷史數(shù)據(jù)展開分析，為研究機(jī)器的人員快速掌握儲(chǔ)存環(huán)的束流清洗狀況提供了一種技術(shù)手段。

1 動(dòng)態(tài)真空度與儲(chǔ)存環(huán)束流壽命的關(guān)系

1.1 光電解吸作用與束流清洗

電子儲(chǔ)存環(huán)運(yùn)行時(shí)，同步輻射產(chǎn)生的光子轟擊真空室內(nèi)壁，從而激發(fā)出一定能量的光電子。光電子及次級(jí)電子轟擊真空室內(nèi)壁會(huì)導(dǎo)致原來吸附在真空室內(nèi)壁的氣體分子被釋放出來，這被稱為光電解吸作用。由于光電解吸作用，電子儲(chǔ)存環(huán)在無束流狀態(tài)下的靜態(tài)真空度會(huì)比有束流狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)真空度差一個(gè)量級(jí)左右。然而，解吸氣體的量會(huì)隨著輻射光子的累積照射劑量的增加而減少，即吸附在材料上的氣體會(huì)被逐漸釋放。故隨著電子儲(chǔ)存環(huán)的運(yùn)行時(shí)間增加，動(dòng)態(tài)真空度會(huì)逐漸變好，束流壽命變長(zhǎng)，這種現(xiàn)象被稱為束流清洗作用[3]。

1.2 儲(chǔ)存環(huán)束流壽命分析

電子儲(chǔ)存環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)束流的損失主要受三種因素影響：量子效應(yīng)、真空效應(yīng)和Touschek效應(yīng)。量子效應(yīng)由量子激發(fā)導(dǎo)致；真空效應(yīng)由束流殘余氣體散射導(dǎo)致；Touschek效應(yīng)則是由束團(tuán)電子彈性散射所導(dǎo)致。根據(jù)這三種效應(yīng)可以把束流壽命分成量子壽命、真空壽命和Touschek壽命[3]。

在理想情況下，每個(gè)束團(tuán)電子密度均勻，不考慮束流閉軌畸變，Touschek壽命τT可簡(jiǎn)化為[4]：

式中，k1為常數(shù)，與儲(chǔ)存環(huán)運(yùn)行參數(shù)（如Beta函數(shù)、束流動(dòng)力學(xué)孔徑）相關(guān)。

電子儲(chǔ)存環(huán)的動(dòng)態(tài)真空度主要受束流流強(qiáng)影響，它們之間的關(guān)系近似為線性關(guān)系[5]：

式中，P為動(dòng)態(tài)真空度；P0為靜態(tài)真空度；I為流強(qiáng)；ΔP為光電解吸導(dǎo)致的壓強(qiáng)變化；ΔP/ΔI為殘余氣體解析率。而真空壽命可表示為[4]：

式中，k2為常數(shù)，與儲(chǔ)存環(huán)參數(shù)（如Beta函數(shù)、束流動(dòng)力學(xué)孔徑）有關(guān)，還和儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)殘余氣體成分有關(guān)。

對(duì)于“女佛山后寺蕭澗秋”寄來的信,個(gè)個(gè)奇怪,連阿榮和學(xué)生?？赐晷藕?陶慕侃“悵悵”,“他失望地將信交給陶嵐,陶嵐發(fā)抖地讀了一遍,默了一忽,眼含淚說:‘哥哥,請(qǐng)你到上海去找蕭先生回來?！?/p>

考慮到HLS-II設(shè)計(jì)時(shí)動(dòng)力學(xué)孔徑遠(yuǎn)大于束團(tuán)尺寸，量子壽命可以忽略。故束流壽命τ可表示為：

由于靜態(tài)真空度較動(dòng)態(tài)真空度大約小1個(gè)量級(jí)，靜態(tài)真空度P0可以忽略；實(shí)際運(yùn)行中，用儲(chǔ)存環(huán)平均真空壓強(qiáng)Pavg來表示動(dòng)態(tài)真空度P，則ΔP/ΔI可以用Pavg/I來近似表示，因此式(4)可變換為：

式(5)是在理想情況下電子儲(chǔ)存環(huán)束流清洗的理論基礎(chǔ)。當(dāng)儲(chǔ)存環(huán)以衰減方式運(yùn)行時(shí)，在一次運(yùn)行中ΔP/ΔI幾乎不變，I·τ近似為常數(shù)，可作為表征一次運(yùn)行的參量。

2 數(shù)據(jù)處理與程序設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)處理

束流壽命與多種參數(shù)有關(guān)，要分析其與儲(chǔ)存環(huán)真空狀態(tài)之間的關(guān)系，原則上需剔除其他參數(shù)的影響，即選擇其它參數(shù)保持一致的數(shù)據(jù)。然而儲(chǔ)存環(huán)的每次運(yùn)行都伴隨著一些隨機(jī)因素，其運(yùn)行參數(shù)并不完全一致，因此只能選擇運(yùn)行參數(shù)相近的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

HLS-II儲(chǔ)存環(huán)以衰減方式運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)分為4種：關(guān)機(jī)、參數(shù)設(shè)置、注入和衰減運(yùn)行。通常經(jīng)過短時(shí)間的參數(shù)設(shè)置和注入狀態(tài)后進(jìn)入持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的衰減運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行人員每次注入時(shí)會(huì)參考以前成功注入時(shí)的參數(shù)，通?？梢哉J(rèn)為每次正常運(yùn)行時(shí)的參數(shù)是相似的。

根據(jù)HLS-II的實(shí)際運(yùn)行情況，每次注入后的峰值流強(qiáng)和儲(chǔ)存環(huán)處于衰減運(yùn)行狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間（以下簡(jiǎn)稱衰減運(yùn)行時(shí)段）可以作為數(shù)據(jù)選取的條件之一。例如HLS-II穩(wěn)定運(yùn)行后，每次注入峰值流強(qiáng)都達(dá)到300 mA，且衰減運(yùn)行時(shí)段都超過了4 h。如果峰值流強(qiáng)太低或者衰減運(yùn)行時(shí)段太短，則很有可能是運(yùn)行人員對(duì)儲(chǔ)存環(huán)進(jìn)行調(diào)試所致。所以在數(shù)據(jù)處理時(shí)，若峰值流強(qiáng)太小或者持續(xù)時(shí)間太短，那么這個(gè)衰減運(yùn)行時(shí)段的數(shù)據(jù)則不用于束流清洗的分析。

圖1 IVU140磁間隙與束流壽命的變化Fig.1 Variation of lifetime and gap IVU140 against time.

為避免插入件對(duì)束流壽命帶來的影響，若Operation時(shí)段內(nèi)指定插入件磁間隙小于設(shè)定值，則剔除該時(shí)間段的數(shù)據(jù)。

前面討論中提到可采用I·τ替代τ作為表征一次運(yùn)行的參量，實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示一次運(yùn)行過程中I·τ也并非是恒定不變的。圖2給出了2015年3月11日的一次運(yùn)行過程中束流流強(qiáng)與壽命的變化，圖3給出了相對(duì)應(yīng)I·τ隨時(shí)間的變化。

從圖3可看出，I·τ隨時(shí)間不斷減小，這是由于靜態(tài)真空度相比于動(dòng)態(tài)真空度仍然占一定比重，且放氣累積效應(yīng)對(duì)此也有一定影響[7]。因此，為避免流強(qiáng)的影響，把流強(qiáng)也作為數(shù)據(jù)選取的條件之一，只選取指定流強(qiáng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

束流壽命是通過束流流強(qiáng)的變化曲線的指數(shù)擬合而得到的，一些隨機(jī)擾動(dòng)會(huì)帶來束流壽命的較大抖動(dòng)。如圖2所示，盡管束流流強(qiáng)看起來平緩下降，但束流壽命的變化卻有明顯抖動(dòng)。由于Touschek效應(yīng)的影響，隨著流強(qiáng)的下降，束流壽命會(huì)上升，且上升趨勢(shì)可近似為線性趨勢(shì)。因此，為避免隨機(jī)擾動(dòng)所帶來的影響，對(duì)束流壽命進(jìn)行線性擬合，取擬合之后對(duì)應(yīng)的壽命數(shù)據(jù)來計(jì)算參量I·τ。如果擬合后的線性相關(guān)系數(shù)小于用戶設(shè)定值，則可認(rèn)為該時(shí)段內(nèi)儲(chǔ)存環(huán)運(yùn)行不正常，并剔除該時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)。

圖2 2015-03-11一次運(yùn)行過程中束流流強(qiáng)與壽命變化Fig.2 Variation of beam current and lifetime against time during the operation status on Mar. 11, 2015.

圖3 與圖2時(shí)間相對(duì)應(yīng)的I·τ隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of I·τ corresponding to Fig.2.

綜上所述，為選取運(yùn)行參數(shù)相近的數(shù)據(jù)進(jìn)行束流清洗分析，避免人為因素和隨機(jī)因素的干擾，所選取的數(shù)據(jù)需要符合以下條件：

(1) 處于衰減運(yùn)行狀態(tài)下，且峰值流強(qiáng)、衰減運(yùn)行持續(xù)時(shí)間和插入件磁間隙均大于用戶設(shè)定值；

(2) 選取指定流強(qiáng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)；

(3) 束流壽命與時(shí)間的線性相關(guān)系數(shù)大于用戶設(shè)定值。

2.2 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的討論，數(shù)據(jù)的選取需要滿足一系列的條件。這些條件以參數(shù)的形式存放在配置文件中，包括峰值流強(qiáng)閾值、衰減運(yùn)行持續(xù)時(shí)間閾值、插入件磁間隙閾值、流強(qiáng)指定值和束流壽命擬合相關(guān)系數(shù)閾值。

HLS-II的歷史數(shù)據(jù)存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫ORACLE中，與ORACLE間的數(shù)據(jù)訪問由MATLAB數(shù)據(jù)庫工具箱提供支持。數(shù)據(jù)處理程序也是基于MATLAB平臺(tái)開發(fā)的，其數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 束流清洗數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.4 Flow chart of beam cleaning data processing.

程序從數(shù)據(jù)庫中得到儲(chǔ)存環(huán)位于衰減運(yùn)行狀態(tài)的起止時(shí)間，以及該時(shí)段內(nèi)的峰值流強(qiáng)(top-current)和磁間隙距離(ID gap)。如果峰值流強(qiáng)和磁間隙距離大于用戶設(shè)定的閾值，則讀取該時(shí)段內(nèi)的束流壽命數(shù)據(jù)，并對(duì)束流壽命進(jìn)行線性擬合。如果擬合后線性相關(guān)系數(shù)(r)大于用戶設(shè)定的相關(guān)系數(shù)閾值(Coefficient)，則選取流強(qiáng)指定值(Itarget)的時(shí)間點(diǎn)，然后取得擬合后位于該時(shí)間點(diǎn)的束流壽命，再插值計(jì)算得到該時(shí)間點(diǎn)的真空平均壓強(qiáng)，最后計(jì)算從起始時(shí)間到當(dāng)前選取時(shí)間點(diǎn)的積分流強(qiáng)。以上是一次衰減運(yùn)行時(shí)段的數(shù)據(jù)處理流程，完成后程序開始下一個(gè)衰減運(yùn)行時(shí)段的數(shù)據(jù)處理，直到截止時(shí)間為止。

3 結(jié)果分析

數(shù)據(jù)處理程序分析了2014年02月11日至2015年03月22日間的歷史數(shù)據(jù)。HLS-II儲(chǔ)存環(huán)在2014年11月21日至11月27日期間因更換陶瓷真空室而暴露大氣，因而束流清洗過程分為兩個(gè)階段，第二階段的積分流強(qiáng)重新從零開始計(jì)算。對(duì)于每個(gè)階段的束流清洗，在初始時(shí)刻注入的峰值流強(qiáng)較低，大多低于200 mA，因此將流強(qiáng)指定值設(shè)為100 mA；之后注入峰值流強(qiáng)大多超過200 mA，因此將流強(qiáng)指定值設(shè)為200 mA。經(jīng)處理得到的I·τ和Pavg/I隨積分流強(qiáng)的變化結(jié)果見圖5和6，圖5對(duì)應(yīng)于束流清洗的第一階段，圖6對(duì)應(yīng)于束流清洗的第二階段。

圖5 2014/02/11–2014/11/11期間I·τ和Pavg/I隨積分流強(qiáng)的變化Fig.5 Variation of I·τ and Pavg/I against integrated current between Feb. 11, 2014 and Nov. 11, 2014.

圖6 2014/11/27–2015/03/22期間I·τ和Pavg/I隨積分流強(qiáng)的變化Fig.6 Variation of I·τ and Pavg/I against integrated current between Nov. 27, 2014 and Mar. 22, 2015.

圖5 和6皆表明在束流清洗的初始階段，由于真空室壁上吸附了大量氣體分子，氣體解析速率很大，儲(chǔ)存環(huán)動(dòng)態(tài)真空度相對(duì)很差，此時(shí)氣體散射效應(yīng)是限制束流壽命的主要因素。隨著積分流強(qiáng)的增加，吸附在真空室壁上的氣體分子逐漸減少，氣體解析速率降低，動(dòng)態(tài)真空度逐漸變好。在束流清洗的第一階段，儲(chǔ)存環(huán)處于調(diào)試期，運(yùn)行參數(shù)變化較大，因而圖5中顯示的I·τ數(shù)據(jù)點(diǎn)較為分散。在束流清洗的第二階段，由于第一階段的清洗作用，真空室壁上重新吸附的氣體分子較少，氣體解析速率較低，束流清洗效果也更加明顯。

HLS-II真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求為300 mA流強(qiáng)下的平均動(dòng)態(tài)真空度小于1.33×10–7Pa[8]。在束流清洗的第二階段，積分流強(qiáng)達(dá)到80 A·h后，300 mA流強(qiáng)下的動(dòng)態(tài)真空度為1.26×10–7Pa，這也反映了束流清洗的效果十分明顯。

4 結(jié)語

采用MATLAB編寫了束流清洗數(shù)據(jù)處理程序，可以根據(jù)選取條件迅速從大量歷史數(shù)據(jù)中篩選出滿足條件的相關(guān)數(shù)據(jù)，并以圖形方式顯示I·τ和Pavg/I隨積分流強(qiáng)的變化趨勢(shì)。本文提出的分析方法處理快捷、自動(dòng)化程度高，可幫助研究人員快速掌握儲(chǔ)存環(huán)的束流清洗狀況。本文的工作也表明，基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，結(jié)合物理模型對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，對(duì)診斷加速器的運(yùn)行狀態(tài)有著重要應(yīng)用價(jià)值。

1 Miyajima T, Ebihara K, Ezura E, et al. Present status of photon factory advanced ring[C]. PAC2003, Portland, USA, 2003: 860–862

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WANG Lin. HLS-II Designed Report (inner report). National Synchrotron Radiation Laboratory, 2010

CLC TL507

Beam cleaning status in HLS-II storage ring

WEN Pengquan SONG Yifan LI Bing XUAN Ke LIU Gongfa
(National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei 230029, China)

Background: A system based on relation database has been developed to archive history data in the Hefei Light Source II (HLS-II), which provides a foundation for analysis of the beam cleaning. Purpose: The beam cleaning analysis is to give an assessment on vacuum system and storage ring operation status. Methods: A method based on mathematical statistics is described. Lifetime data and pressure data are selected from the relation database for the beam cleaning analysis. A data processing program is designed by MATLAB. The data for the beam cleaning since HLS-II commissioning in 2014 are acquired by the program. Due to ceramic vacuum chamber of HLS-II was replaced in Nov. 2015, the process of the beam cleaning analysis is divided into two stages. Results: The results show that the dynamic vacuum pressure can meet design requirement when integrated current reaches 80 A·h. The effect of the beam cleaning in second stage is better than that in the first stage. Conclusion: The method presented in this paper is convenient and efficient. The data processing program is beneficial to researchers to evaluate beam cleaning status in storage ring quickly.

HLS-II, Beam cleaning, Lifetime, Vacuum pressure

TL507

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.100102

文鵬權(quán)，男，1991年出生，2012年畢業(yè)于成都理工大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，核技術(shù)及應(yīng)用

劉功發(fā)，E-mail: gfliu@ustc.edu.cn

2015-08-10，

2015-08-30