高能同步輻射光源低能束流輸運(yùn)線設(shè)計(jì)研究

彭月梅

(中國科學(xué)院 高能物理研究所 粒子加速物理與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049)

近年來，許多國家準(zhǔn)備建造或?qū)⒁延袡C(jī)器升級(jí)到自然發(fā)射度為10～100 pm·rad量級(jí)的超低發(fā)射度衍射極限光源，如美國的APS-U[1]、歐洲的ESRF-EBS[2]等，我國也準(zhǔn)備建造一臺(tái)超低發(fā)射度光源——高能同步輻射光源(HEPS，High Energy Photon Source)[3]。

HEPS儲(chǔ)存環(huán)周長1 360.4 m，采用了Hybrid-7BA結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)用了縱向梯度二極磁鐵[4]、反向二極磁鐵[5]等，將束流自然水平發(fā)射度降到了60 pm·rad以下，甚至可達(dá)到34.2 pm·rad。HEPS由1臺(tái)500 MeV直線加速器、1條500 MeV的低能束流輸運(yùn)線、1臺(tái)500 MeV～6 GeV的能量增強(qiáng)器、2條6 GeV的高能束流輸運(yùn)線、1臺(tái)6 GeV的儲(chǔ)存環(huán)以及同步輻射光束線和實(shí)驗(yàn)站組成。

本文進(jìn)行HEPS低能束流輸運(yùn)線的設(shè)計(jì)研究，低能束流輸運(yùn)線的作用是將直線加速器中加速到500 MeV能量的電子束流穩(wěn)定高效地從直線加速器的終點(diǎn)傳輸?shù)皆鰪?qiáng)器的注入點(diǎn)，由于HEPS對(duì)于束流的傳輸效率有較高的要求，因此在設(shè)計(jì)低能束流輸運(yùn)線時(shí)，除進(jìn)行聚焦結(jié)構(gòu)匹配和優(yōu)化外，也著重考慮束流清晰區(qū)的選取以及各類誤差效應(yīng)的控制。

1 整體設(shè)計(jì)

HEPS布局如圖1所示。低能束流輸運(yùn)線是連接直線加速器和增強(qiáng)器的束流傳輸線，在考慮建設(shè)布局限制的基礎(chǔ)上，對(duì)兩端的束流包絡(luò)進(jìn)行匹配，并將直線加速器產(chǎn)生的束流高效率地傳輸?shù)皆鰪?qiáng)器注入點(diǎn)。直線加速器位于和增強(qiáng)器長直線節(jié)接近于平行的方位，為保證能將注入束流軌道與循環(huán)束軌道分離，同時(shí)出于造價(jià)和可靠性的考慮，HEPS增強(qiáng)器采用了水平偏轉(zhuǎn)Lambertson型切割磁鐵實(shí)現(xiàn)低能束流的注入，HEPS增強(qiáng)器低能注入?yún)^(qū)元件布局如圖2所示。根據(jù)束流清晰區(qū)要求以及低能注入系統(tǒng)布局，在切割磁鐵的出口處束流有垂直角度約9.1 mrad，到達(dá)踢軌磁鐵處被踢平。為保證直線加速器和增強(qiáng)器基本處于同一水平面，低能束流輸運(yùn)線布局中除水平偏轉(zhuǎn)二極磁鐵外，還應(yīng)包含垂直二極磁鐵，使束流具有一定的垂直角度進(jìn)入水平彎轉(zhuǎn)Lambertson磁鐵。低能束流輸運(yùn)線上采用了3塊彎轉(zhuǎn)角度200 mrad的水平二極磁鐵使得直線加速器與增強(qiáng)器的長直線節(jié)保持平行。

圖1 HEPS布局示意圖Fig.1 Layout of HEPS

除布局考慮，低能束流輸運(yùn)線的設(shè)計(jì)還要滿足束流的色散函數(shù)及橫向相空間匹配的物理要求(直線加速器出口和增強(qiáng)器注入點(diǎn)的光學(xué)參數(shù)列于表1)，同時(shí)能有足夠的調(diào)節(jié)量用于束流包絡(luò)的調(diào)節(jié)?；谶@些考慮，對(duì)低能束流輸運(yùn)線進(jìn)行功能區(qū)分段設(shè)計(jì)，一方面能實(shí)現(xiàn)與直線加速器和增強(qiáng)器束流包絡(luò)的匹配，另一方面保留了消色散區(qū)域，能實(shí)現(xiàn)包絡(luò)函數(shù)的靈活調(diào)節(jié)，同時(shí)也為發(fā)射度測量元件提供了合適的位置。

2 Lattice設(shè)計(jì)

HEPS低能束流輸運(yùn)線設(shè)計(jì)主要包含直線出口消色散注入匹配區(qū)、光學(xué)參數(shù)匹配區(qū)和輸出匹配區(qū)3個(gè)功能段。消色散注入匹配區(qū)先采用3塊四極磁鐵對(duì)直線加速器末端的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，然后是1個(gè)簡單的DBA結(jié)構(gòu)(2塊水平二極磁鐵+1塊四極磁鐵)實(shí)現(xiàn)消色散。光學(xué)參數(shù)匹配區(qū)由6塊四極磁鐵組成，此段區(qū)域內(nèi)色散為零，理想情況下，調(diào)節(jié)包絡(luò)函數(shù)匹配段內(nèi)的四極磁鐵強(qiáng)度對(duì)色散函數(shù)沒有作用，不會(huì)影響對(duì)注入點(diǎn)色散函數(shù)的匹配，所以可獨(dú)立用來調(diào)節(jié)包絡(luò)函數(shù)以應(yīng)對(duì)注入點(diǎn)處Twiss參數(shù)的改變，發(fā)射度測量元件也放在此區(qū)域。輸出匹配區(qū)包含1塊水平彎轉(zhuǎn)二極磁鐵、3塊四極磁鐵、2塊垂直二極磁鐵(由于磁鐵批量生產(chǎn)的問題，垂直二極磁鐵分成了兩塊，與增強(qiáng)器校正磁鐵相同)以及低能注入Lambertson組成。低能束流輸運(yùn)線總長度約為25 m，Lattice設(shè)計(jì)時(shí)，水平和垂直方向的束流包絡(luò)函數(shù)限制在30 m內(nèi)，水平方向的色散函數(shù)小于0.6 m，整個(gè)結(jié)構(gòu)的磁聚焦結(jié)構(gòu)和光學(xué)參數(shù)如圖3所示。

圖2 HEPS增強(qiáng)器低能注入布局示意圖Fig.2 Layout of low energy injection system of HEPS booster

表1 直線加速器末端和增強(qiáng)器注入點(diǎn)參數(shù)Table 1 Parameters at the end of linac and injection point of booster

考慮到在輸運(yùn)線中束流單次通過的特性，沒有束流壽命的限制，HEPS低能束流輸運(yùn)線束流清晰區(qū)定義為±(3σ+4) mm，包含3倍的束團(tuán)尺寸σ和4 mm的誤差容忍空間。根據(jù)直線加速器提供的40 mm·mrad歸一化束流發(fā)射度，計(jì)算得到低能束流輸運(yùn)線中沿束流運(yùn)動(dòng)方向的束流清晰區(qū)如圖4所示。水平方向需要的束流清晰區(qū)為±15 mm，垂直方向需要的束流清晰區(qū)為±14 mm。水平和垂直方向束流清晰區(qū)相差不多，因此，HEPS低能束流輸運(yùn)線計(jì)劃采用內(nèi)徑不小于30 mm的圓形真空盒。

圖3 低能束流輸運(yùn)線元件布局及束流光學(xué)參數(shù)Fig.3 Layout and optics parameters of low energy beam transport line

3 誤差分析

由于低能束流輸運(yùn)線的制造與安裝不可避免存在誤差，二極場誤差會(huì)使束流偏離理想軌道，四極場誤差會(huì)引起束流包絡(luò)變化等，引起束流在低能束流輸運(yùn)線中的傳輸效率降低以及增強(qiáng)器低能注入過程中注入效率降低，因此需對(duì)誤差造成的影響進(jìn)行分析。磁鐵的安裝誤差、準(zhǔn)直誤差、磁場誤差列于表2。

圖4 低能束流輸運(yùn)線束流清晰區(qū)Fig.4 Beam stay clear region of low energy beam transport line

表2 磁鐵的安裝誤差、準(zhǔn)直誤差及磁場誤差Table 2 Location tolerance, collimation tolerance and field error

直線加速器出口束流的能量和位置也存在不可避免的誤差，直線加速器注入束流穩(wěn)定性列于表3。

表3 直線加速器束流穩(wěn)定性Table 3 Beam stability from linac

根據(jù)這些誤差源隨機(jī)生成100個(gè)種子，按照3σ誤差截?cái)啵蛇@些誤差造成的x方向和y方向束流軌道畸變?nèi)鐖D5所示，x方向軌道最大值約為15 mm，y方向軌道最大值約為10 mm。

為使束流安全通過，HEPS低能束流輸運(yùn)線上設(shè)置了8個(gè)BPM，水平和垂直各6塊校正磁鐵用于束流軌道校正，校正后的軌道以及注入點(diǎn)處的束流位置和角度分布分別如圖6、7所示，色散及其導(dǎo)數(shù)分別如圖8、9所示。所用的最大校正強(qiáng)度為2.5 mrad，校正后水平和垂直軌道的最大值均不超過1.5 mm，注入點(diǎn)處束流位置偏差小于0.25 mm，角度偏差小于0.31 mrad，殘余色散函數(shù)小于0.2 m，能滿足束流穩(wěn)定傳輸及增強(qiáng)器低能注入的要求。

4 總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了HEPS低能束流輸運(yùn)線的設(shè)計(jì)，在HEPS增強(qiáng)器低能注入采用Lambertson型切割磁鐵的情況下，為保持直線加速器與增強(qiáng)器基本位于同一水平面，設(shè)計(jì)中采用了垂直和水平彎轉(zhuǎn)二極磁鐵交叉的結(jié)構(gòu)。低能束流輸運(yùn)線的設(shè)計(jì)采用了功能區(qū)劃分，為發(fā)射度測量元件預(yù)留了消色散匹配段，同時(shí)保留了足夠的光學(xué)參數(shù)調(diào)節(jié)靈活性。此外，本文對(duì)設(shè)計(jì)方案選擇以及誤差等多方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)未來其他電子機(jī)器低能束流輸運(yùn)線的設(shè)計(jì)以及誤差分析具有指導(dǎo)和借鑒意義。

a——校正前水平方向軌道；b——校正前垂直方向軌道圖5 加入誤差后低能束流輸運(yùn)線束流軌道Fig.5 Low energy beam transport line beam trajectory with errors

a——校正后水平方向軌道；b——校正后垂直方向軌道圖6 校正后低能束流輸運(yùn)線束流軌道Fig.6 Low energy beam transport line beam trajectory after correction

a——校正后增強(qiáng)器注入點(diǎn)束流位置分布；b——校正后增強(qiáng)器注入點(diǎn)束流角度分布圖7 校正后增強(qiáng)器注入點(diǎn)束流位置和角度分布Fig.7 Distributions of beam position and angle at booster injection point after correction

a——校正后增強(qiáng)器注入點(diǎn)水平色散分布；b——校正后增強(qiáng)器注入點(diǎn)垂直色散分布圖8 校正后增強(qiáng)器注入點(diǎn)色散函數(shù)分布Fig.8 Distribution of dispersion at booster injection point after correction

a——校正后增強(qiáng)器注入點(diǎn)水平色散函數(shù)導(dǎo)數(shù)分布；b——校正后增強(qiáng)器注入點(diǎn)垂直色散函數(shù)導(dǎo)數(shù)分布圖9 校正后增強(qiáng)器注入點(diǎn)色散函數(shù)導(dǎo)數(shù)分布Fig.9 Distribution of dispersion deviation at booster injection point after correction