上海光源直線加速器的弱流強(qiáng)運(yùn)行

汪寶亮 林國強(qiáng) 顧 強(qiáng) 趙明華

(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800)

上海光源(SSRF)是一臺高性能的中能第三代同步輻射光源，包括一臺150 MeV的電子直線加速器、一臺能在0.5 s內(nèi)把電子束從150 MeV加速至3.5 GeV全能量的增強(qiáng)器、一臺3.5 GeV的高性能電子儲存環(huán)及首批建成的7+1條光束線站[1]。隨著科研的發(fā)展，同步輻射光源用戶對束流穩(wěn)定性提出更多、更高要求以滿足快速、高分辨率、高光強(qiáng)敏感度實(shí)驗(yàn)的要求。第三代光源都采用不同的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)了各自的束流穩(wěn)定性要求，其中恒流運(yùn)行(Top-up)是近年來的熱點(diǎn)，是第三代同步輻射光源實(shí)現(xiàn)高性能指標(biāo)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一[2,3]。恒流運(yùn)行模式定義為：在保證各用戶可連續(xù)用光的同時，加速器采用頻繁注入方式，使束流流強(qiáng)保持在較高水平上，而不隨時間衰減[4]。Top-up注入模式要求直線加速器以弱流強(qiáng)運(yùn)行，使儲存環(huán)中束流流強(qiáng)恒定，有效地確保同步輻射光強(qiáng)度穩(wěn)定[5]。表1列出了和上海光源能量相近的幾家第三代光源的基本參數(shù)。本文介紹上海光源直線加速器的弱流強(qiáng)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)。

表1 上海光源能區(qū)附近的三代光源參數(shù)[6]Table 1 Parameters of the third generation light sources in energies in the vicinity of SSRF.

1 直線加速器弱流強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法

實(shí)現(xiàn)直線加速器弱流強(qiáng)運(yùn)行的方法有：(1) 減小電子槍的燈絲電流，使電子槍的發(fā)射電流減小；(2) 加大電子槍的柵偏壓，使逸出的電子數(shù)減少；(3)將直線加速器各部件間的相位錯開，使傳輸效率降低，減小流強(qiáng)；(4) 在電子槍出口處，束流還未進(jìn)入主加速段時，將束流散開，使源頭通過的束流變小。

方法(1)和(2)均系從源頭調(diào)節(jié)電子槍以實(shí)現(xiàn)弱流強(qiáng)，它們的優(yōu)點(diǎn)是輻射劑量小，初始電子束調(diào)至很小，流強(qiáng)自然會減弱，但此時的電子槍工作于非正常狀態(tài)，長時間運(yùn)行對其損害較大，影響其使用壽命，且此狀態(tài)下的電子槍需較長時間方能達(dá)到發(fā)射水平平衡。

方法(3)不影響電子槍，但整個調(diào)節(jié)過程時間長、重復(fù)性差，電離輻射劑量會加大，因?yàn)榇蟛糠蛛娮邮蛟谇槐谏稀?/p>

方法(4)是調(diào)節(jié)電子槍后的三個聚焦用電磁短透鏡以減小束流，此時電子束能量低，打在腔壁上的劑量極微，操作重復(fù)性好，僅需調(diào)節(jié)三個短透鏡的電流，實(shí)現(xiàn)弱流強(qiáng)的時間較短。

經(jīng)反復(fù)的物理計算論證與實(shí)驗(yàn)測試對比，選定使用方法(4)實(shí)現(xiàn)上海光源直線加速器的弱流強(qiáng)運(yùn)行。該方法的流強(qiáng)可按實(shí)際需要作方便調(diào)節(jié)，對電子槍本身和加速結(jié)構(gòu)危害最小，對周邊環(huán)境輻射劑量最小。

2 上海光源的弱流強(qiáng)運(yùn)行

2.1 弱流強(qiáng)運(yùn)行的試驗(yàn)

上海光源直線加速器的電子槍后連續(xù)有三個短透鏡，用于調(diào)節(jié)電子束包絡(luò)，使電子束穩(wěn)定地進(jìn)入主加速段。按該直線加速器的設(shè)計指標(biāo)，電荷量為1 nC時，1、2、3號透鏡的電流值分別為2.45、1.63、1.70 A。在此運(yùn)行狀態(tài)下，調(diào)節(jié)這三個短透鏡，使直線加速器上的3個BPM讀數(shù)(BPM 1在聚束器后，BPM 2在第二根加速管后，BPM 3在第四根加速管后)分別達(dá)0.5、0.3、0.1 nC。其中0.1 nC的電荷量如圖1所示， 此時三個短透鏡電流值均為0 A；0.5 nC時，三個短透鏡電流分別為2.45、1.15、0 A。

2.2 弱流強(qiáng)的束流動力學(xué)模擬

用束流動力學(xué)模擬軟件Parmela對0.1 nC電荷量下直線束流情況的模擬結(jié)果如圖2所示。圖2(a)是束流在直線加速器中的橫向運(yùn)動情況，粒子可很好的通過該直線加速器；圖2(b)是該直線加速器出口處束流的相空間分布，可見有96%(1034/1080)的電子橫向能順利通過該直線加速器，出口的能量為158.329 MeV，與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果吻合。模擬表明，該直線加速器可穩(wěn)定可靠地運(yùn)行在0.1 nC。

圖2 0.1 nC時粒子的橫向情況(a)和直線加速器出口束流(b)Fig.2 Particle transverse situation (a) and beam current of the linac at 0.1 nC.

2.3 弱流強(qiáng)運(yùn)行值的確定

上海光源的Top-up注入模式選用0.1 nC電荷量時的數(shù)據(jù)運(yùn)行，此時，直線加速器運(yùn)行在0.1 nC的弱束流狀態(tài)下，這樣可使儲存環(huán)中束流流強(qiáng)恒定，且注入過程對束流和供光的影響最小，從而確保同步輻射光強(qiáng)度穩(wěn)定。要進(jìn)入該運(yùn)行模式，只需關(guān)閉電子槍后的三個短透鏡，就可輕松實(shí)現(xiàn)該流強(qiáng)，重復(fù)性好。0.1 nC直線加速器的能量和能散情況如圖3所示，X和Y方向的束流發(fā)射度如圖4所示。由圖可見，直線加速器在0.1 nC工作時，能量為158.30 MeV，能散為0.35%，X和Y方向的歸一化發(fā)射度為201和179，這些運(yùn)行參數(shù)滿足上海光源直線加速器運(yùn)行指標(biāo)，表明上海光源直線加速器在該狀態(tài)下可穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

圖3 0.1 nC直線加速器出口能量和能散Fig.3 Energy and energy spread of linac outlet at 0.1 nC.

圖4 0.1 nC時X和Y方向的束流發(fā)射度Fig.4 X and Y emittance at 0.1 nC.

3 結(jié)語

通過弱流強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法比較、物理模擬計算和實(shí)際帶束流的弱流強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，對0.1 nC流強(qiáng)時，直線加速器各運(yùn)行參數(shù)的測試，確定了上海光源Top-up注入模式選用的直線加速器的運(yùn)行參數(shù)，在該組運(yùn)行參數(shù)下，直線加速器的電荷量為0.1 nC，能量為158.3 MeV，能散為0.35%，X和Y方向的歸一化發(fā)射度分別為201和179，完全可滿足上海光源Top-up模式的運(yùn)行要求。目前，上海光源Top-up模式的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行已完成，表明直線加速器運(yùn)行參數(shù)選擇正確。

1 上海光源工程總體組. 上海光源SSRF國家重大科學(xué)工程設(shè)計報告[R]. 2005, 1–27

The project overall group of SSRF. The SSRF major national scientific and engineering design report[R]. 2005, 1–27

2 Date S, Kumagai K. Operation and performance of the spring-8 storage ring[C]. PAC99, 1999

3 Emery L, Borland M. Top-up operation experience at the advanced photon source[C]. PAC99, 1999

4 Conceptual design report of the Top-off upgrade of the advanced light source at Lawrence Berkeley National Laboratory[R]. LBNL/PUB-5506, 2004

5 TAKAO M. Control of Top-up injection at the spring-8 storage ring[R]. 104theastern conference information, 2007

6 梁永男. 上海光源恒流運(yùn)行模式研究[D], 2010, 1–3

LIANG Yongnan, Study on Top-up mode of SSRF[D]. 2010, 1–3