Transcript 2 - 国家同步辐射实验室

注入引出系统实例之二 TPS
NIMA 709 (2013)
TLS & TPS
NIMA 05.063 (2014)
3 GeV, 518.4 m, 500 mA
Natural emittance: 1.6 nm-rad
Straight sections:
7 m (x 18); 12 m (x 6)
冲击磁铁参数
NIMA 709 (2013)
Parameter
Booster injection Booster extraction SR injection
kicker
kicker
kicker
Vacuum design
Electron energy (GeV)
Bend angle (mrad); [max]
Length (m)
Nominal field (T); [max]
Inductance (μH)
Nominal current (A);
[max]
Pulse shape
Rise time, 5–95% (ns)
Fall time, 5–95% (ns)
Pulse duration (μs)
In-vacuum
0.15
16; [30]
0.5
0.016; [0.03]
1.62
267; [501]
In-vacuum
3
2.6; [4]
1.0
0.026; [0.04]
1.89
372; [573]
Outside vacuum
3
4.5; [9.6]
0.6
0.075; [0.16]
2.35
2208; [4710]
Flat top
–
<400
1.0
Flat top
<400
–
1.0
Half sine
–
–
5.18
切割磁铁参数
NIMA 709 (2013)
Parameter
Booster
injection
septum
Booster
extraction
septum
SR
injection
septum
DC septum
Vacuum design
Outside
vacuum
Outside
vacuum
Outside
vacuum
Outside
vacuum
Magnet design
Direct drive
type
Direct drive
type
Direct drive
type
–
Bend angle (mrad); [max]
209.44; [314]
55.5; [66.5]
55.5; [66.5]
80.5; [88.6]
Length (m)
0.8
0.8
0.8
0.8
Nominal field (T); [max]
0.131; [0.196]
0.694; [0.831]
0.694;
[0.831]
1.006; [1.108]
Nominal current (A);
[max]
2292; [3436]
8281; [9922]
8281; [9922]
12011; [13220]
Pulse shape
Half sine
Half sine
Half sine
DC
Pulse duration (us)
500
500
500
–
注入引出系统实例之二 TPS
粉红色、红色真空室边界
绿色、蓝色环内束流轨道
NIMA
709
(2013)
NIMA
709
(2013)
NIMA 709 (2013)
NIMA 05.063 (2014)
 切割铁置于真空室外
 铁芯长度0.8m 硅钢片 0.35mm
 切割铁内不锈钢真空管厚度0.4mm,减小管道对磁场的屏
蔽。
 双金属法兰同时焊接两种金属管道（不锈钢、铝）
 可烘烤温度150度
 漏场 10 G*cm
切割磁铁横截面
储存环注入
双金属法兰
增能器引出
增能器注入
可调谐平台
NIMA 709 (2013)
可旋转平台
NIMA 709 (2013)
冲击磁铁及真空室
京瓷陶瓷管
铁氧体CMD5005
磁铁可遥控旋转
（3mrad, resolution 0.2 rad）
镀膜 2 m Ti
衰减1% 延迟250ns
小结
SSRL 与TPS 注入引出系统主要异同
 环注入脉冲磁铁都在一个12米长的直线段内；
 冲击磁铁技术方案类似；
 切割磁铁与真空室技术方案不同；
eddy current
脉宽 60 s
真空室内
叠片放气率高
电流板振动
direct drive
脉宽 500 s
真空室外
结构设计、焊接难
绝缘 、冷却
准恒流Top-off注入模式
在同步辐射光源中，Top-off注入是指在不关闭光束线光闸、不
中断用户实验的情况下，不断向储存环补充电流，使光源运行在准
恒流状态下。
top-off调试模式
decay模式
Top-off注入模式示意图
束流寿命 τ，
运行流强 I0
流强调整 δI
I
I0

Ttop

Q  ITr 
I 0 T to p T r

以目前的合肥光源（HLS）储存环
为例，回旋周期0.22μs，运行平均
流强300mA，寿命8小时，则每4.8
分钟向环内注入0.66nc的电子，则
电流波动约为1%
Top-off注入运行模式的优点
提高积分流强和轨道稳定性而不受储存环束流寿命的
限制；
解决光束线上光学元件因热负载效应引起的光斑不稳
定性。
相对于传统每隔数小时注入一次的decay模式，光源
可以工作于更低的发射度模式、可以采用更小的插入件
间隙、采用更灵活的束团填充模式.
同步辐射光源Top-off注入运行状况
Facilty
Energy
[GeV]
Stored
Current
[mA]
Emittance
[nm.mrad]
Injector
Injection
Efficiency
Current
Stability
Operatinal
Status
Top-off
APS
7
102
3
7GeV
Boost.
80 - 100%
±0.4mA
Oper.
(1996)
Oper. (2001)
SLS
2.4
(2.7)
400
5
2.7GeV
Boost.
90 -100%
0.3%
Oper.
(2001)
Oper. (2001)
SPring-8
8
99.8
3.2
8GeV
Boost.
>80%
0.03%
Oper.
(1997)
Oper. (2004)
TLS
1.5
300
(360)
25
1.5GeV
Boost.
>70%
±0.2%
Oper.
(1993)
Oper. (2005)
其他 第三代光源陆续投入top-off运行。
Status
Top-off注入运行的条件




需要满能量注入器
稳定的注入束流、高的注入效率
对存储束流扰动小
可靠的辐射剂量安全连锁
新建光源将top-off模式设计为标准运行模式
SLS TPS NSLS-II
实现Top-off运行采取的改进措施
 改进注入器(injector)，提高注入束流品质。
 抑制存储束流残余振荡，减少脉冲磁铁误差
 在输运线安装 collimation system
 降低色品，使用快速校正 BBF bunch-by-bunch feedback
 优化凸轨内的六极铁参数
 尝试新注入方法，PSM PQM
Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 020705 (2010)
单脉冲多极磁铁注入法
Phys. Rev. ST Accel. Beams 10, 123501 (2007)
“轴上注入法”采用的是二极磁场，不可避免地会对已存储束流造
成扰动，不能积累束流，只能单次运行。
“单脉冲多极磁铁注入”很像是“轴上注入法”，但采用脉冲多极
场，磁场在束流轨道近似为零，只是利用离轴的By对注入束流的偏转作
用，对已存储束流几乎无扰动。脉冲多极场时间宽度小于回旋周期，可
重复注入累积束流。
归一化相空间 Normalised phase space
Real phase space
x’
x'max   

1

 



1
Normalised phase space
P
Pmax  A

x

X
Area = pA2
Area = p
xmax  ε β
X max  A
ε  γ  x 2  2α  x  x'  β  x' 2
变量代换

A2  X 2  P 2
Courant-Synder 不变量
Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 020705 (2010)
相移
Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 020705 (2010)
六极磁场
四极磁场
θ  -K1 x1
K1  Bl Bρ
Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 020705 (2010)
Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 020705 (2010)
四极磁场和六极磁场比较
设两者在注入束流位置x1处产生
同样大小的场，令
在存储束流处产生的场
PF环PSM位置的选取
Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 020705 (2010)
Ainj2= 67mm*mrad
Ared2=20mm*mrad
PSM05 12.66米 相移 360+118.1度
Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 020705 (2010)
K2=13m-2 B''=416T/m2 l=0.3m
Bl=120Gauss m
3000A 4.3H
2.4s
Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 020705 (2010)
存储束流残余振荡测量比较
850m
180m
130m
40m
IPAC2011 THPO024
其他实验室应用情况：
非线性脉冲磁铁
BESSY II
ALS
MAX-IV
NSLS-II
单脉冲多极磁铁注入法总结
优点：
减少了脉冲磁铁、脉冲电源、陶瓷真空管数量，避免
了使用多块磁铁时磁铁之间因脉冲时间、波形、幅度
差异引起的误差，提高注入效率及减少对储存环束流
的扰动。
缺点
磁铁位置及强度依赖于lattice，不利于调节lattice,
只能进行单圈注入，波形窄、对脉冲电源要求高；对
安装误差的要求高。仍需更多加速器应用验证。
注入引出脉冲电源
基本原理：
一段预先充电的传输线(PFL)对匹配负载放
电可形成理想的矩形脉冲。
I 
1U
2 Z
τp 
2l
v
a
b
脉冲形成网络（PFN）
可用人工线(PFN)代替(PFL)形成脉冲
A PFN is an artificial coaxial cable made of lumped elements
集中参数型冲击磁铁（lumped inductance kicker）电源
磁铁和匹配电阻串联，上升时间正比于 Lm/Z，电源和磁铁距离要
安装得很靠近以减少分布电感。
经验： 脉宽越窄、上升时间越短，则阻抗越高、充电电压越高.
τr 
L
Z
正弦波脉冲电源
半正弦波形，只需要一个电容取代PFL，形成单节
PFN谐振电路。
传输线型冲击磁铁 （transmission line kicker ）电源
DC-HV Coax
Thyratron switch Coax cable
to kicker
Power Cable
with coaxial
magnet
Supply or PFN mounting
Kicker
Z termination
magnet
Constructed
as delay line
传输线型kicker的优点是：
l 上升沿短（<0.1s）
l 波形顶部波动小，
l 匹配连接，电源和磁铁可以相距很远。
缺点是：
l HV电压须两倍于脉冲电压值，
l 结构复杂、造价昂贵，终端匹配电阻电感小。
PFL
PFN
LHC transmission line kicker magnet
放电开关 （switch ）
semiconductor
switches
rise-time ≥ 1μs，32kA/μs
Three-gap thyratrons can hold-off 80kV
and switch 6kA of current with a 30ns
rise-time (10% to 90%) [~150kA/μs].
脉冲电源实例
快循环同步加速器（RCS）引出Kicker磁铁电源
引出脉冲电源参数
充电电压
电流峰值
顶部宽度
脉冲上升时间
顶部平坦度
磁铁电感
40kV
6000A
>600ns
<250ns
<5%
0.58uH*2
设计方案
Blumlein 双段传输线放电
R  2Z
负载得到的电压
和充电电压相同
8.0KA
4.0KA
I 
0A
0s
1.0us
2.0us
-I(R2)
Time
3.0us
U
R
7000
C=5nF
15 section PFN L=195.3nH
Vc=36.5KV
Lcable=100m
6000
magnet current / A
电路原理图
5000
4000
3000
2000
1000
模拟波形
13 section PFN
0
-1000
500
1000
1500
time / ns
2000
2500
3000
陶瓷真空室
Ceramic Chamber
ferrite core
coil
在冲击磁铁内使用陶瓷真空室，原因是使脉冲磁场能够穿透真
空室壁，避免使用金属管道时对磁场波形造成的衰减与畸变，同时
陶瓷内壁的金属薄膜能够提供壁电流的通路、减少束流耦合阻抗。
对于均匀镀膜的圆形管道，由于涡流的作用，
外加阶跃磁场的延时可表示为：
2RS
B
 6.28 ns r[cm] / RS [ / sq.]
0.12
B (Tesla)

0r
0.08
0.04
0.00
0
1
2
time (s)
3
4
5
采用带有绝缘条纹的镀膜方式可以有效地减少涡流
及场畸变，和均匀镀膜相比也能改善场的均匀性
谢 谢 ！