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) 國家同步輻射實驗室 合肥 230029）

HLS-II儲存環(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) 國家同步輻射實驗室 合肥 230029）

描述了一種基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的電子儲存環(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)庫討論了儲存環(huán)束流壽命、束流流強和真空壓強等數(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HLS-II自2014年調(diào)試以來的大量歷史數(shù)據(jù)進行了分析。HLS-II儲存環(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，且積分流強達到80 A·h 后動態(tài)真空度達到了設(shè)計要求。此分析方法處理快捷，自動化程度高，可幫助研究人員快速掌握儲存環(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。故研究電子儲存環(huán)真空環(huán)境與束流壽命之間的關(guān)系對于評估電子儲存環(huán)的運行狀態(tài)有著重要意義[1–2]。2010年初合肥光源進行了重大維修改造，改造后的合肥光源稱為HLS-II (Hefei Light Source II)。HLS-II自2014年1月份開始進行總體調(diào)試，2014年12月通過了總體工藝測試，2015年1月開始試運行。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)試以來各個子系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)。為分析HLS-II儲存環(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)庫的電子儲存環(huán)束流清洗狀況的分析方法，并對儲存環(huán)真空壓強、束流流強和束流壽命等歷史數(shù)據(jù)展開分析，為研究機器的人員快速掌握儲存環(huán)的束流清洗狀況提供了一種技術(shù)手段。

1 動態(tài)真空度與儲存環(huán)束流壽命的關(guān)系

1.1 光電解吸作用與束流清洗

電子儲存環(huán)運行時，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。光電子及次級電子轟擊真空室內(nèi)壁會導(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，電子儲存環(huán)在無束流狀態(tài)下的靜態(tài)真空度會比有束流狀態(tài)下的動態(tài)真空度差一個量級左右。然而，解吸氣體的量會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被逐漸釋放。故隨著電子儲存環(huán)的運行時間增加，動態(tài)真空度會逐漸變好，束流壽命變長，這種現(xiàn)象被稱為束流清洗作用[3]。

1.2 儲存環(huán)束流壽命分析

電子儲存環(huán)穩(wěn)定運行時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，每個束團電子密度均勻，不考慮束流閉軌畸變，Touschek壽命τT可簡化為[4]：

式中，k1為常數(shù)，與儲存環(huán)運行參數(shù)（如Beta函數(shù)、束流動力學(xué)孔徑）相關(guān)。

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

式中，P為動態(tài)真空度；P0為靜態(tài)真空度；I為流強；ΔP為光電解吸導(dǎo)致的壓強變化；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)，與儲存環(huán)參數(shù)（如Beta函數(shù)、束流動力學(xué)孔徑）有關(guān)，還和儲存環(huán)內(nèi)殘余氣體成分有關(guān)。

對于“女佛山后寺蕭澗秋”寄來的信,個個奇怪,連阿榮和學(xué)生。看完信后,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,請你到上海去找蕭先生回來。’”

考慮到HLS-II設(shè)計時動力學(xué)孔徑遠大于束團尺寸，量子壽命可以忽略。故束流壽命τ可表示為：

由于靜態(tài)真空度較動態(tài)真空度大約小1個量級，靜態(tài)真空度P0可以忽略；實際運行中，用儲存環(huán)平均真空壓強Pavg來表示動態(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存環(huán)束流清洗的理論基礎(chǔ)。當(dāng)儲存環(huán)以衰減方式運行時，在一次運行中ΔP/ΔI幾乎不變，I·τ近似為常數(shù)，可作為表征一次運行的參量。

2 數(shù)據(jù)處理與程序設(shè)計

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)。然而儲存環(huán)的每次運行都伴隨著一些隨機因素，其運行參數(shù)并不完全一致，因此只能選擇運行參數(shù)相近的數(shù)據(jù)進行分析。

HLS-II儲存環(huán)以衰減方式運行，運行狀態(tài)分為4種：關(guān)機、參數(shù)設(shè)置、注入和衰減運行。通常經(jīng)過短時間的參數(shù)設(shè)置和注入狀態(tài)后進入持續(xù)時間較長的衰減運行狀態(tài)。運行人員每次注入時會參考以前成功注入時的參數(shù)，通常可以認(rèn)為每次正常運行時的參數(shù)是相似的。

根據(jù)HLS-II的實際運行情況，每次注入后的峰值流強和儲存環(huán)處于衰減運行狀態(tài)的持續(xù)時間（以下簡稱衰減運行時段）可以作為數(shù)據(jù)選取的條件之一。例如HLS-II穩(wěn)定運行后，每次注入峰值流強都達到300 mA，且衰減運行時段都超過了4 h。如果峰值流強太低或者衰減運行時段太短，則很有可能是運行人員對儲存環(huán)進行調(diào)試所致。所以在數(shù)據(jù)處理時，若峰值流強太小或者持續(xù)時間太短，那么這個衰減運行時段的數(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.

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

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

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

束流壽命是通過束流流強的變化曲線的指數(shù)擬合而得到的，一些隨機擾動會帶來束流壽命的較大抖動。如圖2所示，盡管束流流強看起來平緩下降，但束流壽命的變化卻有明顯抖動。由于Touschek效應(yīng)的影響，隨著流強的下降，束流壽命會上升，且上升趨勢可近似為線性趨勢。因此，為避免隨機擾動所帶來的影響，對束流壽命進行線性擬合，取擬合之后對應(yīng)的壽命數(shù)據(jù)來計算參量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)為該時段內(nèi)儲存環(huán)運行不正常，并剔除該時段內(nèi)的數(shù)據(jù)。

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

圖3 與圖2時間相對應(yīng)的I·τ隨時間的變化Fig.3 Variation of I·τ corresponding to Fig.2.

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

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

(2) 選取指定流強對應(yīng)的數(shù)據(jù)點；

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

2.2 程序設(shè)計

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，包括峰值流強閾值、衰減運行持續(xù)時間閾值、插入件磁間隙閾值、流強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)庫中得到儲存環(huán)位于衰減運行狀態(tài)的起止時間，以及該時段內(nèi)的峰值流強(top-current)和磁間隙距離(ID gap)。如果峰值流強和磁間隙距離大于用戶設(shè)定的閾值，則讀取該時段內(nèi)的束流壽命數(shù)據(jù)，并對束流壽命進行線性擬合。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)，則選取流強指定值(Itarget)的時間點，然后取得擬合后位于該時間點的束流壽命，再插值計算得到該時間點的真空平均壓強，最后計算從起始時間到當(dāng)前選取時間點的積分流強。以上是一次衰減運行時段的數(shù)據(jù)處理流程，完成后程序開始下一個衰減運行時段的數(shù)據(jù)處理，直到截止時間為止。

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階段，第二階段的積分流強重新從零開始計算。對于每個階段的束流清洗，在初始時刻注入的峰值流強較低，大多低于200 mA，因此將流強指定值設(shè)為100 mA；之后注入峰值流強大多超過200 mA，因此將流強指定值設(shè)為200 mA。經(jīng)處理得到的I·τ和Pavg/I隨積分流強的變化結(jié)果見圖5和6，圖5對應(yīng)于束流清洗的第一階段，圖6對應(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，儲存環(huán)動態(tài)真空度相對很差，此時氣體散射效應(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，動態(tài)真空度逐漸變好。在束流清洗的第一階段，儲存環(huán)處于調(diào)試期，運行參數(shù)變化較大，因而圖5中顯示的I·τ數(shù)據(jù)點較為分散。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)計要求為300 mA流強下的平均動態(tài)真空度小于1.33×10–7Pa[8]。在束流清洗的第二階段，積分流強達到80 A·h后，300 mA流強下的動態(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隨積分流強的變化趨勢。本文提出的分析方法處理快捷、自動化程度高，可幫助研究人員快速掌握儲存環(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)計的方法，結(jié)合物理模型對大量歷史數(shù)據(jù)進行分析研究，對診斷加速器的運行狀態(tài)有著重要應(yīng)用價值。

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LIU Zuping. Synchrotron radiation light source introduction[M]. Heifei: Press of University of Science and Technology of China, 2009

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5 趙籍久, 尹趙升. 粒子加速器技術(shù)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006 ZHAO Jijiu, YIN Zhaosheng. Particle accelerator technology[M]. Beijing: Higher Education Press, 2006

6 王琳, 徐宏亮, 李為民, 等. 合肥光源超導(dǎo)扭擺磁鐵模式下線性光學(xué)參數(shù)補償[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2006, 40(4): 503–507

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8 王琳. HLS-II設(shè)計報告(內(nèi)部資料). 國家同步輻射實驗室, 2010

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