彭月梅

(中國科學院 高能物理研究所 粒子加速物理與技術重點實驗室，北京 100049)

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

HEPS儲存環(huán)周長1 360.4 m，采用了Hybrid-7BA結構，在設計中應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，甚至可達到34.2 pm·rad。HEPS由1臺500 MeV直線加速器、1條500 MeV的低能束流輸運線、1臺500 MeV～6 GeV的能量增強器、2條6 GeV的高能束流輸運線、1臺6 GeV的儲存環(huán)以及同步輻射光束線和實驗站組成。

本文進行HEPS低能束流輸運線的設計研究，低能束流輸運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傳輸?shù)皆鰪娖鞯淖⑷朦c，由于HEPS對于束流的傳輸效率有較高的要求，因此在設計低能束流輸運線時，除進行聚焦結構匹配和優(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的控制。

1 整體設計

HEPS布局如圖1所示。低能束流輸運線是連接直線加速器和增強器的束流傳輸線，在考慮建設布局限制的基礎上，對兩端的束流包絡進行匹配，并將直線加速器產生的束流高效率地傳輸?shù)皆鰪娖髯⑷朦c。直線加速器位于和增強器長直線節(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，同時出于造價和可靠性的考慮，HEPS增強器采用了水平偏轉Lambertson型切割磁鐵實現(xiàn)低能束流的注入，HEPS增強器低能注入?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，到達踢軌磁鐵處被踢平。為保證直線加速器和增強器基本處于同一水平面，低能束流輸運線布局中除水平偏轉二極磁鐵外，還應包含垂直二極磁鐵，使束流具有一定的垂直角度進入水平彎轉Lambertson磁鐵。低能束流輸運線上采用了3塊彎轉角度200 mrad的水平二極磁鐵使得直線加速器與增強器的長直線節(jié)保持平行。

圖1 HEPS布局示意圖Fig.1 Layout of HEPS

除布局考慮，低能束流輸運線的設計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器注入點的光學參數(shù)列于表1)，同時能有足夠的調節(jié)量用于束流包絡的調節(jié)?；谶@些考慮，對低能束流輸運線進行功能區(qū)分段設計，一方面能實現(xiàn)與直線加速器和增強器束流包絡的匹配，另一方面保留了消色散區(qū)域，能實現(xiàn)包絡函數(shù)的靈活調節(jié)，同時也為發(fā)射度測量元件提供了合適的位置。

2 Lattice設計

HEPS低能束流輸運線設計主要包含直線出口消色散注入匹配區(qū)、光學參數(shù)匹配區(qū)和輸出匹配區(qū)3個功能段。消色散注入匹配區(qū)先采用3塊四極磁鐵對直線加速器末端的光學參數(shù)進行調整，然后是1個簡單的DBA結構(2塊水平二極磁鐵+1塊四極磁鐵)實現(xiàn)消色散。光學參數(shù)匹配區(qū)由6塊四極磁鐵組成，此段區(qū)域內色散為零，理想情況下，調節(jié)包絡函數(shù)匹配段內的四極磁鐵強度對色散函數(shù)沒有作用，不會影響對注入點色散函數(shù)的匹配，所以可獨立用來調節(jié)包絡函數(shù)以應對注入點處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(由于磁鐵批量生產的問題，垂直二極磁鐵分成了兩塊，與增強器校正磁鐵相同)以及低能注入Lambertson組成。低能束流輸運線總長度約為25 m，Lattice設計時，水平和垂直方向的束流包絡函數(shù)限制在30 m內，水平方向的色散函數(shù)小于0.6 m，整個結構的磁聚焦結構和光學參數(shù)如圖3所示。

圖2 HEPS增強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器注入點參數(shù)Table 1 Parameters at the end of linac and injection point of booster

考慮到在輸運線中束流單次通過的特性，沒有束流壽命的限制，HEPS低能束流輸運線束流清晰區(qū)定義為±(3σ+4) mm，包含3倍的束團尺寸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，計算得到低能束流輸運線中沿束流運動方向的束流清晰區(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低能束流輸運線計劃采用內徑不小于30 mm的圓形真空盒。

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

3 誤差分析

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

圖4 低能束流輸運線束流清晰區(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)這些誤差源隨機生成100個種子，按照3σ誤差截斷，由這些誤差造成的x方向和y方向束流軌道畸變如圖5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低能束流輸運線上設置了8個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處的束流位置和角度分布分別如圖6、7所示，色散及其導數(shù)分別如圖8、9所示。所用的最大校正強度為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)定傳輸及增強器低能注入的要求。

4 總結

本文詳細介紹了HEPS低能束流輸運線的設計，在HEPS增強器低能注入采用Lambertson型切割磁鐵的情況下，為保持直線加速器與增強器基本位于同一水平面，設計中采用了垂直和水平彎轉二極磁鐵交叉的結構。低能束流輸運線的設計采用了功能區(qū)劃分，為發(fā)射度測量元件預留了消色散匹配段，同時保留了足夠的光學參數(shù)調節(jié)靈活性。此外，本文對設計方案選擇以及誤差等多方面進行了詳細介紹，對未來其他電子機器低能束流輸運線的設計以及誤差分析具有指導和借鑒意義。

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線束流軌道Fig.6 Low energy beam transport line beam trajectory after correction

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

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

a——校正后增強器注入點水平色散函數(shù)導數(shù)分布；b——校正后增強器注入點垂直色散函數(shù)導數(shù)分布圖9 校正后增強器注入點色散函數(shù)導數(shù)分布Fig.9 Distribution of dispersion deviation at booster injection point after correction