电子储存环中残余气体散射的相关研究

摘要

加速器的组成系统中一个重要的环节就是真空系统。束流电子与残余气体分子之间的相互作用可降低束流品质，对于粒子做回旋运动的储存环来说，更是如此，束流的寿命大多受到真空环境的限制。但除此之外，储存环中的残余气体散射还可能改变粒子的分布情况，引起束流发射度的增长。
　　在传统的关于残余气体研究中，最常用的方法是理论解析，但往往仅对束流的残余气体相关寿命进行分析，给出一些理论的推导和公式。近年来，开始有少数或个别研究尝试采用MCC模拟计算束流寿命。遗憾的是，在对以往的残余气体散射相关研究进行调研时并没有发现针对残余气体散射对粒子分布和束流发射度的具体分析。
　　本论文采用PIC-MCC方法，对电子储存环中的残余气体散射进行模拟探究。从另一方面考虑，先进光源相比之前的同步辐射光源，插入元件更多，发射度更低，更容易受到残余气体散射的影响。因此，为了更好突出残余气体散射对束流的影响，我们以国家同步辐射实验室设计中的超低发射度光源——合肥先进光源（Hefei Advanced Light Source，简称HALS）为模拟对象。合肥先进光源(HALS)属于低能衍射极限储存环，其目标发射度达到几十pm·rad量级，如果能够成功实现运行将处于世界先进水平。
　　为了能够模拟到残余气体散射对粒子分布和束流发射度的影响，我们不能像以往的研究只考虑能引起粒子丢失的散射。因此，我们选择了合适的散射截面和散射角抽样方法，这样模拟中我们便包含了所有角度大小的残余气体散射。
　　另外，以往对残余气体库伦散射的理论研究和模拟计算中，只是对发生碰撞的电子在偏转角度上一个“kicker”。本论文中，我们推导出了适用于电子储存环中电子与残余气体分子发生库伦散射的碰撞公式，用于计算碰撞后束流电子的动量，真实还原了束流电子气体散射的过程。
　　从对合肥先进光源(HALS)的模拟结果来看，我们不仅得到了非常合乎理论计算寿命的模拟寿命，而且还显示由于残余气体散射的影响粒子在横向的密度分布出现了一条拖尾，以及引发了束流发射度的增长。并通过对发生散射的电子位置进行统计分析，得出了发生散射的电子对寿命、粒子分布拖尾和束流发射度各自做出了多少贡献。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 同步辐射光源

1．2 合肥同步辐射光源

1．2．1 第一代合肥光源(HLS)

1．2．2 合肥光源重大维修改造工程(HLSⅡ)

1．3 第四代光源——相干光源

1．4 合肥先进光源(HALS)

1．5 课题研究意义与现状

1．5．1 研究意义

1．5．2 研究现状

1．6 论文的主要内容及创新点

1．6．1 论文的组织结构

1．6．2 创新点介绍

参考文献

第二章 储存环中带电粒子的运动

2．1 生成函数(Generation Function)介绍

2．2 储存环中的哈密顿量(Hamilton)

2．3 由哈密顿i(Hamilton)给出储存环的传输映射

2．4 线性传输矩阵

2．5 电子的横向运动方程

2．6 相空间椭圆

2．7 束流发射度

2．7．1 束流发射度的定义

2．7．2 统计类高斯分布束团的尺寸

参考文献

第三章 残余气体散射的理论研究

3．1 真空的基本概念

3．1．1 真空的基本概念

3．1．2 残余气体密度的计算

3．2 残余气体散射理论基础

3．3 储存环中与气体散射相关的参数

3．3．1 有效氮气压

3．3．2 储存环的限制条件

3．4 与残余气体有关的束流寿命

3．4．1 束流寿命

3．4．2 与残余气体散射有关的束流寿命

参考文献

第四章 PIC-MCC方法模拟气体散射效应

4．1 模拟的理论基础(PIC-MCC)

4．1．1 PIC方法

4．1．2 MCC方法

4．1．3 PIC-MCC方法

4．2 电子与气体分子之间的碰撞

4．2．1 弹性碰撞

4．2．2 轫致辐射

4．3 模拟方法的描述

4．3．1 宏粒子模型简介

4．3．2 气体散射模拟方法

4．4 本章小结

参考文献

第五章 模拟结果分析

5．1 模拟参数的选择

5．1．1 初始宏粒子数的选择

5．2．2 损失能量最小值的选择

5．2 模拟流程

5．3 类高斯分布束团尺寸的验证

5．3．1 标准的高斯分布验证

5．3．2 验证不加入气体散射时跟踪n个粒子的x方向尺寸

5．3．3 适合加入气体散射后的统计方法

5．4 主要数据结果分析

5．4．1 束流寿命的模拟

5．4．2 对束团分布的影响

5．4．3 对发射度的影响

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

在攻读博士学位期间发表的论文