高能同步辐射光源低能束流输运线设计研究

彭月梅

(中国科学院 高能物理研究所 粒子加速物理与技术重点实验室，北京 100049)

近年来，许多国家准备建造或将已有机器升级到自然发射度为10～100 pm·rad量级的超低发射度衍射极限光源，如美国的APS-U[1]、欧洲的ESRF-EBS[2]等，我国也准备建造一台超低发射度光源——高能同步辐射光源(HEPS，High Energy Photon Source)[3]。

HEPS储存环周长1 360.4 m，采用了Hybrid-7BA结构，在设计中应用了纵向梯度二极磁铁[4]、反向二极磁铁[5]等，将束流自然水平发射度降到了60 pm·rad以下，甚至可达到34.2 pm·rad。HEPS由1台500 MeV直线加速器、1条500 MeV的低能束流输运线、1台500 MeV～6 GeV的能量增强器、2条6 GeV的高能束流输运线、1台6 GeV的储存环以及同步辐射光束线和实验站组成。

本文进行HEPS低能束流输运线的设计研究，低能束流输运线的作用是将直线加速器中加速到500 MeV能量的电子束流稳定高效地从直线加速器的终点传输到增强器的注入点，由于HEPS对于束流的传输效率有较高的要求，因此在设计低能束流输运线时，除进行聚焦结构匹配和优化外，也着重考虑束流清晰区的选取以及各类误差效应的控制。

1 整体设计

HEPS布局如图1所示。低能束流输运线是连接直线加速器和增强器的束流传输线，在考虑建设布局限制的基础上，对两端的束流包络进行匹配，并将直线加速器产生的束流高效率地传输到增强器注入点。直线加速器位于和增强器长直线节接近于平行的方位，为保证能将注入束流轨道与循环束轨道分离，同时出于造价和可靠性的考虑，HEPS增强器采用了水平偏转Lambertson型切割磁铁实现低能束流的注入，HEPS增强器低能注入区元件布局如图2所示。根据束流清晰区要求以及低能注入系统布局，在切割磁铁的出口处束流有垂直角度约9.1 mrad，到达踢轨磁铁处被踢平。为保证直线加速器和增强器基本处于同一水平面，低能束流输运线布局中除水平偏转二极磁铁外，还应包含垂直二极磁铁，使束流具有一定的垂直角度进入水平弯转Lambertson磁铁。低能束流输运线上采用了3块弯转角度200 mrad的水平二极磁铁使得直线加速器与增强器的长直线节保持平行。

图1 HEPS布局示意图Fig.1 Layout of HEPS

除布局考虑，低能束流输运线的设计还要满足束流的色散函数及横向相空间匹配的物理要求(直线加速器出口和增强器注入点的光学参数列于表1)，同时能有足够的调节量用于束流包络的调节。基于这些考虑，对低能束流输运线进行功能区分段设计，一方面能实现与直线加速器和增强器束流包络的匹配，另一方面保留了消色散区域，能实现包络函数的灵活调节，同时也为发射度测量元件提供了合适的位置。

2 Lattice设计

HEPS低能束流输运线设计主要包含直线出口消色散注入匹配区、光学参数匹配区和输出匹配区3个功能段。消色散注入匹配区先采用3块四极磁铁对直线加速器末端的光学参数进行调整，然后是1个简单的DBA结构(2块水平二极磁铁+1块四极磁铁)实现消色散。光学参数匹配区由6块四极磁铁组成，此段区域内色散为零，理想情况下，调节包络函数匹配段内的四极磁铁强度对色散函数没有作用，不会影响对注入点色散函数的匹配，所以可独立用来调节包络函数以应对注入点处Twiss参数的改变，发射度测量元件也放在此区域。输出匹配区包含1块水平弯转二极磁铁、3块四极磁铁、2块垂直二极磁铁(由于磁铁批量生产的问题，垂直二极磁铁分成了两块，与增强器校正磁铁相同)以及低能注入Lambertson组成。低能束流输运线总长度约为25 m，Lattice设计时，水平和垂直方向的束流包络函数限制在30 m内，水平方向的色散函数小于0.6 m，整个结构的磁聚焦结构和光学参数如图3所示。

图2 HEPS增强器低能注入布局示意图Fig.2 Layout of low energy injection system of HEPS booster

表1 直线加速器末端和增强器注入点参数Table 1 Parameters at the end of linac and injection point of booster

考虑到在输运线中束流单次通过的特性，没有束流寿命的限制，HEPS低能束流输运线束流清晰区定义为±(3σ+4) mm，包含3倍的束团尺寸σ和4 mm的误差容忍空间。根据直线加速器提供的40 mm·mrad归一化束流发射度，计算得到低能束流输运线中沿束流运动方向的束流清晰区如图4所示。水平方向需要的束流清晰区为±15 mm，垂直方向需要的束流清晰区为±14 mm。水平和垂直方向束流清晰区相差不多，因此，HEPS低能束流输运线计划采用内径不小于30 mm的圆形真空盒。

图3 低能束流输运线元件布局及束流光学参数Fig.3 Layout and optics parameters of low energy beam transport line

3 误差分析

由于低能束流输运线的制造与安装不可避免存在误差，二极场误差会使束流偏离理想轨道，四极场误差会引起束流包络变化等，引起束流在低能束流输运线中的传输效率降低以及增强器低能注入过程中注入效率降低，因此需对误差造成的影响进行分析。磁铁的安装误差、准直误差、磁场误差列于表2。

图4 低能束流输运线束流清晰区Fig.4 Beam stay clear region of low energy beam transport line

表2 磁铁的安装误差、准直误差及磁场误差Table 2 Location tolerance, collimation tolerance and field error

直线加速器出口束流的能量和位置也存在不可避免的误差，直线加速器注入束流稳定性列于表3。

表3 直线加速器束流稳定性Table 3 Beam stability from linac

根据这些误差源随机生成100个种子，按照3σ误差截断，由这些误差造成的x方向和y方向束流轨道畸变如图5所示，x方向轨道最大值约为15 mm，y方向轨道最大值约为10 mm。

为使束流安全通过，HEPS低能束流输运线上设置了8个BPM，水平和垂直各6块校正磁铁用于束流轨道校正，校正后的轨道以及注入点处的束流位置和角度分布分别如图6、7所示，色散及其导数分别如图8、9所示。所用的最大校正强度为2.5 mrad，校正后水平和垂直轨道的最大值均不超过1.5 mm，注入点处束流位置偏差小于0.25 mm，角度偏差小于0.31 mrad，残余色散函数小于0.2 m，能满足束流稳定传输及增强器低能注入的要求。

4 总结

本文详细介绍了HEPS低能束流输运线的设计，在HEPS增强器低能注入采用Lambertson型切割磁铁的情况下，为保持直线加速器与增强器基本位于同一水平面，设计中采用了垂直和水平弯转二极磁铁交叉的结构。低能束流输运线的设计采用了功能区划分，为发射度测量元件预留了消色散匹配段，同时保留了足够的光学参数调节灵活性。此外，本文对设计方案选择以及误差等多方面进行了详细介绍，对未来其他电子机器低能束流输运线的设计以及误差分析具有指导和借鉴意义。

a——校正前水平方向轨道；b——校正前垂直方向轨道图5 加入误差后低能束流输运线束流轨道Fig.5 Low energy beam transport line beam trajectory with errors

a——校正后水平方向轨道；b——校正后垂直方向轨道图6 校正后低能束流输运线束流轨道Fig.6 Low energy beam transport line beam trajectory after correction

a——校正后增强器注入点束流位置分布；b——校正后增强器注入点束流角度分布图7 校正后增强器注入点束流位置和角度分布Fig.7 Distributions of beam position and angle at booster injection point after correction

a——校正后增强器注入点水平色散分布；b——校正后增强器注入点垂直色散分布图8 校正后增强器注入点色散函数分布Fig.8 Distribution of dispersion at booster injection point after correction

a——校正后增强器注入点水平色散函数导数分布；b——校正后增强器注入点垂直色散函数导数分布图9 校正后增强器注入点色散函数导数分布Fig.9 Distribution of dispersion deviation at booster injection point after correction