上海光源直線加速器的弱流強運行

汪寶亮 林國強 顧 強 趙明華

(中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800)

上海光源(SSRF)是一臺高性能的中能第三代同步輻射光源，包括一臺150 MeV的電子直線加速器、一臺能在0.5 s內把電子束從150 MeV加速至3.5 GeV全能量的增強器、一臺3.5 GeV的高性能電子儲存環及首批建成的7+1條光束線站[1]。隨著科研的發展，同步輻射光源用戶對束流穩定性提出更多、更高要求以滿足快速、高分辨率、高光強敏感度實驗的要求。第三代光源都采用不同的技術路線實現了各自的束流穩定性要求，其中恒流運行(Top-up)是近年來的熱點，是第三代同步輻射光源實現高性能指標運行的關鍵技術之一[2,3]。恒流運行模式定義為：在保證各用戶可連續用光的同時，加速器采用頻繁注入方式，使束流流強保持在較高水平上，而不隨時間衰減[4]。Top-up注入模式要求直線加速器以弱流強運行，使儲存環中束流流強恒定，有效地確保同步輻射光強度穩定[5]。表1列出了和上海光源能量相近的幾家第三代光源的基本參數。本文介紹上海光源直線加速器的弱流強運行的實現。

表1 上海光源能區附近的三代光源參數[6]Table 1 Parameters of the third generation light sources in energies in the vicinity of SSRF.

1 直線加速器弱流強的實現方法

實現直線加速器弱流強運行的方法有：(1) 減小電子槍的燈絲電流，使電子槍的發射電流減小；(2) 加大電子槍的柵偏壓，使逸出的電子數減少；(3)將直線加速器各部件間的相位錯開，使傳輸效率降低，減小流強；(4) 在電子槍出口處，束流還未進入主加速段時，將束流散開，使源頭通過的束流變小。

方法(1)和(2)均系從源頭調節電子槍以實現弱流強，它們的優點是輻射劑量小，初始電子束調至很小，流強自然會減弱，但此時的電子槍工作于非正常狀態，長時間運行對其損害較大，影響其使用壽命，且此狀態下的電子槍需較長時間方能達到發射水平平衡。

方法(3)不影響電子槍，但整個調節過程時間長、重復性差，電離輻射劑量會加大，因為大部分電子束均打在腔壁上。

方法(4)是調節電子槍后的三個聚焦用電磁短透鏡以減小束流，此時電子束能量低，打在腔壁上的劑量極微，操作重復性好，僅需調節三個短透鏡的電流，實現弱流強的時間較短。

經反復的物理計算論證與實驗測試對比，選定使用方法(4)實現上海光源直線加速器的弱流強運行。該方法的流強可按實際需要作方便調節，對電子槍本身和加速結構危害最小，對周邊環境輻射劑量最小。

2 上海光源的弱流強運行

2.1 弱流強運行的試驗

上海光源直線加速器的電子槍后連續有三個短透鏡，用于調節電子束包絡，使電子束穩定地進入主加速段。按該直線加速器的設計指標，電荷量為1 nC時，1、2、3號透鏡的電流值分別為2.45、1.63、1.70 A。在此運行狀態下，調節這三個短透鏡，使直線加速器上的3個BPM讀數(BPM 1在聚束器后，BPM 2在第二根加速管后，BPM 3在第四根加速管后)分別達0.5、0.3、0.1 nC。其中0.1 nC的電荷量如圖1所示， 此時三個短透鏡電流值均為0 A；0.5 nC時，三個短透鏡電流分別為2.45、1.15、0 A。

2.2 弱流強的束流動力學模擬

用束流動力學模擬軟件Parmela對0.1 nC電荷量下直線束流情況的模擬結果如圖2所示。圖2(a)是束流在直線加速器中的橫向運動情況，粒子可很好的通過該直線加速器；圖2(b)是該直線加速器出口處束流的相空間分布，可見有96%(1034/1080)的電子橫向能順利通過該直線加速器，出口的能量為158.329 MeV，與實驗測試結果吻合。模擬表明，該直線加速器可穩定可靠地運行在0.1 nC。

圖2 0.1 nC時粒子的橫向情況(a)和直線加速器出口束流(b)Fig.2 Particle transverse situation (a) and beam current of the linac at 0.1 nC.

2.3 弱流強運行值的確定

上海光源的Top-up注入模式選用0.1 nC電荷量時的數據運行，此時，直線加速器運行在0.1 nC的弱束流狀態下，這樣可使儲存環中束流流強恒定，且注入過程對束流和供光的影響最小，從而確保同步輻射光強度穩定。要進入該運行模式，只需關閉電子槍后的三個短透鏡，就可輕松實現該流強，重復性好。0.1 nC直線加速器的能量和能散情況如圖3所示，X和Y方向的束流發射度如圖4所示。由圖可見，直線加速器在0.1 nC工作時，能量為158.30 MeV，能散為0.35%，X和Y方向的歸一化發射度為201和179，這些運行參數滿足上海光源直線加速器運行指標，表明上海光源直線加速器在該狀態下可穩定可靠地運行。

圖3 0.1 nC直線加速器出口能量和能散Fig.3 Energy and energy spread of linac outlet at 0.1 nC.

圖4 0.1 nC時X和Y方向的束流發射度Fig.4 X and Y emittance at 0.1 nC.

3 結語

通過弱流強的實現方法比較、物理模擬計算和實際帶束流的弱流強實驗，對0.1 nC流強時，直線加速器各運行參數的測試，確定了上海光源Top-up注入模式選用的直線加速器的運行參數，在該組運行參數下，直線加速器的電荷量為0.1 nC，能量為158.3 MeV，能散為0.35%，X和Y方向的歸一化發射度分別為201和179，完全可滿足上海光源Top-up模式的運行要求。目前，上海光源Top-up模式的實驗運行已完成，表明直線加速器運行參數選擇正確。

1 上海光源工程總體組. 上海光源SSRF國家重大科學工程設計報告[R]. 2005, 1–27

The project overall group of SSRF. The SSRF major national scientific and engineering design report[R]. 2005, 1–27

2 Date S, Kumagai K. Operation and performance of the spring-8 storage ring[C]. PAC99, 1999

3 Emery L, Borland M. Top-up operation experience at the advanced photon source[C]. PAC99, 1999

4 Conceptual design report of the Top-off upgrade of the advanced light source at Lawrence Berkeley National Laboratory[R]. LBNL/PUB-5506, 2004

5 TAKAO M. Control of Top-up injection at the spring-8 storage ring[R]. 104theastern conference information, 2007

6 梁永男. 上海光源恒流運行模式研究[D], 2010, 1–3

LIANG Yongnan, Study on Top-up mode of SSRF[D]. 2010, 1–3