快变化磁铁动态磁场边缘场效应研究

The fringe field effects of magnet is an important topic for the third generation light source, high luminosity collider, synchrotron and accumulator for high-intensity proton beams, which require accurate modelling of the machine. With the development of Lie algebraic and differential algebraic method, a lot of studies on fringe field effects of magnet had been done. Up to now, the study on the fringe field effects is limited for the static magnetic field. The magnetic field measurement results for the magnets of the Rapid Cycling Synchrotron of Chinese Spallation Neutron Source show that the fringe field characteristics of the dynamic magnetic field for the rapid ramping magnet are greatly different with the static magnetic field. The eddy current effects on the rapid ramping magnet can induce the asynchronization of the magnetic field along the beam trajectory. The asynchronization of the magnetic field induces the magnetic field distribution function variation during the exciting current ramping process. Some theories for the fringe field effects of the static magnetic field are no longer applicable to the dynamic magnetic field for the rapid ramping magnet. This project aims to perform systematically study on the fringe field effect of the dynamic magnetic field for the rapid ramping magnet. The research results are important basis of the rapid ramping magnet design, and the conclusions are also helpful to the design and commissioning for the accelerator with the rapid ramping magnet.

由于第三代光源、高亮度对撞机及高功率前沿的强流质子加速器对加速器精确建模的需要，且随着李代数、微分代数等理论分析技术的发展，使对磁铁边缘场的精确理论分析变得方便可行，国际上对磁铁边缘场效应的研究取得了一系列研究成果。但是现有对边缘场效应的研究都局限于对静态磁场的研究，国际上对快变化交流磁铁动态磁场边缘场的研究还是空白。对中国散裂中子源快循环同步加速器交流磁铁磁测结果显示快变化交流磁铁动态磁场边缘场特性与一般静态磁场有明显差异。快变化交流磁铁的涡流效应会引起磁铁不同位置磁场的不同步，励磁电流变化过程中磁铁边缘场分布形状不断变化，静态磁场边缘场效应一些理论不再适用于快变化交流磁铁动态磁场。本课题拟对快变化交流磁铁动态磁场的边缘场效应进行深入系统得研究。研究成果可以更好得为快变化交流磁铁设计与制造服务，可以丰富和发展快循环同步加速器束流动力学，对于快循环同步加速器设计与调试有重要意义。

国际上对磁铁边缘场效应进行了大量的研究工作，并取得了一系列研究成果，但是对边缘场效应的研究主要集中于对静态磁场的研究。对快变化交流磁铁动态磁场边缘场效应尚未开展系统的研究工作。本项目对快变化交流磁铁动态磁场边缘场效应进行了深入系统得研究。用理论分析、程序仿真与实验研究方法，研究了快变化磁铁动态磁场边缘场的特性，并研究分析了动态磁场边缘场特性与励磁电流变化速率的关系。研究发现快变化磁铁动态磁场边缘场特性与静态磁场边缘场特性有明显差异。对于快变化磁铁，由于涡流效应的影响，励磁电流快变化过程中磁铁边缘场的分布形状发生明显变化。不同励磁电流下边缘场分布的不同，导致磁铁对束流聚焦效应的变化，从而导致工作点、Beta函数等关键参数远离设计值。本项目研究团队对描述磁铁边缘场分布的Enge函数进行了修正，修正后的Enge函数对快变化磁铁边缘场分布同样可以准确得描述。本项目研究团队在对快变化磁铁动态边缘场效应研究的基础上，给出了适用于快变化磁铁的等效硬边模型，并植入加速器在线调束程序中，可以更方便用于加速器调试时对机器模型的在线计算。本项目对快变化磁铁动态磁场边缘场效应的研究成果也成功应用中国散裂中子源快循环同步加速器的调束。在对中国散裂中子源快循环同步加速器中快变化磁铁动态磁场边缘场效应研究的基础上，对动态磁场边缘场效应引起的动态误差效应做了校正，为CSNS束流功率达到设计指标发挥了重要作用。