基于束团分布与填充模式的储存环有效阻抗及不稳定性抑制研究

The brightness of a storage ring based synchrotron light source is mainly determined by the beam emittance and current. In order to raise the brightness of an existing light source, the most direct and effective way is to increase the beam current. However, with the growth of the beam current, the collective effects can enhance the betatron and synchrotron oscillations, which lead to the increase of the beam emittance and decrease of the beam lifetime, and hence the degradation of the light source performance. As the beam current reaches some threshold, the beam instabilities start to cause beam loss, resulting in a limited beam current. The beam collective instabilities are caused by the wakefields which are induced by the interaction between the beam and its surroundings. The related physical quantity of wakefields in frequency-domain is the machine impedances. The study of the storage ring impedance and wakefiled effects can help understanding the characteristics of the beam instabilities and better suppressing them. In this project, the beam-based experiments are proposed to carry out in the Hefei Light Source storage ring in order to figure out the dependence of the effective impedances on bunch distribution and filling pattern. This research will greatly contribute to the high-quality operation of Hefei Light Source and further improvement of its performance.

同步辐射光源的亮度主要由束流发射度以及流强决定。要提高一个已经运行的光源的亮度，增加储存环中束流流强是一个最直接和最有效的方法。然而随着流强的提高，束流集体效应会使束流振荡运动的振幅增大，造成束流发射度增长以及同步辐射光的抖动，从而降低了光源的亮度和稳定性。当束流流强增加到某个阈值时，束流不稳定性的出现导致束流的丢失，限制了流强的进一步提高。束流集体效应产生的根本原因是束流与其周围环境相互作用产生的尾场作用在了束流自身。研究储存环阻抗或者束流尾场效应，有利于弄清束流不稳定性的来源以及特性，为抑制束流不稳定性，提高光源性能提供依据。本课题基于合肥光源储存环开展一系列束流物理理论和实验研究，探索束流集体效应中的一些物理机制，如束团分布和填充模式与储存环有效阻抗之间的关系等，为升级改造后的合肥光源的高质量运行以及性能提升创造条件。

基于储存环的同步辐射光源的亮度和品质依赖于储存环中束流的发射度、流强大小以及束流的稳定性。在储存环建设之前，需要详细分析机器的阻抗，同时优化设计方案以提高不稳定性的阈值。对于一个已经投入运行的光源来说，要提高储存环的亮度，在无法进一步减小发射度的情况下，最直接的方法是提高束流的流强。然而随着流强的提高，束流集体效应会使束流横向和纵向振荡的振幅增大，降低了光源的稳定性，导致光源品质下降。当束流流强增加到某个阈值时，束流不稳定性将会导致束流的丢失，限制了流强的进一步提高。一个有效的抑制束流不稳定性的方法是在储存环上安装反馈系统，包括横向反馈系统和纵向反馈系统。储存环反馈系统可以有效地克服束流不稳定性，特别是耦合束团不稳定性，它在现代基于储存环的各类光源上发挥着不可替代的作用。逐束团反馈系统是否还能有效的加以抑制，这不仅跟反馈系统的能力相关，还跟束流自身的一些参数密切相关。本课题的一项重要工作是开发了一套工作点调节与反馈系统，大大提高了逐束团反馈系统的工作效率，从而提高了高流强下束流不稳定性的抑制能力。另外，随着流强的提高，储存环中一些元件的热负载效应明显提高，特别是注入段陶瓷真空室。我们通过实验研究发现其热源主要来自与此处的窄带阻抗以及上游弯铁的同步辐射，为流强提高后的热负载效应分析提供了依据。合肥光源从2016年开始以300 mA衰减模式运行，2018年将运行模式由衰减模式转为恒流模式。2020年，我们成功将束流流强提高到了400 mA，并以恒流模式供光。本项目的工作为合肥光源束流流强的提升做出了重要贡献。