衍射限电子储存环的深度集成仿真和原型多极冲击磁铁研制

未来先进同步辐射光源之一衍射限电子储存环以超高亮度、优秀相干性和超高稳定性为主要特征。超低束流发射度和超高稳定性要求，令衍射限储存环对各种扰动因素更加敏感，非理想磁场扰动、各类振动和变形、电源和高频系统噪音、束流注入过程、束流与真空室间通过尾场相互作用、束流与残余气体分子和离子间相互作用、反馈系统的阻尼作用及束测系统内噪音的扰动等都会影响束流品质。各种扰动的激发与阻尼效应综合起来，现有针对特定物理现象或过程的数值模拟程序很难准确地定量描述衍射限储存环表现，为光源设计提供可靠依据。计算机科学技术的飞速发展令系统集成仿真技术成为科学研究中的强大工具，为准确预测衍射限储存环光源的表现提供新机遇。本课题将发展基于并行计算环境与技术的衍射限储存环深度集成仿真软件，数值研究各种扰动因素对光源表现的综合影响。本课题将数值研究在衍射限储存环应用脉冲多极矩注入原理的可性性和优点，研制关键元件-多极冲击磁铁。

随着高性能计算机的迅速发展，在许多领域数值仿真技术有着越来越广泛的应用，逐渐成为现代科学与技术发展的重要支撑工具。在加速器物理领域，以往采用经典的解析、半解析公式或者简单的数值计算，预测加速器中带电粒子束流的行为和表现。但是随着加速器的发展，人们提出了下一代先进加速器的概念，如超高亮度的对撞机（粒子工厂）、超低发射度的同步辐射光源，新一代加速器的性能和表现对于各种因素的依赖更敏感。因此，如何能够更准确地评估各种因素对带电粒子束流的影响，更准确地预测设计的加速器的性能，成为先进加速器物理设计发展的当务之急。应用仿真算法研究加速器中带电粒子束流表现，将成为高性能加速器物理设计的必要先进工具。项目组采用PIC/MC方法，发展基于玻尔兹曼粒子输运方程的在电子储存环中电子束流仿真程序，研究了在超低发射度电子储存环中电子束流与真空环境中残余气体分子发生碰撞后的行为和表现；研究了电子储存环中电子束流与真空室环境的相互作用下束流的表现；在理论上分析了采用脉冲八极磁铁完成电子储存环中束流注入过程的物理机制，进行了数值跟踪模拟研究，在此基础上完成了合肥光源储存环脉冲八极磁铁注入系统物理设计，并初步研制了八极磁铁原型机，对其磁场特性和电磁特性进行了初步测量。通过上述研究，进一步验证了PIC/MC方法在加速器带电粒子束流数值仿真研究中应用的可行性与可靠性，表明可以应用该方法研究带电粒子束流在加速器运动过程中所发生的随机性行为和确定性行为过程。初步论证了在电子储存环中，可以采用脉冲八极磁铁方法完成束流注入过程，以及其独特优势。应用PIC/MC数值仿真研究也表明，在超低发射度电子储存环中（下一代衍射极限储存环光源），电子束流与残余气体分子之间的散射会对束流品质造成一定影响，但是并不会构成严重的障碍；表明在短程与长程尾场作用下，束流表现与经典解析、半解析理论是定性一致的，但是不稳定性发生阈值和表现可能存在数值上差别。随着程序的发展与完成，数值仿真将在加速器物理设计中发挥更重要的作用，更细致地针对电子储存环中的各种因素与现象进行充分地研究。