[工学]高能环形加速器物理6.pdf

第七章 束流集体效应 §7.1 引言 1．加速器中的粒子运动稳定性 带电粒子加速器是为高能物理或其他应用研究提供一定能量和一定流强的大型 科研设备，要求其提供的束流稳定可靠。 加速器中粒子的运动： 主导电磁场 同步辐射 粒子束流电磁场 主导电磁场：二极电磁场，四极电磁场， 六极电磁场，八极电磁场， 螺线管电磁场， 高频电磁场 粒子束流电磁场：空间电荷效应， 束流环境尾场效应 2 ．加速器中的束流运动稳定性 -- 束流粒子损失 单粒子效应： 粒子注入的初始条件， 线性 Lattice 的稳定性， 主导电磁场的误差效应， 非线性效应， 参数随时间的变化等。 单束流集体效应： 非相干集体效应包括： 粒子之间随机相互作用， 束流与残余气体的散射 （弹性和非弹性）， 粒子俘获效应，等等。 相干集体效应包括： 束流尾场，耦和阻抗， 振荡频移（横向和纵向）， 束流不稳定性（横向和纵向），束流与束流外来 粒子相互作用，等等。 对撞束流相互作用 两束流对撞时，粒子束流相互通过，由于空间电荷力相互扰动粒子运动，其主 要效果是引起束流振荡频移，从而可能引起粒子运动不稳定，形成对撞束流极限。 束流寿命： 束流强度 I 减少到其 1/e 所用的时间定义为束流寿命 − t I I = I e τ 即 τ = − 0 dI dt 在现代电子储存环中，束流寿命可以达到几十小时甚至上百小时，相当于粒子束流 沿储存环廻绕 1011 圈以上。 3. 束流集体效应现象观测 在加速器满足单粒子运动条件要求后，加速器中可以实现束流运行。当束流达到一 定强度以上，可能发生一些不稳定现象，甚至导致粒子束流丢失。自上世纪 70 年代 以来，世界各大加速器实验室都观测记录到很多束流现象。我们在北京正负电子机 BEPC 上也观测到了一些束流不稳定现象，这里将介绍我们观测到的束流振荡基本模 式和几个主要的束流不稳定性。 §7.2 束流尾场和耦合阻抗 1．束流尾场 运动的带电粒子周围分布电磁场，当运动的带电粒子穿越一定结构的周围环境 （不连续光滑的导电束流管道及其真空部件等）时，在其上产生的粒子通过之后随 时间衰减的感应电磁场，称这一感应电磁场为粒子束流形成的尾场（Wake Field ）。 较强的束流感应 出较强的尾场，可能导致束流不稳定。 不连续的束流管道例子可以见实际设计 。 假定一个具有 电荷 q 的束流沿束流管道的轴线运动，考虑一个检验电荷 e,跟随 这个电流之后，并假设电流和电荷具有相同的速度 ν≅c ，保持其间距离不变。若 E 2 和 B 是这个检验电荷感受到的尾场的电场和磁场分量，则该检验电荷受到电流的作 用力为： F = e[E + v × B] 即： F = eE s s