上海光源直线加速器的弱流强运行

汪宝亮 林国强 顾 强 赵明华

(中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800)

上海光源(SSRF)是一台高性能的中能第三代同步辐射光源，包括一台150 MeV的电子直线加速器、一台能在0.5 s内把电子束从150 MeV加速至3.5 GeV全能量的增强器、一台3.5 GeV的高性能电子储存环及首批建成的7+1条光束线站[1]。随着科研的发展，同步辐射光源用户对束流稳定性提出更多、更高要求以满足快速、高分辨率、高光强敏感度实验的要求。第三代光源都采用不同的技术路线实现了各自的束流稳定性要求，其中恒流运行(Top-up)是近年来的热点，是第三代同步辐射光源实现高性能指标运行的关键技术之一[2,3]。恒流运行模式定义为：在保证各用户可连续用光的同时，加速器采用频繁注入方式，使束流流强保持在较高水平上，而不随时间衰减[4]。Top-up注入模式要求直线加速器以弱流强运行，使储存环中束流流强恒定，有效地确保同步辐射光强度稳定[5]。表1列出了和上海光源能量相近的几家第三代光源的基本参数。本文介绍上海光源直线加速器的弱流强运行的实现。

表1 上海光源能区附近的三代光源参数[6]Table 1 Parameters of the third generation light sources in energies in the vicinity of SSRF.

1 直线加速器弱流强的实现方法

实现直线加速器弱流强运行的方法有：(1) 减小电子枪的灯丝电流，使电子枪的发射电流减小；(2) 加大电子枪的栅偏压，使逸出的电子数减少；(3)将直线加速器各部件间的相位错开，使传输效率降低，减小流强；(4) 在电子枪出口处，束流还未进入主加速段时，将束流散开，使源头通过的束流变小。

方法(1)和(2)均系从源头调节电子枪以实现弱流强，它们的优点是辐射剂量小，初始电子束调至很小，流强自然会减弱，但此时的电子枪工作于非正常状态，长时间运行对其损害较大，影响其使用寿命，且此状态下的电子枪需较长时间方能达到发射水平平衡。

方法(3)不影响电子枪，但整个调节过程时间长、重复性差，电离辐射剂量会加大，因为大部分电子束均打在腔壁上。

方法(4)是调节电子枪后的三个聚焦用电磁短透镜以减小束流，此时电子束能量低，打在腔壁上的剂量极微，操作重复性好，仅需调节三个短透镜的电流，实现弱流强的时间较短。

经反复的物理计算论证与实验测试对比，选定使用方法(4)实现上海光源直线加速器的弱流强运行。该方法的流强可按实际需要作方便调节，对电子枪本身和加速结构危害最小，对周边环境辐射剂量最小。

2 上海光源的弱流强运行

2.1 弱流强运行的试验

上海光源直线加速器的电子枪后连续有三个短透镜，用于调节电子束包络，使电子束稳定地进入主加速段。按该直线加速器的设计指标，电荷量为1 nC时，1、2、3号透镜的电流值分别为2.45、1.63、1.70 A。在此运行状态下，调节这三个短透镜，使直线加速器上的3个BPM读数(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)分别达0.5、0.3、0.1 nC。其中0.1 nC的电荷量如图1所示， 此时三个短透镜电流值均为0 A；0.5 nC时，三个短透镜电流分别为2.45、1.15、0 A。

2.2 弱流强的束流动力学模拟

用束流动力学模拟软件Parmela对0.1 nC电荷量下直线束流情况的模拟结果如图2所示。图2(a)是束流在直线加速器中的横向运动情况，粒子可很好的通过该直线加速器；图2(b)是该直线加速器出口处束流的相空间分布，可见有96%(1034/1080)的电子横向能顺利通过该直线加速器，出口的能量为158.329 MeV，与实验测试结果吻合。模拟表明，该直线加速器可稳定可靠地运行在0.1 nC。

图2 0.1 nC时粒子的横向情况(a)和直线加速器出口束流(b)Fig.2 Particle transverse situation (a) and beam current of the linac at 0.1 nC.

2.3 弱流强运行值的确定

上海光源的Top-up注入模式选用0.1 nC电荷量时的数据运行，此时，直线加速器运行在0.1 nC的弱束流状态下，这样可使储存环中束流流强恒定，且注入过程对束流和供光的影响最小，从而确保同步辐射光强度稳定。要进入该运行模式，只需关闭电子枪后的三个短透镜，就可轻松实现该流强，重复性好。0.1 nC直线加速器的能量和能散情况如图3所示，X和Y方向的束流发射度如图4所示。由图可见，直线加速器在0.1 nC工作时，能量为158.30 MeV，能散为0.35%，X和Y方向的归一化发射度为201和179，这些运行参数满足上海光源直线加速器运行指标，表明上海光源直线加速器在该状态下可稳定可靠地运行。

图3 0.1 nC直线加速器出口能量和能散Fig.3 Energy and energy spread of linac outlet at 0.1 nC.

图4 0.1 nC时X和Y方向的束流发射度Fig.4 X and Y emittance at 0.1 nC.

3 结语

通过弱流强的实现方法比较、物理模拟计算和实际带束流的弱流强实验，对0.1 nC流强时，直线加速器各运行参数的测试，确定了上海光源Top-up注入模式选用的直线加速器的运行参数，在该组运行参数下，直线加速器的电荷量为0.1 nC，能量为158.3 MeV，能散为0.35%，X和Y方向的归一化发射度分别为201和179，完全可满足上海光源Top-up模式的运行要求。目前，上海光源Top-up模式的实验运行已完成，表明直线加速器运行参数选择正确。

1 上海光源工程总体组. 上海光源SSRF国家重大科学工程设计报告[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. 上海光源恒流运行模式研究[D], 2010, 1–3

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