第一章绪论

1.1同步辐射光源

当带电粒子的速度接近光速，在电磁场的作用下发生偏转时，就会沿着偏转轨道的切线方向产生电磁辖射[1]。第一次从理论上预言了这种辖射的是英国科学家Schott;而第一次真正观测到了这种“人造”的电磁辖射是在1947年，观测的装置是由Herb Pollock领导的科研小组为美国GEC公司建造的一台70MeV的电子同步加速器[2]。正是由于在同步加速器中首次观测到这种电磁辖射，人们为之命名为“同步辖射”，但这并不意味着只有在同步加速器中才有这种福射，事实上只要运动的带电粒子受到磁场的偏转就会产生同步辐射[3]。但是人们很快认识到这种同步辐射产生的是覆盖很广的连续光谱，而且还具有高度稳定性、福射功率高、高度洁净性、高度准直性、高度极化性等诸多优点，之前因为没有这种光源而无法进行深入开展的许多前端技术也得以继续进行。而如今，作为一种可以被精确控制的脉冲光源，同步辐射在凝聚态物理、生物、材料、能源、化学、表面物理等领域中起到了不可替代的作用。因此，也有人称之为继电光源、X光源、激光源之后人类历史上的第四个革命性光源[4]。

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1.2合肥同步福射光源

1.2.1第一代合肥光源(HLS)

第一代的合肥同步福射光源（HLS)主体是一台200MMeV的电子直线加速器和一台800MeV的储存环，是我国第一台专用的同步福射光源，主要工作在真空紫外和软X射线区，一期建有5条光束线和实验站；二期新建一台波荡器、增建8条光束线及相应的实验站。经过一期工程和二期工程的建设，束流品质大为提高，在其主要应用领域（红外与真空紫外波段）做出了多项优秀的研宄成果。二期工程更是使HLS的束流发射度达到80nm_rad，满足了大部分用户的用光需求。HLS采用了四个周期分离功能的TBA磁聚焦结构，可以在消色散模式下把束流的发射度降低到166nmTad以下。HLS正常运行时只有2台波荡器，大部分用户还是在使用二极磁铁处产生的同步光。而二极磁铁的同步光相对于波荡器产生的同步光来说，亮度较低，品质较差，并不能满足现代光源用户的需求。目前，大部分第三代同步光源都有很多长直线节，可以安装各种插入件，并且发射度一般较低。为了进一步提高合肥光源的光源品质，从2009年以来合肥光源开始进行重大维修改造工程[1<^]。其总体目标是：增加插入元件的数目、大幅度降低束流发射度、实现低发射度参数下的高流强稳定运行（束流直流强度大于300mA，束流轨道慢漂小于0.1倍ax，y，束流寿命好于5hrs)。对于储存环来说，保持其标称能量不变，五=800MeV，保留能量提升到IGeV的潜力，储存环的周长和地基不变。束流发射度能小于40mirrad，直线节8个，保留在用的2台波荡器，新增3台插入元件。

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第二章储存环中带电粒子旳运动

2.1 生成函数(Generation Function)介绍

储存环中带电粒子的运动其实是基于带电粒子在各种电磁元件中的运动，其中，Hamilton量是储存环物理中研究粒子运动的基础。由笛卡尔坐标系下带电粒子在外场中的拉格朗日函数可以得出带电粒子在电磁场下的Hamilton量。但是对于储存环来说，笛卡尔坐标系并不合适描述其中的带电粒子，相应的合适坐标系为曲线正交坐标系。我们首先要做的就是进行坐标系变换，给出适用于描述储存环带电粒子的坐标系的Hamilton量。接着我们给出了各电磁元件下的传输映射，哈密顿力学里，当执行正则变换时，生成函数(Generation Function)扮演的角色，好像是联系两组正则坐标一一旧的广义坐标与动量(q，p)和新的广义坐标与动fi(Q,P)——的桥梁⑴。

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2.2储存环中的哈密顿量(Hamilton)

公式（2.8)即为笛卡尔坐标系下，带电粒子的完整的相对论形式下的哈密顿量(Hamilton)表达式。带电粒子在电磁场作用下的运动是保守的，哈密顿量(Hamilton)就是这个保守系统的总能量，其中包括了带电粒子的静止能量。但是对电子储存环而言，由于其特殊的结构，传统的笛卡尔坐标系并不合适电子储存环中的物理研宄。在理想情况下，电子储存环中的粒子是沿既定轨道运行的，描述储存环粒子的横向纵向运动都是相对理想轨道而言的，因此通常都是采用曲线坐标系来描述储存环中粒子的运动[4]。曲线正交坐标系又称Frenet-Serret坐标系，它是一个活动的坐标系，在曲线每一点附近给出“最合适”的坐标系，它以这点的在曲线上的切线方向为S方向，以曲率中心指向这点的方向为X方向，以X和S正交的方向为y方向。我们称这个移动的参考标架为“Frenet标架\\\"。另一方面，由于储存环为平面型，理想轨道处于同一水平面上，因此所釆用的曲线坐标系也是平面型的。至此，我们得到了储存环系统下的Hamilton量。在此基础之上，带电粒子的动力学特征就可以使用各种数值跟踪方法来进行研宄了。常用的数值跟踪方法有Lie代数方法、生成函数(Generation Function)法与正则公式法。跟踪时，可以采用将元件的标准指数映射进行幕级数展开的方法，进行逐元件跟踪，也可以采用将整个系统的元件串联的方法，进行全系统的单圈映射跟踪，抑或者采用将标准形式变换成动力学系统特性的解析方法进行跟踪。目前，在加速器中应用较多的数值跟踪方法是生成函数(Generation Function)方法，下面我们根据此来推导储存环中各类型元件的传输矩阵。

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第三章残余气体散射的理论研究...... 49

3.1真空的基本概念 ......49

3.1.1真空的基本概念 ......49

3.1.2残余气体密度旳计算...... 50

3.2残余气体散射理论基础...... 51

3.3储存环中与气体散射相关的参数......53

3.3.1據氮气压 ......54

3. 3.2储存环的限制条件 ......54

3.4与残余气体有关的束流寿命...... 56

第四章PIG-MGG方法模拟气体散射效应...... 63

4.1模拟的理论基础(PIC-MCC)...... 63

4.2电子与气体分子之间的碰撞...... 70

4.3模拟方法的描述...... 96

4.4本章小结 ......97

第五章模拟结果分析...... 101

5.1模拟参数的选择...... 101

5.2模拟流程 ......102

5.3类高斯分布束团尺寸的验证...... 104

5.4主要数据结果分析 ......107

5.5本章小结...... 117

第五章模拟结果分析

5.1模拟参数的选择

在这个模拟方法中，我们认定碰撞出的新宏粒子不再参与二次碰撞，所以模拟的初始宏粒子数绝对不能小于每个步长内束团要参与碰撞的粒子数，如果考虑随机数的选取概率，初始宏粒子数最好是每个步长内束团要参与碰撞粒子数的10倍以上。否则，模拟中新增的宏粒子数将小于实际上应该发生碰撞的电子数。实际模拟中，一个束团的电子数为lelO,根据每圈的碰撞概率可以估计每圈发生碰撞的电子数约为7810，我们设置初始宏粒子数为8e5，每个初始宏粒子包含12500个电子。从关于初致辐射的描述可知，实际情况中，电子损失的能量可能为(0，E)之间的任一值，只是取大值的可能性很小罢了。理论上最小值的设置越接近0，模拟出来的结果也就越准确。以往对于初致福射的理论研宄或者模拟中，并没有对最小能量损失值的选取给出过明确的方法，我们通过对比选取不同的损失能量最小值时的模拟结果，选取了合适的能量损失最小值。

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总结

在本论文中，我们运用PIC-MCC方法模拟了电子储存环中的残余气体散射，模拟结果显示：一方面，发生散射的电子中偏转角度比较大的直接丢失，造成束流寿命的下降，这是关于残余气体散射提到最多的一点；另一方面，偏转角度不足以引起电子丢失的散射电子中，一部分造成粒子的分布出现一条“拖尾”，一部分粒子引起束流发射度的增长。现将本论文的主要工作总结如下：

1.为了能够模拟到残余气体散射对粒子分布和束流发射度的影响，我们不能像以往的研究只考虑能引起粒子丢失的散射,而是模拟中必须要考虑包含小角度的库伦散射。因此，我们选择了包含电子云屏蔽效应的卢瑟福微分散射截面，对之进行（0，K)的积分，这样计算出的碰撞概率便包含了所有大小角度的库伦散射；

2.而对于散射角的选取，我们通过对散射角几率密度分布与微分散射截面关系进行分析，给出了电子储存环中电子一残余气体分子碰撞散射角的抽样方法，用于产生（0, 7T)之间的随机散射角，为蒙特卡洛方法数值模拟库伦散射提供了理论依据。

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参考文献（略）