阻抗测量和低发射度环中关键束流不稳定性研究

The development of the new generation high energy physics collider and synchrotron radiation source depends on the good performance of the accelerators, and also on the stability and high quality of the beam. In order to reach high luminosity and high radiation flux, the accelerator design tends to have smaller beam emittance, which brings new challenges to the impedance and collective instability studies. Considering the property of the low emittance rings, we will build a platform to realize impedance measurement for small aperture components in a wide frequency range. Impedance measurements will be performed with coaxial method, perturbation method and wireless method in the frequency domain; Meanwhile, we will study the contribution of the quadrupolar impedance on the emittance growth, both analytically and numerically; we will investigate the analytical model for the multi-bunch instabilities with uneven fill, and propose the approach to reduce the beam instability and HOM power loss with optimizing the filling patterns; With the Monte Carlo method, we will further study the influence of the uncertainty of the narrow-band impedance on the instabilities, which will give better estimation on the dQing of the HOM. This research includes impedance calculation and impedance measurement in the laboratory, and studies on critical instabilities in low emittance rings. These studies will further push the development of the accelerator physics in the field of impedance measurement and collective instabilities, and meet the requirement of the future high energy physics colliders and synchrotron radiation sources.

新一代高能物理对撞机和同步辐射光源的发展，依赖于更高性能的加速器和稳定、高品质的束流。为了实现高对撞亮度和高同步辐射通量，物理设计趋于更小的束流发射度，这给阻抗和不稳定性的研究提出了新的挑战。本课题针对低发射度环的特点，搭建多功能阻抗测量平台，实现同轴线法、微扰法和无线方法的频域阻抗测量，以满足小孔径真空盒、大频率范围内的阻抗测量需求；同时，理论和模拟研究四极阻抗对束流发射度增长的贡献；探索非均匀填充下多束团不稳定性理论模型，并提出利用非均匀填充抑制不稳定性和高次模发热的有效途径；结合Monte Carlo分析方法，研究窄带阻抗不确定性对不稳定性的影响，对窄带阻抗的抑制给出更合理的判断。本课题研究结合了阻抗计算与实验室测量，以及低发射度环中关键束流不稳定性问题理论和模拟研究，将进一步推动我国加速器物理在阻抗测量和束流不稳定性研究方面的发展，满足未来高能物理对撞机和同步辐射光源的实际需求。

新一代高能物理对撞机和同步辐射光源的发展，依赖于更高性能的加速器和稳定、高品质的束流。为了实现高对撞亮度和高同步辐射通量，物理设计趋于更小的束流发射度，这给阻抗和不稳定性的研究提出了新的挑战。.. 本课题针对低发射度环的特点，搭建了多功能束流耦合阻抗测量平台，实现了同轴线法、波导法、谐振腔法、高宝线和共振线法的频域阻抗测量，以满足小孔径真空盒、大频率范围内的阻抗测量需求，并应用于高能同步辐射光源（HEPS）关键真空部件的阻抗测量与评估，解决了关键部件的阻抗优化问题，研制的拉紧接头和匹配传输段设计为小孔径纵向大尺寸元件的测量提供了有效的解决方案，此外，实现了金属镀膜电导率以及镀膜真空盒电阻壁阻抗的定量测量；同时，理论和模拟研究了非对称真空盒高阶阻抗效应，以及其对束流动力学的影响，建立了多层椭圆镀膜真空盒电阻壁阻抗公式，以及四极阻抗导致的工作点频移理论模型，提出多束团填充下，四极电阻壁阻抗的DC值对工作点频移占主导，且需要考虑真空盒外磁铁对阻抗和频移的影响，研究结果进一步用于定量分析环形正负电子对撞机和HEPS中非轴对称真空盒电阻壁阻抗及四极阻抗引起的工作点频移；此外，在项目支持下开发了离子效应模拟程序，可用于研究不同束团串填充方式对于快离子不稳定性的抑制效应，同时基于北京正负电子对撞机（BEPCII）上开展的实验研究，进一步修正理论模型，对实验现象给出合理的物理解释，并提出一种新的基于束流测量超导腔R/Q的方法。.. 项目研究搭建的多功能阻抗测量平台为国家大科学工程设计优化提供重要支撑，同时，研究成果进一步发展了阻抗和不稳定性理论模型，推进了我国加速器物理在阻抗测量和束流不稳定性研究方面的发展，增强我们在相关研究领域中的国际影响力。