基于粒子群算法的衍射极限储存环物理设计方法研究及应用

Some countries in the world, including our country, are now designing their future diffraction-limited storage rings, which will produce very high brightness synchrotron radiation. For these future rings with much stringent requirements, the recently developed and widely used methods based on intelligence computation algorithms for designing storage rings need to be further developed. In our research project, we will employ particle swarm optimization algorithm that has a faster convergence speed, and consider the physical background of storage ring design and include the physics of beam dynamics, to further develop intelligence computation algorithms based linear lattice design method, fast nonlinear optimization method, and nonlinear optimization method with optimal solutions having larger error tolerance. Our research will improve the level of application of intelligence computation algorithms to storage ring design, provide better tools for diffraction-limited storage ring design and optimization, and further promote the progress of designing diffraction-limited storage rings in our country. In addition, using our developed methods, we will design a diffraction-limited storage ring with an energy of 2 GeV, an emittance of about 0.05 nm-rad, and large enough dynamic and momentum apertures for the requirements of beam injection and beam lifetime.

目前包括我国在内的一些国家正在进行未来具有极高亮度的衍射极限储存环的物理设计。对于有着更高要求的衍射极限储存环，近年来发展起来并得到广泛应用的基于智能优化算法的储存环设计方法还需要进一步深入发展。本项目采用收敛速度更快的粒子群算法，并通过考虑储存环设计的物理背景以及加入束流动力学物理，来深入发展基于智能优化算法的线性lattice设计的方法，更快速地寻找非线性最优解的方法，以及寻找误差容忍度较大的非线性最优解的方法，从而提高目前智能优化算法在储存环设计中的应用水平，并将更好地为有着更高要求的衍射极限储存环提供有力的设计优化工具，同时也将进一步推动我国目前衍射极限储存环设计的进展速度。另外，在所发展方法的基础上，还将设计一台束流能量2 GeV，发射度0.05 nm-rad左右，动力学孔径与动量孔径满足束流注入和束流寿命要求的衍射极限储存环。

目前世界上包括我国在内的很多国家正在发展第四代衍射极限储存环光源，其电子束流发射度超低，储存环lattice设计面临着非常强的非线性动力学效应。为更好地设计衍射极限储存环，本项目基于收敛速度更快的粒子群优化算法发展了几种lattice设计与优化方法。本项目发展了寻找具有较好多样性的线性lattice解的方法，可以为下一步非线性动力学优化提供更多的选择，从而得到了更好的lattice。发展了单目标动力学孔径和多目标非线性动力学优化快速方法，计算效率得到了明显提高，甚至提高了半个到一个数量级。还发展了改善非线性动力学表现质量的方法，可以使优化得到的动力学孔径和动量孔径的随振幅和能量变化的tune shift得到较好的控制。在所发展方法基础上，设计了束流能量2.0 GeV的衍射极限储存环lattice，其束流自然发射度只有几十pm·rad，标能和偏能非线性动力学表现也相对不错。本项目所发展的方法已经在合肥先进光源储存环lattice设计与优化中得到了较好的应用，它们对于其它衍射极限储存环lattice设计与优化也有一定的借鉴意义和应用价值。