应用Parellel PIC/MC方法预测超低发射度同步辐射光源中束流发射度增长

实现超低发射度是提高同步辐射光源亮度和改善横向相干性的关键。电子储存环中一些因素会导致束流品质恶化，从而影响光源表现。超低发射度下，束内散射效应、束流气体间散射和束流离子作用将导致严重的束流发射度增长及寿命降低。近年来加速器领域发展了很多解析或半解析的方法估计上述效应的影响，如MAD程序应用B-M公式、ELEGANT程序应用PIWINSKI公式、SAD程序基于B-M公式改进算法讨论束内散射效应和PIC方法研究离子效应等。但更准确地计算上述效应的影响对于合理确定未来先进光源设计方案很必要。PIC/MC数值算法同时拥有Particle-In-Cell算法研究束流集体作用和Monte-Carlo方法研究随机过程的优势，在加速器领域引入该方法能够更准确地预测束流表现。并行计算技术的飞速发展提供了应用PIC/MC方法必需的强大计算能力。本项目将应用并行PIC/MC方法研究上述效应对束流品质的影响。

极低发射度的电子束流是产生横向相干同步辐射的必要条件。强流条件下，束内散射效应是超低发射度电子储存环中导致束流发射度增长的首要因素。应用经典B-M公式或Pwinski公式计算束内散射效应的影响，束流发射度是影响束内散射效应增长率的决定因素。对于终极储存环，束流发射度增长可能达到几倍。但是经典公式在Gaussian分布的束流假设和恒定的扩散率近似基础上得到的，它过严重地评估的数内散射效应的影响。基于经典Coulomb散射截面的Monte Carlo模拟原则上能够准确计算束内散射效应的影响，先进的并行计算技术能够提供MC模拟所需的计算能力。课题发展了基于Parallel PIC/MC的模拟程序，通过对宏粒子束流运动的长期数值跟踪，计算结果表明束内散射效应导致严重的束流发射度增长，尤其是对于低能和超低发射度的强电子束流，但是增长率明显低于B-M公式的预期。通过各种措施对抗束内散射效应，如阻尼扭摆磁铁、高次谐波腔等，可以减弱束内散射效应的影响，获得超低发射度的电子束流。