Analytical treatment of the nonlinear electron cloud effect and the combined effects with beam-beam and space charge nonlinear forces in storage rings

In this paper we treat first some nonlinear beam dynamics problems in storage rings, such as beam dynamic apertures due to magnetic multipoles, wiggles, beam-beam effects, nonlinear space charge effect, and then nonlinear electron cloud effect combined with beam-beam and space charge effects, analytically. This analytical treatment is applied to BEPC II. The corresponding analytical expressions developed in this paper are useful both in understanding the physics behind these problems and also in making practical quick hand estimations.     

Lie algebraic analysis for intense bunched beam in the nonlinear transport of electrostatic quadrupoles

In this paper, the nonlinear transport of intense bunched beams in electrostatic quadrupoles is analyzed using the Lie algebraic method, and the results are briefly presented of the linear matrix approximation and the second order correction of particle trajectory in the state space. Beam having K-V distribution and Gaussian distribution approximation are respectively considered. A brief discussion is also given of the total effects of the quadrupole and the space charge forces on the evolution of the beam envelope.     

Lie algebraic analysis for the nonlinear transport of intense bunched beam in electrostatic quadrupoles

In this paper, the nonlinear transport of intense bunched beams in electrostatic quadrupoles is analyzed using the Lie algebraic method, and the results are briefly presented of the linear matrix approximation and the second order correction of particle trajectory in the state space. Beam having K-V distribution and Gaussian distribution approximation are respectively considered. A brief discussion is also given of the total effects of the quadrupole and the space charge forces on the evolution of the beam envelope.     

Kerr非线性介质中聚焦像散高斯光束的传输特性

当高功率激光通过Kerr非线性介质传输时,Kerr效应会严重影响激光的传输特性.实际应用中常遇到像散光束.迄今为止,像散光束传输特性的研究大都局限于在线性介质中的传输,而在非线性介质中传输的研究较少,且还未涉及像散激光束通过含光学系统的Kerr非线性介质传输变换的研究.本文主要研究Kerr效应对聚焦光束像散特性和焦移特性的影响,以及聚焦像散高斯光束的自聚焦焦距和光束焦点调控.在光束扩展情况下,推导出了聚焦像散高斯光束在Kerr非线性介质中传输的束宽、束腰位置和焦移的解析公式,研究表明:在自聚焦介质中,随着自聚焦作用增强(如光束功率增强),光束像散越强,但焦移越小;在自散焦介质中,随着自散焦作用增强(如光束功率增强),光束像散越弱,但焦移越大.另一方面,在光束自聚焦情况下,推导出了自聚焦焦距的解析公式,研究表明利用光束像散可以调控光束焦点个数.     

An analytic map for space charge in a nonlinear lattice

We propose a simple analytical model for an intense beam in a lattice with localized nonlinearities. In the thin lens limit a single nonlinearity leads to a Hénon like map. When the space charge is present and the core radius is small with respect to the dynamic aperture, the use of a frozen core distribution like KV is justified. In this case we define an analytic map M by composing the phase advance due to space charge, computed at the first perturbation order, with the kick due to the nonlinear force. The corresponding dynamics is almost indistinguishable from the dynamics of the “exact” map, which requires an accurate symplectic integration, if the tune depression is weak enough. The same accuracy is preserved for parametric modulations of the perveance or the beam core radius. The extension to any other distribution is straightforward.     

正对撞束束补偿的理论和模拟研究

束束效应是限制对撞机性能提高的重要因素,其限制作用可以通过补偿机制来改善。针对正对撞束束效应,提出两种实现束束补偿的对撞机结构,并对实现束束补偿的原理和需要满足的条件进行分析。提出利用能量回收型直线加速器产生的电子束流进行正对撞束束补偿的方案,并且基于超级质子质子对撞机进行模拟研究,研究了补偿前后束流粒子分布、频移和粒子损失等变化情况。束束补偿可以减小束团内部粒子的频散,减小束流损失,提高束流寿命,可以大幅提高单束团流强,从而提高对撞机亮度。     

光阴极RF腔注入器束流发射度研究

 分析了光阴极RF腔注入器中的RF场效应和空间电荷效应，给出了电子在加速腔中束流发射度的解析表达式，它说明在加速过程中束流发射度是振荡变化的。利用SUPERFISH和GPT程序模拟计算了光阴极1+1/2腔注入器输出束流发射度与加速场强、注入相位、束团大小和形状、束团电荷的关系。适当选择这些条件，可以获得横向发射度小于2πmm·mrad 的输出束流。     

BEPC中束束效应的计算模拟

独立开发并行的正负电子储存环的束束效应模拟程序SBBE?.通过求解自由空间内的Poisson方程计算束束作用力;单圈的传输映射中引入了辐射阻尼效应和随机效应.使用它对BEPC中的束束效应进行了计算模拟,并与实测数据进行比较.结果表明,SBBE可以较好地再现BEPC中由束束效应所引发的现象,具备一定的预言能力.本工作为BEPCⅡ的束束效应模拟研究.     

Observations of nonlinear Landau damping in an electron beam-plasma system

The nonlinear Landau damping of space charge waves of an electron beam into Trivelpiece modes by nonlinear interaction with plasma electrons has been observed experimentally in an electron beam-plasma system.     

中国散裂中子源快循环同步加速器中色品校正及六极磁铁非线性效应

中国散裂中子源（CSNS）快循环同步加速器（RCS）把能量为80 MeV的束流储存并加速到1.6 GeV然后引出到靶站。为了减少RCS中的束流损失，有必要对RCS做色品校正，并减小动量偏移对束流光学的影响。尝试了多种色品校正方案并对不同色品校正方案做了比较。用三维跟踪程序SIMPSONS研究了色品校正六极铁与空间电荷效应对束流的影响。色品校正六极铁可以有效减小色品引起的频散，但是由于六极铁为非线性元件，导致不同振幅的粒子间有一定频散。模拟发现同时存在空间电荷效应和色品校正六极铁时，会有少量的束流损失。     

利用Monte Carlo法计算粒子传输中的空间电荷效应

在电子束印刷(electron-beam lithography)、聚焦离子束(focus ion beam)以及阴极射线管(cathode ray tube)等电子及离子束器件中,束中各粒子之间存在相互作用,产生空间电荷效应。人们对电子及离子束器件中的空间电荷效应已经做了大量的研究。到目前为止,通常采用Monte Carlo法计算粒子输运过程中的离散的空间电荷效应。在此主要研究在束形成区利用Monte Carlo法计算空间电荷效应,并讨论在计算过程中出现的边缘效应,在此基础上提出一些新的处理方法以减小边缘效应,提高计算效率。     

电荷束团横向非均匀密度分布引起的发射度增长

直线加速器中电荷束团的非线性效应是导致束流发射度增长的一个重要原因。本文给出了直线加速器中几种常见的横向非均匀电荷密度分布的有限长空间电荷束团所具有的非线性自场能,得到了由束团非均匀电荷密度分布引起的发射度增长。     

铷原子热蒸气中强非线性效应产生激光模式图样的实验研究

研究了具有高斯横向分布的连续激光束单次通过铷原子蒸气后,在近共振附近铷原子蒸气中,由强的非线性克尔效应导致激光分裂成细丝的现象,并且这些细丝的衍射图样在远场通过相干叠加,可以形成具有规则结构的斑图模式.实验上研究了输入光功率,铷泡温度和抽运激光频率相对于⁸⁵Rb原子D₂线的不同失谐位置等因素对斑图模式的影响.由于铷原子的超精细能级结构,在铷原子蒸气中同时存在与三阶非线性效应相关的四波混频现象,通过扫描探测光的频率同时观察到具有斯托克斯和反斯托克斯光子的拉曼增益现象. 关键词： 铷原子蒸气 克尔效应 自聚焦 斑图     

CSR实验环电子冷却装置的纵向电子束温度

电子冷却装置中, 电子束纵向温度是计算冷却力的主要参量之一. 当电子与被冷却离子的相对速度很小时, 纵向冷却力与离子速度呈线性关系, 并且线性区域的宽度与电子束纵向温度有关. 通过分析影响电子束纵向温度的主要因素, 得到了兰州重离子冷却储存环实验环(CSRe)电子冷却装置中电子束纵向温度的大小.     

碳纳米管场致发射中的空间电荷效应

采用微波等离子体化学气相沉积(MWPCVD)方法成功制备以碳纳米管束为单元的场致发射阵列,获得很好的场致发射电流发射特性,在电流密度较大时,发现I-V特性偏离由Fowler-Nordheim公式计算出的结果。采用Electron Beam Simulation(EBS)软件进行模拟分析发现:在电流密度较低时,I-V特性能很好与F-N公式吻合。但碳纳米管尖端电流密度大于106A/cm2时,碳纳米管尖端处的有效电场强度受空间电荷的影响比较明显,进而对碳纳米管的场致发射特性显现出不可忽略的影响,此时碳纳米管的发射电流密度开始受到空间电荷的限制。     

基于BEM泊松方程求解的空间电荷效应数值模拟

 为了模拟强束流在加速器及其传输线中的行为,用C++语言开发了一种包含空间电荷效应的多粒子跟踪程序(PTP-SC),它在经典的PIC方法基础上,基于边界元法(BEM)和非等距的网格求解泊松方程。束流在自由空间分布的仿真结果与解析结果保持较好的一致性。给出了一条注入线的模拟计算结果,并与ORBIT,TRACE 3-D的计算结果进行比对。结果表明：该程序与采用数值方法的ORBIT程序的计算结果有较好的一致性。该程序可用于直线加速器及回旋加速器中的空间电荷效应模拟。     

Nonlinear analysis of wiggler taper, node competition, andspace-charge effects for a 280-GHz free electron laser

The nonlinear characteristics of a 280-GHz free electron laser (FEL) are simulated by numerical computation. The three-dimensional set of coupled nonlinear differential equations is solved for a set of TE and TM modes valid for the high gain Compton regime. The use of a nonlinear taper for efficiency enhancement, the sensitivity of gain to competing mode power levels, space-charge effects, and the effect of electron beam source distributions on gain and efficiency are examined for a 10-MeV, 3-kA beam. It is found that the nonlinear taper greatly enhances the gain and efficiency and makes the saturation power levels relatively insensitive to the competing mode power levels. The efficiency is increased to 48% by means of a nonlinear taper in which the 3-D and wiggler-averaged codes are compared and the effects of space charge are found to reduce the efficiency to a level of 32%. The effect of beam quality in terms of the four volume phase space is examined and found to have an observable effect at this wavelength     

直线加速器中的非线性空间电荷效应和发射度增长

直线加速器中束团的非线性空间电荷效应是引起发射度增长的重要原因之一．根据计算在屏蔽筒中非均匀分布京团的空间电荷效应的普遍方法，推导了直线加速器圆波导中几种非均匀分布束团的非线性场能公式，并给出数值计算结果．讨论了由非线性所引起发射度增长．     

等离子体填充圆柱波导中双流不稳定性的研究

 在无限大磁场情况下对等离子体填充圆柱波导中双电子注的相互作用进行了理论分析,得出行列式形式的色散方程。针对不同参数对色散方程进行数值计算,发现当两根电子注之间存在速度差时,通过快慢空间电荷波的相互作用,两电子注引起的双流不稳定性可以产生契伦柯夫辐射;当等离子体频率超过双注相互作用的频率范围后,可以大大加强和改善等离子体、两电子注三者之间的相互作用。