HLS-II储存环束流清洗状况

文鹏权 宋一凡 李 兵 宣 科 刘功发

（中国科学技术大学 国家同步辐射实验室 合肥 230029）

HLS-II储存环束流清洗状况

文鹏权 宋一凡 李 兵 宣 科 刘功发

（中国科学技术大学 国家同步辐射实验室 合肥 230029）

描述了一种基于关系数据库的电子储存环束流清洗状况的分析方法，结合HLS-II (Hefei Light Source II)历史数据库讨论了储存环束流寿命、束流流强和真空压强等数据的选取条件，采用MATLAB编写了数据处理和分析程序，对HLS-II自2014年调试以来的大量历史数据进行了分析。HLS-II储存环在2014年11月因更换陶瓷真空室而暴露大气，因而束流清洗过程分为两个阶段。数据分析结果表明，第二阶段的束流清洗效果较第一阶段更加明显，且积分流强达到80 A·h 后动态真空度达到了设计要求。此分析方法处理快捷，自动化程度高，可帮助研究人员快速掌握储存环的束流清洗状况。

合肥光源，束流清洗，束流寿命，真空度

电子储存环真空环境是影响束流寿命的重要因素，真空环境越好，束流寿命就越长。故研究电子储存环真空环境与束流寿命之间的关系对于评估电子储存环的运行状态有着重要意义[1–2]。2010年初合肥光源进行了重大维修改造，改造后的合肥光源称为HLS-II (Hefei Light Source II)。HLS-II自2014年1月份开始进行总体调试，2014年12月通过了总体工艺测试，2015年1月开始试运行。HLS-II的数据存档系统以关系数据库为基础，记录了HLS-II调试以来各个子系统的历史数据。为分析HLS-II储存环的束流清洗状况，需要从大量的历史数据中选择具有代表意义的束流清洗数据。因此，本文提出了一种基于关系数据库的电子储存环束流清洗状况的分析方法，并对储存环真空压强、束流流强和束流寿命等历史数据展开分析，为研究机器的人员快速掌握储存环的束流清洗状况提供了一种技术手段。

1 动态真空度与储存环束流寿命的关系

1.1 光电解吸作用与束流清洗

电子储存环运行时，同步辐射产生的光子轰击真空室内壁，从而激发出一定能量的光电子。光电子及次级电子轰击真空室内壁会导致原来吸附在真空室内壁的气体分子被释放出来，这被称为光电解吸作用。由于光电解吸作用，电子储存环在无束流状态下的静态真空度会比有束流状态下的动态真空度差一个量级左右。然而，解吸气体的量会随着辐射光子的累积照射剂量的增加而减少，即吸附在材料上的气体会被逐渐释放。故随着电子储存环的运行时间增加，动态真空度会逐渐变好，束流寿命变长，这种现象被称为束流清洗作用[3]。

1.2 储存环束流寿命分析

电子储存环稳定运行时束流的损失主要受三种因素影响：量子效应、真空效应和Touschek效应。量子效应由量子激发导致；真空效应由束流残余气体散射导致；Touschek效应则是由束团电子弹性散射所导致。根据这三种效应可以把束流寿命分成量子寿命、真空寿命和Touschek寿命[3]。

在理想情况下，每个束团电子密度均匀，不考虑束流闭轨畸变，Touschek寿命τT可简化为[4]：

式中，k1为常数，与储存环运行参数（如Beta函数、束流动力学孔径）相关。

电子储存环的动态真空度主要受束流流强影响，它们之间的关系近似为线性关系[5]：

式中，P为动态真空度；P0为静态真空度；I为流强；ΔP为光电解吸导致的压强变化；ΔP/ΔI为残余气体解析率。而真空寿命可表示为[4]：

式中，k2为常数，与储存环参数（如Beta函数、束流动力学孔径）有关，还和储存环内残余气体成分有关。

对于“女佛山后寺萧涧秋”寄来的信,个个奇怪,连阿荣和学生。看完信后,陶慕侃“怅怅”,“他失望地将信交给陶岚,陶岚发抖地读了一遍,默了一忽,眼含泪说:‘哥哥,请你到上海去找萧先生回来。’”

考虑到HLS-II设计时动力学孔径远大于束团尺寸，量子寿命可以忽略。故束流寿命τ可表示为：

由于静态真空度较动态真空度大约小1个量级，静态真空度P0可以忽略；实际运行中，用储存环平均真空压强Pavg来表示动态真空度P，则ΔP/ΔI可以用Pavg/I来近似表示，因此式(4)可变换为：

式(5)是在理想情况下电子储存环束流清洗的理论基础。当储存环以衰减方式运行时，在一次运行中ΔP/ΔI几乎不变，I·τ近似为常数，可作为表征一次运行的参量。

2 数据处理与程序设计

2.1 数据处理

束流寿命与多种参数有关，要分析其与储存环真空状态之间的关系，原则上需剔除其他参数的影响，即选择其它参数保持一致的数据。然而储存环的每次运行都伴随着一些随机因素，其运行参数并不完全一致，因此只能选择运行参数相近的数据进行分析。

HLS-II储存环以衰减方式运行，运行状态分为4种：关机、参数设置、注入和衰减运行。通常经过短时间的参数设置和注入状态后进入持续时间较长的衰减运行状态。运行人员每次注入时会参考以前成功注入时的参数，通常可以认为每次正常运行时的参数是相似的。

根据HLS-II的实际运行情况，每次注入后的峰值流强和储存环处于衰减运行状态的持续时间（以下简称衰减运行时段）可以作为数据选取的条件之一。例如HLS-II稳定运行后，每次注入峰值流强都达到300 mA，且衰减运行时段都超过了4 h。如果峰值流强太低或者衰减运行时段太短，则很有可能是运行人员对储存环进行调试所致。所以在数据处理时，若峰值流强太小或者持续时间太短，那么这个衰减运行时段的数据则不用于束流清洗的分析。

图1 IVU140磁间隙与束流寿命的变化Fig.1 Variation of lifetime and gap IVU140 against time.

为避免插入件对束流寿命带来的影响，若Operation时段内指定插入件磁间隙小于设定值，则剔除该时间段的数据。

前面讨论中提到可采用I·τ替代τ作为表征一次运行的参量，实际的运行数据显示一次运行过程中I·τ也并非是恒定不变的。图2给出了2015年3月11日的一次运行过程中束流流强与寿命的变化，图3给出了相对应I·τ随时间的变化。

从图3可看出，I·τ随时间不断减小，这是由于静态真空度相比于动态真空度仍然占一定比重，且放气累积效应对此也有一定影响[7]。因此，为避免流强的影响，把流强也作为数据选取的条件之一，只选取指定流强对应的数据。

束流寿命是通过束流流强的变化曲线的指数拟合而得到的，一些随机扰动会带来束流寿命的较大抖动。如图2所示，尽管束流流强看起来平缓下降，但束流寿命的变化却有明显抖动。由于Touschek效应的影响，随着流强的下降，束流寿命会上升，且上升趋势可近似为线性趋势。因此，为避免随机扰动所带来的影响，对束流寿命进行线性拟合，取拟合之后对应的寿命数据来计算参量I·τ。如果拟合后的线性相关系数小于用户设定值，则可认为该时段内储存环运行不正常，并剔除该时段内的数据。

图2 2015-03-11一次运行过程中束流流强与寿命变化Fig.2 Variation of beam current and lifetime against time during the operation status on Mar. 11, 2015.

图3 与图2时间相对应的I·τ随时间的变化Fig.3 Variation of I·τ corresponding to Fig.2.

综上所述，为选取运行参数相近的数据进行束流清洗分析，避免人为因素和随机因素的干扰，所选取的数据需要符合以下条件：

(1) 处于衰减运行状态下，且峰值流强、衰减运行持续时间和插入件磁间隙均大于用户设定值；

(2) 选取指定流强对应的数据点；

(3) 束流寿命与时间的线性相关系数大于用户设定值。

2.2 程序设计

根据前面的讨论，数据的选取需要满足一系列的条件。这些条件以参数的形式存放在配置文件中，包括峰值流强阈值、衰减运行持续时间阈值、插入件磁间隙阈值、流强指定值和束流寿命拟合相关系数阈值。

HLS-II的历史数据存放在关系数据库ORACLE中，与ORACLE间的数据访问由MATLAB数据库工具箱提供支持。数据处理程序也是基于MATLAB平台开发的，其数据处理流程如图4所示。

图4 束流清洗数据处理流程图Fig.4 Flow chart of beam cleaning data processing.

程序从数据库中得到储存环位于衰减运行状态的起止时间，以及该时段内的峰值流强(top-current)和磁间隙距离(ID gap)。如果峰值流强和磁间隙距离大于用户设定的阈值，则读取该时段内的束流寿命数据，并对束流寿命进行线性拟合。如果拟合后线性相关系数(r)大于用户设定的相关系数阈值(Coefficient)，则选取流强指定值(Itarget)的时间点，然后取得拟合后位于该时间点的束流寿命，再插值计算得到该时间点的真空平均压强，最后计算从起始时间到当前选取时间点的积分流强。以上是一次衰减运行时段的数据处理流程，完成后程序开始下一个衰减运行时段的数据处理，直到截止时间为止。

3 结果分析

数据处理程序分析了2014年02月11日至2015年03月22日间的历史数据。HLS-II储存环在2014年11月21日至11月27日期间因更换陶瓷真空室而暴露大气，因而束流清洗过程分为两个阶段，第二阶段的积分流强重新从零开始计算。对于每个阶段的束流清洗，在初始时刻注入的峰值流强较低，大多低于200 mA，因此将流强指定值设为100 mA；之后注入峰值流强大多超过200 mA，因此将流强指定值设为200 mA。经处理得到的I·τ和Pavg/I随积分流强的变化结果见图5和6，图5对应于束流清洗的第一阶段，图6对应于束流清洗的第二阶段。

图5 2014/02/11–2014/11/11期间I·τ和Pavg/I随积分流强的变化Fig.5 Variation of I·τ and Pavg/I against integrated current between Feb. 11, 2014 and Nov. 11, 2014.

图6 2014/11/27–2015/03/22期间I·τ和Pavg/I随积分流强的变化Fig.6 Variation of I·τ and Pavg/I against integrated current between Nov. 27, 2014 and Mar. 22, 2015.

图5 和6皆表明在束流清洗的初始阶段，由于真空室壁上吸附了大量气体分子，气体解析速率很大，储存环动态真空度相对很差，此时气体散射效应是限制束流寿命的主要因素。随着积分流强的增加，吸附在真空室壁上的气体分子逐渐减少，气体解析速率降低，动态真空度逐渐变好。在束流清洗的第一阶段，储存环处于调试期，运行参数变化较大，因而图5中显示的I·τ数据点较为分散。在束流清洗的第二阶段，由于第一阶段的清洗作用，真空室壁上重新吸附的气体分子较少，气体解析速率较低，束流清洗效果也更加明显。

HLS-II真空系统的设计要求为300 mA流强下的平均动态真空度小于1.33×10–7Pa[8]。在束流清洗的第二阶段，积分流强达到80 A·h后，300 mA流强下的动态真空度为1.26×10–7Pa，这也反映了束流清洗的效果十分明显。

4 结语

采用MATLAB编写了束流清洗数据处理程序，可以根据选取条件迅速从大量历史数据中筛选出满足条件的相关数据，并以图形方式显示I·τ和Pavg/I随积分流强的变化趋势。本文提出的分析方法处理快捷、自动化程度高，可帮助研究人员快速掌握储存环的束流清洗状况。本文的工作也表明，基于关系数据库采用数据统计的方法，结合物理模型对大量历史数据进行分析研究，对诊断加速器的运行状态有着重要应用价值。

1 Miyajima T, Ebihara K, Ezura E, et al. Present status of photon factory advanced ring[C]. PAC2003, Portland, USA, 2003: 860–862

2 Suetsugu Y, Kanazawa K, Kato S, et al. Present status of the KEK B-factory vacuum system[J]. Journal of Vacuum Science & Technology A, 2003, 21(4): 1436–1441. DOI: 10.1116/1.1577129

3 刘祖平. 同步辐射光源物理引论[M]. 合肥: 中国科学技术大学出版社, 2009

LIU Zuping. Synchrotron radiation light source introduction[M]. Heifei: Press of University of Science and Technology of China, 2009

4 Lee T Y. Simple formulas for the beam lifetime analysis in an electron storage ring[J]. Physical Review E, 2004, 69(4): 046501. DOI: 10.1103/PhysRevE.69.046501

5 赵籍久, 尹赵升. 粒子加速器技术[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006 ZHAO Jijiu, YIN Zhaosheng. Particle accelerator technology[M]. Beijing: Higher Education Press, 2006

6 王琳, 徐宏亮, 李为民, 等. 合肥光源超导扭摆磁铁模式下线性光学参数补偿[J]. 原子能科学技术, 2006, 40(4): 503–507

WANG Lin, XU Hongliang, LI Weiming, et al. Compensation of linear optical parameters with super conducting wiggler magnet in Hefei Light Source Synchrotron Radiation Light Source[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2006, 40(4): 503–507

7 徐宏亮, 张剑锋, 黄贵荣, 等. 合肥储存环电子束流寿命分析[J]. 强激光与粒子束, 2006, 18(3): 455–458

XU Hongliang, ZHANG Jianfeng, HUANG Guirong, et al. Analysis of beam life of hefei storage ring[J]. Hing Power Laser and Particle Beams, 2006, 18(3): 455–458

8 王琳. HLS-II设计报告(内部资料). 国家同步辐射实验室, 2010

WANG Lin. HLS-II Designed Report (inner report). National Synchrotron Radiation Laboratory, 2010

CLC TL507

Beam cleaning status in HLS-II storage ring

WEN Pengquan SONG Yifan LI Bing XUAN Ke LIU Gongfa
(National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei 230029, China)

Background: A system based on relation database has been developed to archive history data in the Hefei Light Source II (HLS-II), which provides a foundation for analysis of the beam cleaning. Purpose: The beam cleaning analysis is to give an assessment on vacuum system and storage ring operation status. Methods: A method based on mathematical statistics is described. Lifetime data and pressure data are selected from the relation database for the beam cleaning analysis. A data processing program is designed by MATLAB. The data for the beam cleaning since HLS-II commissioning in 2014 are acquired by the program. Due to ceramic vacuum chamber of HLS-II was replaced in Nov. 2015, the process of the beam cleaning analysis is divided into two stages. Results: The results show that the dynamic vacuum pressure can meet design requirement when integrated current reaches 80 A·h. The effect of the beam cleaning in second stage is better than that in the first stage. Conclusion: The method presented in this paper is convenient and efficient. The data processing program is beneficial to researchers to evaluate beam cleaning status in storage ring quickly.

HLS-II, Beam cleaning, Lifetime, Vacuum pressure

TL507

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.100102

文鹏权，男，1991年出生，2012年毕业于成都理工大学，现为硕士研究生，核技术及应用

刘功发，E-mail: gfliu@ustc.edu.cn

2015-08-10，

2015-08-30