擬似多項式を使用したシンクロトロン光源のビーム安定ゾーンの拡大

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1335 (2023) この記事を引用

1037 アクセス

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この記事の目的は、最適化すると位相空間での共鳴開始を抑制し、蓄積リング内の電子の動的開口を抑制できる適切な目的関数を使用して、シンクロトロンにおける荷電粒子ビームの安定ゾーンを増やすスキームを提案することです。改善されました。 提案された手法は、位相空間の原点付近に準不変量を構築することによって実装され、その後、シンボリック計算ソフトウェアを使用して、非線形力学に関与する関数の連成微分方程式のセットが取得され、周期的境界条件を使用して数値的に解かれます。 。 目的関数は、多項式準不変量の最も内側の運動量解ブランチが線形力学の対応する楕円に近づくことを提案することによって構築されます。 目的関数は遺伝的アルゴリズムを使用して最適化され、動的絞りを増やすことができます。 このスキームで得られた結果の品質は、現場で利用可能なソフトウェアで実行された粒子追跡シミュレーションと比較され、良好な一致を示しています。 このスキームは、その放射率により第 3 世代に分類できる放射光光源モデルに適用されます。

現在、シンクロトロン光源の蓄積リングの設計は、主に格子の非線形特性によって動的開口が減少するため、大きな課題となっています。 設計の最初の段階では、磁気双極子と四重極を使用して、所定のエミッタンスを持つ線形色消し格子 1 を生成します。 2 番目のステップでは、磁性六極子、および必要に応じて八極子の導入が含まれます。これにより、ダイナミクスが線形から非線形に変換され、制御されないと電子ビームの不安定性の原因となる新しい現象が生成されます。 このような場合、放射光の輝度が低下し、進行中の技術研究、基礎研究、応用科学研究の実験に影響を与える可能性があります2。

シンクロトロン光源が動作すると、リングに沿って数百の電子束が分布することがあります。 束は非常に高い真空条件で金属管内を移動し、ガス分子との衝突を最小限に抑えます。 チューブはすべての磁石の中心を通過します。 電子束は、いくつかの磁気多重極によってもたらされる磁力と相互作用することによって安定化されなければなりません。 動作中は、このような安定性が数時間保証される必要があります。

良い設計を探すときは、すべての磁石のさまざまな長さと磁場の強さを最適化する必要があります (後者は関数 \(b_1(s)\)、\(b_2(s)\)、\ で記述されます。 (図 1 に示すように区分定数関数である b_3(s)\)、およびそれらの間の自由空間、いわゆるドリフト空間の長さ。 通常、このプロセスでは、図2に示すように、磁気セルの周期的配置に基づいた物理的構造がリングに与えられます。このプロセスでは、電子が安定した軌道を描けるように、これらの磁石の配置を模索します。ライト。

新しいシンクロトロンのエミッタンスを低減するための継続的な研究では、ますます強力な磁気四重極の使用が必要となり、より顕著な色彩効果が生じます。 これらの影響を補正するには、高強度の磁気六極子 (クロマチック) および高次の多極子の使用が必要です。 幾何学的な六極子と呼ばれる別のタイプの六極子が追加され、色彩六極子によって生じる望ましくない効果を修正し、動的開口を改善します。 六極子や高次の多極子が強ければ強いほど、動的安定性を制御下に保つことが難しくなります。 このレベルでは、設計プロセスで解決すべき問題は、動的アパーチャとモーメント アパーチャの両方を同時に最大化するように六極子ファミリーを調整することです。 さらに、他のタイプの重要な変数が最適化に含まれる場合、複雑さは増加します3。 最終的に、リングの設計は、六極などの意図的な非線形性、または磁石の場の誤差や不完全性などの非線形性の存在に対して堅牢でなければなりません。 これらの調整を行う従来の方法は、多くの共振項を最小限に抑えることです4,5。 これらの結果は、粒子追跡シミュレーションで検証されます6、7。 さらに、同調拡散と共鳴構造をよりよく把握するために、周波数マップ分析 8 などの補完的なツールを使用するのが一般的です。 他の効果的な最適化方法は、計算リソースを非常に要求します9が、必要に応じて共鳴項の計算を含む、粒子追跡10、11、12、13によって動的アパーチャを直接計算します14。 非線形システムの解析的解決手順は非常に複雑であるため、一部の著者は、非線形システムを数値的に処理するための新しい方法を解析および開発しました 12,13。 これらの手法の一部は、非常に正確な記述手順に基づいています6,7。 さらに、より優れた性能を備えた機械の必要性により、研究者は、運動の積分が達成されるように磁場が変調される積分可能加速器などの新しいソリューションを提案するようになりました。