课程编号: 022M1001H |
课时: 60 |
学分: 4.0 |
课程属性: 一级学科核心课 |
主讲教师:秦庆等 |
英文名称: Physics for accelerator of Storage Ring |
教学目的、要求
本课程希望帮助学生掌握现代粒子加速器物理中的基础知识,了解加速器物理中的主要研究课题。要求学生对加速器的历史和前沿有基本的了解,对加速器的加速原理和加速器物理中的线性理论有较深入的理解,对非线性理论和束流集体效应有基本的理解。
预修课程
电动力学,电磁场,经典力学,数学物理方法,线性代数,微积分
教 材
自编讲义
主要内容
1. 高频直线加速器简介。
2. 束流和束团的概念,电子和质子加速器的主要区别,行波和驻波加速。
教学重点与难点:束流和束团的概念,行波和驻波加速的区别。
3. 高频直线加速器加速场的特点,加速过程中的同步问题,相速,群速,弗洛克定理,色散曲线,通带和禁带。
教学重点与难点:相速,色散曲线
4. 加速结构的基本参数,包括分路阻抗、品质因数、Zs/Q、群速、衰减常数、工作频率、工作模式。
教学重点与难点:分路阻抗、品质因数、衰减常数、工作频率、工作模式。
5. 等阻抗加速结构和等梯度加速结构,包括二者各自的特点、场和功率沿纵向的分布情况。
教学重点与难点:等阻抗加速结构和等梯度加速结构的区别,以及电场沿纵向的分布。
6. 电子枪简介,电子直线加速器预注入器,聚束系统原理,能量增益,渡越时间因子。
教学重点与难点:聚束系统原理,能量增益,渡越时间因子。
7. 高频功率源和脉冲压缩器,同步加速相位,自动稳相原理。
教学重点与难点:同步加速相位,自动稳相原理。
8. 纵向运动方程,相稳定区,刘维定理,小振幅相振荡。
教学重点与难点:纵向运动方程的推导,相稳定区。
9. 加速场的横向分量及其对束流的影响,螺线管磁铁、偏转磁铁、四极磁铁简介。
教学重点与难点:加速场的横向分量及其对束流的影响。
10. 四极磁铁的磁场,横向运动方程及其矩阵解,传输矩阵,行波加速管的传输矩阵。
教学重点与难点:横向运动方程的推导,传输矩阵。
11. FODO结构,周期结构的稳定条件,束流相空间,刘维定理,发射度,归一化发射度,束流相椭圆。
教学重点与难点:束流相空间,刘维定理,发射度,归一化发射度,束流相椭圆。
12. Twiss参数,束流特性矩阵。
教学重点与难点:Twiss参数的意义,束流特性矩阵。
13. 正电子源,磁铁的有效长度,束流接受度,束流匹配,相空间的丝化。
教学重点与难点:束流接受度,束流匹配。
14. 发射度测量,偏转磁铁和边缘角,能散和色散效应,低能段的空间电荷效应。
教学重点与难点:发射度测量,边缘角,能散和色散效应,低能段的空间电荷效应。
15. 尾场效应,短程尾场和长程尾场,BBU,尾场势,横向尾场函数,纵向尾场函数,束流负载效应。
教学重点与难点:尾场势,横向尾场函数,纵向尾场函数。
16. 单束团纵向尾场效应,多束团纵向尾场效应,单束团横向尾场效应。
教学重点与难点:单束团纵向尾场效应,单束团横向尾场效应。
17. 质子直线加速器常用的加速结构,渡越时间因子和等效分路阻抗。
教学重点与难点:渡越时间因子和等效分路阻抗。
18. 驻波加速结构,加速模式,RFQ。
教学重点与难点:加速模式,RFQ。
19. DTL,SDTL,CCL,CSNS简介。
教学重点与难点:DTL
20. 直线加速器部分回顾和总结。
21. 早期环形加速器的介绍。
22. 如何设计储存环,导出二极铁、四极铁以及多极铁的场方程。
教学重点与难点:场分布的复数表示
23. 铁轭型和电流型磁铁。
教学重点与难点:线电流的磁场,cosθ磁铁
24. 束流产生的场;空间电荷力;束流位置探测器。
教学重点与难点:空间电荷力,镜像电流
25. 从 Lorentz 方程出发推导横向运动方程
教学重点与难点:横向运动方程的推导
26. 介绍运动的矩阵表示形式,二极铁的边缘场及单圈传输映射
教学重点与难点:边缘场的传输映射,单圈传输映射的特性
27. 引入 Courant-Snyder 参数
教学重点与难点:Courant-Snyder参数的物理意义
28. 束流分布和发射度
教学重点与难点:发射度在束流传输中的不变性
29. Twiss 参数的传输变化和工作点
教学重点与难点:Twiss参数在直线节和四极铁中的变化,工作点的物理意义
30. 二极场误差效应
教学重点与难点:闭轨畸变,整数共振
31. 四极场误差
教学重点与难点:beta函数畸变,半整数共振
32. 响应矩阵的应用介绍
教学重点与难点:LOCO方法
33. 线性横向耦合
教学重点与难点:差共振、和共振;solenoid的传输映射
34. 非线性共振及远离共振的平滑近似
教学重点与难点:带有薄透镜非线性元件的一维运动;平滑近似;非线性的和、差共振
35. 色散函数
教学重点与难点:色散函数的定义;色散函数的两种物理图像
36. FODO节中的色散函数和消色散节
教学重点与难点:色散函数的传输变换
37. 色品及其校正
教学重点与难点:自然色品、校正色品,六极铁在色品校正中的作用
38. 高频腔的基本物理模型
教学重点与难点:Pill box 腔的特性
39. 相稳定原理和纵向运动的微分形式
教学重点与难点:动量压缩因子,transition energy与横向工作点的关系,纵向工作点
40. 纵向运动的差分形式;RF bucket;粒子在相空间中的运动
教学重点与难点:纵向运动的非平滑近似
41. 粒子纵向运动的振荡频率(教学重点)
教学重点与难点:小幅振荡与大幅振荡的差别;纵向运动中的非线性效应
42. 同步辐射的简要介绍
43. 纵向阻尼的计算
教学重点与难点:纵向阻尼与单圈辐射能量U0的关心,Damping partition number Jz
44. 横向阻尼的计算(教学重点与难点)
教学重点与难点:横向阻尼与单圈辐射能量U0的关心,Damping partition number Jx、Jy
45. Robinson 和定理;能散度和束长的计算(辐射导致)
教学重点与难点:辐射阻尼相关的不同事件的时间尺度,能散度的计算
46. 水平发射度和垂直发射度(辐射导致)
教学重点与难点:水平、垂直发射度的计算,水平方向的相空间分布,辐射相关的 scaling law
47. 束流尾场与阻抗
教学重点与难点:尾场和阻抗的定义,物理意义及性质。
48. 束流集体效应
教学重点与难点:各种主要束流不稳定性的发生原因,阈值,克服办法。
49. 束流与外来粒子相互作用
教学重点与难点:束流与外来粒子相互作用的机制,对束流的影响,克服办法
50. 束流寿命
教学重点与难点:各种束流寿命的决定因素,提高束流寿命的方法。
51. 环形加速器设计方法
教学重点与难点:各主要物理参数的决定方法,与主要硬件系统参数的关系。
52. 单粒子动力学的程序介绍
53. 加速器设计软件使用
54. 单粒子跟踪的数值方法
55. 束流频谱(教学难点)
56. 对撞机亮度
57. 讨论课
58. 讨论课
59. 讨论课
60. 习题课
教学手段与方法:
讲课幻灯片为主、板书为辅;
布置题目,学生课外调研,然后主讲讨论课;锻炼学生调研、自学的能力。
通过习题课讲解,梳理讲课内容回顾重要知识点。
考核方式:
平时作业(30%)+闭卷考试(70%)
参考文献
S.Y. Lee, 《加速器物理》
H.Wiedemann,《加速器物理》
各类加速器学校教学材料