Longitudinal mode-coupling instabilities of proton bunches in the CERN Super Proton Synchrotron
在本文中，我们研究了在欧洲核子研究中心超级质子同步加速器（SPS）中观察到的单束团不稳定性。根据线性化的Vlasov理论，径向或方位角模式耦合不稳定性是由聚束振荡模式的耦合引起的，所述聚束振荡模式分别属于相同或相邻的方位角模式。我们表明，这两种不稳定机制存在于SPS通过应用Oide-Yokoya方法来计算的SPS的现实纵向阻抗模型的van Kampen模式。结果与宏观粒子模拟和束流测量相一致。特别是，我们看到在最近的阻抗降低活动（2018-2021）之前观察到的单束团的不受控制的纵向发射度爆炸是由于径向模式耦合不稳定性。出乎意料的是，这种不稳定性是一样强的方位角模式耦合不稳定性，这是可能的，在SPS的聚束长度和强度的其他组合。我们还证明了射频非线性和势阱失真在确定这些不稳定阈值的重要作用。最后，我们讨论了最近的阻抗降低运动对单和双射频配置的束流稳定性的影响。
2022-09-30 physics.acc-ph
Fast Mapping of Terahertz Bursting Thresholds and Characteristics at Synchrotron Light Sources
具有极短电子束团的专用光学器件使同步加速器光源能够产生强烈的相干THz辐射。这种所谓的低α光学器件中的高度空间压缩需要电子聚束的复杂纵向动力学，这可以通过研究由微聚束不稳定性（“爆发”）引起的发射太赫兹辐射的波动来探测。本文提出了一种“准瞬时”的方法来测量的爆裂特性，同时收集和评估的信息，从所有束团在一个多束填充，减少测量时间从几个小时到几秒钟。这种加速允许在机器的单次填充内对各种加速器设置的爆裂特性进行系统研究，从而能够将测量的爆裂阈值与聚束理论的理论预测进行全面比较。本文介绍了这种方法，并给出了在ANKA同步辐射装置上获得的第一批结果。
2016-05-02 physics.acc-ph
Transverse Decoherence and Coherent Spectra in Long Bunches with Space Charge
横向束团谱和初始束团偏移后的横向退相干/重相干是同步加速器和存储环中的重要现象，广泛用于束流和晶格测量。粒子电子感应加速器频率和同步加速器频率的非相干位移修改了横向光谱和聚束退相干。在这项研究中，我们分析了横向空间电荷和射频非线性对退相干信号的影响。在GSI Darmstadt的SIS 18同步加速器上测量了不同束团参数下的横向束团退相干和由此产生的相干谱。粒子跟踪模拟与分析模型一起被用来描述由于空间电荷和射频桶的非线性在退相干信号和相干光谱的修改。
2012-08-02 physics.acc-ph
Coherent Synchrotron Radiation Measurements in the CLIC Test Facility (CTF II)
高电荷束（高达10 nC）在CTF II磁弯道中被压缩到小于0.2 mm rms的长度。短聚束在弯道磁场中相干辐射，水平和纵向相空间密度分布受到影响。本文报道了束流发射度和动量的测量结果。水平和垂直发射度和动量谱测量不同的聚束压缩因子和聚束电荷。特别是，对于10 nC的聚束，平均束流动量下降了约5%，而FWHM动量扩展从5%增加到19%。实验结果进行了比较与代码TraFiC4的模拟。
2000-08-17 physics.acc-ph
Direct observation of spatio-temporal dynamics of short electron bunches in storage rings
在最近的同步辐射装置中，使用短（皮秒）电子聚束是产生太赫兹相干同步辐射（THz CSR）巨脉冲的有效方法。在这里，我们报告的第一次直接观察这些脉冲形状与几皮秒的分辨率，他们的动态在很长一段时间。因此，我们以非常直接的方式证实了预测两个物理过程之间相互作用的理论。在一个临界聚束电荷下，我们观察到一个训练相同的太赫兹脉冲（宽带太赫兹梳）源于电子聚束的短。在这个阈值以上，很大一部分的发射是由漂移结构，这是通过自发自组织出现。通过使用最近开发的具有高灵敏度的光子时间拉伸探测器，这些具有挑战性的单次太赫兹记录成为可能。实验已在SOLEIL储存环上实现。
2016-07-27 physics.acc-ph
Longitudinal phase-space coating of beam in a storage ring
在这封信中，我报告了一个新的计划，束堆积没有任何束流发射度稀释使用的屏障射频系统在同步加速器。该计划的一般原则，称为纵向相空间涂层，验证的概念，通过多粒子束动力学模拟应用到费米实验室回收器，其实验演示。此外，它已被证明和说明，该方案中涉及的射频体操可用于测量的非相干同步调谐光谱的光束在障碍桶和在纵向相空间中产生一个干净的空心光束。本文提出的同步加速器束流堆积方法是同类方法中的第一种。
2015-10-29 physics.acc-ph
Characterization and minimization of the half-integer stop band with space charge in a hadron synchrotron
在任何强子同步加速器中，半整数共振是限制可达到的最大光束强度的最强效应之一。GSI目前正在建造的重离子超导同步加速器SIS100应该为未来的FAIR实验提供强束流。以SIS100为例，本文提出了一个定量的框架来表征半整数阻带的现实，高斯分布聚束。这项研究确定了调谐区域的梯度误差引起的半整数谐振不同的空间电荷强度的影响。我们分析的一个关键见解是，对于聚束光束，相对较小的梯度误差可以导致大的半整数阻带宽度。因此，可实现的最大聚束强度（通常称为空间电荷极限）显著降低。这与基于更简化的光束分布的文献中现有研究的结果形成对比。差异的原因是确定在高斯分布时，空间电荷变得更强，出现在较长的时间尺度上的同步加速器相关的阻带宽度增加。同步加速器运动的作用，在提供连续的发射度增长的一堆仔细检查。为了使聚束束的半整数阻带最小化，从而增加空间电荷限制，应用晶格校正：在优化过程中包括空间电荷恢复相当于常规晶格校正的结果。因此，我们发现，传统的校正工具是非常适合于提高梯度误差引起的空间电荷限制的同步加速器。
2022-06-15 physics.acc-ph
From self-organization in relativistic electron bunches to coherent synchrotron light: observation using a photonic time-stretch digitizer
在最近和未来的同步辐射设施中，需要具有越来越高的电荷密度的相对论电子聚束来产生从X射线到太赫兹的各种波长的明亮光。在这样的条件下，电子束团与其自身发射的电磁场的相互作用导致不稳定性和复杂空间结构的自发形成。因此，理解这些不稳定性是大多数电子加速器的关键。然而，调查遭受缺乏非破坏性的记录工具的电子束团的形状。因此，在储存环中，大多数研究都集中在由此产生的辐射上。在这里，我们提出了测量的电场在附近的电子束在存储环，在许多圈。为了记录超快电场，我们设计了一个光子时间拉伸模数转换器，其采样速率为每秒万亿次。因此，我们可以观察到储存环中自发斑图形成和相干同步辐射巨爆发之间的预测联系。
2019-02-16 nlin.PS physics.acc-ph physics.optics
Density distributions of tune shifts from space charge or beam-beam interactions in Gaussian bunches
本文解析计算了高斯束团中空间电荷或束束相互作用引起的振幅依赖频移，推导了频移密度分布的半解析形式，并用pyorbit模拟验证了IOTA中的理论预测。
2023-06-28 physics.acc-ph
Synchrotron dynamics in Compton x-ray ring with nonlinear momentum compaction
研究了在动量压缩因子较小的储存环中循环的能散较大的电子束团的纵向动力学。还被认为是纵向相空间的结构，以及其修改由于环参数的变化。给出了平衡区对非线性动量压缩因子变化的响应。
2005-05-30 physics.acc-ph
Beam dynamics performances and applications of a low-energy electron-beam magnetic bunch compressor
电子直线加速器的许多前端应用依赖于临时压缩聚束的产生。电子束团的缩短通常是通过位于加速器高能部分的磁束团压缩器来实现的。磁压缩受到集体效应的影响，包括空间电荷和通过相干同步辐射的自相互作用。在本文中，我们探讨了应用磁压缩低能量（$\sim 40$ MeV），高电荷（nC）电子束团与低归一化横向发射率（$< 5$ $μ$ m）。
2013-02-04 physics.acc-ph
Time-Correlated Single-Photon Counting for versatile longitudinal diagnostics at the MAX IV Laboratory storage rings
MAX IV实验室利用时间相关单光子计数技术提升存储环中电子束团纵向诊断能力，增强同步辐射光源的运行效率。
2025-01-10 physics.acc-ph
Suppression of Coherent Synchrotron Radiation-Induced Emittance Growth in a Multi-Bend Deflection Line
针对高亮度电子束输运中相干同步辐射导致的发射度增长问题，提出基于反向晶格的优化方法，设计四弯消色差结构，可同时抑制稳态和序列漂移中的CSR效应，仿真验证峰值电流3000A下大角度偏转时发射度几乎不变。
2024-05-24 physics.acc-ph
Longitudinal rms emittance preservation during adiabatic capture for Gaussian beams
本文分析了重离子聚束过程中发射度的保持问题。分析的目的是找出滑行光束的发射度均方根值与所产生的聚束的发射度均方根值之间的相关性。利用理论分析和粒子跟踪模拟研究了高斯惯性光束在同步加速器中的束流发射度。对聚束过程前后发射度的关系给出了新的结果。发现可以确定一个常数因子来描述这种关系。该因子可用于避免耗时的模拟。如果在聚束过程之前已知均方根发射度，则可以在之后计算聚束束的均方根发射度。这也使得确定特定填充比所需的铲斗面积成为可能。
2019-11-13 physics.acc-ph
Electron beam emittance at operational intensity in fourth-generation synchrotron light sources
本文研究第四代同步辐射光源在运行强度下发射度随能量和强度的变化，综合束内散射、阻抗效应和谐波腔束团拉伸，以确定最优参数组合。
2024-05-02 physics.acc-ph
Feasibility of a synchrotron storage ring for neutral polar molecules
通过计算和数学建模，我们证明了建立中性极性分子同步辐射储存环的可行性。网格是一个跑道型3.6米的周长组成的两个180度的弧，六个聚束器，和两个长直的部分。每个直线段包含两个三重聚焦透镜和用于光束注入和实验的空间。该设计还包括一个匹配的注射器和线性减速器。最多可装载60束，并同时储存在环中。分子以90 m/s注入，但循环束的速度在注入后可以减速到60 m/s。该模型使用氘代氨分子在弱场寻求状态。在400转（15秒）后仍然存在的光束，水平和垂直接受度分别为35 mm-mr和70 mm-mr，能量接受度为± 2%。
2002-12-10 physics.acc-ph physics.chem-ph
Simulation of longitudinal Landau damping in bunches with space charge
本文通过粒子跟踪模拟研究空间电荷作用下强子束团纵向偶极模的朗道阻尼损失，发现分支点和阻尼不依赖于远低于实际值的截断参数，并验证了网格与无网格求解器结果。
2024-10-17 physics.acc-ph physics.comp-ph
Continuous bunch-by-bunch spectroscopic investigation of the micro-bunching instability
电子加速器和同步加速器可以被操作以由于纵向压缩或子结构化电子聚束而提供短发射脉冲。在阈值电流以上，高电荷密度导致微聚束不稳定性，并在聚束形状上形成亚结构。皮秒长的持续时间的聚束上的这些随时间变化的子结构导致太赫兹频率范围内的相干同步辐射的爆发。因此，该范围内的光谱信息包含关于聚束长度、形状和子结构的有价值的信息。基于KAPTURE读出系统，设计了一台每秒可记录5亿条谱线的4通道单次太赫兹光谱仪。第一次测量的时间分辨光谱的Inovesa Vlasov-Fokker-Planck求解器的模拟结果进行比较。所提出的结果导致更好地理解的爆发动力学，特别是以上的微聚束不稳定性阈值。
2018-10-04 physics.acc-ph
Experimental demonstration of the short bunch extraction by bunch rotation in a high-intensity rapid cycling proton synchrotron
短束团质子束对于白中子束和μ子束的应用具有重要意义。中国空间中子源（CSNS）的加速器组合体主要用于中子散射技术，其中质子脉冲长度不是很敏感。本文对CSNS快循环同步加速器（RCS）能否通过束团旋转引出短束团质子束进行了理论和实验研究。RCS实验结果清楚地显示了束团的伸长和旋转过程，证明了该方法在射频体操过程和高强度束流情况下的有效性。当束流功率为50 kW，注入时纵向发射度为法向时，获得了束团长度约为正常工作模式下束团长度53%的质子束流，并将其传输到溅射靶上。在注入时纵向发射度减小，束流功率为30 kW的情况下，获得的最短引出束团长度约为正常工作模式下的26%。还测试了不同的机器设置，以显示RF和磁场之间的去磁化的影响、RF电压的非绝热上升时间和绝热衰减时间对提取聚束长度的影响。实验结果与理论和模拟结果吻合较好。有趣的是，观察到空间电荷对聚束延长具有有益的影响，这将导致在提取时的较短聚束以及较晚的聚束旋转。RCS中射频和磁场之间的受控去磁方法也被证明是成功的。
2021-08-20 physics.acc-ph
Electron-Positron Collider Design -- simulations from long proton driven beam to 125GeV witness electron and positron bunches
本文通过模拟实验证明了基于等离子体加速器的正负电子对撞机的可行性。从SPS（superproton synchrotron）提供的17.612cm质子束出发，模拟表明长质子束在均匀等离子体中通过种子自调制可以在前半部分形成多个高质量的质子束团。然后，我们使用这些高质量的聚束在均匀等离子体中激发尾流场，并加速见证正电子和见证电子。模拟结果表明，在加速90 m后，见证聚束的平均能量约为125 GeV，平均加速梯度约为1.3 GeV/m。正电子-电子碰撞的质心能量约为125 GeV。讨论了输出见证聚束的能量扩展、见证粒子存活率、发射度和亮度。
2020-04-03 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Microwave Schottky diagnostic systems for the Fermilab Tevatron, Recycler, and CERN LHC
本文提出了一种基于高灵敏度缝隙波导拾波器的同步加速器束流横向和纵向特性的非侵入测量方法。该拾波器允许超过数百MHz的带宽，同时保持良好的光束灵敏度特性。宽带宽对于通过快速门进行逐束测量至关重要。肖特基探测器系统已在费米实验室Tevatron、Recycler和CERN LHC同步加速器中安装并成功调试。测量能力包括单束或多束任意组合的调谐、色度和动量扩散。通过适当的校准，发射度也可以通过积分非相干调谐边带下的面积来测量。
2011-08-01 hep-ex physics.acc-ph physics.ins-det
Emission of Low-Energy Photons by Electrons at Electron-Positron and Electron-Ion Colliders with Dense Bunches
通常，电子-正电子（或电子-离子）束团碰撞中低能光子的发射是用与同步辐射（束辐射）相同的方法计算的。然而，对于软光子（E_gamma < E_c，其中E_c是临界光子能量），当辐射的相干长度变得与聚束长度相当时，束致辐射近似变得无效。在本文中，我们提出了我们的计算结果为基础的经典电流近似的区域。我们考虑几个碰撞机与密集束。在能量间隔dE_gamma中，由N_e个电子每束穿过发射的低能光子数dN_gamma为dN_gamma = alpha g N_e dE_gamma/E_gamma，其中alpha是精细结构常数，并且取决于束参数的函数g对于现代对撞机来说通常是单位阶的。特别地，对于ILC，当束轴位移为零时，E_c = 83 keV，g=5.5;对于KEKB，g=0.88，E_c= 0.24keV。我们还计算了dN_gamma对两个光束轴之间的碰撞参量的具体依赖关系。原则上，后一方面允许在线监测射束轴线位移。
2009-01-30 hep-ph physics.acc-ph
On the Perturbation of Synchrotron Motion in the Micro-Bunching Instability
短电子束团与自身辐射场的自相互作用对储存环中的纵向束流动力学有重要影响。虽然更高的聚束电流增加了可以提供给专用实验的发射CSR的功率，但它同时放大了自相互作用的强度。最终，这导致在聚束内形成动态变化的微结构，从而导致CSR发射波动，这种现象通常被称为微聚束或微波不稳定性。基本的纵向动力学可以通过求解VFP方程来模拟，其中CSR自相互作用可以作为扰动添加到哈密顿量。在这方面的贡献，我们专注于同步加速器运动的扰动，这是由于引入这个额外的尾场。因此，我们采用单个粒子的观点，并最终评论其对集体运动的影响。我们明确地显示了如何的形状的平行板CSR尾势打破纵向相空间中的均匀性，并提出了一个四极子模式作为潜在的播种机制的微聚束不稳定性。此外，我们认为同步运动以上的不稳定性阈值，从而激励一种方法来控制发生的微聚束动力学。使用动态调整的RF幅度调制，我们可以直接解决连续CSR引起的扰动在其发生的时间尺度，这允许对纵向电荷分布的实质性控制。虽然这种方法并不限于这个特定的应用程序，我们演示了如何可以显着减轻直接高于不稳定阈值的微聚束动力学。所获得的见解得到了VFP求解器Inovesa的支持和验证，并与KARA的测量结果相结合。
2022-11-28 physics.acc-ph
Impedance reduction of the High-frequency Cavities in the CERN PS by Multi-harmonic Feedback
在“大型强子对撞机注入器升级”（LIU）项目的框架内，欧洲核子研究中心的质子同步加速器（PS）正在准备作为高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）的预注入器。在20 MHz，40 MHz和80 MHz的RF系统需要纵向束操纵，以提供25 ns的聚束间距和短聚束在转移到超级质子同步加速器（SPS）。在这些腔中的束流感应电压引起瞬态束流加载和不受控制的纵向发射度爆破。为了降低功率放大器周围的宽带反馈无法达到的阻抗，开发并调试了一种新的多谐波反馈。基于窄带滤波器分别处理每个旋转频率谐波，考虑到腔传递函数的相位，可以在加速期间动态地调整这些谐波处的反馈相位。示出了LHC型光束的纵向光束质量的有益效果。
2019-10-15 physics.acc-ph
Reinforcement Learning applied to Optimization of LHC beams in the CERN Proton Synchrotron
CERN（欧洲核子研究组织）
本研究将卷积神经网络与Soft-Actor-Critic强化学习智能体结合，实现CERN PS纵向三重分裂的自动化优化，其2025年部署的自主控制器为CERN注入器复合体首批强化学习束流质量优化系统之一。
2026-07-30 physics.acc-ph
Transition crossing of proton beams in SIS100
SIS 100同步加速器中的质子循环被设计为在29 GeV下提供具有$2\times10^{13}$粒子的单束。在循环过程中，必须分析跃迁能量附近的束流动力学，以避免显着的发射度爆破。在过去的两种情况下进行了讨论，以上的提取能量的跃迁能量的移位和跃迁跨越所谓的$γ_\mathrm{t}$跳跃。为了估计在这两种情况下可能的发射度爆破，纵向模拟，包括约翰森效应的基础上的二阶相位滑移因子和纵向空间电荷的影响。此外，不同的参数在$γ_\mathrm{t}$跳跃的设计是不同的，并提出了一组参数，显示最小的纵向发射度增长的模拟。
2023-02-06 physics.acc-ph
Numerical calculations of a high brilliance synchrotron source and on issues with characterizing strong radiation damping effects in non-linear Thomson/Compton backscattering experiments
大量的理论计算研究了辐射反作用力对强场反向传播电子束-激光相互作用中辐射分布的影响，但是这些影响--包括量子校正--是否能在与真实的聚束和聚焦场的相互作用中观察到，正如许多即将提出的实验所希望的那样？我们提出了数值计算的角度分辨辐射光谱的电子束团的参数类似于激光尾场加速实验中产生的，与强烈的，超短激光脉冲相互作用。对于我们的参数，辐射阻尼对\emph{photons}的角分布和能量分布的影响是不容易辨别的一个"现实的"中等发射度电子束。然而，使用这种反向传播的光束-激光器几何形状的实验应该能够通过测量\emph{electron beam}性质来测量使用当前激光系统的这种效应。此外，该源的亮度非常高，峰值光谱亮度超过$10^{29}$光子$\,$ s $^{-1}$ mm $^{-2}$ mrad $^{-2}(0.1$ %带宽$)^{-1}$，效率约为2%，峰值能量为10 MeV。
2012-04-24 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
