Field calculations, single-particle tracking, and beam dynamics with space charge in the electron lens for the Fermilab Integrable Optics Test Accelerator
费米实验室可积光学测试加速器计划的电子透镜作为一个非线性元件的可积动力学，作为一个电子冷却器，并作为一个电子陷阱，研究环中的空间电荷补偿。介绍了非线性可积光学的主要设计原则和约束条件。一个磁配置的环形部分的磁通量和布局。单粒子跟踪被用来优化电子路径。高强度下的电子束动力学是用粒子单元代码来计算的，以估计电流极限、轮廓失真以及对循环束的影响。在结论中，我们总结了主要的研究结果，并列出了进一步工作的方向。
2015-11-14 physics.acc-ph
Mechanical stability study for Integrable Optics Test Accelerator at Fermilab
可积光学测试加速器（IOTA）被提议在费米实验室运行。IOTA的目标是创建具有大频率扩展和稳定粒子运动的实用非线性加速器聚焦系统。IOTA是一个周长为40米、能量为150 MeV（e-）、2.5 MeV（p+）的诊断测试环。一个沉重的低频钢地板梁被提议作为IOTA设备组件支撑的主要层。两种设计长度：（8）3.96 m和（2）3.1 m长的梁，具有相同的截面，完全包围环。本研究的重点是3.96米长的梁和工作原型的发展。静压液位传感器（HLS）、温度、计量和快速运动测量表征了IOTA环的预期机械稳定性。
2016-07-01 physics.acc-ph
Stripline kicker for integrable optics test accelerator
提出了一种用于集成光学测试加速器（IOTA）的带状线冲击器的设计方案。IOTA的实验项目需要两个全孔径踢球器，能够在2D中创建任意可控踢球。由于这个原因，它们的强度在高达16 mrad的宽幅度范围内是可变的，并且100 ns的脉冲长度小于电子的旋转周期。此外，反冲器应该具有40 mm的物理孔径以用于质子束的拟议操作，并且外部尺寸为70 mm以适合现有的四极磁体内部以节省环中的空间。使用CST Microwave Studio的计算机模拟显示出高的场均匀性和接近50 Ω的波阻抗。
2016-06-30 physics.acc-ph
On Quantum Integrable Systems
许多量子可积系统是使用加速器物理技术获得的，称为Ermakov（或归一化变量）变换。这种技术被用来创建经典的非线性可积晶格的加速器和非线性可积等离子体陷阱。现在，所有的经典结果都转移到非相对论量子情形。
2012-05-02 physics.acc-ph quant-ph
Design Considerations for Proposed Fermilab Integrable RCS
可积光学是粒子加速器设计中的一项创新，它在避免参量共振的同时提供强非线性聚焦。可积光学的一个很有前途的应用是克服由电子感应加速器调谐扩展和集体不稳定性对加速器强度的传统限制。高强度可积分加速器的效率将在未来几年内在费米实验室可积分光学测试加速器（IOTA）和马里兰大学电子环（UMER）进行全面测试。我们提出了一个可集成的快速循环同步加速器（iRCS）作为费米实验室助推器的替代品，以实现费米实验室高能中微子计划的多兆瓦束流功率。我们提供了一个概述的机器参数，并讨论了一种方法，晶格优化。可积光学需要具有整数π相位超前的弧，然后是具有匹配的β函数的漂移。我们提供了一个例子可积晶格的功能，现代RCS -长色散自由漂移，低动量压缩，超周期性，色度校正，分离功能的磁铁，和有界β函数。
2017-03-02 physics.acc-ph
Experimental Demonstration of a Two-Dimensional Nonlinear Integrable System in a Particle Accelerator
Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）；Consortium for Advanced Science and Technology (CASE), University of Chicago（芝加哥大学先进科学技术联盟）；Michigan State University（密歇根州立大学）；Brookhaven National Laboratory（布鲁克海文国家实验室）；Northern Illinois University（北伊利诺伊大学）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
在费米实验室可积光学测试加速器上，通过插入特殊非线性磁体实现二维非线性可积系统，测量电子束相关参数表征系统，结果与理论相符，还观察到分岔，此研究为粒子加速器设计和粒子束稳定开辟新途径。
2026-07-27 physics.acc-ph
Nonlinear Accelerator Lattices with One and Two Analytic Invariants
可积系统出现在物理学很久以前的开端与经典动力学的例子是开普勒的和其他著名的问题。不幸的是，大多数非线性问题都是不可积的。在加速器术语中，任何二维非线性不可积映射都会产生混沌运动和稳定和不稳定共振的复杂网络。然而，在一个可积系统的附近，这种混沌网络的总体积是很小的。因此，加速器中的可积非线性运动有可能引入大的电子感应加速器调谐扩展，以抑制不稳定性并减轻空间电荷和磁场误差的影响。为了创建这样的加速器晶格，必须找到导致稳定的可积分运动的磁场和电场组合。本文提出了家庭的晶格与一个不变的有界运动可以很容易地创建在大体积的相空间。此外，它提出了3个家庭的可积非线性加速器晶格，实现与坐标相关的磁场或电场与稳定的非线性运动，这可以解决的可分离变量。
2010-03-03 physics.acc-ph
Electron lenses and cooling for the Fermilab Integrable Optics Test Accelerator
近年来，对可积哈密顿系统的研究已经导致了具有一个或两个横向不变量和宽的稳定调谐扩展的非线性加速器晶格。这些晶格可以大大提高高强度机器的性能，提供朗道阻尼以保护梁免受不稳定性的影响，同时保持动态孔径。费米实验室正在建造可积光学测试加速器（IOTA），以研究150 MeV笔形电子束（单粒子动力学）和2.5 MeV质子（自场动力学）的这些概念。获得非线性可积晶格的一种方法是通过使用由与循环束重叠的磁约束电子束（电子透镜）产生的场。所需参数与现有设备的参数相似。此外，电子透镜将用于冷却模式，以控制质子束的亮度，并通过复合测量横向剖面。更一般地说，它是非常感兴趣的调查是否非线性可积光学允许电子冷却器超过由空间电荷激发的相干或非相干不稳定性的限制。
2015-11-05 physics.acc-ph
Notes on the design of experiments and beam diagnostics with synchrotron light detected by a gated photomultiplier for the Fermilab superconducting electron linac and for the Integrable Optics Test Accelerator (IOTA)
我们概述了在费米实验室加速器科学与技术（FAST）设施和集成光学测试加速器（IOTA）的电子直线加速器的束流实验的设计，基于同步光发射的电子在弯曲偶极子，检测与门控微通道板光电倍增管（MCP-PMT）。该系统既可用于射束诊断（例如，具有全动态范围的光束强度、逐圈光束振动等）以及用于科学实验，例如直接观察储存环中单个电子发射的辐射的时间结构。在电子直线加速器的下游端和IOTA环中的光子脉冲和光谱之间的相似性允许在直线加速器的调试期间测试装置。
2017-11-08 physics.acc-ph
Symplectic Particle Tracking in a Thick Nonlinear McMillan Lens for the Fermilab Integrable Optics Test Accelerator (IOTA)
由于系统的可积性，McMillan系统是一种在不减小光束动态孔径的情况下增加光束调谐扩展的新方法。虽然理想的系统是基于一个无限薄的踢，物理设计需要一个厚的电子透镜，包括螺线管。由于循环光束上的力的性质，通过透镜的粒子传输很难模拟。本文用吉田方法导出的辛积分器精确模拟了螺线管中的厚麦克米兰透镜。
2022-09-01 physics.acc-ph
IOTA (Integrable Optics Test Accelerator): Facility and Experimental Beam Physics Program
可积光学测试加速器（IOTA）是目前正在费米实验室建造和调试的用于先进束流物理研究的存储环。它将分别使用动量为70和150 MeV/c的注入器以质子和电子运行。该研究计划包括基于特殊磁体和电子透镜的非线性聚焦可积光束晶格的研究，空间电荷效应的光束动力学及其补偿，光学随机冷却以及其他几个实验。在这篇文章中，我们介绍了该设施的设计和主要参数，概述了迄今为止的进展情况，并提供了建设、调试和研究的时间轴。文中还讨论了主要IOTA实验的物理原理、设计和硬件实现方案。
2016-12-19 physics.acc-ph
Complex Representation of Potentials and Fields for the Nonlinear Magnetic Insert of the Integrable Optics Test Accelerator
可积光学测试加速器（IOTA）的非线性磁性插入件的矢量势的另一种表示法，首先在第2节中描述。V.A. Danilov和Nagaitsev的论文中，使用标准复变量方法从第一原理确定。特别地，证明了由二维Laplace方程和Bertrand-Darboux方程组成的耦合系统等价于复平面上的一个常微分方程，并构造了一个简单的解.结果与Danilov和Nagaitsev的论文一致，这种简洁的表示通过非线性插入提供了粒子跟踪的计算优势，避免了计算中平面附近矢量势的横向导数时出现的小的修正因子所引起的数值误差。一个类似的表示提供了两个运动不变量的空间依赖性。
2019-07-31 physics.acc-ph
Proton Dynamics Scenarios in the Integrable Optics Test Accelerator (IOTA) at Fermilab
Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）
本文研究IOTA中2.5 MeV质子束在两种裸露晶格配置下的参数和动态，探讨非线性可积光学和电子冷却的应用，分析束流强度对横向发散率增长的影响。
2026-04-02 physics.acc-ph
Space-Charge Simulation of Integrable Rapid Cycling Synchrotron
可积光学是粒子加速器设计中的一项创新，它能够实现强非线性聚焦而不产生参量共振。我们使用Synergia跟踪代码来研究可积光学在高强度强子环中的应用。我们考虑一个可积的快速循环同步加速器（iRCS），旨在取代费米实验室助推器。我们发现，将集成到设计中抑制了由不匹配的KV光束产生的光束晕。我们的iRCS设计包括现代环设计的其他功能，如低动量压缩因子和谐波抵消六极。可积晶格中高强度光束的实验测试将在未来几年内在费米实验室可积光学测试加速器（IOTA）和马里兰大学电子环（UMER）进行。
2018-05-06 physics.acc-ph
Quasi-Integrable Nonlinear Optics Experiment at IOTA
在积分光学测试加速器，它可以创建一个非线性聚焦光学与一个不变量的运动使用只是传统的磁铁。6D模拟表明，这将允许实现0.05的调谐扩展，而不会显著减小动态孔径。
2015-02-05 physics.acc-ph
Ring for test of nonlinear integrable optics
非线性光学是一个很有前途的想法，有可能开辟道路，实现超高束流强度的圆形加速器。达到电子感应加速器调谐的50%的调谐扩展的创建将提供强的朗道阻尼，并使电子束不受不稳定性影响。最近的理论工作已经确定了一种可能的方式来实现稳定的非线性光学，将非线性聚焦元件纳入一个专门设计的机器晶格。在这份报告中，我们提出了一个测试加速器的原理验证实验的设计。我们讨论了在机器上可能的研究，对光学稳定性和对缺陷的敏感性的要求。
2012-02-24 physics.acc-ph
Design of a nonlinear quasi-integrable lattice for resonance suppression at the University of Maryland Electron Ring
传统的粒子加速器使用线性聚焦力进行横向约束。作为线性的结果，加速环对无数的共振和不稳定性很敏感。在高射束强度下，不受控制的共振驱动损耗会使射束质量恶化，并导致射束线组件和周围区域的损坏或放射性激活。这是目前最先进的加速器中可实现的电流密度的主要限制。在机器设计中引入非线性聚焦力，可以通过粒子轨道与驱动项的非线性失谐来提供对共振的免疫力。目前正在研究用于加速器环的非线性可积束流光学理论。这样的系统具有克服可实现的光束强度的限制的潜力。本文提出了一个在马里兰大学电子环（UMER）实现准可积八极晶格的原理验证计划。UMER是一个加速器平台，支持高强度束流动力学的研究。在这篇论文中，提出了两种设计，不同的复杂性和强度的预测效果。预期具有单个相对长的八极磁体的配置比许多短的分布式八极的布置更稳定。本实验的准备工作需要开发和表征一个低强度的制度，以前没有在UMER运行。此外，所需的公差控制的第一和第二阶梁的时刻，在拟议的实验已被确定的基础上模拟的光束动力学。为了实现这些公差，一种新的方法，改进的轨道校正的发展。最后，讨论了线性UMER晶格中谐振驱动损耗的研究。
2018-08-29 physics.acc-ph
Construction of approximate invariants for non-integrable Hamiltonian systems
Brookhaven National Laboratory（布鲁海文国家实验室）；Michigan State University（密歇根州立大学）
本文提出了一种构建非可积哈密顿系统高阶多项式近似不变量的方法，并通过加速器中的控制手段来扩大长期运动的稳定区域。
2025-07-02 nlin.CD physics.acc-ph
Nonexistence of Integrable Nonlinear Magnetic Fields with Invariants Quadratic in Momenta
本文证明在严格满足麦克斯韦方程且不作近似时，不存在具有动量二次不变量的非线性完全可积磁场，从而无法直接推广Courant-Snyder理论，并猜想更高次不变量情形同样不存在，同时发现了一个新的大型可积哈密顿量族。
2024-07-04 physics.acc-ph
Experimental 3-dimensional tracking of the dynamics of a single electron in the Fermilab Integrable Optics Test Accelerator (IOTA)
本文介绍了IOTA储存环单电子横向和纵向动力学的实验研究结果。IOTA是一台灵活的机器，专门用于电子和质子的束物理实验。开发了一种方法来可靠地注入和循环环中的电子数量控制。一个关键的光束诊断系统是一套灵敏的高分辨率数码相机，用于检测电子发出的同步加速器光。在机器中有60-130个电子的情况下，我们测量了束流寿命并导出了光学系统的绝对校准。在曝光时间为0.5秒时，相机对单个电子敏感。相机图像被用来重建一个单一的电子在所有3个自由度的振荡幅度的时间演化。振幅的演变直接显示了同步辐射阻尼、量子激发和与残余气体的散射之间的相互作用。从测得的单电子振荡振幅的分布，我们推导出的横向发射度，动量扩散，阻尼时间，和光束能量。残余气体的密度和组成的估计计算从测量的垂直散射角的分布。结合散射和寿命数据，我们还提供了一个估计的环的孔径。据我们所知，这是第一次在储存环中用数码相机在所有三个维度上跟踪单个电子的动力学。
2021-10-01 physics.acc-ph
Integrable RCS as a proposed replacement for Fermilab Booster
可积光学是粒子加速器设计中的一项创新，它有可能实现更大的电子感应加速器调谐扩展并抑制集体不稳定性。可集成的快速循环同步加速器（RCS）将是费米实验室助推器的有效替代品，作为费米实验室高能中微子计划在120 GeV达到多MW光束功率计划的一部分。我们提供了一个例子可积晶格与现代RCS的功能-色散自由漂移，低动量压缩因子，超周期性，色度校正，有界β函数，和分离功能的磁铁。
2017-03-02 physics.acc-ph
Extracting Dynamical Frequencies from Invariants of Motion in Finite-Dimensional Nonlinear Integrable Systems
可积动力系统在加速器和等离子体物理等许多科学领域中起着重要的作用。具有$n$自由度（DOF）的可积动力系统具有$n$非平凡运动积分，并且原则上可以通过用一个或多个图表覆盖相空间来求解，其中可以使用作用角坐标来描述动力学。为了得到运动的频率，必须知道作用角坐标的变换及其逆变换的显式形式。然而，没有通用的算法存在明确地从一组$n$已知的（和一般耦合的）运动积分来构造这种变换。在本文中，我们描述了如何可以确定这些$n$积分在没有明确已知的作用角变量的功能的运动的动力学频率，我们提供了几个例子。
2021-06-10 math-ph math.MP nlin.SI
Improved Measurements of Nonlinear Integrable Optics Invariants at IOTA
本研究在IOTA加速器中通过提升束流能量至150 MeV并改进光学控制与色差校正，实现了对非线性积分光学不变量的改进测量，验证了该技术提升高强度束流稳定性的有效性。
2023-05-23 physics.acc-ph
Characterization of Octuopole Elements for IOTA
可积光学测试加速器（英语：Integrable Optics Test Accelerator，IOTA）是一个在费米实验室建造和运行的研究储存环，用来展示非线性可积晶格的优点。其中一个具有一个运动积分的非线性晶格结构是基于一串短八极子。个别磁铁表征，这是必要的，以确定其多极组成和磁中心的结果，提出。该信息用于选择和对齐IOTA运行4的最佳八极子子集。
2022-08-29 physics.acc-ph
Invariant Subspace Problem in Hilbert Spaces: Exploring Applications in Quantum Mechanics, Control Theory, Operator Algebras, Functional Analysis and Accelerator Physics
本文探讨了Hilbert空间有界线性算子的不变子空间问题，揭示了其与谱理论、算子代数、量子力学及加速器物理等领域的深刻联系，强调了该问题在数学和物理中的广泛影响。
2023-06-29 math-ph math.MP physics.acc-ph
Chromatic and Dispersive Effects in Nonlinear Integrable Optics
质子储存环和其他圆形强子加速器容易受到强度驱动的参数不稳定性，因为零电流带电粒子动力学的特点是由一个单一的调谐。朗道阻尼可以抑制这些不稳定性，这需要在梁中分散能量或引入非线性磁体，如八极子。然而，这种方法减小了动态孔径。非线性可积光学可以抑制参量不稳定性，而不依赖于分布中的能量扩散，同时保持动态孔径。这种新颖的方法有望减少粒子损失，并使光束强度的数量级增加。在本文中，我们提出的结果，使用李算子形式主义，色度和色散如何影响粒子轨道在可积光学。我们的结论是，色度一般打破可积性，除非垂直和水平的色度是相等的。因此，色度校正磁体可以更弱，并且需要更少的校正磁体系列，从而最小化对动态孔径的影响。
2015-05-18 nlin.SI physics.acc-ph
Space Charge Driven Emittance Growth and the Effect of Octupoles in IOTA
费米实验室的可积光学测试加速器（IOTA）是一台小型机器，致力于广泛的前沿加速器物理计划。该计划的一个重要方面是研究可集成光学器件实现的共振自由调谐扩展的潜在好处，以存储和加速空间电荷重要的高强度质子束。在这方面，质子束流发射度增长和粒子损失机制的良好理解是必不可少的。假设标称设计参数，模拟表明，对于聚束束，发射度增长的大部分发生后立即注入，通常在几十圈。我们试图用一个简化的RMS失配理论来解释这种增长，并简要讨论了它的一些局限性和可能的改进。然后，我们将理论预测与使用PIC代码pyORBIT进行的模拟进行比较。为了进一步探索减缓发射度增长和减少粒子损失的方法，我们比较了两种光束匹配策略：（1）在注入点匹配（2）在$β_x = β_y$的非线性（八极）插入区域中心匹配。为了观察非线性如何影响发射度的增长，以及它是否占主导地位的增长，由于失配，我们跟踪两个不同的分布。最后，我们探讨了在准可积配置中使用八极子的潜力，以减轻使用各种初始分布在减少和全强度的增长。
2021-12-31 physics.acc-ph
Quantum Ground State and Minimum Emittance of a Fermionic Particle Beam in a Circular Accelerator
在加速器物理学的通常参数范围内，粒子系综可以被视为经典的。然而，如果我们接近一个区域，其中$ε_xε_yε_s \approx N_{particles} λ_{Compton}^3，那么量子力学相空间的颗粒结构就成为一个问题。特别是，我们必须考虑泡利不相容原理，它将限制费米子束的最小可达发射度。我们计算了这些最低的情况下的群聚和惯性光束在零温度和它们的一阶变化率在有限的温度下的发射度。
2001-07-04 physics.acc-ph
Quantum aspects of accelerator optics
目前对加速器光学的理解主要是基于经典力学和电动力学。近年来，带电粒子束流光学的量子理论得到了发展。在本文中，新开发的形式主义概述。
1999-04-28 physics.acc-ph physics.optics quant-ph
Single-Particle Dynamics in a Nonlinear Accelerator Lattice: Attaining a Large Tune Spread with Octupoles in IOTA
费米实验室正在建造集成光学测试加速器（IOTA），作为加速器研发计划的核心，以实现高强度圆形机器。在目前的圆形加速器中，限制束流强度的因素之一是集体不稳定性，如果不稳定性足够慢，则可以通过朗道阻尼机制或外部阻尼器的电子感应加速器频率（调谐）的扩展来抑制集体不稳定性。扩散通常由八极磁体产生，八极磁体引入了对振幅的调谐依赖性，在某些情况下，通过色扩散（对粒子动量的调谐依赖性）。八极子的引入通常具有有益的（改进的朗道阻尼）和有害的性质，例如共振行为和动态孔径的减小。IOTA环的研究目标之一是在特殊但现实的加速器配置中使用传统的八极磁体，实现大的电子感应加速器调谐扩展，同时保持大的动态孔径。在本文中，我们提出的电子束在IOTA的粒子跟踪和频率图分析的计算机模拟结果。结果表明，环的八极磁铁可以配置为提供一个电子感应加速器调谐偏移0.08（粒子在大振幅）的动态孔径超过20束西格玛为150 MeV的电子束。同步加速器运动、晶格误差和磁体缺陷的影响对于由环的设计设定的公差的参数和水平而言是微不足道的。所描述的八极插入件可以有益于增强高强度机器中的朗道阻尼。
2017-03-28 physics.acc-ph
Modeling Transverse Space Charge effects in IOTA with pyORBIT
空间电荷效应的作用和缓解是费米实验室集成光学测试加速器（IOTA）进行的束流物理研究的重要方面。非线性可积性（部分和完全）对空间电荷驱动的非相干和相干共振的影响将是该加速器的一个新特征，并有可能影响未来低能质子同步加速器的设计。在这份报告中，我们使用PIC代码pyORBIT模型的横向空间电荷效应。首先，我们对MADX单粒子跟踪结果进行基准测试，检查辛性，调谐足迹和动态孔径在一个特殊的八极弦插入实现的部分可积晶格。我们的空间电荷计算开始检查的4D辛。首先用初始裸晶格进行短期跟踪，然后用均方根值与空间电荷进行匹配。接下来，我们探讨了缓慢的初始化电荷作为一种技术，建立稳定的状态，并减少发射度增长和光束损失注入到失配晶格。我们建立的空间电荷模拟参数的值，以确保数值收敛。最后，我们比较了模拟的空间电荷引起的调谐位移和足迹对理论。
2021-07-20 physics.acc-ph
Geometry of Almost-Conserved Quantities in Symplectic Maps. Part III: Approximate Invariants in Nonlinear Accelerator Systems
Independent Researcher（独立研究者）；Brookhaven National Laboratory（布鲁克海文国家实验室）；Old Dominion University（老道明大学）；Elettra Sincrotrone Trieste（的里雅斯特电同步辐射中心）；Novosibirsk State Technical University（新西伯利亚国立技术大学）；University of Chicago（芝加哥大学）
本文提出一种扰动方法，用于从离散时间辛系统方程中直接构造近似守恒量，扩展了经典Courant-Snyder理论，适用于非线性加速器系统，展示了其在实际系统中的应用和优势。
2026-04-29 nlin.CD nlin.PS physics.acc-ph
Quantum Emergence of Linear Particle Accelerator and Anomalous Photon-induced Near-field Electron Microscopy in a Strong Coupling Regime
光子诱导近场电子显微术（Photon-induced near-field electron microscopy，PINEM）是一种利用光量子的对称离散化增益或损失（$\hbar ω$）和激光诱导光学近场（Laser induced optical nearfield，LPL）来表征电子-光相互作用的光谱方法。在这封信中，我们已经证明了线性粒子加速器（LPA）和反常PINEM（APINEM）可以解析地出现在强耦合制度下的PINEM类相互作用，因为光谱光子边带重叠的量子干涉。此外，我们还发现，在点粒子制度与预相互作用漂移的量子干涉可以产生有趣的光谱聚焦和能量/动量分布的周期性聚束，使我们能够提高电子显微镜，成像和光谱的光谱分辨率。在强激光物理中对LPA和APINEM的这些观测对于理论和实验界都有很大的兴趣，例如超快电子显微镜，阿秒科学和激光驱动加速器。
2019-08-19 physics.acc-ph physics.optics quant-ph
