束流集体不稳定性分析与优化

前面章节介绍的带电粒子研究中主要考虑单粒子问题，并没有考虑带电粒子之间的相互影响，即粒子的运动完全由外部电磁场决定。在较低流强下，束流在加速器中的运动可以看作无相互作用的带电粒子的集合在外部场（如加速、聚焦、导向等电磁场）中的运动，因此可以用单粒子来描述。但在强束流情况下，束流自身产生的电磁场，特别是与周围环境相互作用而激发的电磁场，将叠加在外部场上，从而扰动束流的运动。当扰动足够强时，束流的运动将变得不稳定。为了研究这类动力学问题，必须采用多粒子描述。具体来说，高流强的束流在真空管道内运动时，与环境相互作用将产生电磁场，即所谓尾场。尾场会反作用在束流上，扰动束流的运动。在一定条件下，这一扰动会进一步增强尾场，从而最终导致束流运动幅度指数增长，即发生集体不稳定性，它伴随着束流品质的降低和大量粒子的丢失，因此集体不稳定性是限制现代加速器性能的一个重要因素［3，25-27］。

依据束流的运动方向，集体不稳定性可分为横向和纵向不稳定性；依据所研究的束流类型，集体不稳定性又可分为单束团、多束团以及连续束团不稳定性。在加速器中，比较典型的集体不稳定性问题有直线加速器中的束流崩溃不稳定性、环形加速器中的强头尾不稳定性或头尾不稳定性、纵向Robinson 不稳定性等［26］。(www.xing528.com)

束流崩溃不稳定性本质上属于横向不稳定性，是电子加速器中危害性最大的集团不稳定性之一。它限制了许多加速器所能传输的流强，包括射频直线加速器、直线感应加速器、电子回旋加速器和储存环等。虽然这种不稳定性的机制对于所有的加速器都是相同的，但对不同的几何结构，这种不稳定性机制的形成理论也会有较大的不同。束流崩溃不稳定性涉及粒子动能由纵向运动向横向运动的转化，其结果是当束流在加速器中运动的时候，它的横向振荡逐渐增长。对于弱的不稳定性，振荡会引起发射度增加和束流瞄准误差。强烈的束流崩溃不稳定性可以导致束流完全损失掉。这种不稳定性主要来源两个相互耦合的过程：①横向振荡的束流在腔阵列中激发起横向的电磁振荡；②谐振模式的磁场引起束流的位移。这种不稳定性现象一般称为束流崩溃效应。