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束束效应是对撞机亮度限制的一个重要因素。在设计、建造新的对撞机以及在对机器性能进行优化时,这一效应都是不可忽略的考虑因素。
本文设计开发了二维和三维的强强模拟程序。程序中使用宏粒子来表示束团中的电荷分布。粒子在储存环中一圈的传输映射分为两部分,即弧区的传输映射和对撞点处的束束作用。弧区的映射采用线性近似,同时引入了辐射阻尼和量子激发的随机效应。束束作用力采用PIC方法来计算。二维程序中忽略了束团的有限束长,而三维程序中通过束团切片的方法引入了其影响。如果存在交叉角,则通过Lorentz变换来考虑。在三维程序中采用线性插值的方法有效减少了要求使用的切片数目。通过与理论、实测的结果以及其它程序进行比较,验证了程序的正确性。程序已经使用MPI实现了并行计算,一个MPI结点表示一个束团切片,这样计算时间将随切片数目的增加近似线性增长,而不是平方的形式。经过程序算法和代码编写的优化,当前程序可以在合理的时间内完成计算。
使用二维的程序对BEPC中的束束效应进行了模拟,并与实际情况进行了比较,模拟得到的束束极限对应流强与实际运行中最大的束团流强吻合。使用三维的程序对BEPCⅡ在不同工作点、流强、交叉角以及阻尼时间下的束束效应进行了系统的模拟研究。在设计工作点下机器亮度只有设计目标的50%,通过工作点扫描发现亮度最高的区域在(0.505,0.57)附近,能够达到设计目标的~80%。这一工作将为BEPCⅡ的设计建造甚至调试运行提供必要的参考和指导。