用于散裂中子源直线加速器超导段相速度设计分析

对用于散裂中子源的质子直线加速器的超导加速段进行了初步设计,其中,包括加速腔腔形的设计和优化、超导加速段的结构布局.另外,对超导加速腔的加速单元数的选择及设计值β_G的确定、加速腔的优化原则及束流的动力学性质进行了讨论.     

低温超导组件的标定与准直测量

Cry Module由于其无法通视和超低温特性,是超导直线加速器准直中的重点与难点。文中提出由激光跟踪仪和测微准直望远镜协同准直冷质量组件。作者设计了测微准直望远镜所用十字丝目标及其支架,而且成功安装低温超导组件,监测了两次低温实验时的位移。常温安装精度达到0.15mm,低温监测精度达到0.5mmm。目前ADS-Cry Module已通过中期检查验收,成功引出能量2.68Me V、最大流强3.6m A的连续波质子束,束流功率达到9.6k W,是目前国际上连续束运行的超导质子直线加速器中束流功率最高的,也是我国首次实现超导高频腔加速毫安级连续波质子束。这标志着我国强流质子超导直线加速器技术进入国际先进行列。     

超导质子直线加速器的分段研究

对超导直线加速器的分段进行了详细的研究.包括超导加速器的分段原则的讨论,对称性分段和非对称性分段的讨论.超导加速腔的加速单元数及设计值β_G的确定,加速器的能量增益的确定.     

CiADS束流负载效应前馈补偿的仿真评估

在高功率超导质子直线加速器中，束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型，开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序，分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响，并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序，评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度，以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下，为满足超导腔中电磁场0.1%与在高功率超导质子直线加速器中，束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型，开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序，分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响，并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序，评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度，以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下，为满足超导腔中电磁场0.1%与$0.1^{\circ}$的幅相稳定度指标，前馈时序抖动的偏差不能超过0.79 μs，束流流强的直流偏差不能超过0.9%，并且给出了束流纹波的最大抖动幅值与纹波频率之间的关系。这些结果将为CiADS超导直线加速器相关子系统技术指标的确定提供依据。     

射频超导技术与ERL技术新进展

射频超导谐振腔可以工作在连续波或长宏脉冲模式.射频超导技术已发展为加速各种带电粒子束的重要手段.射频超导技术发展的前期受材料性能、腔的处理以及加工安装水平等的限制.经过几十年的不断改进,射频超导技术获得了重大突破.射频超导腔应用到超导加速器上并成功运行,积累了腔的质量控制工艺和工业化制备的大量经验.近期国际上面对未来大科学装置项目,在射频超导技术方面进行了大量的研发工作,主要包括提高超导腔加速梯度的新腔型研究和采用新型材料(大晶粒铌材)超导腔的研究.能量回收直线加速器(ERL)技术是近年来获得发展的重要加速器技术.ERL具有高效、节能、稳定性好、低辐射水平等优势,被越来越多地应用到先进光源和自由电子激光装置中.     

射频超导技术与ERL技术新进展

射频超导谐振腔可以工作在连续波或长宏脉冲模式. 射频超导技术已发展为加速各种带电粒子束的重要手段. 射频超导技术发展的前期受材料性能、腔的处理以及加工安装水平等的限制. 经过几十年的不断改进, 射频超导技术获得了重大突破. 射频超导腔应用到超导加速器上并成功运行, 积累了腔的质量控制工艺和工业化制备的大量经验. 近期国际上面对未来大科学装置项目, 在射频超导技术方面进行了大量的研发工作, 主要包括提高超导腔加速梯度的新腔型研究和采用新型材料(大晶粒铌材)超导腔的研究. 能量回收直线加速器(ERL)技术是近年来获得发展的重要加速器技术. ERL具有高效、节能、稳定性好、低辐射水平等优势, 被越来越多地应用到先进光源和自由电子激光装置中.     

腔耦合漂移管结构等长化腔列设计

质子直线加速器中使用的脏耦合漂移管加速结构,如采用等长化腔列,可以简化加速腔的制造和调试,降低成本.文中引入粒子动力学系数的新定义,探讨了等长化腔耦合漂移管结构设计方法,并给出部分计算结果.     

10MeV加速腔轴上平均电场的调整

本文叙述北京质子直线加速器(简称BPL)的10MeV加速腔轴上平均电场的调整, 并将调整结果与国外一些加速器进行了比较. 在10MeV腔的整流传输效率试验中已证明, 腔的场分布调整结果相当令人满意.     

质子直线加速器设计研究

当前质子直线加速器发展的两个重要方向是强流质子直线加速器和小型质子直线加速器.前者主要用于核能领域,后者主要用于质子治疗.两类加速器有着共同的特点:1.采用一些新型加速结构,它们是传统结构的组合和发展;2.加速小发射度的质子束;3.加速器应有高度的可靠性.但前者的建造难度远大于后者,它还要求具有很低的束流损失率和尽可能高的能量利用效率.研究了两类加速器设计中的一些重要问题,提出了一些设计方案.     

射频超导腔的研究新进展

 射频超导谐振腔已经大规模地应用到粒子加速器领域,其优越之处在于它可以在CW模式或长宏脉冲模式下,提供高的加速梯度。射频超导已经成为自由电子激光和能量回收直线加速器的关键技术。经过30多年的研究发展,解决了超导腔的热崩溃、场致发射等诸多关键问题,目前加速梯度已经超过40 MV/m。高加速梯度的获得是射频超导领域的前沿热点,电抛光＋低温热处理技术使射频超导腔的加速梯度提高3～4 MV/m。最新发展起来的超导腔的干式处理可以改善超导腔的表面状况,提高超导腔的Q值,抑制次级电子发射效应,有可能成为提高超导腔性能的又一有效手段。     

The design simulation of the superconducting section in the ADS injector Ⅱ

The high-current superconducting proton linac is being studied for the accelerator-driven system (ADS) project undertaken by the Chinese Academy of Sciences. The injector Ⅱ will be operated at 162.5 MHz, and the proton out from the RFQ with an energy of 2.5 MeV will be accelerated to 10 MeV by two cryo-modules, which are composed of eight superconducting half wave resonance cavities and nine solenoids. In this paper, the design and beam simulation of the superconducting section of the injector Ⅱ, the acceptance calculation and a stability analysis are presented.     

Error analysis and lattice improvement for the C-ADS Injector- I

The injector Scheme- 1 （or Injector- I ） of the C-ADS linac is a 10 mA 10 MeV proton linac working in C／V mode. It is mainly comprised of a 3.2 MeV room-temperature 4-vane RFQ and twelve superconducting single-spoke cavities housed in a long cryostat. Error analysis including alignment and field errors, and static and dynamic ones for the illjector are presented. Based on detailed numerical simulations, an orbit correction scheme has been designed, which shows that with correction the rms residual orbit errors can be controlled within 0.3 mm and a beam loss rate of 1.7× 10-6 is obtained. To reduce the beam loss rate further, an improved lattice design for the superconducting spoke cavity section has been studied.     

提高射频超导加速腔性能的表面干式处理研究

射频超导谐振腔以其优越性在加速器领域起到了常温加速腔无法替代的作用. 超导腔的表面 特性直接影响到加速腔的性能. 为进一步提高超导腔的加速性能，北京大学利用超高真空氩 离子清洗技术发展了一种超导腔表面的干式处理方法. 与传统的湿处理方法(化学抛光BCP和 电抛光EP)相比，干式处理方法具有其特有的优点，有可能成为一种新的超导腔表面处理方 法，对提高加速腔的性能起到推动作用. 进一步的研究正在进行之中. 关键词： 射频超导 表面处理 溅射 抛光     

射频超导谐振腔中的电磁场研究

由高纯铌制成的射频超导谐振腔在高场时会出现Q值下降现象，这是高场下超导腔表面局部磁场增强所致. 为研究高场下超导腔表面的电磁场特性，用单cell超导腔设计了腔表面峰值磁场的研究实验. 通过对单cell超导腔表面峰值磁场的测量，可以确定超导腔焊缝及iris附近表面是否存在缺陷，以便进一步进行腔的处理来改进腔的性能.     

CiADS超导直线加速器超导腔失效的分段补偿与冗余设计

加速器驱动次临界装置（ADS）对加速器运行稳定性和失束指标提出了前所未有的要求。对于超导直线加速器的研究发现,超导腔失效是失束的一个较大的来源,故针对超导腔的失效情况,本文提出分段补偿新方法,以提高高功率超导直线加速器的运行稳定性。提出的分段补偿方法与已有的全局补偿和局部补偿的方法相比,在保证加速器出口束流品质与无束损束流传输的同时,分段补偿束流能量,优化了参与能量补偿的超导腔数量,降低超导腔的备份功率源需求。论文最后针对CiADS的超导直线加速器的物理设计,做了分段补偿的多粒子模拟。结果表明,采用了分段补偿方法实现超导腔失效补偿的前提下,参与补偿过程中改变腔压的超导腔数量比例为48%,对功率源总的功率备份冗余需求小于20%。The accelerator driven subcritical system (ADS) has put forward unprecedented demands on the stability and beam trip of the accelerator operation. Depending on analysis, failure of the superconducting cavities is a major cause for beam trip of the superconducting cavity. Therefore, a new method of piecewise compensation is proposed to improve the stability of high power superconductivity linac. The piecewise compensation scheme proposed in this paper is compared with the existing global compensation and local compensation technology. While guaranteeing the beam quality of the accelerator and without beam loss transmission, the piecewise compensation method can optimize the number of superconducting cavities involved in energy compensation and reduce the demand for the backup redundancy of power sources of the superconducting cavities. At the end of the paper, the multi-particle simulation of piecewise compensation aims at the physical design of CiADS superconducting linac. The result shows that 48% of superconducting cavities modify the cavity's Epeak during the compensation process and the demanded redundancy of total power sources is less than 20% under the premise of successful compensation for the failure of superconducting cavities through the piecewise compensation method.     

加速100 mA质子束的低β超导半波长谐振腔内的高阶模（英）

基于超导器的连续波运行的高流强质子/氘束被越来越多的大科学装置所采用。在流强低于10 mA情况下,用于加速低段粒子的超导腔的高阶模影响基本可以忽略,但是对于加速百mA强流的低超导腔,其高阶模损耗情况有待研究。近期北京大学设计并加工了一支=0.09、运行频率162.5 MHz的超导半波长谐振腔,用于研究非相对论低超导半波长谐振腔加速100 mA强流质子束时可能涉及到的关键物理问题。重点研究了这支半波长谐振腔内部高阶模损耗的问题,用时域和频域两种方法分别计算了腔的高阶模损失因子,同时计算了考虑加工误差下腔内发生高阶模共振激发的概率。     

射频超导腔加速性能的改进

 为提高超导加速腔的加速梯度和Q值，改进了薄膜型超导腔的加速性能。研究证明，对于铜铌溅射腔，在无氧铜衬底和铌膜之间加入NbN 层可以提高铌膜的超导转变温度，改善晶格结构；对纯铌超导腔提出了改进方法，在传统的纯铌超导腔表面制备多层的超导-绝缘-超导复合膜可以屏蔽Nb腔表面的界面场，提高超导腔的临界磁场，从而提高了铌腔的加速梯度。     

9-cell超导腔快速预调谐方法研究

对频率和场平坦度的预调谐是9-cell超导腔耗时最多的后处理工序之一,很快将成为国内相关大科学工程9-cell腔批量生产的瓶颈。首先介绍了9-cell超导腔两种常用的预调谐方法,即DESY方法和Cornell方法的原理,建模分析和比较了两种方法的计算精度和误差来源,给出Cornell方法调谐量计算的修正。然后结合9-cell超导腔预调谐实验研究,给出了快速预调谐方法:DESY的重建算法在低场平时精度较高且收敛迅速,可作为粗调;Cornell微扰算法在高场平时精度较高且测量迅速,可作为微调。结合两种调谐方式,将预调谐分为粗调和微调两步,可有效提升9-cell超导腔预调谐的速度。     

Error analysis and lattice improvement for the C-ADS Injector-Ⅰ

The injector Scheme-Ⅰ (or Injector-Ⅰ) of the C-ADS linac is a 10 mA 10 MeV proton linac working in CW mode. It is mainly comprised of a 3.2 MeV room-temperature 4-vane RFQ and twelve superconducting single-spoke cavities housed in a long cryostat. Error analysis including alignment and field errors, and static and dynamic ones for the injector are presented. Based on detailed numerical simulations, an orbit correction scheme has been designed, which shows that with correction the rms residual orbit errors can be controlled within 0.3 mm and a beam loss rate of 1.7× 10^-6 is obtained. To reduce the beam loss rate further, an improved lattice design for the superconducting spoke cavity section has been studied.