C-ADS注入器Ⅱ项目RFQ射频系统介绍（英文）

C-ADS注入器Ⅱ的RFQ射频系统是该强流加速器的关键一环,它通过两台完全一样的耦合器为一台四边形四翼型RFQ提供和传送功率。该射频系统在设计之初就考虑为10mA连续束流而进行特殊优化,从功率源、耦合器和功率传输系统几个方面对其进行详细介绍,尤其是针对CW模式下的系统稳定运行以及设备可靠性等方面进行的特殊考虑和模拟方法。该系统已经在2015年通过了10mA连续束的测试,证实了该射频系统的设计和调试符合物理的实验需求。特别阐述了该系统中一种新的碗型陶瓷窗耦合器的设计思路和一种无环形器情况下的特殊的耦合系数调谐方法,同时推导了双端口耦合的计算方法的具体设置过程。     

C-ADS注入器Ⅱ项目RFQ射频系统介绍（英）

C-ADS注入器Ⅱ的RFQ射频系统是该强流加速器的关键一环,它通过两台完全一样的耦合器为一台四边形四翼型RFQ提供和传送功率。该射频系统在设计之初就考虑为10 mA连续束流而进行特殊优化,从功率源、耦合器和功率传输系统几个方面对其进行详细介绍,尤其是针对CW模式下的系统稳定运行以及设备可靠性等方面进行的特殊考虑和模拟方法。该系统已经在2015年通过了10 mA连续束的测试,证实了该射频系统的设计和调试符合物理的实验需求。特别阐述了该系统中一种新的碗型陶瓷窗耦合器的设计思路和一种无环形器情况下的特殊的耦合系数调谐方法,同时推导了双端口耦合的计算方法的具体设置过程。     

ADS强流质子加速器低能传输段发射度匹配研究北大核心CSCD

研制了一套强流质子源及低能传输线(LEBT)注入器用于ADS质子直线加速器。质子源产生35 ke V强流束经过低能传输段聚焦进入射频四极(RFQ)入口。低能传输段不匹配是强流RFQ中引起束流丢失的主要原因。不同加速段的束流匹配是减少束流损失与抑制发射度增长的重要手段。束流损失导致RFQ电极表面受热变形进而引起高频打火,降低RFQ长期运行的稳定性。针对以上问题,研究LEBT发射度在不同的实验条件下如何实现加速器更好的匹配。研究结果表明,LEBT出口束流在35 ke V,10 m A下,束流发射度小于0.2πmm·mrad,当LEBT螺线管电流为210和270 A时,束流在RFQ入口满足匹配条件。     

ADS强流质子加速器低能传输段发射度匹配研究

研制了一套强流质子源及低能传输线(LEBT)注入器用于ADS质子直线加速器。质子源产生35 ke V强流束经过低能传输段聚焦进入射频四极(RFQ)入口。低能传输段不匹配是强流RFQ中引起束流丢失的主要原因。不同加速段的束流匹配是减少束流损失与抑制发射度增长的重要手段。束流损失导致RFQ电极表面受热变形进而引起高频打火,降低RFQ长期运行的稳定性。针对以上问题,研究LEBT发射度在不同的实验条件下如何实现加速器更好的匹配。研究结果表明,LEBT出口束流在35 ke V,10 m A下,束流发射度小于0.2πmm·mrad,当LEBT螺线管电流为210和270 A时,束流在RFQ入口满足匹配条件。     

硼中子俘获治疗实验装置射频功率源系统

中国科学院高能物理研究所建造了一台基于加速器的硼中子俘获治疗（BNCT）实验装置。射频功率源系统为352.2 MHz射频四极加速器（RFQ）提供高频功率,使束流离开RFQ时,其能量达到3.5 MeV。BNCT射频功率源系统主要包括速调管功率源、数字低电平控制系统、射频传输系统。本文介绍了BNCT射频功率源系统,主要包括物理需求、系统组成、关键设备、安装和调试。目前该装置已进行动物实验,加速器打靶束流功率4.3 kW,加速器射频功率源系统运行稳定。     

SSC直线注入器RFQ腔体多物理场分析

SSC-LINAC是为兰州重离子研究装置（HIRFL）设计的直线注入器,它将U34+离子加速到1 MeV/u注入到分离扇回旋加速器（SSC）中,为冷却储存环（CSR）提供10 MeV/u的U34+。该注入器可以将SSC引出的重离子流强提高一个量级以上。SSC-LINAC由一个RFQ（Radio Frequency Quadrupole）加速器和4个DTL（drift tube linac）组成,设计频率为53.667 MHz。RFQ工作在连续波模式,设计功率30 kW,如果不能有效地冷却,高频电流在电极表面产生的热量会使RFQ的腔壁和电极发生形变,从而导致腔体频率的漂移以及加速和聚焦电场的改变。因此,为了保证连续波工作的RFQ加速器稳定运行,对水冷模式和通道设计提出了很高的要求。作者用有限元软件ANSYS对RFQ进行高频电磁场、温度场、结构应力的耦合分析,验证了冷却方案设计的可行性和可靠性。Heavy Ion Research Facility at Lanzhou(HIRFL) consists of SFC, SSC, CSRm and CSRe. A new linac injector, which will increase U34+ to 1 MeV/u, is designed for SSC to increase the beam intensity to ten times higher. The new injector, whose frequency is 53.667 MHz, is composed by a RFQ (Radio Frequency Quadrupole) cavity and four DTL(Drift Tube Linac) cavities. The RFQ cavity, whose RF power is 30 kW, is operated at CW(continuous wave) mode. The heat produced by HF (high frequency) electromagnetic will cause deformation of RFQ structure, lead to the resonant frequency shift, and reduce the focusing efficiency of the cavity. An efficient cooling system is necessary to ensure that the RFQ cavity can stably be operated at the nominal frequency. A detailed multi-physics field coupling analysis of RFQ has been finished with 3D finite elements software ANSYS. The result of the analysis shows that the water cooling system can cool the RFQ cavity fully and keep the frequency drift be in a acceptable level.     

一米长四翼型RFQ调谐研究(英文)

为获取ADS工程中四翼型RFQ加速器在设计、调谐和运行等方面的经验,设计和建造了一台一米长四翼型RFQ加速器。该RFQ的设计频率为162.5 MHz,但是测量结果显示即使没有调谐器时,腔体的频率也为163.7 MHz。为降低腔体频率,使用四线模型理论进行了分析并重新设计了腔体的端板。使用了二极模稳定杆来加大四极频率与相邻二极频率的间隔。最终测量结果显示,在腔体电压分布没有大的波动的情况下腔体频率达到了设计频率。同时,腔体Q值降低了1%,这就要求需要更多的功率注入腔体。使用水对二极模稳定杆进行了冷却,以便腔体能够稳定工作。     

1.3 GHz 20 kW固态微波功率源的测试和运行（英）

北京大学3.5-cell直流超导(DC-SRF)光阴极注入器需要一台连续波功率20 kW的1.3 GHz微波功率源。为此北京大学和北京北广科技股份有限公司联合研制了一台由88个放大模块组成的固态微波功率放大器,这是国内首台L波段连续波大功率固态功率源。在简要介绍这台微波功率放大器设计的基础上,主要描述其调试过程和重要参数检测并着重讨论了全反射问题。测试结果显示这台功率源的各项参数均达到设计指标,在输出功率20 kW时的效率为34%,增益大于85 dB;在整个功率输出范围其增益和相移的变化分别为1.6 dB和9.5。目前这台功率源已在DC-SRF光阴极注入器调试运行中稳定工作超过2000 h。     

1.3GHz 20kW固态微波功率源的测试和运行（英文）

北京大学3.5-cell直流超导(DC-SRF)光阴极注入器需要一台连续波功率20kW的1.3GHz微波功率源。为此北京大学和北京北广科技股份有限公司联合研制了一台由88个放大模块组成的固态微波功率放大器,这是国内首台L波段连续波大功率固态功率源。在简要介绍这台微波功率放大器设计的基础上,主要描述其调试过程和重要参数检测并着重讨论了全反射问题。测试结果显示这台功率源的各项参数均达到设计指标,在输出功率20kW时的效率为34%,增益大于85dB;在整个功率输出范围其增益和相移的变化分别为1.6dB和9.5°。目前这台功率源已在DC-SRF光阴极注入器调试运行中稳定工作超过2000h。     

APTR质子同步加速器RFQ直线注入器的优化设计

为实现质子治疗装置的国产化和小型化,基于已完成安装调试的上海先进质子治疗装置(APTR),开展质子治疗注入器系统的升级设计研究,利用PARMTEQM设计软件和快聚束策略,针对APTR同步加速器RFQ直线注入器进行动力学设计模拟。RFQ工作频率为325 MHz,流强18 mA,对从离子源引出的低能质子束流进行匹配俘获、横向聚焦、纵向聚束和预加速,引出能量为3.0 MeV。通过优化预注入器RFQ动力学设计方案和极头参数,有效避免参数共振,减小束流损失,使其整体传输效率达到98.0%,在水平和垂直方向上的发射度增长分别为1.2%和3.3%,出口束流满足下一级腔体的注入需求,开展设计模拟验证和相关冗余度分析,为质子同步加速器的治疗设备和直线注入系统提供参照依据。     

带空间电荷效应的横向发射度测量（英文）

CADS注入器Ⅰ试验装置由中国科学院高能物理研究所承建。其10mA的束流由RFQ结构加速到3.2 MeV,经中能传输段匹配到超导加速结构。为了减小失匹配造成的束流损失,需要测量RFQ出口束流参数,以便调整中能传输段Lattice结构,使束流能匹配进入超导腔。CADS注入器Ⅰ采用丝靶扫四极铁参数的方式测量束流截面并计算RFQ出口Twiss参数。强流加速器在低能段空间电荷力很强,常规的基于矩阵的数据处理方法会带来误差。本文分别用常规的未考虑空间电荷效应的矩阵方法和考虑了空间电荷效应的遗传算法对数据进行处理,得到的结果显示低能强流加速器进行Twiss参数测量时,必须考虑空间电荷效应的影响。     

带空间电荷效应的横向发射度测量

CADS注入器Ⅰ试验装置由中国科学院高能物理研究所承建。其10 mA的束流由RFQ结构加速到3.2 MeV,经中能传输段匹配到超导加速结构。为了减小失匹配造成的束流损失,需要测量RFQ出口束流参数,以便调整中能传输段Lattice结构,使束流能匹配进入超导腔。CADS注入器Ⅰ采用丝靶扫四极铁参数的方式测量束流截面并计算RFQ出口Twiss参数。强流加速器在低能段空间电荷力很强,常规的基于矩阵的数据处理方法会带来误差。本文分别用常规的未考虑空间电荷效应的矩阵方法和考虑了空间电荷效应的遗传算法对数据进行处理,得到的结果显示低能强流加速器进行Twiss参数测量时,必须考虑空间电荷效应的影响。     

750 keV射频四极注入器射频结构的优化

 设计了750 keV,201.25 MHz的RFQ注入器的射频结构,对四杆型RFQ结构进行了简要的理论分析,在束流动力学设计的基础上,对射频结构进行了优化。研究了四杆型RFQ结构中支撑板高度、宽度、厚度、间距、形状、外腔体半径等因素对射频特性的影响,进行了优化设计并给出了主要的结构参数及射频特性的设计结果。优化设计得到的四杆型RFQ腔体长度126 cm,在极间电压80 kV时,峰值功率损耗为115.95 kW,二极场因子为1.004,电场沿轴向分布比较均匀,偏差小于3.5%,满足了物理需求。     

ADS注入器Ⅱ10MeV加速器液氦分配系统设计

ADS注入器Ⅱ超导加速段的运行需要在4.2K(液氦)超低温环境下进行,针对注入器Ⅱ10MeV加速器低温恒温器的运行要求设计了一套液氦分配系统,该系统在满足加速器的低温恒温器工作的同时还具备给超导腔水平测试、垂直测试、磁铁测试等试验终端供液以及调节流量的功能。系统已应用于5 MeV加速器液氦的分配与调节以及超导腔垂直测试系统中,运行良好。重点介绍了液氦分配系统的工艺流程、阀箱的结构设计及调试运行情况。     

强流重离子RFQ加速器高频反馈控制研究

低能量强流重离子直线加速器装置(LEAF)是一台面向核天体物理、原子物理与材料辐照等多学科研究的强流高电荷态重离子直线加速器,由中国科学院近代物理研究所承担建设。LEAF强流离子束加速主要通过一台四翼型连续波RFQ实现,为实现其腔体各种复杂工况下的频率、幅度及相位的稳定控制,高频控制系统采用数字化低电平的方案。此低电平系统针对LEAF-RFQ的特殊要求开发了自动跟踪频率、双路功率源驱动、混合离子束快速切换相位等独特功能,实现了稳定地载束运行。同时,利用上位机程序实现了腔体的一键自动操作。     

光阴极注入器的驱动激光器

 光阴极注入器要求驱动激光器的激光时间抖动小、脉冲宽度窄、激光波长短和脉冲功率高。从原理和实验上介绍光阴极注入器的驱动激光器,包括连续波锁模振荡腔、时间同步,激光脉冲功率放大等;该激光器输出激光微脉冲宽度10ps,微脉冲时间抖动小于2ps,宏脉冲宽度2.5 μs, 峰值功率100kW, 已用于光阴极RF腔注入器实验,并获得了很好的结果。     

北京大学DC-SRF-II注入器光阴极驱动激光系统

为满足北京大学新一代超导注入器DC-SRF-II注入器的需求,设计了新的光阴极驱动激光系统。系统采用模块化的布局,可以工作在从单脉冲到81.25 MHz连续波模式,绿光输出功率1.41 W @ 1 MHz。系统实现了激光的纵向和横向整形,纵向整形后的激光脉冲为平顶分布,脉宽约为18 ps,横向则为截断高斯分布。实验结果显示,输出激光的RMS功率波动为1.8%,指向抖动小于1 μrad。     

光阴极注入器驱动激光器的调试与测量

光阴极注入器可产生高亮度电子源，广泛用于自由电子激光研究中。光阴极注入器包括：驱动激光器、光阴极制备室、光阴极RF腔、高功率微波功率源及测试设备等，其中驱动激光器的性能和工作稳定性是影响实验成功的关键。由于泵浦二极管的性能明显下降，种子光振荡器的输出降低，导致光阴极注人器输出束流降低，为恢复光阴极注入器的性能，更换了激光二极管，将新的激光二极管泵浦模块安装好以后，要对驱动激光系统进行仔细的调试与测量。     

DPIS-RFQ系统的高频参数测试及功率锻炼

中国科学院近代物理研究所于2007年开始进行等离子体直接注入项目的预研。详细介绍了RFQ系统的高频参数测试的方法及结果,并针对高脉冲功率的测试提出通过标定定向耦合器来测试脉冲功率的方法。介绍了系统锻炼的情况,包括针对功率源末级和腔内电极的打火问题提出了理论的分析和改善的方法。高频参数的测试和载束实验证实整套系统满足加速器的设计要求。     

强流RFQ的固态功率源模块故障分析

用于中科院近代物理研究所的ADS项目中的射频四极加速器(RFQ) 的新RF系统在2017年初升级,原来的电子四极放大器被两个新的固态功放(SSA) 所替换,它们是两台相同的额定功率为80 kW的功率源,通过两个相同的耦合器在腔内合成至少100 kW的功率。但是对于SSA来说,为了功率组合,太多的功率模块的振幅和相位进行了调整和优化,一个或几个损坏的环形器(包括吸收负载) 可能导致整个射频系统的失效。特别是,根据实验和仿真,发生失配问题后,如果两级合成器之间的传输线电长度满足某一特定条件时,系统的散射参数会有很大的波动,甚至切断。详细介绍了北京北广科技股份有限公司用于模拟多级合成放大的模拟方法、放大链路的故障分析及相关实验情况。