1.5GHz铌腔RF超导的实验研究

北京大学重离子所自1988年开始“超导腔”课题的研究工作,经过三年不懈努力获得了重大进展,受到国内外同行与专家的好评。本文详述了此课题的实验准备工作及低温超导物理实验过程,总结了RF(射频)超导实验技术、微波及锁相测量技术、腔体的后处理技术、计算机模拟设计及计算机控制、数据获取与处理等有关工作的进展和成果。目前,1.5GHz铌腔在CW模式的低温超导实验中获得了8.6MV/m(Q_o=6.5×10~8)的加速梯度,并在2K温度时,测得Q_o=8×10~9,这些实验结果达到了当前国际上的先进水平。     

北京大学国产大晶粒铌材超导腔的性能研究

大晶粒铌材是射频超导领域的研究热点之一. 采用大晶粒铌材的射频超导谐振腔, 其后处理工艺可以大大简化. 北京大学对此进行了深入细致的研究, 自主研制了采用国产大晶粒铌材的射频超导腔, 对这些超导腔进行了简单的表面处理, 包括标准的化学抛光(BCP)和120℃低温烘烤处理, 未进行非常复杂的电抛光处理, 低温性能测试结果表明其低温超导性能优越, 大晶粒1.3GHz超导腔的加速梯度达到了43.5MV/m, 为我国超导加速器的国产化打下了基础.     

北京大学国产大晶粒铌材超导腔的性能研究

大晶粒铌材是射频超导领域的研究热点之一.采用大晶粒铌材的射频超导谐振腔,其后处理工艺可以大大简化.北京大学对此进行了深入细致的研究,自主研制了采用国产大晶粒铌材的射频超导腔,对这些超导腔进行了简单的表面处理,包括标准的化学抛光(BCP)和120.C低温烘烤处理,未进行非常复杂的电抛光处理,低温性能测试结果表明其低温超导性能优越,大晶粒1.3GHz超导腔的加速梯度达到了43.5MV/m,为我国超导加速器的国产化打下了基础.     

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     

DC-SC光阴极注入器的束载实验的调试进展

 北京大学射频超导实验室设计了新型超导光电子枪——DC-SC光阴极注入器，目标是为自由电子激光平台提供能量在2~3MeV，脉宽小于10ps，脉冲重复频率为81.25MHz，平均流强约为1mA的低发射度电子束。现在已经建成了DC-SC光阴极注入器实验平台，包括激光驱动光阴极系统，Pierce直流高压加速结构，1.3GHz 1＋1/2纯铌超导腔，恒温器低温系统，4.5kW连续波微波系统，1/16分频与同步控制系统，束流诊断系统和能量分析系统等。并且完成了超导腔的静态实验，直流加速结构也经过了100μA低电流测试。实验结果符合设计要求，整体调试后即可以进行束载实验。     

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.     

用于高平均功率自由电子激光器的DC–RF超导腔注入器

北京大学超导加速器实验室提出了新型DC?RF超导腔注入器的设计方案.该注入器由皮尔斯引出结构、1+1/2超导腔组成,可以提供高品质的、CW模式或高占空比(1%以上)的电子束.对该注入器进行了分析计算和设计研究,通过改变超导腔首腔腔形以增加聚焦效果,采取措施缩短阴极到超导腔的距离,从而有效地抑制束流发射度的增长.用PARMELA对该注入器进行束流动力学研究,以确定皮尔斯引出结构的形状以及超导腔的同步相位.计算结果表明这种用于高平均功率自由电子激光的注入器的设计方案是可行的.     

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.     

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。     

1.3 GHz超导腔磁通排出效应研究

设计并搭建了一套高精度的磁场测量和补偿系统,并结合中国科学院高能物理研究所(IHEP)的2K超导腔垂直测试平台对1.3 GHz单加速间隙超导腔的磁通排出效应开展了实验研究:利用研制的磁场测量和补偿系统能够精密地测量超导腔赤道位置磁场,并能够将磁场补偿至小于5.0×10-8 T;并对超导腔不同表面温度梯度下的磁通排出效应进行了测量分析;对钉扎了磁场的超导腔进行了射频性能测试,研究了超导腔电阻对磁通钉扎的敏感度,以及在不同电场梯度下超导腔的表面电阻变化情况。结果表明,研制的高精度磁场测量和补偿系统能够满足超导腔磁通排出研究的需求;高的超导腔表面温度梯度有利于磁通的排出;磁通钉扎电阻的敏感度随着加速电场梯度的增加而增大,导致超导腔的性能下降。此实验研究也为后续超导腔的研制奠定了一定基础。     

应用于光源的射频超导加速技术

射频超导加速器采用在液氦温度下工作的超导加速腔,可运行在长宏脉冲或连续波模式,同时具有较大的束流孔径,可有效减小束腔相互作用。经过半个多世纪的发展,射频超导技术已经日趋成熟,广泛应用于各种光源,并将发挥越来越重要的作用。简要介绍射频超导基本原理、应用于光源的椭球型电子超导加速腔的研制工艺、超导加速模组构成和应用于不同类型光源的超导加速腔的主要特点。     

β=0.45, f=350 MHz Spoke腔的设计

近几年来,低b超导腔(例如spoke型，re-entrant 型,CH型)作为质子或者离子在中低能段的加速结构成为研究的热点.许多实验结果表明spoke腔在低能段是很好的选择,在中能段跟椭球腔相比也很具有竞争实力,为此,北京大学开展了β=0.45,频率为350MHz的spoke型质子超导加速腔研究. 本文详细阐述了这种腔的结构及电磁场的设计,从射频参数Q,r/Q,最大表面电磁场和加速效率的计算结果来看,它具有很好的加速性能.     

1．5GHz锯材超导腔的研制

介绍铌材超导腔的研制进展，重点讨论了国产铌腔的材料改性，以及相应的超导腔性能的改进．叙述了１．５ＧＨｚ铌腔的腔形设计，分析了铌材的射频性能和机械性能，制定了铌腔制作与后处理的特定工艺．最后给出了１．５ＧＨｚ铌材超导腔的低温实验结果．     

1．5GHz锯材超导腔的研制

介绍铌材超导腔的研制进展，重点讨论了国产铌腔的材料改性，以及相应的超导腔性能的改进．叙述了１．５ＧＨｚ铌腔的腔形设计，分析了铌材的射频性能和机械性能，制定了铌腔制作与后处理的特定工艺．最后给出了１．５ＧＨｚ铌材超导腔的低温实验结果．     

紧凑型高平均流强光阴极注入器

根据北京大学1+1/2单元超导腔直流--超导(DC-SC)光阴极注入器的实验研究结果, 证明了这种新型光阴极注入器的可行性, 在此基础上对这种新型注入器进行了升级设计, 使之成为实用的紧凑型高平均流强的光阴极注入器, 为北京大学自由电子激光装置提供品质良好的电子束流. 给出了升级的3+1/2单元超导腔注入器的详细设计, 包括注入器核心结构的电磁场设计、束流动力学模拟、机械设计. 并对整个注入器的恒温器进行了初步设计.     

1+1/2 Cell超导加速腔的本征高阶模场分布研究

为实现高平均流强加速, 需要有效地消除超导加速腔中的高阶模场. 为研制有效的高阶模耦合器, 本文对北京大学DC-SC光阴极超导注入器的核心部件—1+1/2 cell超导加速腔中高阶模场进行了分析研究, 用HFSS程序计算给出前31个高阶模场参数, 与实验测量较为符合. HFSS计算与Superfish计算结果比较符合很好, 验证用HFSS计算可靠, 为以后超导腔的升级研究提供有效的手段.     

可变参数磁压缩系统设计

北京大学30MeV超导加速器包含3个RF加速单元: 自主研发的1.5cell DC-SC(直流-超导)注入器, 经过升级的3.5cell DC-SC注入器, 以及1.3GHz 2×9cell Telsa型超导加速腔. 为充分利用该装置上高品质电子束, 计划压缩1.5cell注入器出口电子束用于产生相干THz光, 以及压缩2×9cell超导加速腔出口电子束产生红外自由电子激光. 通过理论计算及模拟计算相结合设计了一套可变参数磁压缩系统, 该系统可以同时满足两个RF加速单元后束团压缩的要求.     

强流RF 离子源研制及初步实验

介绍了RF离子源驱动源的结构设计及RF线圈的热流固耦合分析。RF离子源采用外置天线的感应耦合方式,采用双射频驱动源设计,每个射频驱动源功率约60kW,总体功率为120kW,可产生均匀高密度的等离子体,以满足稳定的长脉冲运行的要求。在完成上述工作的基础上完成了RF离子源样机组装和初步实验测试。     

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介绍了RF离子源驱动源的结构设计及RF线圈的热流固耦合分析。RF离子源采用外置天线的感应耦合方式,采用双射频驱动源设计,每个射频驱动源功率约60kW,总体功率为120kW,可产生均匀高密度的等离子体,以满足稳定的长脉冲运行的要求。在完成上述工作的基础上完成了RF离子源样机组装和初步实验测试。