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。     

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.     

325 MHz低β半波长谐振腔设计

对质子加速器中半波长谐振腔（HWR）型的设计进行了研究,完成一种新型HWR超导腔的初步设计。通过对超导腔设计方法及设计原则的研究,结合相关半波长谐振腔的研究现状,充分利用电磁设计软件的功能,对325 MHz低大孔径的半波长谐振腔进行了设计研究。在建模中,针对腔体的不同部位进行比较分析,优化模型形状;在计算中,采用新型有限元网格,使计算快速而结果稳定;在后处理中,使用参数扫描,实现了腔形参数优化;在腔形分析中,计算了二次电子倍增效应,验证了腔体形状的可行性。通过此设计过程,使所设计的新型为0.12的HWR腔具有较好的电磁参数,满足质子加速器的要求,并可应用到实际工程中。     

低β 162.5 MHz taper型HWR腔的机械性能分析（英文）

北京大学正在设计β=0.09,频率为162.5 MHz taper型的二分之一波长射频超导谐振腔(HWR腔),这种腔针对高流强质子束(约100mA)和氘束(约50mA)的加速而设计。对于这种超导腔而言机械性能分析是十分重要的,可以通过机械性能分析来估计由于腔体的形变带来的频率偏移。用ANSYS分析了由于液氦压力不稳定造成的麦克风效应以及洛伦兹力造成的腔体失谐,并且对沿腔体轴线方向的调谐进行了分析。模拟结果显示这只腔压力敏感系数为31.1 Hz/kPa,洛伦兹力系数为-0.41Hz/(MV·m~(-1))~2。腔体的调谐范围达到±177kHz,足够补偿腔体可能的频率偏移。腔体的机械性能满足腔体正常运行的要求。     

β=0.45,f=350MHz spoke腔高阶模的研究

质子或者离子在中低能段的加速结构是目前研究的热点, 其中许多实验结果表明spoke腔是连接RFQ加速结构和椭球腔加速结构的最具潜力的桥梁. 但是这种新型结构仍然存在许多问题有待解决, 为此, 北京大学开展了spoke型质子加速腔的研究, 完成了β=0.45, 频率为350MHz spoke腔的设计和铜模型腔的加工. 重点对spoke腔高阶模进行了分析, 模拟计算找出了几种危害模式, 并完成了实验测量, 取得了实验测量与模拟计算相一致的结果.     

质子直线加速器超导腔速度接收特性研究

给出质子在多单元π模加速腔中的能量增益和加速腔的渡越时间因子的表达式.在此基础上利用解析方法和数值方法研究质子直线加速器超导腔的速度接收特性,并且讨论了超导质子直线加速器的分段问题.     

低β162.5 MHz taper型HWR腔的机械性能分析（英）

北京大学正在设计=0.09, 频率为162.5 MHz taper型的二分之一波长射频超导谐振腔（HWR腔）, 这种腔针对高流强质子束（约100 mA）和氘束（约50 mA）的加速而设计。对于这种超导腔而言机械性能分析是十分重要的, 可以通过机械性能分析来估计由于腔体的形变带来的频率偏移。用ANSYS分析了由于液氦压力不稳定造成的麦克风效应以及洛伦兹力造成的腔体失谐, 并且对沿腔体轴线方向的调谐进行了分析。模拟结果显示这只腔压力敏感系数为31.1 Hz/kPa, 洛伦兹力系数为－0.41 Hz/(MVm-1)2。 腔体的调谐范围达到177 kHz, 足够补偿腔体可能的频率偏移。腔体的机械性能满足腔体正常运行的要求。     

铜铌溅射型低β超导腔的研制及初步实验

超导谐振腔是超导加速器的关键部件.用于重离子超导加速器的低β加速腔的最佳选择是四分之一波长谐振腔(QWR).目前,利用无氧铜为基底,溅射一层几微米厚的铌膜,可以获得极好的超导性能和加速离子性能.但是,四分之一波长谐振腔的内表面复杂,溅射均匀的铌膜比较困难.针对此难题,发展了一种多参数可调节的溅射方法,在640×φ220的大型腔体内,成功地生成了一层均匀的、超导性能优异的铌膜.超导腔的低温实验表明铌膜的性能良好.     

具有退偏补偿及自选模功能的新型谐振腔

在分析棒状激光介质热应力导致退偏损耗特性的基础上,建立了相应的数学模型,探讨了谐振腔内低阶模和高阶模退偏损耗的不同特性,提出一种具有退偏补偿和选模功能的新型谐振腔.该谐振腔结构在运行时存在三个子腔且因棒状激光介质的热应力导致退偏特性相互耦合,通过对这三个子腔偏振念补偿特性、谐振腔稳定性及选模特性进行深入分析,给出了此类谐振腔理想的设计方案,开展了相应的实验研究,并获得较好光束质量的激光输出.     

十字形孔径谐振腔的失调分析

给出十字形孔径谐振腔失调后的光轴确定方法,对因失调引起的腔内损耗进行了分析和近似计算;讨论了基模和高阶高斯光束在十字形孔径谐振腔中传输时的衍射损耗问题。计算结果表明,平面镜或凹面镜倾斜角度在10″以内,TEM30和TEM03及以下的低阶模式的平均单程损耗小于1%。     

高功率固体激光器增益非均匀分布引起的效能亏损效应研究

激光晶体由于吸收了一部分泵浦光能量，产生的热量引起晶体内温度不均匀分布，使晶体内的折射率产生不均匀分布，对振荡光产生相应的相位调制，引起振荡光光场再分布，进而导致振荡光模式发生变化。谐振腔具有滤波作用，谐振腔会过滤掉振荡光中与谐振腔不匹配的模式，引起损耗，用MATLAB模拟晶体内温度场分布，通过计算谐振腔内基模的热致损耗及低阶模转换到高阶模的比例，并研究谐振腔中各阶模式的转换问题，为抑制高阶模并减小损耗提供理论依据。     

光泵气体THz激光器用CO2泵浦源腔内光场模式

CO2泵浦源是光泵气体太赫兹激光器的核心器件之一,其性能直接关系到太赫兹激光器的工作稳定性。CO2泵浦源一般由闪耀光栅作为全反射尾镜,构成特殊的光栅腔实现波长的选支输出。采用传输矩阵的特征向量法对光栅谐振腔的腔内光场模式进行了理论分析与数值模拟,计算了光栅腔的一系列本征模式及相应的衍射损耗。结果表明光栅腔的腔内模式特性等效于一个平凹腔,而对于大菲涅尔数的光栅腔, Littrow波长的附近支线也可能具有衍射损耗较低的低阶模,可能优先于Littrow波长的高阶模起振,导致光栅腔的波长选择性降低。     

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.     

等效电路计算同轴输出腔TM310模式的间隙阻抗

设计了外Q值较小,工作于高阶横磁TM310模的X波段速调管单间隙同轴输出谐振腔。用微波等效电路理论计算了高阶横磁TM310模情形六个漂移管的等效间隙中心位置,由此计算腔内等效间隙中心到输出波导内横向膜片的等效长度。以MATLAB编程计算得到同轴谐振腔TM310模式加载矩形波导滤波器输出回路的间隙阻抗,其结果与传统冷测模拟法计算结果吻合。验证了等效长度计算方法的正确性,用于圆柱腔基模的传统微波等效电路理论能用于分析同轴谐振腔高阶横磁模式输出回路,且比传统的冷测模拟法及场分析法更为快捷。     

TESLA式高阶模衰减器的改进与设计研究

为了消除超导加速腔中高阶模场对加速粒子的影响, 在DESY的高阶模耦合器结构的基础上本文提出了改进的耦合器. 用HFSS程序针对1.5cell腔设计优化了高阶模耦合器, 得到高阶模耦合器对几种主要模式的吸收. 研究结果表明, 采用新型结构后, 衰减器对主要有害模的衰减由－40dB提高到－15dB, 使原有高阶模衰减器的性能明显提高. 该高阶模衰减器也适用于国产2cell超导腔的使用.     

超导加速器CW模式的高阶模初步分析

 超导加速器由于具有极高的Q值,因此表现出较强的腔束相互作用,尤其是在以CW模式运行下,严重时会产生束流崩溃(BBU)效应。德国TESLA式的9-cell超导串腔在束流负载为1 mA,束团重复频率为81.25 MHz情况下,对其高阶模的产生及相应的功率水平进行了分析。结果表明：对于该腔的主要高阶模,谐振偏差值在π/4以上,束流没有发生谐振,高阶模功率在mW量级。     

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.     

IH型永磁漂移管加速腔初步设计

设计了一个用于加速低能质子的永磁聚焦IH型漂移管加速腔。通过迭代设计,使得束流通过每个漂移管中心的束流相位与预设值一致。设计的永磁聚焦IH型漂移管加速腔将质子束从0.75 MeV加速到2.5 MeV,长度0.96m,分流阻抗约90 MΩ/m。不考虑束晕和误差因素,50mA流强下该漂移管加速腔中的束流损失可以控制在0.1%量级。     

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.