f =325 MHz,β=0.52 双柱超导Spoke 腔电磁设计

中国科学院近代物理研究所设计的工作频率为325 MHz、最优β为0.52 的双柱超导Spoke 腔的电磁已经完成。详细地描述了Spoke 基部横截面形状和大小对腔体射频性能的影响,采用了跑道形来取代通常的圆形Spoke 基部截面。从归一化峰值电磁场和分路阻抗两方面出发,比较了横截面为横向跑道和纵向跑道的Spoke 基部。Spoke 基部横截面的形状为横向跑道时能得到较好的射频参数,满足中国ADS(C-ADS) 的工程需求。最后利用CST 粒子工作室对得到的腔体进行了二次电子倍增分析,在工作电压附近不存在二次电子倍增,验证了该腔体形状的可行性。The EM design of a 325 MHz β= 0.52 superconducting double Spoke cavity has been finished at Institute of Modern Physics (IMP), Chinese Academy of Sciences(CAS). In this paper, the optimization of the Spoke base is described in detail. The goal is to minimize the peak surface field and maximize the shunt impedance. The common cylinder is replaced by the racetrack shape for the Spoke base. The transverse racetrack Spoke base can offer a better RF property than the longitudinal racetrack Spoke base, which meet the requirement of the C-ADS. The simulation of multipactor finished by CST Particle Studio is also presented, which gives a promising result that there is no multipactor around working voltage.     

C-ADS超导轮辐腔Spoke021的电磁设计与优化

为满足C-ADS项目建设对超导轮辐腔Spoke021的需求,对Spoke021进行了详细的电磁参数优化。对Spoke021的参数化模型进行参数扫描,针对腔体的关键电磁特征量寻找可能存在的极值,详细分析、解释了优化过程中各个参数发生变化的物理意义。在Spoke021各参数达到最终优化值时,表征腔体性能的两个关键比值分别为:E_p/E_(acc)=3.14,Bp/E_(aCC)=4.77 mT/(MV/m)。考虑到次级电子倍增(Multipacting,MP)对Spoke021运行中所能达到的性能指标有很重要影响,对腔体的MP进行了建模分析。结果表明,当Spoke021工作在E_(acc)=10 MV/m情况下,没有发生MP,优化得到的参数可以满足Spoke021工程设计的需要;最后计算了腔体的TTF曲线,表明该腔体具有较宽的速度接受度。     

离子源注入型IH加速腔冷测与调谐

离子源注入型IH加速器有望发展成为一种紧凑型低功耗离子加速器,为有效验证该加速结构的束流俘获效率,中国工程物理研究院流体物理研究所设计了一套将质子束从0.04 MeV加速到2.0 MeV的IH加速腔。目前已经完成了该腔的腔体加工,开展了高频参数冷测及腔体调谐研究。通过漂移管调谐和电感调谐,减小了腔体的频率误差和加速电压分布误差。模拟计算实测电场下腔体的束流俘获效率,由调谐前的16%提高到调谐后的34%。冷测调谐结果表明,该加速腔的各项参数达到设计值,具备进行功率测试和束流测试的条件。     

1.3GHz单cell高梯度低损耗超导腔设计研究

计划中的国际直线对撞机(简称 ILC), 已确定采用低温超导技术. 研究表明, ILC的整体造价与超导腔的加速梯度密切相关, 因此新型高梯度超导腔的研制, 已成为目前ILC的热门课题. 目前超导腔加速梯度的提高受限于超导体射频临界磁场(H_c^rf), 希望通过腔形的优化设计, 来减小超导腔表面峰值磁场与加速梯度的比值(H_p/E_acc), 进而提高超导腔的加速梯度, 以满足ILC的要求. 目前, 具有代表性的高梯度超导腔新腔形有两种, 即低损耗超导腔(LLSCC)和重入式超导腔(RESCC). LLSCC相对于RESCC而言, 具有较低的H_p/E_acc, 因此在理论上LLSCC更易于达到较高的梯度. 作者对1.3GHz单cell高梯度低损耗超导腔的腔形进行了详细的研究, 给出了相应低损耗超导腔腔形, 并对这一设计结果进行了分析比较.     

“神龙二号”直线感应加速器加速腔电路模拟

针对神龙二号直线感应加速器所采用的非晶磁芯感应加速腔，建立了能够兼顾结构参数和磁芯性能的加速腔电路模型。对与加速腔结构相关的各集总电容参数进行了计算，并通过模拟波形与实验电压电流波形的对比，确定了加速腔磁芯模块的参数设定，实现了对非晶磁芯感应加速腔脉冲励磁过程较为准确的模拟。通过电路模拟，可以得到脉冲励磁时加速腔各部分的电压电流分布，为加速腔的结构优化和故障原因分析提供了有效的手段。     

梯形双梁结构超导偏转腔的优化设计北大核心CSCD

双梁结构超导偏转腔可对带电粒子束进行快速的偏转或旋转,具有紧凑、高效的特性,在超导自由电子激光、高能粒子对撞机等加速器装置中具有广泛的应用前景。该类型超导腔设计研究的一个重点是双梁形状的选择和尺寸的优化。针对中国科学院高能物理研究所提议建设的、基于超导直线加速器的X射线自由电子激光装置,采用CST MWS,CST PS,COMSOL,ANSYS等软件仿真手段,结合理论分析,完成了一款双梁形状为梯形的超导偏转腔的优化设计。该梯形双梁结构偏转腔具有良好的电磁和机械性能,同时,腔的尺寸更加紧凑,加工难度也有所降低。     

中国散裂中子源二期双spoke超导腔设计

中国散裂中子源是中国第一台、世界第四台脉冲型散裂中子源,其已于2020年2月达到100 kW功率的设计指标,运行稳定高效,供束效率位于国际前列。中国散裂中子源二期升级方案中总束流功率将升级到500 kW,其中直线加速器段将采用超导加速腔结构,束流能量由80 MeV提高到300 MeV。其中在80～165 MeV能量段采用324 MHz双spoke超导腔,在165～300 MeV能量段采用648 MHz 6-cell椭球超导腔。采用CST、COMSOL等仿真软件完成324 MHz双spoke超导腔的电磁、机械设计及优化,达到实际运行指标要求。为了提高腔运行的稳定性,在腔的设计中对E_P/E_acc着重进行了优化,使其尽量降低。     

花瓣形加速器加速腔结构的优化设计

 介绍了一种新型辐照加速器——花瓣形加速器NB100（10 MeV/100 kW）。用电磁场3维仿真软件模拟计算了此种加速器加速腔的高频特性参数,研究了腔体特性参数与几何尺寸的关系,在考虑电子束渡越时间情况下,优化出了一组频率为100 MHz时的加速腔结构其尺寸为：腔体高度1 547 mm,外筒内半径980 mm,内筒外半径240 mm,内筒倒圆角半径210 mm,外筒倒圆角半径110 mm。计算结果表明：该种新加速腔具有较高的有效分路阻抗和品质因数。     

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.     

直线感应加速器加速腔物理设计与研究

简要介绍直线感应加速器（ＬＩＡ）加速腔物理设计的几个关键问题．讨论了加速电压及其平顶和腔参数的关系．对腔的耦合阻抗与束流不稳定性的关系作了概念性介绍，分析了降低耦合阻抗的途径．并给出两个加速腔设计原型．     

辐照用紧凑连续波电子加速器的物理设计

为适应工业电子加速器需求增多的现状,提出了一种新型的结构紧凑的连续波电子加速器,运行频率为180MHz。依靠置于加速腔外的多个偏转磁铁,使电子束多次穿越加速腔,从而得到持续的加速。设计过程中,用CST软件对谐振加速腔进行了优化,用Parmela软件模拟了束流的粒子动力学。粒子纵向稳定度和横向聚焦也通过模拟进行了分析和验证。结果显示:此种新型加速器能得到9MeV,100kW的稳定电子束流。     

用于激光驱动质子束测量的腔式束流位置探测器模拟研究

根据激光驱动质子束流低发射度、短脉冲、单束团低电量的性质,研究腔式束流位置探测器(BPM)测量激光加速器产生的质子束团横向位置的可行性问题。针对质子束团的大横向分布和发散角问题,推导了其通过腔式BPM的输出信号,结果表明该信号与集中从束团对称中心、倾斜一定角度通过的束流产生的输出信号相同。依据上述原理,使用CST软件进行了腔式BPM的设计和仿真,确定了矩形谐振腔波导耦合的方案。讨论了该方案的腔式BPM对于激光加速束流的适用性和不同激光驱动质子束流参数的分辨率,并针对PW级激光加速系统进行了分辨率估算。     

直线感应加速腔横向阻抗的测量

 采用束流模拟法测量强流直线感应加速器加速腔横向阻抗,给出了加速腔的测量结果。采用了时域变换法提高不匹配情况下测量精度的方法,对引起测量误差的 原因进行了分析。这有助于深入理解强流加速腔内的物理过程,改进加速腔设计,提高 直线感应加速器整机性能     

上海光源150 MeV直线加速器次谐波腔耦合器的设计与调试

通过将次谐波腔体等效为RLC并联回路,求得了射频功率馈入腔体的耦合度公式,分析了上海光源直线加速器次谐波腔输入耦合器的设计要点,通过3维电磁计算软件CST的数值模拟方法对耦合器结构尺寸、耦合环的深度与方位、耦合度进行了模拟计算。介绍了对次谐波腔耦合器进行小信号测试的过程、腔体安装及在线调试的方法。     

非均匀加速结构腔间耦合系数模拟计算

电子直线加速器的聚束段对于会聚入射电子相位,提高电子直线加速器出射束流性能起着至为关键的作用. 而准确计算聚束段腔间耦合系数又是设计聚束段耦合孔几何结构的关键. 本文利用电磁场计算软件MAFIA的特征值计算模块E模块, 分别计算出单腔频率, 双腔腔链的两个本征频率,从而得到聚束段腔间耦合系数. 采用该方法,可以设计聚束段腔间耦合孔的几何参数. 与实验结果的对照表明, 这是一种非常有效的非均匀加速结构腔间耦合孔设计方法.     

100MeV负氢回旋加速器高频冷模腔的理论与实验研究

在回旋加速器中,高频系统为带电粒子加速提供能量,高频谐振腔作为高频系统中的关键部件,它性能的好坏直接决定着粒子是否能够被加速,所以,高频谐振腔的设计非常关键.在100MeV负氢回旋加速器的设计中,在空间限制的同时,要求加速电压从中心区的60kV到出引区的120kV变化,这对谐振腔的设计提出了很高的要求.基于上述条件,本工作利用有限差分法的软件CST MICR0wAVESTUDIO设计的双内杆结构的44MHz高频谐振腔初步设计完成,根据初步设计的结论,加工与实际腔体尺寸1:1模型,模型高频参数测量的结果与CST MICROWAVE STuDIO的计算相吻合,结果是可信的.     

三腔介质壁质子加速器时序优化模拟及设计

采用自主研发的三维粒子模拟软件对三腔介质壁加速器进行系统仿真, 在此基础上, 计算三个腔质子的渡越时间并实现腔体间的时序优化设计。外加电压峰值100 kV, 顶宽1 ns, 半高宽10 ns, 绝缘微堆厚度2.0 cm, 质子初始束能40 keV, 加速电极添加钨网, 模拟结果显示:当电压持续6.5 ns时, 进入高梯度绝缘微堆的H+通过第一腔能得到最大加速效率90.84%, 相应的渡越时间为5.668 ns;当第二腔电压触发落后第一腔4.5 ns时, H+通过第二腔获得最大加速效率94.77%, 相应的渡越时间为3.545 ns;当第三腔电压触发落后第二腔3.0 ns时, H+通过第三腔获得最大加速效率97.30%, 相应的渡越时间为3.018 ns;最大能量H+渡越三个腔体的总时间为12.231 ns, H+总体加速效率94.31%;当质子束中心进入第一腔时刻落后脉冲电压触发6.5 ns, 且一二腔和二三腔电压触发延时分别为4.5 ns和3.0 ns情形下, 能将2.5 ns长度的质子束中的H+实现90%以上的加速, 4.0 ns长度的质子束中的H+实现80%以上的加速。     

用于自由电子激光的S波段J型波导馈电加速管

随着波导式耦合行波加速管设计梯度的日益提高,为了防止加速管输入耦合器电场的横向动量在束流通过加速器耦合器时引起束流品质的下降,侧壁开有两个对称耦合孔的对称双馈圆柱腔获得了广泛的应用。研制的S波段J型波导馈电加速管即为双馈圆柱腔中的一种,研制样管在老练平台上老练时的最高加速梯度达到30 MV/m。然而因为四极场的存在,开有两个耦合孔的圆柱耦合腔内,仍然会引起轴向电场的幅度和相位在横向的梯度,从而使束流发射度变差。在理论上对J型波导馈电的跑道式耦合腔进行了研究,通过与圆柱腔进行比对模拟计算,证明跑道式耦合器可以很好地改善轴向电场在横向平面内非近轴区域沿圆周的场强一致性,从而减小四极场的影响。重要的是,J型波导馈电跑道式耦合腔的机械加工、测试比圆柱腔更加容易实现,是未来双馈加速器发展的一个理想方向。     

强流直线感应加速腔微波特性

 介绍了确定不同加速间隙形状和设计结构的强流直线感应加速腔微波特性的方法,即确定频域中加速腔横向阻抗值的方法,包括数值模拟和实验测试。 横向阻抗测试实验中采用了两种测试方法:一种为同轴线束流模拟法,另一种为对加速腔形状因子的测试。实验中测试了3种不同的腔型,并和数值模拟结果进行了比较。两种横向阻抗的测试方法所得结果都与计算结果基本符合,从测试过程的繁简程度和多次实验结果的重复性来看,对于强流直线感应加速腔来说,形状因子值测试方法优于双芯同轴线束流模拟法。实验测试和数值模拟结果显示,确定直线感应加速腔横向阻抗值,测试实验和数值模拟是相辅相成的,缺一不可。     

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.