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.     

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.     

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.     

350MHz强流质子RFQ加速器工艺腔的研制与测量

为研究强流质子RFQ加速腔的设计与加工工艺,研制了一台全尺寸无氧铜工艺腔.本文介绍了其物理设计与机械设计、机械加工与钎焊工艺研究及其高频性能的测量和调节.经调节,RFQ工艺腔可以达到较为理想的电场分布,其4个象限电场分布的一致性和平整度均能满足要求,二极场分量也足够小     

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。     

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。     

325 MHz spoke腔的二次电子倍增效应

采用CST软件的粒子工作室模块, 对spoke超导腔中可能发生的二次电子倍增效应进行了分析研究,并采用二次电子倍增效应发生后形成稳定状态时的粒子数增长率来表征其强度。模拟计算表明：该腔存在两处二次电子倍增效应,spoke柱两端的两点一阶倍增; spoke腔两端侧壁与中心圆筒交界处的单点一阶倍增;二次电子倍增在加速腔压为0.65 MV时的增长率最高,而腔压大于1 MV时,增长率均为负,即无倍增发生。     

国产铌材超导腔的研制和实验

通过对国产铌腔的研制和探索，掌握了超导腔的计算制造和实验研究的关键技术，进行铌材性后获得了铌腔后处理的特定工艺，在２．５Ｋ温度时，国产铌腔的加速梯度超过１０ＭＶ／ｍ，品质因素１０＾９。     

外腔共振和频系统中阻抗匹配的理论研究

外腔共振是提高和频效率的有效方法. 实现外腔共振高效和频需要基频光高效地耦合到外部谐振腔中, 因此系统要达到阻抗匹配. 本文分别建立了双波长和单波长外腔共振和频系统的理论模型, 分析了腔增强因子与耦合腔镜反射率、入射基频光功率等参数的依赖关系, 通过数值模拟获得最优化的共振光耦合腔镜反射率, 使系统达到阻抗匹配, 提高和频效率. 研究表明, 无论双波长还是单波长外腔共振和频系统, 共振基频光的最佳耦合腔镜反射率只会随着另一束共振或者不共振的基频光入射功率的增加而减小, 而其本身的入射功率变化则影响较小; 进一步分析表明, 若共振基频光的耦合腔镜反射率超过阻抗匹配值, 和频光功率将会迅速减小, 而小于阻抗匹配值时, 和频光功率减少速度相对较慢, 因此实验过程中要尽量避免过耦合的情况出现. 本文的理论分析过程将对外腔和频实验有一定的指导意义.     

325MHz超导腔输入耦合器镀铜层厚度的实验研究

通过对工作在325 MHz、镀铜厚度分别为10,20,30μm的耦合器外导体进行高功率测试,研究了超导腔输入耦合器外导体内壁镀铜层厚度与漏热的依赖关系,目的在于寻找最优化的铜层厚度来降低超导腔输入耦合器的低温漏热。实验结果表明,20μm铜层的耦合器具有较低的动态损耗。综合考虑静态损耗与动态损耗,则20μm铜层厚度为最优化的铜层厚度。     

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．     

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.     

超导腔的热击穿和超导铌材料RRR值的无损测量

介绍超导腔热击穿原理 ;讨论了超导体热击穿磁场与超导材料 RRR值之间的定量关系 ;同时介绍一种非常实用的超导腔体 RRR值的测量方法涡流法无损测量原理及其实现方法 ;最后给出了国内外两种典型超导铌材料 RRR值的比较测量结果     

超导直线加速器腔体β_g选取问题的研究

超导直线加速器腔体几何β选取是否合适,直接影响到所需要的腔体类型(腔型)和腔体的总量,进而影响加速器的造价。采用线性近似的物理模型,并结合粒子群优化算法,开发出一套用来选择腔体几何β的程序。将之运用到中国加速器驱动次临界系统(C-ADS)质子直线加速器的设计中,得出一组最合适的βg和对应的物理设计方案。与现有的设计方案相比,新的设计方案的腔型个数少一个,而腔体总数基本不变,具有一定优势,同时也验证了本模型及优化算法的正确性。     

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.     

应用于单纵模光纤激光器的复合环腔滤波器的理论仿真

提出了一种用于单纵模激光器选模的基于光纤耦合器的光纤复合环腔（CRC）滤波器的仿真方法,利用该方法对两种新型双耦合器双环CRC(DCDR-CRC)滤波器及三耦合器双环CRC(TCDR-CRC)滤波器进行了理论仿真,通过引入游标原理,分析了两种滤波器在不同环长差下的滤波特性,并通过调整DCDR-CRC及TCDR-CRC的耦合比、环长及环长差,对有效自由光谱范围（FSR）、抑制比（SR）及主透射峰带宽进行优化,计算结果表明优化后环腔的有效FSR可有效抑制波长选择器传输通带内的增益竞争,较低的SR可以抑制CRC滤波器相邻透射峰之间的增益竞争,较窄的主透射峰可以保证仅有一个激光器的纵模被选择。     

三模重叠双间隙耦合腔型输出回路的仿真设计

为扩展速调管输出回路的带宽,进一步分析了双间隙耦合腔的模式重叠理论,说明了实现三模重叠的可能性,采用等效电路法计算了三模重叠双间隙耦合腔型输出回路的阻抗频率特性。以中心频率3 GHz的输出回路为例,建立了3维计算模型,给出了设计这种输出回路的步骤和结构参数。用场分析法计算了间隙阻抗频率特性,结果表明：此输出回路2 dB相对带宽接近15%,加载滤波器后1.5 dB相对带宽可达19.3%。     

一种新型双间隙输出腔的理论和实验研究

从双间隙分离腔的色散关系式出发,通过数值计算求出了分离腔中IM010模对应的谐振频率,并给出了腔内轴向电场的分布图,证实了分离腔中存在着电场反相的π模场。因此,可以将其用作电场反相的双间隙输出腔,来实现双间障提取。并用2.5维粒子模拟程序——卡拉特（KARAT）程序对这种分离腔输出回路进行了粒子模拟和优化设计。通过详细的冷测和调试实验,研制出了中心频率为3.74GHz、QL值为7.8的低QL值双间隙输出腔。     

一种新型双间隙输出腔的理论和实验研究

从双间隙分离腔的色散关系式出发,通过数值计算求出了分离腔中IM010模对应的谐振频率,并给出了腔内轴向电场的分布图,证实了分离腔中存在着电场反相的π模场。因此,可以将其用作电场反相的双间隙输出腔,来实现双间障提取。并用2.5维粒子模拟程序——卡拉特（KARAT）程序对这种分离腔输出回路进行了粒子模拟和优化设计。通过详细的冷测和调试实验,研制出了中心频率为3.74GHz、QL值为7.8的低QL值双间隙输出腔。     

三模重叠双间隙耦合腔型输出回路的仿真设计

 为扩展速调管输出回路的带宽,进一步分析了双间隙耦合腔的模式重叠理论,说明了实现三模重叠的可能性,采用等效电路法计算了三模重叠双间隙耦合腔型输出回路的阻抗频率特性。以中心频率3 GHz的输出回路为例,建立了3维计算模型,给出了设计这种输出回路的步骤和结构参数。用场分析法计算了间隙阻抗频率特性,结果表明：此输出回路2 dB相对带宽接近15%,加载滤波器后1.5 dB相对带宽可达19.3%。