中国散裂中子源二期648 MHz超导腔调谐器设计

中国散裂中子源二期升级采用超导腔技术方案,其中在165～300 MeV能量段采用648 MHz 6-cell超导腔模组,每个模组中集成3只6-cell超导腔。超导腔工作在脉冲模式,为了保证超导腔2 K下的频率满足运行要求,每只超导腔需要一套低温调谐器对其频率进行精确调节控制。针对648 MHz 6-cell超导腔的结构和运行特点进行了低温调谐器的设计,采用快慢组合机构补偿超导腔的频率偏移,对调谐器的基本性能和超导腔脉冲模式运行下的动态洛伦兹失谐进行了分析。     

BEPCⅡ超导腔高次模阻抗抑制优化研究

BEPCⅡ500MHz超导腔是BEPCⅡ储存环的关键设备,腔中高次模的分布和阻抗将很大程度上直接影响束流的稳定.因此,研究BEPCⅡ超导腔的高次模分布和高次模吸收器的吸收效果对实现BEPCⅡ指标至关重要.为此,通过改变高次模吸收器的位置、铁氧体吸收材料的长度、厚度以及腔的渐变过渡波导的角度等对BEPCⅡ超导腔高次模阻抗抑制进行了模拟优化研究,从而找到并确定了吸收器对高次模阻抗抑制的最优值.同时,为证实模拟计算结果的正确性,对BEPCⅡ超导模型腔进行了高次模分布和吸收测量,得到了与计算一致的结果.结果表明,经过细致优化腔的高次模吸收器,腔中大部分高次模被深度吸收了,那些具有潜在危险的高次模阻抗值降到了阈值以下,满足BEPCⅡ束流阻抗要求     

BEPCⅡ国产500 MHz超导腔运行综述

北京正负电子对撞机二期(BEPCⅡ),国产500 MHz超导腔经过紧张的安装调试于2017年10月正式投入带束流运行。首先对此国产超导腔两次降温调试的相关参数进行了监测和对比分析;其次研究了通过高功率老练的方法改善超导腔的品质因数,并实时监测超导腔老练过程中的辐射剂量;最后对超导腔的带束流运行情况进行了介绍分析。结果表明:BEPCⅡ国产500 MHz超导腔虽然放置了6年,但是状态良好,通过高功率老练能够降低超导腔的辐射剂量,改善其性能,完全满足束流运行要求。     

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。     

325 MHz中β超导Spoke腔的腔型对比和选择

中国科学院高能物理研究所一直在研究频率为325 MHz、中低β Spoke超导加速腔,以应用在加速器驱动的次临界系统(ADS)的强流质子直线加速器中。通过对超导腔设计方法和设计原则的研究,使用CST仿真软件设计了单Spoke腔、双Spoke腔、三bar Spoke腔三种Spoke腔型。其中三bar Spoke腔和双Spoke腔一样,都有着三个加速间隙,但是Spoke柱的结构不同。在腔型设计中,对三种Spoke腔的模型均作了参数化处理。然后通过CST的参数化扫描来优化腔体形状以使得峰值电场与加速梯度的比值最小,同时使峰值磁场与加速梯度的比值处于较低范围。本文对三种腔型进行了高频结构优化和参数分析,选用了双Spoke腔型作为设计方案,并对电磁场等进行了优化设计。     

BEPCⅡ超导腔静态热负荷和无载品质因数Q0的测量

超导腔的静态热负荷和无载品质因数是表征超导腔低温恒温器以及超导铌腔性能好坏的最重要参数.BEPCⅡ超导腔采用的是液氦浸泡冷却方式,对两个超导腔在测试站分别进行了降温调试,在超导腔达到超导状态并稳定运行后,对其静态热损耗进行了测定.此外,超导腔Qo 的测量主要是采用热力学的方法测量其高频损耗然后经计算得出Qo.介绍了BEPCⅡ超导腔静态热负荷和无载品质因数的测量原理及方法,并且给出了两个超导腔在不同高频加速电压下的测试结果.此测试结果已作为BEPCⅡ超导腔验收测试的重要依据.     

上海光源500MHz超导腔水平测试

上海光源是能量为3.5 GeV的第三代先进中能同步辐射光源,其储存环上安装了三台超导高频腔补偿电子因同步辐射等原因丢失的能量。为保障上海光源的长期稳定高效运行,中国科学院上海应用物理研究所和上海市低温超导高频腔技术重点实验室共同研制了具备低高次模损失参数和可承受更高入射功率的新型500 MHz超导腔,作为上海光源在线运行超导高频腔的备用腔。超导铌腔经低温垂直测试达到所需加速性能后,需要与高功率输入耦合器、高次模吸收器、低温恒温器等集成并完成水平测试,获得超导腔模组的加速性能、低温性能和真空性能。介绍了超导腔备用腔的研制、集成和测试过程,采用文丘里(Venturi)校准法获得模组的静态功耗反应模组的低温性能,并通过高功率测试获得了超导腔备用腔模组的加速性能。测试结果表明:自主研制的500 MHz超导腔备用腔满足上海光源的工作需求,在超导腔的加速腔压为2.0 MV时,无载品质因数为1.2×109 @4.2 K,且低温模组的静态热损耗为36.1 W。     

BEPCⅡ超导腔静态热负荷和无载品质因数Q_0的测量

超导腔的静态热负荷和无载品质因数是表征超导腔低温恒温器以及超导铌腔性能好坏的最重要参数.BEPCⅡ超导腔采用的是液氨浸泡冷却方式,对两个超导腔在测试站分别进行了降温调试,在超导腔达到超导状态并稳定运行后,对其静态热损耗进行了测定.此外,超导腔Q_0的测量主要是采用热力学的方法测量其高频损耗然后经计算得出Q_0.介绍了BEPCⅡ超导腔静态热负荷和无载品质因数的测量原理及方法,并且给出了两个超导腔在不同高频加速电压下的测试结果.此测试结果已作为BEPCⅡ超导腔验收测试的重要依据.     

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。     

BEPCⅡ超导腔静态热负荷和无载品质因数Q0的测量

超导腔的静态热负荷和无载品质因数是表征超导腔低温恒温器以及超导铌腔性能好坏的最重要参数. BEPCⅡ超导腔采用的是液氦浸泡冷却方式, 对两个超导腔在测试站分别进行了降温调试, 在超导腔达到超导状态并稳定运行后, 对其静态热损耗进行了测定. 此外, 超导腔Q₀的测量主要是采用热力学的方法测量其高频损耗然后经计算得出Q₀. 介绍了BEPCⅡ超导腔静态热负荷和无载品质因数的测量原理及方法, 并且给出了两个超导腔在不同高频加速电压下的测试结果. 此测试结果已作为BEPCⅡ超导腔验收测试的重要依据.     

基于BEPCⅡ的腔式束流位置探测系统设计优化与线下测试

研究了基于BEPCⅡ直线加速器的腔式束流位置探测系统(CBPM)的设计。本方案给出的CBPM探头工作频率为S波段,束流管道半径23 mm,参考腔TM010工作频率和位置腔TM110的工作频率一致。由线下测试结果可知,CBPM实物特征参数与仿真结果一致,CBPM水平和垂直方向工作频率分别为2502 MHz和2503 MHz;垂直和水平的四个端口交叉隔离度均优于-44.7 dB;测量线性区域好于10 mm。射频前端电子学负责对CBPM探头的模拟信号进行滤波、放大和下变频等调制。将CBPM探头置于标定平台,对经过CBPM信号进行时域和频域分析,通过计算得到CBPM水平、垂直方向线下分辨率分别为2.87μm、2.16μm。     

低β四分之一波长腔中的束流偏转的分析性研究(英文)

目前加速速度范围在0.01 c—0.3 c 的粒子的超导腔主要使用四分之一波长腔型。用于不同加速器上的频率范围在50—240 MHz 的四分之一波长腔在建造或者预研中。这种腔型的一个不足是其横向电磁成分会造成束流偏转效应,从而导致发射度的增长和束流的溢漏, 在强流重离子加速器中这种效应尤为严重。对中国科学院近代物理研究所超导直线加速器中的频率为80.5和161 MHz的四分之一波长腔的偏转效应进行了分析,计算结果表明,在四分之一腔体的设计时需要考虑到束流偏转的修正, 这通常需要在漂移管端面上削适当大小的倾角来实现。Superconducting(SC) cavities currently used for acceleration of ions in the velocity range from 0.01 cto 0.3 c are based frequently on quarter wave resonators(QWR). Various types of QWR cavities across a frequency extent from 50 to 240 MHz have been constructed or are proposed for numerous applications. A drawback of this kind of cavities is the beam steering caused by transverse magnetic and electric field components, which can creat emittance growth. In this paper, the analytical studies on beam steering in quarter wave resonator of frequency=80.5 and 161 MHz of the SC linac has been done in Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, the calculated results have told us that the correction for beam deflection should be a consideration during the design of the QWR cavity, which generally involves the shaping the inner drift tube.     

BEPCⅡ横向束流反馈系统条带电极的设计及模拟计算

 用高频结构模拟程序HFSS优化设计条带电极kicker并计算了它的反射参数和横向分流阻抗。从模拟得到的反射参数可以看出，在要求的250MHz带宽范围内, 反射的功率小于7%，说明了条带与功率传输线是阻抗匹配的；模拟得到的横向分流阻抗与公式计算得到的结果基本上一致。当频率250MHz时，得到了1 300Ω的分流阻抗，在此种条件下，需要反馈功率为123W方能抑制束流不稳定性，这为电极的机械设计和在反馈系统中选择功率放大器提供了最基本的依据。     

Study of medium beta elliptical cavities for CADS

The China Accelerator-Driven Sub-critical System(CADS) is a high intensity proton facility to dispose of nuclear waste and generate electric power.CADS is based on a 1.5 GeV,10 mA CW superconducting(SC) linac as a driver.The high energy section of the linac is composed of two families of SC elliptical cavities which are designed with geometrical beta 0.63 and 0.82.In this paper,the 650 MHz β=0.63 SC elliptical cavity is studied,including cavity optimization,multipacting,high order modes(HOMs) and generator RF power calculation.     

Design study of a radio-frequency quadrupole for high-intensity beams

The Rare isotope Accelerator Of Newness(RAON) heavy-ion accelerator has been designed for the Rare Isotope Science Project(RISP) in Korea. The RAON will produce heavy-ion beams from 660-MeV-proton to200-MeV/u-uranium with continuous wave(CW) power of 400 k W to support research in various scientific fields.Its system consists of an ECR ion source, LEBTs with 10 ke V/u, CW RFQ accelerator with 81.25 MHz and 500 ke V/u, a MEBT system, and a SC linac. In detail, the driver linac system consists of a Quarter Wave Resonator(QWR) section with 81.25 MHz and a Half Wave Resonator(HWR) section with 162.5 MHz, Linac-1, and a Spoke Cavity section with 325 MHz, Linac-2. These linacs have been designed to optimize the beam parameters to meet the required design goals. At the same time, a light-heavy ion accelerator with high-intensity beam, such as proton,deuteron, and helium beams, is required for experiments. In this paper, we present the design study of the high intensity RFQ for a deuteron beam with energies from 30 ke V/u to 1.5 MeV/u and currents in the m A range. This system is composed of an Penning Ionization Gauge ion source, short LEBT with a RF deflector, and shared SC Linac. In order to increase acceleration efficiency in a short length with low cost, the 2nd harmonic of 162.5 MHz is applied as the operation frequency in the D~+RFQ design. The D~+RFQ is designed with 4.97 m, 1.52 bravery factor. Since it operates with 2nd harmonic frequency, the beam should be 50% of the duty factor while the cavity should be operated in CW mode, to protect the downstream linac system. We focus on avoiding emittance growth by the space-charge effect and optimizing the RFQ to achieve a high transmission and low emittance growth. Both the RFQ beam dynamics study and RFQ cavity design study for two and three dimensions will be discussed.     

BEPCⅡ逐束团测量系统的研制及应用研究

基于北京正负电子对撞机二期工程储存环,研制了一套逐束团束流测量系统。系统包括模拟前端、数据采集处理控制和显示软件三个部分。储存环束流位置探头的四路信号作为逐束团测量系统的输入,该系统宽带模拟前端完成信号幅度相位的调理,并保证束团间无干扰;四路500 MHz模数转换器对信号采样实现逐束团测量;基于现场可编程门阵列的数字信号处理逻辑计算得到每个束团的位置。系统在线实时束流位置测量分辨率优于4.5μm,同时该测量系统可实现实时逐束团振荡幅度和工作点的测量。系统还拥有存储大容量逐束团原始数据的功能,为日常的机器研究提供了有力的测量手段。     

BEPC II氦低温系统的初步设计

低温超导技术将应用于第二代北京正负电子对撞机 (BEPC II)。文中所设计的大型氦低温系统将为第二代北京正负电子对撞机的三个磁体 :超导螺线管磁体、插入四极铁磁体和高频超导腔磁体提供 4 .5 K下 80 0 W的冷量和 6 0 .0 L/ h的液氦产量。由于每个用户都有其特定的工作要求 ,该系统为每个用户配置一个控制杜瓦 ,以满足磁体的工作要求。     

Simulation of BEPCⅡ′s BPM

Considering the effect of photoelectron, BEPCⅡ′s beam position monitor (BPM) uses antechamber structure. The cut-off frequency of TE mode is maybe lower than the BPM signal processing frequency 500MHz. The power of TE mode will result in beam position measurement error. With monitoring the antechamber's TE mode power amplitude and calculating the transmission of TE mode power to BPM's electrodes, we can calculate the error of position measurement caused by TE mode. We found that the error is beyond the acceptance when the cut-off frequency of TE₁₀ mode is lower than 500MHz. By changing the slot length, the cut-off frequency is higher than 500MHz and the error could be accepted. At last the effect of the wakefield to the beam has been simulated and the longitudinal impedance of wakefield has been calculated.     

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.