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.     

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.     

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。     

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。     

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     

光阴极注入器型能量回收射频加速器

 光阴极注入器型能量回收射频加速器（PERL）是新一代加速器，在高平均功率自由电子激光和下一代高亮度光源等研究中有很好的应用前景。分析了PERL的强流与高平均功率特性，对注入器输出束流品质的要求及光阴极注入器、超导加速腔等关键技术进行了研究，设计分析了一种特殊结构的高压DC Gun光阴极注入器，能有效地提高DC加速腔中的加速场强，当高压为1MV和加速场达到10MV/m时，产生的电子束流能够基本满足PERL应用要求。同一超导加速段中的束流加速和能量回收的数值模拟计算结果表明，能获得高效率电子束流能量回收效果。     

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.     

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.     

射频超导腔加速性能的改进

 为提高超导加速腔的加速梯度和Q值，改进了薄膜型超导腔的加速性能。研究证明，对于铜铌溅射腔，在无氧铜衬底和铌膜之间加入NbN 层可以提高铌膜的超导转变温度，改善晶格结构；对纯铌超导腔提出了改进方法，在传统的纯铌超导腔表面制备多层的超导-绝缘-超导复合膜可以屏蔽Nb腔表面的界面场，提高超导腔的临界磁场，从而提高了铌腔的加速梯度。     

Power test of the separated function RFQ accelerator

The progress of the Separated Function RFQ (SFRFQ) accelerator, which can raise the field gradient of acceleration while maintaining the transverse focusing power sufficient for high current beam, is presented. In order to demonstrate the feasibilities of the novel accelerator, a prototype cavity was designed and constructed. Correspondingly, a code SFRFQCODEV1.0 was developed specially for cavity design and beam dynamics simulation. The prototype cavity will be verified as a post-accelerator for ISR RFQ-1000 (Integral Split Ring RFQ) and accelerate O+ from 1 MeV to 1.6 MeV. To inject a higher current oxygen beam for the prototype cavity, the beam current of ISR RFQ-1000 was upgraded to 2 mA. The status of high power and beam test preparation for the prototype cavity are presented in this paper.     

加速器驱动次临界系统注入器Ⅰ束测系统（英）

加速器驱动次临界系统注入器Ⅰ,包括ECR离子源、低能传输线、射频四极加速单元、中能传输段和超导腔,注入器Ⅰ出口能够获得能量10 MeV的强流质子束流。为了调束和运行的需要,注入器Ⅰ将安装束流位置测量、束流截面测量、束流流强测量、束流发射度和能量测量,以及束流损失测量等束流参数测量装置。介绍了这些束流测量系统设计及其他方面的一些考虑。     

Power test of the separated function RFQ accelerator

The progress of the Separated Function RFQ (SFRFQ) accelerator, which can raise the field gradient of acceleration while maintaining the transverse focusing power sufficient for high current beam, is presented. In order to demonstrate the feasibilities of the novel accelerator, a prototype cavity was designed and constructed. Correspondingly, a code SFRFQCODEV1.0 was developed specially for cavity design and beam dynamics simulation. The prototype cavity will be verified as a post-accelerator for ISR RFQ-1000 (Integral Split Ring RFQ) and     

BEPCⅡ超导腔失效分析

以北京正负电子对撞机(BEPCII)超导腔为例,通过监测运行中超导腔的主要参数,如腔压、输入功率、调谐角等,并与理论计算相比较的方法,对超导腔失效常见的几种原因,包括:高频系统硬件故障、束流丢失以及调谐器机械运动不畅等,进行了分析,重点解决了调谐器机械运动不畅导致超导腔失效这一比较复杂的问题。这些分析为减少BEPCII高频故障,增加BEPCII运行可靠性提供了重要参考。     

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。     

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。     

Status of the IHEP 1.3 GHz superconducting RF program

The 1.3 GHz superconducting radio-frequency (SRF) technology is one of the key technologies for the ILC and future XFEL and ERL projects in China. With the aim to develop 1.3 GHz SRF technology, IHEP has started a program to build an SRF Accelerating Unit. This unit contains a 9-cell 1.3 GHz superconducting cavity, a short cryomodule, a high power input coupler, a tuner and a low level RF system. This program also includes the SRF laboratory upgrade, which will permit the unit to be built and tested at IHEP. The unit will be used for the 1.3 GHz SRF system integration study, high power horizontal test and possible beam test in the future. In this paper, we report the recent R&D status of this program. The first large grain low-loss shape 9-cell superconducting RF cavity made by IHEP reached 20 MV/m in the first vertical test in July, 2010. The prototype tuner and low level RF (LLRF) system are under test. The high power input coupler and cryomodule are under fabrication. Several key SRF facilities for 9-cell cavity surface treatment and pre-tuning were successfully commissioned and are in operation.     

新型金属丝靶电子源实验研究

电子束在基础科学研究、工农业生产和医疗领域发挥了重要作用。提出了一种新型的电子源技术方案:高功率激光脉冲轰击金属丝靶,可以产生大量能量在百keV量级的热电子,一部分热电子在丝靶表面自生电磁场的作用下沿着丝靶运动,丝靶后方可以获得指向性良好的电子束。实验上成功在金、钨和铜丝靶后方获得了电子束团,测量了束团束斑、电荷量和能谱。铜丝靶单发实验收集到的电子束团总电荷量可达3 nC,能量分布在0～240 keV区间内,能谱在100 keV附近呈现峰值。提出了微波压缩方案,设计了2腔微波聚束腔,利用ASTRA对微波腔压缩过程进行了模拟计算。结果显示,可以将电荷量1 nC、长度55 ps的束团压缩至27 ps,满足后续微波加速器对电子源的要求。     

A new method to generate relativistic comb bunches with tunable subpicosecond spacing

We propose and analyze a scheme to produce comb bunches, i.e. a bunch consisting of micro-bunch trains, with tunable subpicosecond spacing. In the scheme, the electron beam is first deflected by a deflecting cavity which introduces a longitudinal-dependent linear transverse kick to the particles. After passing through a drift space, the transverse beam size is linearly coupled to the longitudinal position of the particle inside the beam, and a mask is placed there to tailor the beam, then the mask distribution is imprinted on the beam's longitudinal distribution. A quadrupole magnet and another deflecting cavity are used in the beam line to compensate the transverse angle due to the first deflecting cavity. Analysis shows that the number, length, and spacing of the trains can be controlled through the parameters of the deflecting cavity and the mask. Such electron bunch trains can be applied to an infrared free electron laser, a plasma-wakefield accelerator and a supper-radiance THz source.     

直线感应加速器中束流负载对加速腔压波形的影响

在神龙二号直线感应加速器的调试中,虽然电容探头和电阻分压器测到的空载加速腔电压波形基本一致,但是带束流负载时两者的波形有明显差异,针对此实验现象开展了研究。仔细模拟了束流波形和电压波形相对时间差异引起的波形差异,得到束流提前、同步和滞后条件下的腔压波形,确认相对时间差是导致波形差异的一个重要原因。建立了加速腔的分布参数电路模型,模拟结果表明束流负载效应到达两种探头的时间不同,这会导致腔压波形的不同;由于电容探头距离加速间隙更近,所以电容探头测到的波形更接近束流实际得到的加速波形。后续的调试实验获得了没有加速电压时束流产生的负载效应波形,证明束流负载到达两个探头的时刻确实不同,对加速器出口束流能谱的测量结果也表明束流的能谱分布和电容探头波形的叠加结果基本符合,上述结果表明该研究所用的模拟和分析方法是有效的,可以用于加速器的调试和性能优化。