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。     

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。     

X波段脉冲电子顺磁共振谱仪的矩形腔与微型平面腔的设计

为了满足脉冲式电子顺磁共振谱仪的需要,设计并制作了连续波谐振腔和脉冲谐振腔. 连续波谐振腔采用矩形谐振腔的设计,而脉冲谐振腔采用了微型平面腔的设计. 在设计阶段,使用Ansoft-HFSS三维电磁仿真软件对2种谐振腔进行模拟计算. 微型平面腔的加工采用了微纳加工技术. 制作完成的谐振腔的参数指标由网络分析仪测定. 实验测得2种谐振腔的参数指标符合理论模拟值,并满足脉冲式电子顺磁共振谱仪的要求.     

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。     

速调管输入腔开放腔的高频特性分析与实验研究

建立了带输入波导结构的S波段速调管放大器输入腔开放腔模型,利用3维软件对其高频特性进行了数值计算研究,并对输入腔结构进行了优化设计。利用已加工的输入腔进行了高频参数的冷测实验研究,实验中的输入腔结构尺寸与高频分析中的完全相同,实验结果与高频分析结果一致。用3维PIC程序对电子束经过该输入腔后的束流调制以及注入微波的吸收情况进行了模拟。模拟结果表明：该输入腔与微波注入波导匹配很好,注入微波能被电子束和谐振腔全部吸收,在输入腔间隙后37 cm处得到了13%的基波电流调制深度。     

上海光源储存环工作点测量系统

报道了工作点测量技术的研究现状,对束流频谱分析用于工作点测量的方法进行了详细说明。介绍了上海光源储存环工作点测量系统的物理需求、方案设计、硬件结构及关键设备选型。采用束流实验的方法对系统配置参数进行优化,对系统测量误差及分辨力进行测试评估,讨论了测量系统不同工作模式的优缺点,并给出加速器不同运行阶段应该采用的运行模式。优化后的上海光源工作点测量系统,其系统测量误差小于0.000 1,测量分辨力好于0.000 05,测量过程对束流轨道及等效束斑尺寸的扰动控制在μm量级,现已在上海光源运行及机器研究中投入实用。     

速调管输入腔开放腔的高频特性分析与实验研究

 建立了带输入波导结构的S波段速调管放大器输入腔开放腔模型,利用3维软件对其高频特性进行了数值计算研究,并对输入腔结构进行了优化设计。利用已加工的输入腔进行了高频参数的冷测实验研究,实验中的输入腔结构尺寸与高频分析中的完全相同,实验结果与高频分析结果一致。用3维PIC程序对电子束经过该输入腔后的束流调制以及注入微波的吸收情况进行了模拟。模拟结果表明：该输入腔与微波注入波导匹配很好,注入微波能被电子束和谐振腔全部吸收,在输入腔间隙后37 cm处得到了13%的基波电流调制深度。     

电网波动对上海光源运行的影响及分析

电网波动对上海光源加速器的正常运行有较大影响。针对该问题,展开了系统的分析和研究工作。首先介绍了电网波动的成因以及电网波动对上海光源的影响情况。通过对具体事例进行分析,优化了上海光源加速器受电网波动影响后的基本恢复流程。分析了各硬件系统在发生电网波动时的不同表现,并依此探讨了如何优化此类故障的处理流程,建立完善的机器恢复程序。针对外电网波动提出若干建议,并提出了面对电网波动时需要采取的措施,尽可能降低电网波动对如低温压缩机、超导高频腔等关键设备的影响。以期缩短实际故障时间,加快机器恢复速度,保障上海光源稳定运行。以近10年运行数据为基础,研究发现电网波动对上海光源的影响存在若干重要阈值,这些阈值对机器恢复具有指标性作用。对因电压暂降产生的二次故障进行分析讨论,并提出若干建议。     

多注速调管的3维数值计算

 用KARAT-3D全电磁PIC程序,对多注速调管设计模型波束相互作用的物理过程进行3维数值模拟,给出了输出功率、电流等基本的物理参数。在输入电压14 kV,电流20.8 A时候,得到了128 kW的峰值输出功率,峰值效率是43.8％。考察了电子在高频场的运动和电流调制,分析了电流在各互作用腔中的调制,并对多注速调管不同发射度时电子传输进行了研究。结果表明：电子均匀发射时高频场的调制对电流传输效率影响不大,电流和电场调制随着腔的增加而增加。电子能量在输出腔的位置减小很多,电子有一部分能量转化为微波。     

多注速调管的3维数值计算

用KARAT-3D全电磁PIC程序,对多注速调管设计模型波束相互作用的物理过程进行3维数值模拟,给出了输出功率、电流等基本的物理参数。在输入电压14 kV,电流20.8 A时候,得到了128 kW的峰值输出功率,峰值效率是43.8％。考察了电子在高频场的运动和电流调制,分析了电流在各互作用腔中的调制,并对多注速调管不同发射度时电子传输进行了研究。结果表明：电子均匀发射时高频场的调制对电流传输效率影响不大,电流和电场调制随着腔的增加而增加。电子能量在输出腔的位置减小很多,电子有一部分能量转化为微波。     

142.8MHz次谐波聚束腔的结构优化设计

 使用二维有限差分法分析软件Superfish和三维有限积分法分析软件MAFIA，对142.8MHz次谐波聚束腔的结构进行了模拟和优化研究，给出了聚束腔结构优化设计的步骤和方法，确定了优化后聚束腔的基本结构。分析比较了Superfish和MAFIA两个软件的模拟优化结果，得出了基本一致的结论。还探讨了Superfish和MAFIA在聚束腔设计中的应用方法。     

142.8MHz次谐波聚束腔的结构优化设计

使用二维有限差分法分析软件Superfish和三维有限积分法分析软件MAFIA,对142.8MHz次谐波聚束腔的结构进行了模拟和优化研究,给出了聚束腔结构优化设计的步骤和方法,确定了优化后聚束腔的基本结构。分析比较了Superfish和MAFIA两个软件的模拟优化结果,得出了基本一致的结论。还探讨了Superfish和MAFIA在聚束腔设计中的应用方法。     

S波段HYBRID聚束-加速结构的样机研制

Hybrid聚束-加速结构是把驻波预聚束器、行波聚束器和标准加速管集成到一起的新型RF结构。简述了对S波段Hybrid聚束-加速结构样机的束流动力学优化和微波设计结果,解释了Hybrid结构导致发射度增长的原因,对此样机进行了射频低功率测试。样机的冷测结果与RF设计结果一致性很好。在冷测频率2 855.21 MHz处,实测S₁₁小于−45 dB,腔间相移偏差小于±2°,VSWR≤1.2对应的带宽大于5 MHz,轴向场分布完全满足动力学要求。     

Physics design of a 10 MeV, 6 kW travelling wave electron linac for industrial applications

We present the physics design of a 10 MeV, 6 kW S-band (2856 MHz) electron linear accelerator (linac), which has been recently built and successfully operated at Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, Indore. The accelerating structure is a 2π/3 mode constant impedance travelling wave structure, which comprises travelling wave buncher cells, followed by regular accelerating cells. The structure is designed to accelerate 50 keV electron beam from the electron gun to 10 MeV. This paper describes the details of electromagnetic design simulations to fix the mechanical dimensions and tolerances, as well as heat loss calculations in the structure. Results of design simulations have been compared with those obtained using approximate analytical formulae. The beam dynamics simulation with space charge is performed and the required magnetic field profile for keeping the beam focussed in the linac has been evaluated and discussed. An important feature of a travelling wave linac (in contrast with standing wave linac) is that it accepts the RF power over a band of frequencies. Three-dimensional transient simulations of the accelerating structure along with the input and output couplers have been performed using the software CST-MWS to explicitly demonstrate this feature.     

Study of separated function radio frequency quadrupoles accelerator

SFRFQ (Separated Function Radio Frequency Quadrupoles) accelerator is a new post accelerator of RFQ (Radio Frequency Quadrupoles) type, which has been developed since the beginning of the 1990s at Peking University. In order to demonstrate the possibility of the SFRFQ, a prototype cavity has been designed.A special dynamics design method has been proposed to avoid the sparking problem and decrease the energy spread at the exit of SFRFQ. It consists of two aspects: the asymmetry structure design for transverse focusing and the inner buncher design for longitudinal bunching. This allows the improvement of the beam properties without increasing the cavity length. The simulation results show that the energy spread can be substantially reduced by using the inner buncher in the SFRFQ structure.     

基于北京慢正电子强束流的微脉冲化系统设计

慢正电子湮没寿命测量是研究材料表面微观缺陷的重要分析方法．束团化系统是实现慢正电子湮没寿命测量的核心部件, 主要由斩波、聚束两部分组成, 它可以将随时间连续分布的束流束团化, 从而获得正电子湮没寿命测量的时间起点及满足时间分辨率要求的束团．本文以粒子动力学计算为基础, 完成了束团化系统的物理设计, 其时间分辨率设计值为150ps(FWHM)．     

Design of a Pulsed Low Energy Positron System Based on Beijing Intense Slow Positron Beam

The design of a pulsing system for an intense slow positron beam is described in this paper. Slow positron annihilation lifetime measurement is an important method to study the depth-dependent characteristics of the surface and near surface. The start signal for slow positron lifetime measurement can be obtained from the pulsing system, which consists of a reflection type chopper, a prebuncher and a buncher. On the basis of the simulation of dynamics process by Parmela, the frequency of the buncher and the positron energy have been chosen to be 150MHz and 330eV respectively. The designed time resolution of this system is about 150ps (FWHM).     

The design and construction of a pulsed beam generation system based on high intensity cyclotron

In order to perform the studies on a pulsed beam generation system based on a high intensity cyclotron, a test beam line with a pulsed beam generation for a 10 MeV compact cyclotron (CYCIAE-10) has been designed and constructed at China Institute of Atomic Energy (CIAE). A 70 MHz continuous H-beam can be pulsed to the pulse length of less than 10 ns with a repetition rate of 4.4 MHz. The sine waveform with a frequency of 2.2 MHz is adopted for the chopper and a mesh structure with single drift and dual gaps is used for the 70 MHz buncher. A helical resonator is designed and constructed based on simulations and experiments on the RF matching for the chopper. A helical inductance loop that is exceptionally large of its kind and equipped with water cooling for the resonator has been successfully wound and a 500 W solid RF amplifier has been manufactured. A special measuring device has been designed, which can be used to measure both the DC beam and the pulsed beam. The required pulsed beam was obtained after pulsed beam tuning.