SSC新高频腔设计与分析

简要分析了HIRFL SFC与SSC之间的束流匹配关系, 给出了新高频腔的频率范围。 利用经典三维电磁场数值模拟软件MAFIA对SSC新高频腔体进行了模拟计算, 得出了SSC新高频腔体的相关物理参数, 并对频率范围、Q值、 并联阻抗和电压分布等参数进行了分析。 高频腔体的模拟计算结果完全符合SSC回旋加速器改造的物理设计及空间结构要求。     

HIRFL高频腔体功率耦合匹配实验研究

 介绍了HIRFL主加速器SSC高频腔体功率馈入耦合匹配系统的研究，实验结果表明，通过改变耦合环角度可更好地实现高频腔体和高频发射机之间的匹配，提高了高频腔体电压和高频发射机的工作效率。     

SSC高频腔数值模拟及分析

SSC加速电压的提高对于HIRFL整体运行水平的提高具有重要的意义.利用三维电磁场计算程序MAFIA对SSC高频腔体作了更为细致的分析,重新计算了腔体的主要参数,结合运行中的实际结果,对电压提高的可行性进行了初步分析;由于在大功率运行状态下,少量的功率损失都可能影响腔–机系统的稳定性,所以同时利用MAFIA计算得到的结果,对功率耦合系统重新做了分析,得到了功率反射的理论极值及改进方案.     

31.02 MHz回旋加速器谐振腔Dee电压的标定

中国科学院近代物理研究所医用重离子加速器(HIMM) 高频系统31.02 MHz回旋加速器谐振腔已完成设计加工和腔体的老炼,并投入正常运行。高频腔体的设计峰值Dee 电压要求达到70 kV,但是Dee 电压准确计算比较困难,可以通过CST 仿真软件对腔体进行模拟得到高频腔体的RP=Q0 值,结合输入到腔体的实际功率,计算出腔体的实际电压值。为了验证Dee 电压的准确性,在相同的腔体输入功率条件下,利用韧致辐射法测量腔体电压,测量结果与计算结果误差在0.6% 以内。The 31.02 MHz cyclotron RF system of Heavy Ion Medical Machine (HIMM) in IMP(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences) has completed the design and commssioning,and now has already been put into operation. Its peak voltage requires 70 kV, but the precise calculation of the Dee voltage is still a difficulty problem, we can get the value Rp/Q0 of the cavity by CST simulation, and then combining the actual input power for cavity to calculate the real Dee voltage. In order to verify its accuracy, we use the bremsstrahlung method to test the cavity voltage under the condition of same input power. The error between test results and calculation is less than 0.6%.     

有限积分理论(FIT)及其在腔体计算中的应用

 通过介绍麦克斯韦方程的离散过程，简单介绍了有限积分理论（Finite Integration Theory）。该理论直接以电场强度和磁感应强度为未知量，采用两套互相正交的网格，将场矢量离散为不同网格点上的一系列分量，将矢量积分方程转化为一组线性方程组。通过对SFC高频腔体模拟的实例，可以看出，此方法在腔体本征频率、Q值及腔体并联阻抗等腔体参数计算中具有叫高的精度，说明了基于FIT的MAFIA程序在腔体模拟中的可靠性。     

X波段相对论大功率速调管放大器的高频结构模拟研究

采用MAGIC 2.5D模拟软件,建立了X波段11.424GHz相对论大功率速调管放大器的高频结构模型。该模型由5个简单药盒型谐振腔组成,包括1个输入腔、3个中间腔和1个输出腔。研究了该模型的高频特性,初步设计漂移管及各谐振腔结构参数,再结合热腔模拟,研究了输入腔的吸收匹配问题,依据各腔体对基波电流逐级调制情况,优化配合各腔体的间隙等结构参数,从而获得电子束的最佳调制状态,最后通过调节外加均匀磁场大小获得百MW功率输出,结果表明:在加速电压520kV、束电流460A、外加磁场0.4T的条件下,当注入信号功率为1kW时,基波电流调制深度达162%,最终输出功率105MW,效率43.5%,增益50dB。     

回旋加速器高频腔的设计与分析

根据正电子发射断层显像(PET)回旋加速器的物理要求与实际情况,确定了PET回旋高频双腔体的具体设计方案。在加速电压比较高的要求下,充分利用有限的空间,设计1/4波长线的异型覆面的竖腔结构腔体,采用短路片与移动电容板双调谐结构,满足了频率调谐要求;同时获得较高的品质因数,达到了物理设计要求的加速电压。利用Microwave Studio CST程序对腔体的Q0值、热分布、功率损耗、微调电容做了详细的分析与计算;对实际测量值与仿真计算值进行了对比,并对产生的误差进行了分析和讨论。腔体电压实际测量值达到50kV以上,频率稳定度达到设计指标1.0×10-6/d。     

基于滑模极值搜索的SSC-LINAC RFQ调谐系统设计与测试

将滑模极值搜索算法引入基于腔体反射信号的SSC-LINAC射频四极场加速器(Radio Frequency Quadrupole, RFQ)腔体频率稳定系统设计中,结合Lyapunov稳定性理论和SSC-LINAC RFQ高频系统的特点,对滑模极值搜索算法的控制增益和参考信号进行改进;通过求解微分方程,得到腔体反射信号关于时间和调谐杆位置的函数。通过软件仿真和设计硬件系统,对基于滑模极值搜索算法的调谐过程进行仿真与实际测试,结果显示,所设计的频率稳定系统能够在较短时间内实现SSC-LINAC RFQ腔体功率自动馈入过程且频率稳定度满足设计指标要求,通过了长时间稳定性试验。证明了将滑模极值搜索算法应用于高频谐振腔调谐工作的可行性。     

分离作用射频四极场加速器频率调谐和高功率试验

在分离作用射频四极场(SFRFQ)加速腔中加入频率调谐装置,用步进电机驱动调谐杆运动,改变调谐板在腔中的位置来改变调谐板与支撑环之间的分布电容,从而改变SFRFQ腔的工作频率,使其谐振频率为26.07 MHz,实现了RFQ和SFRFQ组合加速系统频率的匹配。在完成两腔频率调谐的基础上进行了SFRFQ腔体1/6占空比高功率试验,轫致辐射谱的测量表明,SFRFQ极间电压在入射峰值功率为28.8 kW时已达到86.2 kV,超过了设计指标的70.0 kV。     

SFC轴向注入系统和中心区的研究和设计

介绍了在HIRFL注入器SFC上进行的中心区、聚束器系统和轴向注入束运线的设计、加工和调试结果.中心区的设计采用了两种注入半径及相应的两套螺旋式静电偏转镜,解决了高频电压在某些工作区域偏低及三次谐波加速时轴向注入线上空间电荷效应较为严重的问题.新的锯齿波聚束器系统不仅可以提高聚束效率,而且还提出了采用半频聚束模式以提高SFC与主加速器SSC?的纵向匹配效率.新设计的轴向注入束运线配备了两台在线ECR离子源,提高了电荷态分辨能力和注入相空间匹配能力,在提高注入效率的同时还改善了离子源及束运线的工作环境和调束手段.     

柱面天线射频感性耦合等离子体放电模式特性的实验研究

利用Z-scan、电流、电压探头,通过测量等离子体吸收功率、天线电流、电压、等离子体直流悬浮电位等多种参数,研究了匹配网络、天线耦合强度、导电地面积、气压等多种因素对E,H放电模式特性及模式转化行为的影响.基于Γ型阻抗匹配网络中串联电容对射频电源输出功率的影响,提出了E—H放电模式转化的正负反馈区概念.研究发现：在相同的其他放电条件下,处于正反馈区时等离子体放电易于产生跳变型模式转化,而且模式跳变的临界天线电流、回滞宽度、跳变临界功率、跳变功率差等参数均随阻抗匹配网络参数产生明显变化;在负反馈区内,模式转化过程趋于连续.由于阻抗匹配网络的影响,E—H模式的跳变电流并不是总大于H—E模式的跳变电流.在不同导电地面积、阻抗匹配网络、气压下,模式转化过程中等离子体直流悬浮电位的变化呈现多样性. 关键词： 射频等离子体 感性耦合 容性耦合 模式转化     

Multi-channel slab CO2 laser excitation with resonant cavities

A unique way of driving a multi-channel RF excited slab laser is presented. Resonant cavity techniques are employed to provide high power splitting and impedance transformation. Uniform and isolated power division was observed in eight discharge channels, stacked in a radial array, referred to as the Zodiac geometry. Impedance matching networks were not necessary as the RF cavity splitter creates a near ideal voltage source capable of driving any impedance. With 8 out of the 24 electrodes driven in the radial array, optical powers in excess of 1.2 kW have been observed at efficiencies of 12%.     

Mode control in a high-gain relativistic klystron amplifier

Middle cavities between the input and output cavity can be used to decrease the required input RF power for the relativistic klystron amplifier.Meanwhile higher modes,which affect the working mode,are also easy to excite in a device with more middle cavities.In order for the positive feedback process for higher modes to be excited,a special measure is taken to increase the threshold current for such modes.Higher modes' excitation will be avoided when the threshold current is significantly larger than the beam current.So a high-gain S-band relativistic klystron amplifier is designed for the beam of current 5 kA and beam voltage 600 kV.Particle in cell simulations show that the gain is 1.6×105 with the input RF power of 6.8 kW,and that the output RF power reaches 1.1 GW.     

Simulation and design of an X-band overmoded input cavity

The RF input cavity is an important component for velocity-modulating types of microwave device,providing velocity modulation and density modulation.Conventional RF input cavities,however,encounter the problem of power capacity in the high frequency band due to the scaling law of the working frequency and device size.In this paper,an X-band overmoded input cavity is proposed and investigated.A resonant reflector is employed to reflect the microwave and isolate the input cavity from the diode and RF extractor.The resonant property of the overmoded input cavity is proved by simulations and cold tests,with PIC simulation showing that with a beam voltage of 600 kV and current of 7 kA,an input power of 90 kW is sufficient to modulate the beam with a modulation depth of 3%.     

X波段大功率耦合腔行波管3维粒子模拟

 为提高行波管的增益和输出波形的稳定性,开展了带高频切断X波段大功率耦合腔行波管的研究工作。以点频7.2 GHz为例,对X波段耦合腔行波管的大信号注波互作用过程进行了3维粒子模拟,该行波管包含一处高频切断及两处微波集中衰减器。数值模拟结果表明：行波管腔数为40、电子束电压为17 kV、电流为0.8 A时,可获得2.0 kW的微波输出功率,增益达23 dB,电子效率达14.7%。     

A prototype RF power source for CSNS/RCS

A prototype RF power source has been built to supply high RF power to a ferrite-loaded cavity, which is a part of R&D of the Rapid Cycling Synchrotron of China Spallation Neutron Source (CSNS/RCS). A direct fast RF feedback amplifier, a 4:1 impedance transformer and auto tuning grid were locally located to compensate the heavy beam loading of CSNS/RCS. Design and commissioning of the RF power source is discussed here, also with some advice on system improvement.     

硅薄膜沉积中等离子体辉光功率和阻抗的测试分析

采用改进的电压和电流测试方法对衬底电极外加不同电压V_s的射频等离子体中的阻抗和功率消耗进行了测试分析.结果表明：在射频电极施加恒定的电压V_el时，随衬底电极外加电压V_s的增加，辉光的电流在增加，结果导致阻抗在减小；另外，通过计算分析发现：仅有一小部分功率用于辉光，大部分功率消耗在匹配器和电缆上.通过对等离子体电学特性的综合测试分析也说明：在保证有足够多的硅烷时，衬底电极外加电压V关键词： 等离子体 辉光功率 阻抗 诊断