C-ADS注入器Ⅱ项目RFQ射频系统介绍（英文）

C-ADS注入器Ⅱ的RFQ射频系统是该强流加速器的关键一环,它通过两台完全一样的耦合器为一台四边形四翼型RFQ提供和传送功率。该射频系统在设计之初就考虑为10mA连续束流而进行特殊优化,从功率源、耦合器和功率传输系统几个方面对其进行详细介绍,尤其是针对CW模式下的系统稳定运行以及设备可靠性等方面进行的特殊考虑和模拟方法。该系统已经在2015年通过了10mA连续束的测试,证实了该射频系统的设计和调试符合物理的实验需求。特别阐述了该系统中一种新的碗型陶瓷窗耦合器的设计思路和一种无环形器情况下的特殊的耦合系数调谐方法,同时推导了双端口耦合的计算方法的具体设置过程。     

750 keV射频四极注入器射频结构的优化

 设计了750 keV,201.25 MHz的RFQ注入器的射频结构,对四杆型RFQ结构进行了简要的理论分析,在束流动力学设计的基础上,对射频结构进行了优化。研究了四杆型RFQ结构中支撑板高度、宽度、厚度、间距、形状、外腔体半径等因素对射频特性的影响,进行了优化设计并给出了主要的结构参数及射频特性的设计结果。优化设计得到的四杆型RFQ腔体长度126 cm,在极间电压80 kV时,峰值功率损耗为115.95 kW,二极场因子为1.004,电场沿轴向分布比较均匀,偏差小于3.5%,满足了物理需求。     

硼中子俘获治疗实验装置射频功率源系统

中国科学院高能物理研究所建造了一台基于加速器的硼中子俘获治疗（BNCT）实验装置。射频功率源系统为352.2 MHz射频四极加速器（RFQ）提供高频功率,使束流离开RFQ时,其能量达到3.5 MeV。BNCT射频功率源系统主要包括速调管功率源、数字低电平控制系统、射频传输系统。本文介绍了BNCT射频功率源系统,主要包括物理需求、系统组成、关键设备、安装和调试。目前该装置已进行动物实验,加速器打靶束流功率4.3 kW,加速器射频功率源系统运行稳定。     

2 MHz/80 kW离子源射频功率耦合系统的设计

介绍了一种用于大科学工程装置中国散裂中子源(CSNS) 功率升级的RF负氢离子源大功率射频功率耦合系统的研制。主要内容包括射频功率耦合系统的构造, 指标计算分配以及具体实现, 重点阐述了射频功率放大器、隔离变压器、阻抗变压调谐器以及配套的电源、控制和冷却系统的设计, 并对整个系统的结构和热设计提出了工程解决方法。针对离子源功率耦合系统的特点作了细致的分析, 并以此为基础, 研制出了一款输出功率达80kW的射频功率耦合系统产品。     

中国散裂中子源RFQ的热分析

射频四级场(RFQ)加速器的水冷具有以下两种功用: 首先它可以把射频场发热带走, 维持RFQ腔的热稳定性及限制RFQ强体形变幅度; 其次, 当RFQ失谐时, 它还可以用来进行RFQ的调谐, 而同时又基本不影响RFQ的射频场分布. 由于RFQ粒子的传输效率对射频场的分布极其敏感, 在RFQ的运行中不再采用传统的用调谐器对RFQ进行调谐的方法. 本文通过热分析, 确定了RFQ加速器的水冷管道的数量和布局及最佳工作水温; 确定了RFQ失谐时, 如何利用水温变化来对RFQ进行调谐的方法.     

DPIS-RFQ系统的高频参数测试及功率锻炼

中国科学院近代物理研究所于2007年开始进行等离子体直接注入项目的预研。详细介绍了RFQ系统的高频参数测试的方法及结果,并针对高脉冲功率的测试提出通过标定定向耦合器来测试脉冲功率的方法。介绍了系统锻炼的情况,包括针对功率源末级和腔内电极的打火问题提出了理论的分析和改善的方法。高频参数的测试和载束实验证实整套系统满足加速器的设计要求。     

分离作用射频四极场加速器的结构和工艺设计

 介绍了北京大学分离作用射频四极场(RFQ)加速器的结构特点,包括膜片式电极、支撑环式电极支撑系统、水冷系统、调谐系统及其工艺实现;介绍了基于该分离作用RFQ加速腔进行的调谐测试、高功率实验和束流实验。结果表明:调谐系统的频率调节范围及品质因数完全满足实验要求;分离作用RFQ加速腔的输入功率可以达到33 kW以上,满足高功率下稳定运行的条件;在束流实验中,把1.03 MeV的O⁺入射束流加速到1.65 MeV,半高宽能散小于3%。加速器结构满足物理设计要求,加速系统运行稳定。     

中国散裂中子源直线射频功率源系统的研制

中国散裂中子源加速器质子束流加速能量为1.6 GeV,重复频率为25 Hz,撞击固体金属靶产生散射中子,一期工程的打靶束流功率为100 kW。直线加速器的设计束流流强为15 mA,输出能量为81 MeV。射频加速和聚束系统包括一台射频四极场加速器、中能束流传输线的两个聚束器、四节漂移管直线加速器加速腔和直线-环束流传输线的一个散束器,与之相对应,共有8个单元在线运行的射频功率源为其提供所需的射频功率。目前,直线射频功率源系统预研项目已全部完成,各项性能参数均已达到设计指标,当前正处在批产安装调试阶段。151013     

强流RFQ的固态功率源模块故障分析

用于中科院近代物理研究所的ADS项目中的射频四极加速器(RFQ) 的新RF系统在2017年初升级,原来的电子四极放大器被两个新的固态功放(SSA) 所替换,它们是两台相同的额定功率为80 kW的功率源,通过两个相同的耦合器在腔内合成至少100 kW的功率。但是对于SSA来说,为了功率组合,太多的功率模块的振幅和相位进行了调整和优化,一个或几个损坏的环形器(包括吸收负载) 可能导致整个射频系统的失效。特别是,根据实验和仿真,发生失配问题后,如果两级合成器之间的传输线电长度满足某一特定条件时,系统的散射参数会有很大的波动,甚至切断。详细介绍了北京北广科技股份有限公司用于模拟多级合成放大的模拟方法、放大链路的故障分析及相关实验情况。     

强流RFQ的固态功率源模块故障分析（英文）

用于中科院近代物理研究所的ADS项目中的射频四极加速器(RFQ)的新RF系统在2017年初升级,原来的电子四极放大器被两个新的固态功放(SSA)所替换,它们是两台相同的额定功率为80kW的功率源,通过两个相同的耦合器在腔内合成至少100kW的功率。但是对于SSA来说,为了功率组合,太多的功率模块的振幅和相位进行了调整和优化,一个或几个损坏的环形器(包括吸收负载)可能导致整个射频系统的失效。特别是,根据实验和仿真,发生失配问题后,如果两级合成器之间的传输线电长度满足某一特定条件时,系统的散射参数会有很大的波动,甚至切断。详细介绍了北京北广科技股份有限公司用于模拟多级合成放大的模拟方法、放大链路的故障分析及相关实验情况。     

973 RFQ 水冷调谐系统(英文)

由于束流的传输效率对射频四极场加速器(RFQ) 中射频场的分布极其敏感,所以在RFQ 的运行过程中不再采用传统的调谐器调谐RFQ。水冷调谐的方法基本上不影响RFQ 射频场的分布,所以适用于RFQ 的调谐。中国科学院高能物理研究所为C-ADS、CSNS 预研RFQ 项目开发建造了一套水冷调谐系统,使用RF 相位差作为控制量进行RFQ 水冷调谐,相位差的控制精度达到了1°运行结果显示该系统满足了RFQ 的调谐需求。介绍了该系统的水冷系统、调谐控制系统和一些运行经验。Since the beam transmission of a Radio Frequency Quadrupole(RFQ) Accelerator is very sensitive to the field profile, the ordinary frequency tuning method by the local movable tuner is no more adopted in an RFQ operation. The tuning method by controlling cooling water temperature is widely adopted to tune the RFQ due to the less affect on the RFQ field profile. A Resonance Control Cooling System (RCCS) is developed and commissioned for the 973 RFQ,which is a R&D project for C-ADS and CSNS RFQ at IHEP. This system adopts the RF phase difference as control variable to tune the RFQ. The control accuracy of the RF phase difference is about 1°. The running of the 973 RFQ shows that the RCCS works very well and fully satisfies the operation requirement of the RFQ. In this paper, the water skid, resonance control system of the RCCS and the operation experiences will be presented.     

三维射频加速腔程序包MAFIA的开发和应用

介绍了三维射频加速器计算机辅助设计(CAD)程序包MAFIA的特点、功能及其应用。用CAD的方法实现了射频加速器特别是非轴对称带耦合腔的加速器的三维腔形设计。同时介绍了节省内存、节约机时的模型方法,使得在中小型机器上运行大程序(八万条)成为可能。文章主要对L波段的加速腔进行了数值模拟,并和实验进行了比较,结果符合较好;通过三维数值模拟及图形模拟的方法比较了各种形状谐振腔的性能;计算分析了输入耦合腔及高阶模耦合器对加速腔电磁场分布等参量的影响;提出了加耦合器后谐振频率改变的补偿方法。     

200MHz质子带窗四翼型射频四极场加速器结构模拟研究

根据束流动力学设计方案,使用电磁场计算软件CST Microwave Studio对带窗四翼型射频四极场(RFQ)结构进行了模拟研究,分析了加速腔结构参数对其物理特性的影响,得到了200MHz质子带窗四翼型RFQ优化结构方案。该结构的比分路阻抗为79.5kΩ·m,模式间隔达25.802MHz。与传统的四翼型RFQ比较结果表明:带窗四翼型RFQ具有较低的工作频率范围、良好的电稳定性以及较高的比分路阻抗。     

一米长四翼型RFQ调谐研究(英文)

为获取ADS工程中四翼型RFQ加速器在设计、调谐和运行等方面的经验,设计和建造了一台一米长四翼型RFQ加速器。该RFQ的设计频率为162.5 MHz,但是测量结果显示即使没有调谐器时,腔体的频率也为163.7 MHz。为降低腔体频率,使用四线模型理论进行了分析并重新设计了腔体的端板。使用了二极模稳定杆来加大四极频率与相邻二极频率的间隔。最终测量结果显示,在腔体电压分布没有大的波动的情况下腔体频率达到了设计频率。同时,腔体Q值降低了1%,这就要求需要更多的功率注入腔体。使用水对二极模稳定杆进行了冷却,以便腔体能够稳定工作。     

RFQ冷却聚束器的离子引出系统

论述了RFQ冷却聚束器的两种离子引出系统——静电引出和小型RFQ方法的模拟结果，并通过流体力学方法计算了设计中的静电引出系统的氦气流量和系统可能获得的真空度. 研究结果表明：在较低氦气气压时，应该选用小型RFQ引出方法，以获得更好的束流品质，而在较高氦气气压时，只能选用静电引出方法. 另外，由于设计中的RFQ冷却聚束器经常工作于高氦气气压条件下，因此高纯度氦气的回收和再利用是必需的.     

CSR-LINAC IH-RFQ的高频电磁设计

中国科学院近代物理研究所在CSR-LINAC项目中设计了一台108.48 MHz的IH型RFQ直线加速器。该RFQ可以将质荷比为3~7的离子从4 keV/u加速到300 keV/u。在完成束流动力学设计的基础上,主要针对RFQ腔体的高频电磁设计展开了研究,同时利用了电磁场仿真和束流动力学模拟来研究腔体的四极场不平整度和二极场及其动力学影响。未经调谐的情况下,腔体的谐振频率为108.15 MHz,腔体空载品质因子Q₀为5 910,腔体功耗为123 kW。通过在支撑板两端增加底切的设计,将腔体的四极场不平整度由-21%~ 12%优化至±2.5%,满足了束流动力学要求。腔体的二极场为-3%~ -2.2%,使得束流在垂直方向小幅振荡,RFQ的垂直方向接受度减小5%。为了保证功率馈入时反射较小,将耦合器设置在临界耦合状态,耦合面积为940 mm2。为了补偿腔体的频率偏差和漂移,设计了调谐量分别为707和132 kHz的固定调谐器和可动调谐器。The 108.48 MHz IH type RFQ for CSR-LINAC project is under design at Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences. This RFQ can accelerate heavy ions with mass to charge ratio of 3~7 from 4 keV/u to 300 keV/u. According to the beam dynamics requirement, the RF structure design has been finished. The quadrupole field unflatness and dipole field of the cavity were studied by electromagnetic simulation and beam dynamics simulation. The frequency of the cavity without tuning is 108.15 MHz, the Q₀ of the cavity is 5910, and the RF power loss is 123 kW. The quadrupole field unflatness of ±2.5%,which was -21%~12% before optimizing, is achieved to meet dynamics requirement through the undercuts in cavity supporters. The dipole field of -3%~ -2.2% causes the oscillation of the beam center and acceptance reduction of 5%. The power coupler must be in critical coupling state with the coupling area of 940 mm2 for minimum reflection coefficient. The tuners, consist of coarse and fine tuners with frequency shift of 707 and 132 kHz respectively, is used for tuning of frequency deviation of the cavity.     

变耦合系数非线性三波导定向耦合器特性研究

报道了对高斯型及指数型变耦合系数三波导耦合器的一些重要的全光开关特性进行的研究。利用四阶龙格一库塔方法对指数型和高斯型两类变耦合系数三波导耦合器进行了数值计算。数值计算结果表明：对于变耦合系数三波导耦合器而言,功率可在波导1与波导3之间100％转换,而波导2则不可能达到100％的功率输出。与双波导变耦合系数耦合器相比,在相同的最大耦合系数情况下三波导变耦合系数耦合器开关曲线要更陡一些．即具有更好的开关特性。与平行三波导耦合器相比,变耦合系数三波导耦合器作为光开关的最大优点在于开关曲线中不存在振荡。     

L波段小型化同轴-共面波导定向耦合器

设计了一种适用于L波段高功率微波辐射场测量的同轴型定向耦合器。分别选择同轴线和金属底板共面波导（CBCPW）作为主副传输线,减小定向耦合器横截面积;利用小孔耦合理论和微元法对耦合结构进行理论分析,选择连续渐变的菱形耦合缝隙,缩短定向耦合器长度;采用数值模拟的方法对耦合器结构进行优化,并对其性能参数进行实验测试,结果表明, 在1~2 GHz频带范围内耦合度约为47 dB,方向性大于17 dB。     

分离作用RFQ加速器物理特性的研究

RFQ加速器中加速效率随加速能量的增高而下降,为克服由此导致的RFQ能量局限而提出的分离作用RFQ加速结构,在仍保持采用射频四极场聚焦的同时,将加速与聚焦作用相分离. 综述了对它的加速效率、反场问题、腔体及束流特性研究 的结果,初步证实了其可行性及在较高能量区加速效率得到提高,并对正在研制的一台采用了这种分离作用RFQ的1.5MeV组合加速器做了介绍.     

ECR氧离子源及整体分离环RFQ加速器低能输运系统的研制

根据研制分离作用RFQ和升级改造1MeV ISR RFQ的需要,设计了一台ECR 0+离子源及低能输运(LEBT)系统.低能输运系统使用2个静电透镜聚焦柬流,在引出电压22kV时,EBT末端得到6mA以上总脉冲束流、束流归一化均方根发射度为0.127πmm.mrad.束腰可前后移动160mm.