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“加速器驱动嬗变研究装置”(China Initiative Accelerator Driven System,CIADS)是国家“十二五”期间优先安排建设的一个重大科技基础设施,其主要设计指标是:强流质子加速器质子束流能量达250MeV,束流强度10mA,且实现连续波(CW)工作模式。ADS先导专项(The China Accelerator Driven sub-critical System,C-ADS)注入器I由高能所负责研制,是对CIADS进行技术储备相关的预研,其设计指标是:束流能量10MeV,束流强度10mA。目前,已成功实现了带束运行,为CIADS项目打下重要基础。本论文结合这台加速器中超导腔的低电平控制和调束工作,首次对325MHz超导高频系统进行了一定的研究与分析。 C-ADS注入器I共有14个β=0.12的Spoke腔,串联分置于两个大恒温器内,将来自于RFQ的3.2MeV质子束流加速到10MeV。根据束流动力学要求,每个超导腔内的高频加速电场的幅度和相位需要长时间稳定,控制精度要优于±0.5%和±0.5°。然而超导Spoke012腔的Q值较高,其谐振频率易受束流负载、洛伦兹力、麦克风效应等因素影响,从而引起高频加速电场的波动。本论文选取其中的一个超导腔做束流实验,研究加速场的稳定控制规律,优化低电平控制系统并提出相应的解决措施,超导腔的加速梯度峰值达到8MV/m,在调束中得到较好的效果。 研制低电平控制系统需要对高频系统有全面的认识,本论文主要围绕对高频系统的研究和对低电平系统的优化来展开。论文首先对超导腔、超导高频系统进行建模仿真,利用传递函数重点分析了系统的特性以及PI控制器参数对系统稳定性的影响。随后,在搭建的低电平控制系统实验平台上在线对超导高频系统的动态特性进行深入研究,包括:测量和分析了洛伦兹力、束流负载、麦克风效应等的影响;测量了洛伦兹传递函数和Piezo快调谐传递函数,为控制系统的设计打下基础;研究了Ponderomotive不稳定性和机电相互作用。然后,在上述研究的基础上给出几种改善系统稳定性的方法:PI控制器设计,束流前馈补偿以及阻尼抑制振荡。最后,介绍了带束与不带束两种情况下的低电平系统运行状态。 本论文较好的与C-ADS工程结合,首次成功实现Spoke012超导腔束流调试,理论与实验有较好的验证,具有一定的参考价值,为CIADS项目提供了有益的技术参考。