伴随着超导技术的发展,超导高频腔在粒子加速器领域吸引了大家的关注,各种类型的超导高频腔得到了广泛的应用。椭球型的超导腔被用于同步辐射光源、直线加速器及超级环形对撞机等不同类型的粒子加速器,如上海同步辐射光源(SSRF)、国际直线对撞机(ILC)、欧洲硬X射线自由电子激光装置(European XFEL)、美国直线加速器相干光源二期(LCLS-II)、上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE)、环形正负电子对撞机(CEPC)等。椭球型超导腔的研究对加速器的发展具有重要的探索意义。上海同步辐射光源是能量为3.5 GeV的中能量第三代光源,具有低发射度,高亮度的特点,其中束流寿命参数是最重要的参数之一。影响SSRF束流寿命的主要因素是托歇克散射引起的束流损失,即束团内部的电子碰撞发生散射。随着上海光源的升级改造,其束流寿命变短将成为一个迫切需要解决的问题。为了解决这个问题,一些同步辐射光源选择增加一个谐波射频系统,如瑞士光源SLS和意大利光源ELETTRA,其束流寿命分别提高了2到4倍,且不影响束团发射率。基于此,在上海光源SSRF的升级改造中,计划使用被动式三次谐波超导腔来拉伸束团长度,提高其束流品质和束流寿命。本论文开展了被动式1.5 GHz 2-cell的椭球型超导腔的研制。采用二维电磁场仿真软件superfish、多次电子倍增仿真软件Multipac和三维仿真软件CST等,完成了超导腔的电磁场优化设计和Pickup耦合器设计,并达到了三次谐波超导腔的需求指标。本论文使用基于有限元法的多物理场耦合分析软件ANSYS,获得了用于研究超导腔频率敏感性的仿真方案。通过将500 MHz超导腔的实验结果与ANSYS多物理场仿真结果相对比,验证了多物理场耦合仿真方案的可行性。研究了高Q值的1.5 GHz 2-cell超导腔的频率敏感性和失谐因素,其中包含腔体的调谐敏感性、氦压敏感度系数、洛仑兹失谐敏感性分析、降温过程的谐振频率变化及模态效应分析等。基于1.5 GHz 2-cell超导腔多物理场仿真分析结果、谐振腔的机械谐振模式和结构应力的分析,给出了三次谐波腔加工过程的频率控制方案,验证了无加强筋的超导铌腔的结构稳定性。另外,作为备选方案,还给出了采用加强筋方案时的最优加强筋位置。本论文探索了三次谐波超导铌腔的加工制造和表面后处理工艺,包括半碗和梅花束管的成型、电子束焊接、表面酸洗等。攻克了铌腔加工制造的技术难点,优化了铌腔制造工艺,加深了产研结合,促进了与超导腔相关的制造企业的技术发展。仿真与实验结合,完成了首只三次谐波超导铌腔的加工制作,且谐振频率偏差不超过0.3 MHz,极大缩短了超导腔的研制周期。对超导铌腔进行了射频测试,结果表明本文设计加工的1.5 GHz 2-cell超导腔的高频参数与仿真结果一致。综上所述,本论文采用了电磁场仿真、多物理场耦合仿真与实验相结合的方法,设计并加工了首只用于上海光源的三次谐波腔系统的梅花型束管的1.5 GHz2-cell超导腔。本论文在1.5 GHz椭球型超导腔的腔型设计优化、多物理场分析、铌腔加工成型、电子束焊接、表面后处理及射频测试等方面取得了优秀的成果。本论文的完成不仅对上海光源的升级改造有实际的工程意义,而且推动了椭球型超导腔的发展。