面向加速器前沿的几种射频超导加速腔的研发与测试

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经过多年的发展,射频超导(SRF)技术所具有的高束流品质和高重复频率的独特优势已充分被人们认知和接受。与之相应的,世界上大部分在建、筹建及计划中的大型加速器都采用了SRF技术。超导加速器的使用范围已涵盖了不同的粒子能量区间、不同的荷质比、加速与偏转、以及从国际合作项目到实验室装置的不同规模应用。这些正在兴起的各种应用对于对应的新型加速结构研发提出了强烈的需求。  在我的博士论文工作期间,共涉足了如下两种SRF腔的设计、制造、后处理和测试:  用于质子与重离子加速的中β半波长谐振腔的设计。对于中低β加速结构,基于渡越时间因子提出了描述整个增能区间中加速效率的方法。基于对中βspoke结构二次电子倍增(MP)的研究,提出了抑制spoke结构中稳定MP的思路。针对欧洲在建的欧洲散裂中子源(ESS)项目进行了beta=0.5三间隙spoke加速结构的重新优化,在保持同样表面场的情况下将单腔增能提高了24%;近一步地,我完成类似半波长结构的新腔形的原理设计,将单腔增能提高了47%,从而通过节省至少3个恒温器将加速器总长度缩短10米。。  用于实验室规模逆康普顿散射X射线源直线段的椭球腔的设计、加工、后处理与测试。我深入研究了各种类型的直线加速器,比较了常温及低温加速、低温2K与4K运行、高beta spoke腔形与椭球腔形,以及不同工作频率对于设备的规模、造价、运行成本、及束流品质的影响,并在此研究基础上提交报告促使项目将立项时的设计方案更改为了推荐的更优方案。之后我对用于此项目的400MHz-3cell椭球腔进行了针对减小热损的优化,在此过程中开发了控制2D微波本征模计算程序superfish的前端界面;此界面除了可以快速进行建模、频率调节、参数扫描外,还提供了实现后续尾场计算、高阶模(HOM)计算、误差分析、频率控制、三维建模等功能的接口和输入文件。之后我对该3cell腔进行了必要的HOM、功率馈入、二次电子倍增(MP)、频率控制的分析和设计,并在进行机械设计的同时开始了单cell原型腔的制造。该腔是世界上尺寸最大的用冲压手段成形的超导椭球腔,虽然JLab在超导腔的加工、处理、测试方面处于世界领先地位,这只腔的尺寸还是超出了众多专家的经验范围。在其研制过程中,很多工序碰到了设备仪器能力不足的问题,我与JLab的团队创造性地在两个半月内解决了十余道工序中的困难并完成了两次垂测。在垂测完成后的数据处理过程中,我改进了JLab延用20年的数据误差计算方法。
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