中国材料辐照装置CMIF前端射频四极场加速器的设计与测试

摘要

中国材料辐照装置 CMIF的直线加速器前端需要一台射频四极场加速器（RFQ）将10 mA氘离子束流从20 keV/u加速到1.5 MeV/u，达到超导段可以接收的能量，使束流能够在超导加速器段继续获得加速。本文主要包括该RFQ腔体的射频结构设计、冷测调谐、高功率锻炼和束流测试方面的工作。 本文首先基于束流动力学设计得到的电极参数利用有限元电磁模拟软件CST MICROWAVE STUDIO进行了腔体射频结构的设计、优化和模拟。该RFQ腔体工作频率为162.5 MHz，极间电压65 kV，长度为5.25 m。腔体的射频结构类型为四翼型，这种腔体结构类型具有结构稳定、冷却方便、分路阻抗高的优点，普遍应用于高频、高功率、强流RFQ的设计中。在射频场的稳定方面，为克服加工误差引起的象限间场的不对称性，采用了π模稳定环路结构，使工作模式与其最邻近二极模的间隔达到了17.66 MHz，使得在现有加工精度下电场二极微扰成分能够被控制在束流动力学要求的范围内。通过建立具有带调制电极的全长腔体射频结构模型，对腔体底切结构、腔体端板和腔体横向尺寸进行优化，使得腔体极间横向电场沿纵向的不平整度小于2%. 最终腔体频率模拟值为162.459 MHz，腔体Q值为14148，腔体射频功率损耗为109 kW。通过计算局部功率密度高点并与国际上已经运行的连续波RFQ进行对比，认为局部功率密度极值的范围合理，处于较低水平，适合于连续波模式运行。 对于连续波运行的RFQ，其难点在于腔体的冷却及热管理，需要对腔体的冷却方案进行多物理场模拟分析。利用有限元分析软件ANSYS进行了RFQ腔体结构的二维多物理场耦合模拟分析。通过对冷却水温度的参数扫描，得到了腔体无频率漂移的翼-壁冷却水温度组合，该温度组合呈线性关系，模拟结果与具有类似结构的ADS-RFQ的实际运行数据吻合。在此模拟结果的基础上，选取了一组与实际运行温度值相等的温度组合，并计算了该温度组合下的翼、壁水温-频率调谐系数。在真空状态下，高频腔体内表面由于发热、粒子轰击、电场作用等常引起电子发射，在高频电磁场的作用下可能会产生电子发射倍增现象。该倍增现象会吸收腔体电磁场储能，对腔体高频功率系统造成波动，甚至导致腔体内电场击穿，引起射频功率反射保护下的高频功率切断。通过对腔体内部可能具备二次电子倍增条件的局部结构进行二次电子倍增模拟，得到了二次电子产额随腔体功率的变化关系，获得了可能发生二次电子倍增的功率点，为腔体高功率锻炼和在线运行提供借鉴。 四翼型高频RFQ的加工属于决定加速器运行性能的关键因素，束流动力学对腔体电场分布的苛刻要求最终决定于腔体机械加工、焊接的精度。而在制造过程中的质量检验和控制中必须进行射频测量和场分布测量。对焊接前、后的单段腔体测量了频率、最邻近二极模频率、Q 值、场平整性、场对称性，测量结果表明腔体加工焊接过程精度控制符合要求。在整腔在线组装、准直完成后，进行了全长腔体的冷测调谐。通过调谐，最终腔体的频率为162.630 MHz，Q值为12560，极间场的纵向不平整性小于2 %，象限间的不对称性小于1.5 %，满足束流动力学要求。在冷测时同时考虑了双耦合器耦合与四耦合器耦合的问题，通过两种不同的耦合度计算方法计算设置好的耦合度，差别在1%左右，验证了设置方法的正确性。而且在双耦合器耦合的情况下调谐后再引入另外两个耦合器进行四耦合器耦合对场分布的影响在0.1%以内，所以在运行时不需要再进行场平调谐。 利用一套200 kW电子管功率源进行了腔体的高功率锻炼。由于现场配套设施的限制，无法提供足够的腔体冷却用水，所以在高功率锻炼和束流实验过程中腔体均处于窄脉冲低重复频率模式运行，重复频率1 Hz，脉冲宽度小于200μs。经过71小时锻炼，腔体峰值功率达到125 kW。在此基础上进行了束流实验，为了降低环境辐射，束流实验中使用H2+作为测试离子。使用飞行时间法测得RFQ出口H2+的能量为3.11±0.01 MeV。测量RFQ出口及入口的束流强度得到在入口束流强度8.04 mA时，出口束流强度为7.85 mA，传输效率为97.6 %. 本文工作的创新点有以下几个方面： 一、基于电磁模拟软件CST的EM工作室和VBA开发环境，进行了梯形调制RFQ电极的设计，形成了完整的设计、制造流程，而且该方法可以用于其他射频加速结构的设计和优化。 二、基于传输线模型和电磁模拟，建立了四翼型RFQ的频率分离指标、机械加工误差和二极微扰成分要求三者之间的关系，给出了模式分离的明确数值。 三、在多物理场分析时，得到了与实际情况相符的腔体水冷系统温度工作点，解释了实际运行中水冷系统温度与设计预期不相符的现象。 四、在耦合器耦合度设置方面，用实践检验了设置方法，多种方法互相验证，设置值与测量值的偏差在 1%左右。而且使用了多种测量方法对腔体 Q 值进行了测量，完善了测试规范。

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