用于超导加速器的带狭缝波导结构的射频超导腔

摘要

本发明涉及一种用于超导加速器的带狭缝波导结构的射频超导腔，属于加速器物理技术领域。包括多个椭园形球腔、束管和翼状狭缝波导。多个椭园形球腔相互串联，相互串联的多个椭园形球腔的两端为束管，每个椭园形球腔和两端束管的外壁上沿圆周均布开有多个狭缝，每个椭园形球腔的狭缝和两端束管的狭缝通过相应的翼状狭缝波导相连。本发明的射频超导腔，具有极高的二极模及四极模的衰减，使GeV量级的ERL达到安培量级的平均流强；能够达到安培量级以上的BBU阈值；射频超导腔的高场区无焊缝，可以一次冲压成型，模具单一，因此大大降低加工难度，节约产品生产的时间与费用，可以大批量生产，并降低生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于超导加速器的带狭缝波导结构的射频超导腔，属于加速器物理技术领域。

背景技术

目前，国际上加速电子的β＝1超导腔普遍采用椭球腔等结构，如特斯拉(TESLA)超导腔、低损耗(Low loss)超导腔及凹角(reentrant)超导腔。这些超导腔通过适当的提高腔的束流孔径可提高其允许的加速流强。但是，由于结构的限制，目前普通的超导腔在GeV量级最终能量的能量回收加速器(以下简称ERL)中其设计的最高流强只能达到100mA量级，如日本KEK的KEK-ERL model-2超导腔[T Furuya et al.，in Proceedings of Energy RecoveryLinac Workshop，2007.]，美国康奈尔大学的7-cell超导腔[M.Liepe，in Proceedings of eleventh Workshop onRF-Superconductivity，2003，MoP33.]。为了能够进一步提高超导腔的流强，使其可以在GeV量级最终能量的能量回收加速器中达到安培量级以上的流强，作者设计了一种新型结构的超导腔。

超导腔通过腔内的射频电磁场来加速电子(加速电场为TM₀₁₀模，即π模)。超导腔所能加速的最大电流由束流不稳定性(Beam break-up，以下简称BBU)阈值决定。而BBU的阈值则与超导腔中高阶模衰减情况有关。超导腔内的高阶模功率大小受束流大小影响，越大的加速束流就会转化更多的束流能量到高阶模中，如果高阶模不能够有效快速的衰减掉，就会导致束流的品质(发射度、能散、截面积等)变坏及加速束流降低。高阶模的衰减情况直接决定了超导腔的BBU阈值。对于普通的高平均流强超导腔，高阶模的衰减在超导腔两端的束管外侧，因此，其对高阶模的吸收比较弱，只能达到100mA量级的BBU阈值。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于超导加速器的带狭缝波导结构的射频超导腔，改变已有射频超导腔的结构，以提高加速器最大允许加速电流。

本发明提出的用于超导加速器的带狭缝波导结构的射频超导腔，包括多个椭园形球腔、束管和翼状狭缝波导；所述的多个椭园形球腔相互串联，相互串联的多个椭园形球腔的两端为束管，每个椭园形球腔和两端束管的外壁上沿圆周均布开有多个狭缝，每个椭园形球腔的狭缝和两端束管的狭缝通过相应的翼状狭缝波导相连。

上述射频超导腔中，所述的椭园形球腔的外形轮廓线为凹角形、低损耗形、椭圆形、圆形或矩形中的任何一种。

本发明提出的用于超导加速器的带狭缝波导结构的射频超导腔，具有极高的二极模及四极模的衰减，使GeV量级的ERL达到安培量级的平均流强；能够达到安培量级以上的BBU阈值；射频超导腔的高场区无焊缝，可以一次冲压成型，模具单一，因此大大降低加工难度，节约产品生产的时间与费用，可以大批量生产，并降低生产成本.本发明的射频超导腔中，椭园形球腔的数目可以根据设计需要任意取值，与射频超导腔的已有结构相比，可以取比较大的值，以使超导加速器的有效加速部分的比例增大，提高加速效率.

附图说明

图1是本发明提出的用于超导加速器的带狭缝波导结构的射频超导腔的立体图。

图2是射频超导腔的正视图。

图3是图2的G-G截面图。

图4是椭园形球腔的外形轮廓线为凹角形时的示意图。

图5是椭园形球腔的外形轮廓线为低损耗形时的示意图。

图1-图3中，1是椭园形球腔，2是束管，3是翼状狭缝波导。

具体实施方式

本发明提出的用于超导加速器的带狭缝波导结构的射频超导腔，其结构如图1所示，包括多个椭园形球腔1、束管2和翼状狭缝波导3。多个椭园形球腔1相互串联，相互串联的多个椭园形球腔的两端为束管2，每个椭园形球腔1和两端束管2的外壁上沿圆周均布开有多个狭缝，每个椭园形球腔的狭缝和两端束管的狭缝通过相应的翼状狭缝波导相连。

上述射频超导腔中，所述的椭园形球腔的外形轮廓线可以为凹角形，如图4所示，也可以是低损耗形，如图5所示。还可以为椭圆形、圆形或矩形中的任何一种，图中未示出。

本发明提出的用于超导加速器的带狭缝波导结构的射频超导腔中，椭园形球腔1可以为1个至多个，图1所示为5个。椭园形球腔1和束管2上的狭缝及相应的翼状狭缝波导3的数目可为1个至多个，如图1所示为3个。其中翼状狭缝波导3的纵向长度L可选长或短，如图2所示。本发明的射频超导腔中，椭园形球腔的数目可以根据设计需要任意取值，与射频超导腔的已有结构相比，可以取比较大的值，以使超导加速器的有效加速部分的比例增大，提高加速效率。

本发明提出的用于超导加速器的带狭缝波导结构的射频超导腔中，椭园形球腔1的最大半径R与椭园形球腔相互串联处的半径r之比为：R∶r＝2-5∶1，如图3所示。

本发明提出的用于超导加速器的带狭缝波导结构的射频超导腔，其中心腔体为椭园形球腔，其形状包括reentrant腔形，即凹角形；low loss腔形，即低损耗形等。在椭园形球腔的纵向开有狭缝，狭缝沿圆周等角度分布，以利于加工。纵向腔壁的狭缝对超导腔的π模模式无太大影响。纵向腔壁的狭缝通过翼状狭缝波导相互连接，实现高阶模的导出。翼状狭缝波导的H_n0模的基模H₁₀模式的截止频率为100-200MHz左右，对于波导中二极高阶模、四极高阶模、六极高阶模激励的波导模式H_n0为通频带。翼状狭缝波导的H_0n模的基模H_0n模式截止频率为15GHz(取波导为1cm宽时)，因此，对π模在此波导中激励的高阶模截止。通过翼状狭缝波导，将椭园形球腔内的高阶模导出并吸收，使超导腔达到安培量级以上的BBU阈值。

本发明的射频超导腔对二极高阶模、四极高阶模、六极高阶模及更高的多极高阶模都具有很强的衰减，对加速腔的工作模式π模并无明显影响。因此本发明的射频超导腔适用于高平均流强超导腔，可以应用在几GeV最终加速能量的能量回收提高加速器(Energyrecovery linac，ERL)中，使其达到安培量级以上的加速电流。