论文部分内容阅读
自1964年第一只超导加速腔在斯坦福大学投入运行以来，射频超导领域的科研工作者一直在推动超导加速腔向更高的加速梯度方向发展，并对限制超导腔加速梯度的各种因素进行了系统研究。近年来又在高平均流强直线加速器应用目标的导引下开展了高平均流强超导腔的研发。本论文针对电子直线加速器的超导腔开展研究，一部分内容围绕限制超导腔加速梯度的场致发射问题和高阶模耦合器内的Multipacting问题，另一部分则针对加速电子的高平均流强超导腔。 超导加速器的大规模应用，要求尽量缩短加速器长度以降低造价，因此需要提高超导腔的加速梯度，而场致发射仍然是高梯度超导加速器项目所遇到的问题之一。目前，有关场致发射的物理机制已经十分清楚，但有关在超导腔内产生场致发射的原因还在研究之中，也还没有能够准确定位场致发射点的方法。本文通过SLAC开发的软件包Track3P，细致研究了超导腔内场致发射电子的行为，结果表明超导腔内存在3种长程场致发射电子区域。在对这三种场致发射电子的位置、能量、相位分布以及形成暗电流概率和在超导腔内沉积的能量进行细致研究的基础上，本文提出了利用基模不同模式的表面电场差异，结合场致发射电子的轫致辐射角分布和碰撞电子的最高能量来准确定位场致发射点位置的新方法。实验中采用该方法对一只9cell超导腔内的场致发射点进行了定位。 近期SNS和DESY3.9GHz超导腔低温试验结果表明，同轴型高阶模耦合器内存在比较严重的Multipacting，本文利用国际上最新的Multipacting模拟软件ACE3P程序对未来国际直线对撞机(ILC)高阶模耦合器Multipacting所进行了详细分析，结果表明主要在三个区域中存在电子共振现象。本文给出了直到40MV/m以上所有加速梯度范围内可能出现的Multipacting，其中目前国际上已在实验中发现的高阶模耦合器Multipacting出现时的加速梯度均与模拟结果符合很好。本文也对CEBAF12 GeV高阶模耦合器的Multipacting进行了模拟，其结果可为超导腔测试中Multipacting现象分析提供参考。 近年来国际上提出ERL光源等强流电子加速技术，对超导加速器提出了新的需求，使发展适于强流加速的超导腔成为重要课题。本文在对强流超导腔中高阶模进行详细分析的基础上，通过反复优化完成了一只阈值流强为100mA的1.3GHz5-cell强流超导腔的设计。100mA束流在该腔工作频率2倍频附近的激发的单极高阶模功率低于200W，符合设计要求;二极模的R/Q*Qe/f比经验公式估算的要求值低2个量级，比国际上已有的一些强流腔设计的二极模R/Q*Qe/f低1个量级左右;四极模的R/Q*Qe/f比经验公式值低一个量级以上。在强流腔设计基础上，为美国Argonne国家实验室研制成功了一只5-cell1.3GHz强流纯铌超导模型腔。