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随着加速器技术的不断发展,包括材料结构探测,高能物理、核物理研究,材料辐照损伤研究,以及洁净核能源等在内的多方面应用,对加速器提供强流质子束的需求越来越迫切。强流质子束的不同应用,对束流提出不同要求,一般束流功率在1～10MW量级,能量从40MeV到15GeV不等,平均流强为1mA～100mA量级。目前国际上针对上述应用正在设计、计划建造的大科学装置包括欧洲的ESS、Fermi实验室的Proiect-X、MSU的FRIB、以及国际联合提出的IFMIF等,直线加速器部分均计划采用射频超导技术。 我国为提高科研水平和国际竞争力,为材料物理、化学、生物技术、医药工程等研究提供有效的探测工具,于2008年启动了中国散裂中子源的项目,计划完成平均束流功率100kW、散裂中子通量达到2.5×1016 n/cm2/s的目标,并计划未来升级束流功率到200kW甚至500kW。近年来,核能的利用在我国得到迅速发展,核能利用的安全性及核废料处理等问题成为未来限制核能发展的主要问题。中国科学院于2010年启动了国家科技战略先导专项,对ADS嬗变系统的加速器、反应堆、以及靶系统的关键技术进行研究,为实现我国ADS嬗变示范系统的长期目标而努力。 在我国对强流质子加速的迫切需求下,北京大学于2008年,在有关部门的项目的支持下,开展了国内第一只超导Spoke腔的研制工作。 本论文对450MHzβ=0.2的PKU-I Spoke腔的物理特性、电磁场设计、以及机械结构设计进行研究,得到PKU-I Spoke腔的优化设计方案。通过电磁场设计,达到高梯度、高Q0的超导腔电磁场性能要求。通过机械结构设计,对PKU-I Spoke腔的机械强度、洛伦兹力失谐、麦克风效应等进行分析研究,优化设计得到适用于PKU-I Spoke腔的加强筋,保证超导腔的机械强度和运行时的机械稳定性。优化设计过程中,在PKU-I Spoke腔的基础上,对适用于不同B值的Spoke腔的几何形状选择进行了进一步讨论。针对更低β的Spoke腔的机械稳定性问题、及抑制Multipacting的考虑,给出了新的Spoke端盖设计的。针对Spoke腔芯棒的几何形状,研究了适用于不同β(0.1<β<1)的Spoke腔的最优芯棒基部几何形状,得到了相应的尺寸变化规律和选择范围,为不同β的Spoke腔设计提供了优化设计参考。 本论文在国内现有的机械加工和真空电子束焊接的工艺水平基础上,研究设计了PKU-I Spoke腔的完整加工工艺方案,克服了Spoke腔工艺结构复杂、加工难度大、工序多、加工质量要求高等问题,完成了PKU-I Spoke腔的制造加工。该方案与哈尔滨工业大学共同申请了制造方法专利。同时,本论文分析PKU-ISpoke腔加工过程中各加工量的机械容差,在不影响超导腔性能的前提下,给出加工精度要求。并且对加工过程中的零部件进行质量控制,以达到设计要求。 本论文完成了PKU-I Spoke腔的初步实验测量研究。进行了室温下的超导腔微波、机械等性能参数测量。对PKU-I Spoke腔进行了缓冲化学抛光(BCP)、高压水冲洗(HPR)、高温处理等一系列后处理操作,由于Spoke腔特殊、复杂的结构,设计了Spoke腔专用的酸循环设备、HPR喷头等后处理关键设备及零部件。在超净环境安装后,对PKU-I Spoke腔进行了初步的低温实验测量。 本论文基于PKU-I Spoke腔的测试结果、及实验中遇到的问题,对PKU-ISpoke腔的Multipacting性质进行了深入研究,对PKU-I Spoke的设计工作进行补充完善。利用三维数值模拟计算工具,得到与实验结果相符合的Multipacting行为。并对抑制PKU-1 Spoke腔Multipacting的方法进行研究,从几何形状优化上,得到了影响Multipacting的主要几何参数的变化规律,并且得到优化后的PKU-I Spoke腔,显著地减小了Multipacting发生的梯度范围和二次电子数增长率,有效地克服了Multipacting对PKU-Ispoke腔在运行梯度下的影响,为Spoke腔优化设计提供了参考。 本论文系统的完成了我国第一只超导Spoke腔设计、制造、及实验测量的研究工作,并提出了针对PKU-Ispoke腔的进一步优化改进方案。为我国强流质子加速腔的发展、为推动我国急需的散裂中子源、加速器驱动系统等大工程装置的建设储备了技术基础。