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随着超导高频技术的发展,超导高频腔已经广泛应用于加速器领域,单cell超导高频腔在同步辐射光源上的应用也逐步得到广泛认可与应用。其中500MHz单cell超导腔已经成功运行于世界各大同步辐射光源,其中最为典型的当属上世纪九十年代Comell大学和KEK分别研制成功的CESR型和KEKB型500MHz单cell超导腔。近年来,我国科研人员经过不断努力已经实现了超导腔加工测试等全部流程的国产化,然而,所研制的超导腔腔型仍然属于国外既有的设计腔型。
在此背景下,为了进一步优化超导腔腔型结构,提出国有超导腔结构,本论文通过大量的仿真设计与模拟计算,提出一款新型500MHz单cell超导腔。该新型超导腔具有240mm的大束流孔径,结合了CESR型腔的梅花型束管FlutedBeamTube和KEKB型腔的同轴型高功率输入耦合器,其明显的优势在于:束流孔径大、束流损耗小以及可以实现加速器束流功率变化的需要而小范围调节输入耦合度,达到了很好的电子加速、高次模抑制和功率传输效果。
模拟计算结果显示,新腔型在较大束流孔径下具有较高的r/Q值、且具有较低的表面电磁场与加速电场的比值(Ep/Eacc、Hp/Eacc),表明其适用于现代强流加速器。梅花型束管的采用,可以将主要有害高次模传出腔体,尤其是偶极模Te111、Tm110和单极模Tm011可以顺利传出腔体。且将主要高次模的分路阻抗r/Q*Qext值与上海光源束流不稳定性阈值做了定量的比较,结果显示高次模的r/Q*Qext值小于束流不稳定性阈值,即不会影响束流稳定性。经过大量的仿真调试,给出耦合强度Qext=1.2×105下的高功率同轴耦合器的外部形状(直筒型)、位置(D2=88mm)以及内导体的插入深度(L=-3.55mm),这样的耦合度也更适用于同步辐射光源的储存环。另外,二次电子倍增效应的模拟分析也是超导腔设计过程中必不可少的一步,利用赫尔辛基大学研制的Multipac2.0软件进行仿真,结果显示二次电子发射系数小于1,没有二次电子倍增效应发生。
然而,由于材料等原因的限制,截至论文提交时新腔型并没有实现实体加工。因此,论文最后利用实验室现有的KEKB型铌半腔,初步进行了常温下铌半腔高频性能的探索性初步测试,给出测试结果,并就铌腔深冲压加工的反弹问题做了初步分析:加工后常温下铌半腔频率的实际测量值比模拟值约高0.3MHz。