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以参与国际直线对撞机项目为契机,中国科学院高能物理研究所决定加快发展国内超导直线加速器技术。在高能所一系列工作的基础上,高能所提出了加速组元的概念。加速组元是超导直线加速器中的一个单元,它包括了直线加速段几乎所有的核心技术。加速组元的核心是超导腔系统,包括9-cell超导射频腔、调谐器、高功率耦合器等系统,它的工作环境由低温恒温器提供。加速组元还包括低电平控制系统,配套低温系统等保证其顺利运行的外围设备。本文以超导射频腔为研究重点,并对高功率耦合器以及低温恒温器进行了研究。
本文首先进行了高能所1.3GHz低损耗9-cell超导腔的研究,设计了国内第一个1.3GHz9-cell低损耗超导腔,命名为IHEP-01超导腔。本文对IHEP-01进行了详细的模拟计算,其中在进行的高次模计算中,得到了其所有模式的频率和R/Q,并对其中高R/Q的模式进行了重点分析,找出了腔内可能存在的危险模式。设计了高次模耦合器,利用CST进行了试验模拟,并对加工出的试验耦合器进行了实验研究,在1.3GHz下的功率提取小于十万分之一。IHEP-01的研制材料采用了国际上超导腔使用的热点材料--大晶粒铌材。针对大晶粒铌的材料特性进行了试验研究,成功地解决了研制过程中出现的问题。本文对超导腔相关的微波测量技术以及表面处理技术也进行了研究,并在IHEP-01腔的研制过程中进行了试验。
KEK-STF是用于测试ILC超导射频腔是否能够满足在ILC中应用的测试装置,但在试验过程中发现原高功率耦合器不能满足测试需要。本文以原高功率耦合器为基础模型,设计了针对STF超导射频腔水平试验的高功率耦合器,将固定耦合度改为可调耦合度,并对整体进行了优化。此外本文设计了针对KEK-ERL注入器的高功率耦合器及相应的测试装置。
低温恒温器是加速组元的重要组成部分,是加速组元中唯一的低温部件。本文以低成本、低漏热以及高可靠性为目标,设计了一种低温恒温器。设计过程中应用Solidworks进行了机械设计,应用ANSYS进行了热力学分析,并对整体进行了优化验证。本文设计的低温恒温器不仅可以作为加速组元的一部分,还可以兼顾超导腔水平测试平台。本文还研究了不同工作状态下恒温器的性能,进行了加速组元低温系统的预设计,并对加速组元整体性能进行了分析。
本文的工作对国际直线对撞机的研究和发展国内低温超导技术作出了一定贡献,对中国积极参与国际大科学工程项目起到了推动作用。