230 MeV超导回旋加速器高频腔体的研制

中国原子能科学研究院目前正在研制一台用于质子治疗的230 MeV超导回旋加速器。本文设计用于230 MeV超导回旋加速器的高频腔体,其采用螺旋结构,由4个腔体组成,高频系统采用二次谐波加速,高频腔体工作频率约71.25 MHz。4个半波长的电容加载型谐振腔工作于Push-Pull模式,其中两个腔体在中心平面直连,另外两个腔体在中心区下方使用过桥连接,两组腔体之间存在电容耦合,相差180°。在腔体的设计过程中,采用计算机对4腔体进行联合仿真,经优化后,腔体加速电压分布在中心区部分的为75 kV,大半径部分的提升至110 kV,腔体的无载品质因数仿真结果约8 800。为保证腔体的高频性能,腔体主体材料采用无氧铜材料,其加工难度在于上、下外壳需分别焊接成一个整体,同时要控制其形变量。目前,腔体已完成加工,单个腔体的无载品质因数的测试表明,腔体的无载品质因数均好于7 000,满足要求。     

230 MeV超导回旋加速器高频腔体的研制

中国原子能科学研究院目前正在研制一台用于质子治疗的230 MeV超导回旋加速器。本文设计用于230 MeV超导回旋加速器的高频腔体,其采用螺旋结构,由4个腔体组成,高频系统采用二次谐波加速,高频腔体工作频率约71.25 MHz。4个半波长的电容加载型谐振腔工作于Push-Pull模式,其中两个腔体在中心平面直连,另外两个腔体在中心区下方使用过桥连接,两组腔体之间存在电容耦合,相差180°。在腔体的设计过程中,采用计算机对4腔体进行联合仿真,经优化后,腔体加速电压分布在中心区部分的为75 kV,大半径部分的提升至110 kV,腔体的无载品质因数仿真结果约8 800。为保证腔体的高频性能,腔体主体材料采用无氧铜材料,其加工难度在于上、下外壳需分别焊接成一个整体,同时要控制其形变量。目前,腔体已完成加工,单个腔体的无载品质因数的测试表明,腔体的无载品质因数均好于7 000,满足要求。     

230 MeV超导回旋加速器高频低电平系统设计与桌面实验研究

中国原子能科学研究院正在研发一台230 MeV医用超导回旋加速器,用于天津肿瘤医院的质子治疗项目。为满足加速器高频系统的腔体负载Dee电压稳定度、高频频率稳定度及加速电压幅度平衡度的要求,本文研制一套包含模拟数字混合型幅度环、数字型调谐环和数字型电压平衡环3个环路的低电平控制系统。该低电平系统通过串口与上位机进行通信,以实现本地调试;利用Profibus-DP通信协议,实现低电平系统和PLC组网的交互通信。在1个缩比例无氧铜实验腔体上完成了低电平系统低功率桌面实验与联合调试,验证了电压调平衡算法的有效性,并实现了低电平控制系统的一键启动,无需人工干预,满足了加速器高频系统对低电平控制系统的需求。     

CYCIAE-100高频腔体功率分布计算

高频谐振腔体是100MeV强流质子回旋加速器高频系统的重要组成部分，只有保证腔体的稳定性，腔体才能为粒子加速提供高稳定度的电场能量。温度引起的热变形是阻碍腔体稳定的重要原因之一，因此，布置腔体的水冷系统十分关键，腔体的功率分布计算为水冷的布置提供依据。     

70 MHz回旋加速器谐振腔高频性能的数值研究

介绍了用数值模拟手段设计加速腔体的方法。在设计70MHz回旋加速器谐振腔的过程中，为满足回旋加速器磁铁的结构要求，对高频频率、Q值等高频参数进行了研究。在设计阶段，应用基于有限元方法的程序对高频实验进行模拟计算。回旋加速器腔体的初步设计结果将用于最终物理设计和工程设计。     

医用回旋高频腔的初步设计

根据医用回旋加速器的物理要求,确定了医用回旋高频腔的具体结构设计方案。在加速电压较高、空间有限的情况下提升高频腔的品质因数,结构设计为1/2波长线的竖腔。为避免腔体在实际工作中由发热变形引起频率漂移,本次设计中采用微调环调谐结构来保证频率稳定度的要求。本文利用Microwave Studio CST程序对腔体的电磁场分布、品质因数Q_0、表面电流分布、耦合电容、微调环进行了详细的分析与仿真计算。与实际测量值进行对比,两者比较吻合,并对产生的误差进行了分析讨论。     

25kW高频功率源末级腔体的模拟计算

用于加拿大TRIUMF国家实验室的1台25kW高频功率源的末级腔体结构如图1所示，该末级腔体的设计频率约为23MHz，短路端由簧片与外导体连接，作为腔体频率粗调的机构。由于高频功率源本身空间结构的限制，要减小末级腔体的长度，采取了增加腔体电容值的方法，     

轫致辐射能谱测定SSC高频腔体电压

介绍了利用轫致辐射能谱测定回旋加速器高频腔体电压的原理，方法及测量结果。该测量方法的优点在于采用非接触方式量高频腔体电压，因而不改变高频腔体的谐振特性，并且不受高频频率的影响，测量的高频腔体电压准确可靠。     

脊形谐振腔调谐装置的设计

正脊形谐振腔是单腔循环加速器的一种谐振腔,通过将高频电压加在腔体上形成粒子加速电场,以实现对粒子循环的加速。加速器运行时,谐振腔体会热变形或腔体的机械振动等因素会造成腔体失谐,从而引起腔体电压下降及高频电压的相位漂移。为防止这种相位偏移现象的发生,需设计一种脊形腔自动调谐装置以实现对谐振腔频率的自动调节,脊形谐振腔自动调谐的工作原理如图1所示,谐振腔的自动调谐通过比较腔体谐振电压与末极电子管栅电压之间相位差,经模数转换后由控制电路调整调频装置前端的调谐柱在     

5 100MeV回旋加速器高频腔体设计与木模实验

在100MeV回旋加速器中，高频腔体的频率范围为43～45MHz，Dee电压分布中心区为60kV，大半径区域约为120kV。要求腔体在满足频率要求和Dee电压分布的同时，有良好的机械稳定度和较低的功率损耗。     

中国散裂中子源快循环同步加速器射频系统的设计与研制进展

研制了大功率宽带快速扫频射频系统,其用于中国散裂中子源（CSNS）快循环同步加速器（RCS）中,主要包括铁氧体加载谐振腔、射频功率源、偏流源和低电平控制系统。射频系统工作重复频率为25 Hz,扫频范围为1.022～2.444 MHz,单个腔体（双加速间隙）可提供最大30 kV加速电压。两级的调谐控制能解决快速扫频过程中的系统失谐问题,采用束流前馈、直接反馈等多种技术手段可对束流负载效应进行补偿。     

A drift tube accelerating structure for CRYRING

A conceptual design has been developed for a driven (non-resonant) drift-tube (DD-T) accelerating structure for CRYRING. Because the ring is small and accelerating voltage requirements not too large, it is possible to use a DD-T to cover the broad frequency range required at modest cost. The control of the system requires only a frequency signal from a beam position pick up and a voltage level signal. With the DD-T can be provided nonsinusoidal wave forms for bunch shaping to improve the space charge limit. A full scale low power model was used to verify the essential features of the design.     

Experimental study of a single tube high RF power amplifier for ICRF heating system

A concept of a single tube high RF power amplifier was developed for ion cyclotron range of frequency (ICRF) plasma heating system. In the concept, a tetrode was used with a grounded cathode and input power to drive a control grid of the tetrode was provided by a switching circuit. As the new amplifier arrangement can eliminate a low power (10 kW level) and an intermediate power (100 kW level) tetrode amplifiers, their high voltage DC (HVDC) power supplies, and control and monitor system for these amplifiers and HVDC power supplies in a conventional high RF power source of the ICRF heating system, this new high RF power source is more flexible on frequency change and more mechanically reliable than the conventional one. A test amplifier composed of the tetrode and a field effect transistor (FET) switching circuit was constructed. The FET switching circuit was so compact that it could be mounted close to the tetrode socket. The maximum output RF power of 8.5 kW was obtained with a plate efficiency of 82% at 70 MHz. The feasibility of the single tube high RF power amplifier was experimentally proved. The plate efficiency of 82% could not be explained by the standard class-C amplification but by high efficiency amplification under assumptions of a flat-topped plate current pattern and double resonance of an output cavity at the fundamental frequency and the third higher harmonic frequency.     

HIRFL-CSR束流加速过程的模拟

考虑储存环内离子在纵向相空间的运动特性,模拟了ＨＩＲＦＬ－ＣＳＲ主环内重离子的加速过程。给出了粒子不同时刻在纵向相空间的分布,在给出主磁场的运行模式后,得到高频率频率、同步相位、高频电压、束流长度、动量散度以及粒子能量随时间的变化等主要参数。     

漂移管直线加速器加速电场分布及稳定性调谐研究

漂移管直线加速器(DTL)加工和安装的误差会导致腔内加速电场分布偏离设计值。为了补偿该偏差,通常在腔内安装调谐装置。同时,在腔内引入耦合杆周期结构,通过调节耦合杆与漂移管之间的间隙,可提高DTL腔内加速电场的稳定性。本文基于高频谐振腔理论和小球拉线测量技术,搭建了一套高精度电场测量系统。结合仿真模拟和实验,实现了中国散裂中子源(CSNS)DTL的加速电场和稳定性调谐,使得腔内实际加速电场分布与设计值相对偏差小于2%,谐振频率和电场稳定性均达到设计指标。     

高平均束流功率辐照加速器加速结构的研究

本文介绍了10 MeV/100 kW的高平均束流功率工业辐照加速器束流动力学模拟结果及其加速结构的优化设计结果。加速器采用驻波双周期轴耦合结构,1个加速腔和1个耦合腔构成1个加速单元,其工作频率为325 MHz,工作模式为π/2,加速腔和耦合腔之间通过耦合狭缝在轴向以磁耦合的方式耦合在一起。使用SUPERFISH优化加速腔的有效分路阻抗、Kilp系数等关键参数。束流动力学方面,使用PARMELA模拟论证在粒子源提供2.5 keV、500 mA的电子束后,通过6个加速腔可得到10 MeV/100 kW的平均束流功率。加速腔优化完成后使用CST对耦合腔进行了设计,此时由6个加速单元组成的加速结构有效分路阻抗为23.9 MΩ/m、无载品质因数为29 347,各加速腔与相邻的耦合腔耦合系数为4.7%,工作模式与其相邻模式的最小频率间隔为2 MHz,每个加速单元功耗为290 kW。     

EAST装置高功率宽带射频发射机系统研制

离子回旋波加热系统是EAST装置最重要的辅助加热工具,作为系统最核心的分系统之一,高功率射频发射机为加热等离子体提供射频波能量,对提高等离子体运行参数起着极为重要的作用。基于电路分析、传输线和波导谐振腔等相关工程理论,本文系统地总结了射频发射机系统高功率放大器输入输出回路、放大器级间匹配、寄生振荡抑制、腔体冷却等部分的设计原理和实现方法。在假负载上进行了系统测试,在设计频段内获得了1.5 MW的射频输出功率,测试结果表明系统达到了设计的技术指标。通过两轮EAST射频加热实验验证,发射机系统运行稳定可靠,满足射频加热等相关物理实验要求。     

SHINE腔式BPM系统射频信号调理前端研制

基于低温超导直线加速器的上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）需1个分辨率可达200 nm的束流位置测量系统,以实现电子束与光子束在波荡器中的紧密相互作用和能量交换。现已研制的束流位置测量系统不能完全满足上述要求,为此,基于对关键技术指标的分配,设计研制了一个由C波段腔式探头、低噪声系数的单路下变频至低中频的射频信号调理前端以及专用数字信号束流位置处理器构成的CBPM系统样机。而作为连接腔式探头和数字信号采集电子学之间的桥梁,射频信号调理前端（radio frequency front end, RF前端）的结构和性能也直接决定了CBPM系统的性能。本文从SHINE对CBPM系统的整体需求为出发点,分析了系统对射频信号调理前端的指标分配,提出了一种放大器开关切换型RF前端的方案设计,并成功搭建了1套可模拟束流条件的离线全锁相采样测试平台。此外,在上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）中搭建了测试平台并完成了射频信号调理前端的带束性能评估,束流实验结果表明,在束团电荷量为100 pC、系统动态范围在±100 μm的条件下,采用腔式探头射频信号一分二的评估方法,位置分辨率可达71 nm,优于设计指标需求。     

2 GeV增强器高频加速站

按1:1试制了2GeV增强器高频加速站,它由加速腔、宽带放大器、偏流源及频率自动微调回路等组成。经过调试后,指标达到了设计要求。文中阐述了对加速器的技术要求和各主要部件的设计及测试结果。     

中国散裂中子源直线加速器高功率自动老炼平台研制

本文研制了中国散裂中子源(CSNS)直线加速器高功率自动老炼平台,该平台集成了驻波比保护、真空检测、弧光打火探测器、腔体谐振频率计算和变频等功能,可根据腔体的打火情况自适应调节功率进行腔体老炼,通过软件界面对相关参数进行修改即可适应不同腔体的需求。该平台具有高安全性、高智能化、灵活性强的特点,其已在CSNS直线加速器8套功率源系统上使用,在保证腔体和功率源安全的前提下,大幅提高了老炼效率和降低值班人员的劳动量。