[论文解读] High Power Operations of LEDA

L.M. Young, Lawrence Rybarcyk+3 more|ArXiv.org|Aug 18, 2000

Sensor Technology and Measurement Systems参考文献 12被引用 25

一句话总结

本文展示了LEDa RFQ加速器在高功率连续波（CW）运行中的成功表现，该加速器采用350 MHz射频四极加速器，在6.7 MeV能量下实现了100 mA质子束流。尽管其电场强度超出设计值10%，RFQ仍保持94%的传输效率，并耗散了1.5 MW的射频功率，实现了670 kW束流功率的稳定CW运行，累计束流时间达111小时。

ABSTRACT

The LEDA RFQ, a 350-MHz continuous wave (CW) radio-frequency quadrupole (RFQ), successfully accelerated a 100-mA CW proton beam from 75 keV to 6.7 MeV. We have accumulated 111 hr of beam on time with at least 90 mA of CW output beam current. The 8-m-long RFQ accelerates a dc, 75-keV, ~106-mA H+ beam from the LEDA injector with ~94% transmission. When operating the RFQ at the RF power level for which it was designed, the peak electrical field on the vane tips is 33 MV/m. However, to maintain the high transmission quoted above with the CW beam, it was necessary to operate the RFQ with field levels ~10% higher than design. The RFQ dissipates 1.5 MW of RF power when operating with this field. Three klystrons provide the 2.2 MW of RF power required by the RFQ to accelerate the 100-mA beam. The beam power is 670 kW. Some of the challenges that were met in accelerating a 100-mA CW proton beam to 6.7 MeV, will be discussed.

研究动机与目标

• 展示LEDa RFQ加速器在100 mA束流下实现稳定、高电流连续波（CW）运行。
• 研究在超过原始设计规格的功率水平下运行RFQ所面临的挑战。
• 在长时间运行期间，实现并维持高传输效率（≥90%），使用100-mA连续波质子束。
• 验证RFQ在高功率条件下的性能，包括热稳定性和射频稳定性。
• 评估使用速调管提供2.2 MW射频功率以实现持续高电流束流加速的可行性。

提出的方法

• LEDa RFQ为350-MHz连续波射频四极加速器，使用来自注入器的75-keV、约106-mA H+束流进行运行。
• 射频功率由三台速调管提供，向RFQ输入2.2 MW射频功率，以维持100-mA束流。
• RFQ在叶片顶端的峰值电场达到33 MV/m，比设计值高出10%，以确保高传输效率。
• 在高功率运行期间，对RFQ全长8米的传输效率进行了测量，结果为94%。
• 在满束流加载条件下，射频功率耗散达到1.5 MW，表明存在显著的热负荷与射频负荷挑战。
• 在90 mA或更高束流电流下，累计束流时间达111小时，系统保持了运行稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在射频功率负荷较高的条件下，连续波RFQ加速器可实现的最大稳定束流电流是多少？
• RQ2 在连续质子加速器中，超过设计电场水平运行对束流传输和RFQ稳定性有何影响？
• RQ3 当RFQ在1.5 MW射频耗散功率下运行，且束流为100-mA时，其热负荷与射频负荷挑战是什么？
• RQ4 在超过额定电场设计值的条件下，是否能保持连续波RFQ中的高传输效率（≥94%）？
• RQ5 为维持6.7 MeV能量下100-mA连续波质子束流加速，所需的功率水平和速调管配置是什么？

主要发现

• LEDa RFQ成功将100-mA连续波质子束从75 keV加速至6.7 MeV，实现了670 kW的束流功率。
• 在100-mA束流电流运行下，RFQ在全长8米范围内保持了94%的传输效率。
• 叶片顶端的峰值电场达到33 MV/m，比设计值高出10%，以确保高传输效率。
• 运行期间，RFQ耗散了1.5 MW射频功率，需由三台速调管提供2.2 MW输入射频功率。
• 系统连续运行111小时，束流电流不低于90 mA，证明了长期运行的稳定性。
• 结果证实了在初始设计参数之外实现高功率、高电流连续波运行在RFQ加速器中的可行性。