[论文解读] A Superconductive, Low Beta Single Gap Cavity for a High Intensity Proton Linac

A. Facco, M. Pasini+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用 7

一句话总结

本论文提出了一种新型352 MHz超导双频腔，专为5–100 MeV能量范围内的高流强质子直线加速器设计，优化用于低β运行，并在独立激励超导直线加速器（ISCL）架构中实现高可靠性。该腔体具有单间隙、轴对称结构，并将机械强化的液氦杜瓦集成于niobium谐振腔中，以承受压力，通过几何形状设计实现极小壁面位移和有效的多点击穿抑制，确保稳定运行。

ABSTRACT

A single gap, 352 MHz superconducting reentrant cavity for 5-100 MeV beams has been designed and it is presently under construction. This development is being done in the framework of a 30 mA proton linac project for nuclear waste transmutation. Mechanical, cryogenic and rf design characteristics of such cavities will be described.

研究动机与目标

• 为5–100 MeV能量范围内30 mA质子直线加速器设计一种可靠、低β的超导腔。
• 通过超导技术应对高占空比质子直线加速器中高功率密度与束流损失的挑战。
• 通过允许单个腔体失效后仍可继续运行，实现独立激励超导直线加速器（ISCL）中高束流平均无故障时间（MTBF）。
• 通过合理设计谐振腔与赤道区域的几何形状，有效抑制多点击穿。
• 开发一种机械坚固的设计，通过将杜瓦容器与谐振腔结构一体化，最大限度减少液氦压力下的壁面位移。

提出的方法

• 利用SUPERFISH代码进行射频参数优化设计，谐振腔长度为80 mm，总长度为135 mm。
• 采用TWTRAJ程序进行多点击穿模拟，累计超过50,000次运行，以识别并消除高场强多点击穿区域。
• 机械设计将液氦杜瓦直接集成于铌谐振腔壁中，以抵消净压力力，使1 bar压力下最大位移控制在约20 µm以内。
• 选用压电或磁致伸缩式“坚果夹”调谐器，以补偿射频功率和液氦压力引起的频率漂移。
• 由于空间限制，采用感应耦合器置于赤道位置，而同轴电容耦合器被认为不切实际。
• 设计优先考虑低表面电场与磁场强度（≤25 MV/m，4.2 K时RBCS ≈ 58 nΩ），并避免追求最大梯度阻抗，以提升可靠性与结构简洁性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单间隙、低β超导腔是否能在30 mA束流的高流强质子直线加速器中实现稳定、高可靠运行？
• RQ2 在窄间隙与平面几何结构的倒置腔中，如何有效抑制多点击穿？
• RQ3 何种机械设计方法可有效应对平面宽幅超导谐振腔所承受的高压强力？
• RQ4 机械一体化的液氦杜瓦是否可减少壁面位移并提升结构稳定性？
• RQ5 低梯度阻抗、单间隙腔在高占空比ISCL构型中，能在多大程度上维持束流质量和效率？

主要发现

• 腔体最大表面电场为25 MV/m，总射频表面电阻为100 nΩ，铜的计算等效梯度阻抗为18 MΩ/m。
• 通过在赤道区域采用椭圆轮廓（长轴与短轴比为1:1.5）进行结构重塑，成功抑制了多点击穿，完全消除了所有高场强多点击穿模式。
• 机械仿真显示，在1 bar液氦压力下，最大壁面位移仅为20 µm，且通过将杜瓦容器与谐振腔一体化，压力力几乎完全抵消。
• 该腔体设计加速场为8.3 MV/m，每腔耗功低于7 W，可在不损失的情况下支持高达15 kW的束流加载。
• 洛伦兹力引起的频率漂移约为170 Hz/(MV/m)²，液氦压力引起的频率漂移约为140 Hz/mbar，采用刚性调谐器后可降低至约20 Hz/mbar，实现稳定的连续波运行。
• 原型正在制造中，预计2000年完成首次射频测试，验证该设计在加速器驱动系统（ADS）ISCL应用中的可行性。