[论文解读] Development of the 50-Mev DTL for the Jaeri/Kek Joint Project
本文介绍了为日本原子能研究开发机构/高能加速器研究机构（JAERI/KEK）联合项目开发并进行了高功率测试的50-MeV Alvarez型电子束漂移管加速器（DTL），采用周期性反向（PR）铜电铸技术制造腔体壁面，并使用射频触点实现可靠的射频耦合。关键成果包括：在1.4 m长的模型腔体中测得无载Q值为46,200；PR电铸铜的击穿场强达41 MV/m；以及1000 A脉冲电源在5×10⁻⁴电流稳定性下成功运行。
An Alvaretz-type DTL, to accelerate the H- ion beam from 3 to 50 MeV, is being constructed as the injector for the JAERI/KEK Joint Project. The following components of the DTL have been developed: (1) a cylindrical tank, made by copper electroforming; (2) rf contactors; (3) a pulse-excited quadrupole magnet with a hollow coil made by copper electroforming; (4) a switching-regulator-type pulsed-power supply for the quadrupole magnet. High-power tests of the components have been conducted using a short-model tank. Moreover a breakdown experiment of the copper electrodes has been carried out in order to study the properties of several kinds of copper materials.
研究动机与目标
- 为日本原子能研究开发机构/高能加速器研究机构（JAERI/KEK）高强度质子加速器设施设计并建造50-MeV DTL注入器。
- 开发并测试关键部件，包括射频触点、电铸铜腔体及脉冲四极磁铁。
- 评估PR电铸铜表面在高功率条件下的真空与射频性能。
- 通过高功率老练和部件可靠性测试，确保DTL的可靠运行。
- 解决组件集成中的挑战，特别是输入耦合器的耐久性与场强均匀性问题。
提出的方法
- 采用铁基体上0.5 mm厚的PR电铸铜制造圆柱形DTL腔体，随后进行电化学抛光处理。
- 设计并测试了两种射频触点：一种用于端板与腔体之间，另一种用于漂移管杆与腔体之间，采用不锈钢弹簧表面镀薄铜层的结构。
- 利用PR电铸铜技术制造紧凑型空心线圈四极磁铁，采用硅钢极靴。
- 采用IGBT器件设计20 kHz开关调节型脉冲电源，实现1000 A输出，电流纹波小于0.05%。
- 在包含输入耦合器、调谐器、带四极磁铁的漂移管的1.4 m长模型腔体上开展高功率测试。
- 对多种铜电极进行击穿测试，比较其在高电压条件下的首次击穿场强。
实验结果
研究问题
- RQ1在大型腔体结构中，PR电铸铜表面的射频与真空性能如何？
- RQ2射频触点在保持低射频损耗与高真空完整性方面效果如何？
- RQ3具备高电流稳定性（≤10⁻³）与快速上升时间（5 ms）的脉冲电源能否可靠驱动漂移管中的四极磁铁？
- RQ4PR电铸铜的首次击穿场强与其它铜加工方法相比如何？
- RQ5DTL中的场强非均匀性对性能有何影响？是否可通过设计调整加以缓解？
主要发现
- 1.4 m长模型腔体的无载Q值达到46,200，相当于估算值的93%，证实了优异的射频性能。
- PR电铸铜的首次击穿场强为41 MV/m，显著高于其他铜材料，仅低于钻石抛光无氧铜（OFC）。
- 脉冲电源实现5×10⁻⁴的电流稳定性，满足≤10⁻³的平顶电流调节要求。
- 抽真空100小时后，真空度达到10⁻⁵ Pa，脱气速率为5.2×10⁻⁸ Pa·m³/s/m²，与OFC相当。
- 即使在陶瓷窗破裂后，高功率老练过程中也未观察到表面放电，表明电铸铜表面具有极佳的完整性。
- 通过短时脉冲实现高功率老练，仅用两天即达到满功率（160 kW输入），证明了场强老练的有效性。
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本解读由 AI 生成，并经人工编辑审核。