[论文解读] The CLIC Main Linac Accelerating Structure

I. H. Wilson, Walter Wuensch|ArXiv.org|Aug 17, 2000

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 4被引用 9

一句话总结

本文提出了CLIC主加速器所用锥形阻尼结构（TDS）的射频设计，通过独立终止的阻尼波导与孔径锥形化，在0.7纳秒内实现横向wakefield抑制100倍。ASSET设施的实验验证表明，wakefield抑制符合规格要求，但表面电场强度（420 MV/m）与脉冲加热（250 °C）仍是150 MV/m梯度运行下的关键挑战。

ABSTRACT

This paper outlines the RF design of the CLIC (Compact Linear Collider) 30 GHz main linac accelerating structure and gives the resulting longitudinal and transverse mode properties. The critical requirement for multibunch operation, that transverse wakefields be suppressed by two orders of magnitude within 0.7 ns (twenty fundamental mode cycles), has been demonstrated in a recent ASSET experiment. The feasibility of operating the structure at an accelerating gradient of 150 MV/m for 130 ns has yet to be demonstrated. Damage of the internal copper surfaces due to high electric fields or resulting from metal fatigue induced by cyclic surface heating effects are a major concern requiring further study.

研究动机与目标

• 开发一种适用于CLIC的加速结构，能够在保持高效率的同时承受150 MV/m的平均梯度。
• 在0.7纳秒内将横向wakefield抑制两个数量级，以实现稳定的多束团运行。
• 通过结构设计最小化短程与长程横向wakefield，包括采用阻尼波导与孔径锥形化。
• 解决首单元中高表面电场与脉冲热载荷的问题，以确保在高梯度下结构与材料的完整性。

提出的方法

• 设计一个包含150个腔体的锥形阻尼结构（TDS），采用从4.5 mm线性减小至3.5 mm的孔径锥形化设计，以引入频率失谐并抑制相干wakefield激发。
• 每个腔体配置四个独立终止的阻尼波导，截止频率为33 GHz，以实现最低的偶极子模Q < 20，从而抑制横向wakefield。
• 利用HFSS仿真优化结构的基模频率（29.985 GHz）、Q值、R'/Q与群速度。
• 采用双带路电路模型模拟横向wakefield，并利用SLAC的ASSET实验数据对缩比15 GHz结构进行结果验证。
• 在150 ns RF脉冲下计算首单元的峰值表面电场与脉冲温度上升（250 °C），以评估热与电场应力。
• 提出几何优化方案——减小孔径厚度与宽度——以降低表面电场与热载荷，同时保持阻尼效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 TDS设计是否能在0.7纳秒内实现100倍的横向wakefield抑制，以满足CLIC多束团运行的需求？
• RQ2 在150 MV/m平均梯度下运行时，TDS首单元的峰值表面电场是多少？
• RQ3 首单元中脉冲表面温度上升（最高达250 °C）在多大程度上威胁结构完整性或材料疲劳？
• RQ4 对孔径与阻尼波导耦合结构进行几何修改，如何在不降低wakefield抑制或加速梯度的前提下降低表面电场与热载荷？
• RQ5 减小孔径尺寸以降低电场时，存在因失谐效率下降导致横向wakefield幅度增加的权衡关系，其影响程度如何？

主要发现

• 在ASSET设施中，通过缩比15 GHz结构的实验验证了TDS设计在0.7纳秒内实现100倍横向wakefield抑制，证实了设计的可行性。
• 在150 MV/m平均加速梯度下，首单元的峰值表面电场达到420 MV/m，对高梯度运行构成重大挑战。
• 在150 ns RF脉冲期间，首单元的脉冲表面温度上升可达约250 °C，超过可接受范围，引发对材料疲劳的担忧。
• TDS实现了约3600的基模Q值，R'/Q与群速度沿结构按设计预期规律变化。
• 采用碳化硅基阻尼波导负载，可在30 GHz频带内实现有效宽带横向wakefield抑制，反射系数|S11| < -20 dB。
• 几何优化（尤其是减小孔径厚度与宽度）可在保持有效阻尼与基模性能的同时，降低表面电场与热载荷。