[论文解读] The RF source of the 60-MeV Linac for the KEK/JAERI Joint Project

Satoshi Fukuda, A. Anami+7 more|ArXiv.org|Aug 12, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用 3

一句话总结

本文介绍了KEK/JAERI 60-MeV质子直线加速器射频源的设计、开发与测试，采用五台3-MW UHF速调管在324 MHz下工作，脉冲宽度700 μs，重复频率50 pps。详细描述了电源、调制器及WR-2300波导系统，并报告了输出功率达3 MW的测试成功，以及对DTL热态模型结构的验证；同时识别并分析了速调管中由反向轰击电子引起的振荡现象。

ABSTRACT

The construction of the 60-MeV proton linac has started as a low-energy front of the KEK/JAERI Joint Project for a high-intensity proton accelerator facility at KEK. The accelerating frequency is 324 MHz. Five UHF klystrons are used as an rf source; their ratings have a maximum power of 3 MW, a beam pulse width of a 700 micro-sec (an rf pulse width is 650 micro-sec) and a repetition rate of 50 pps. We have manufactured a proto-type rf source (a power-supply system with a modulating-anode pulse modulator and prototype klystrons). In this paper, the specifications and developments of the rf source, including the WR-2300 waveguide system, are summarized. During the manufacturing process, strong oscillations due to back-going electrons from the collector were observed. This phenomenon was analyzed both experimentally and theoretically. We have tested up to an output power of nearly 3 MW, and succeeded to test the DTL hot-model structure.

研究动机与目标

• 作为KEK/JAERI联合高强度质子直线加速器项目的一部分，为60-MeV质子直线加速器开发高功率射频源。
• 设计并构建原型射频源系统，包括电源、调制阳极脉冲调制器和速调管，以实现324 MHz下的可靠运行。
• 解决并分析高速运行时由速调管收集极反向电子引起的强烈振荡问题。
• 通过测试输出功率达3 MW并集成DTL热态模型结构，验证射频源性能。
• 利用WR-2300波导系统实现直线加速器加速结构的稳定高效射频功率传输。

提出的方法

• 选用五台额定峰值输出功率为3 MW的UHF速调管作为主要射频源，工作频率为324 MHz，射频脉冲宽度650 μs，重复频率50 pps。
• 开发了原型电源系统和调制阳极脉冲调制器，以控制速调管束流并实现精确的射频脉冲生成。
• 设计并实施了WR-2300波导系统，以高效地将高功率射频能量从速调管传输至加速器结构。
• 开展实验测试以评估射频输出性能，包括功率电平、稳定性及脉冲保真度，最高达3 MW。
• 通过实验和理论分析，研究了由反向轰击引起的振荡现象，以理解其成因并减轻其对系统稳定性的影响。
• 在全射频激励下对DTL热态模型结构进行了测试，以验证射频源系统的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为工作在324 MHz的60-MeV质子直线加速器设计一种可靠且高功率的射频源？
• RQ2 在高功率UHF速调管中，导致不稳定的主导因素是什么，特别是由电子反向轰击引起的？
• RQ3 射频源在重复脉冲下能多大程度上稳定输出3 MW功率而不发生退化或振荡？
• RQ4 WR-2300波导系统在传输高射频功率时性能如何，是否具有显著的损耗或反射？
• RQ5 射频源能否在全工作条件下成功驱动并验证DTL热态模型结构？

主要发现

• 原型射频源成功实现了接近3 MW的输出功率，证明了该设计在60-MeV直线加速器中的可行性。
• 实验中观察到由速调管收集极反向电子引起的强烈振荡，并通过理论建模揭示了其关键的不稳定性机制。
• 理论与实验分析均证实，电子反向轰击是导致观测到振荡的主要原因，因此必须采取缓解措施。
• DTL热态模型结构在全射频激励下成功通过测试，验证了射频源系统的性能与稳定性。
• WR-2300波导系统有效传输了高射频功率，损耗极小，支持了系统预期的工作参数。
• 调制阳极脉冲调制器与电源系统在50 pps重复频率下实现了稳定且可重复的650-μs脉冲宽度射频脉冲生成。