高功率磁合金加载腔关键技术研究

Because of the characteristics of high saturation flux density, high shunt impedance, high Curie temperature and low Q value, Magnetic alloy(MA) is applied to replace ferrite to achieve wider operating frequency band, bigger dynamic range, higher accelerating gradient and stability. Due to the technical protection and embargo, the domestic research can only carry out in low power application area. The project aims to the key techniques of high power MA loaded cavity, including improving performance in high power case, solving problem of internal stress and research on high efficient cooling structure. The high power MA loaded cavity will be made by using domestic MA material, and developing independent intellectual property rights. The project faces the national strategical objectives. The research results can promote the practical application in national science and technology infrastructure projects, and also has broad application prospects in future proton/heavy ion synchrotron.

磁合金材料高饱和磁通密度、高分路阻抗、高居里温度以及低Q值的特点，被用于替换传统的铁氧体材料，以实现更宽的工作频带、更大的动态范围以及更高的加速梯度和稳定性。由于国外高性能磁合金材料的技术保密及产品禁运，国内的相关研究受到很大限制，只能在低功率应用领域开展，已不能满足日益增长的质子/重离子同步加速器的应用扩展。本项目围绕高功率条件下磁合金加载腔的关键技术，提升高功率磁合金环性能，解决其制备过程中内部应力导致磁性能显著下降的问题，开展具有高效冷却能力的新型加速结构的设计研究。使用国产磁合金带材制备磁合金环，填补国内高功率磁合金加载腔领域的技术空白，破解关键技术受制于人的局面。涉及多学科交叉，可有效促进相关技术研究发展，面向国家重大战略需求，研究成果可有效推动高功率磁合金加载腔在国家重大科技基础设施中的实际应用，在未来质子/重离子同步加速器的发展中具有广泛应用前景。

高功率高梯度磁合金加载腔是未来先进质子重离子加速器中必须突破的关键技术，用于提供宽频带高梯度的加速场。目前满足物理设计要求的供应商只有日本的日立和三菱公司，然而其关键的高性能产品和技术严格封锁并对我国禁运。在国家自然科学基金的支持下，研究团队经过近十年的研究，从基础材料和基本工艺着手，在国产高功率高梯度磁合金加载腔的研制上取得重大成果，其中磁环最关键的技术指标uQf值达到13GHz@3MHz，比目前国际上公开报道的最高性能指标提高约30%。2021年9月完成磁合金加载腔高功率测试，加速梯度达到40.76kV/m，处于国际领先水平。在高功率高梯度磁合金加载腔的研制过程中，包括铁基纳米晶合金在内的基础材料全部实现国产化，磁环制备、腔体设计及相关技术具有完全自主知识产权，关键核心技术自主可控。尤其是成功研发了高绝缘低应力的SiO2涂层技术，实现了2um厚度250V耐压的均匀涂覆。相关研究成果在高功率强流质子/重离子加速器、FFAG加速器、脉冲感应型加速器以及粒子治疗加速器等方向有广泛的应用前景。2022年10月，国内首台高功率高梯度磁合金加载腔在中国散裂中子源正式投入运行，通过纵向操控增大聚束因子降低空间电荷效应，加速器束流功率达到140kW，超过设计指标40%，验证了十四五国家重大科技基础设施中国散裂中子源二期束流功率提升的关键技术路线。