高阶模在多腔系统中传输性质的研究

Studies for the high order modes currently are restricted to a single cavity with perfect boundary conditions such as perfect electrical boundary or matched waveguide boundary. These boundary conditions apply only for the single cavity system or especially modes under the cut off frequency of the beam tube. However, the superconducting RF system of the next generation storage and collider rings, free electron laser, and high current ERL consists hundreds of superconducting cavities. The high order modes are not confined within single cavity of the cavity string and can be distribute along the entire chain of cavities. Due to the coupling between cavities, mechanical errors and installation errors, each cavity has a different geometry, and hence the propagations of the high order modes in multi-cavity are more complicated than those in single cavity. Especially, the trapped modes in the chain of the cavities will be harmful for the beam. Therefore, the full chain has to be considered for a reasonable investigation of its resonant spectra. Focusing on this problem, this project will synthetically use the methods of the numerical simulation, analytical calculation and experimental measurement to study the effects of different boundary conditions and machining errors on the transmission properties of the high order modes in multi-cavity. A set of methods for studying the transmission properties of high order modes in multi-cavity will be developed. This study will be important for improving the designs of superconducting cavity, the high order mode coupler and the beam feedback system, and for determining the bunch patterns, the beam current threshold. It is also important for understanding the influences of the high order modes on beam in practical operation.

目前国内外对高阶模的分析大多集中在单腔中，计算时采用理想边界条件，这种情况只适用于分析单腔系统，或者说尤其适合于低于束管截止频率的高阶模。像未来大型对撞机、FEL、ERL等大型加速器项目，超导系统包括几十上百个超导腔，每个低温恒温器由多个超导腔组成，大于束管截止频率的高阶模不会限制在单腔中，模式会在腔间传输，但由于腔间耦合及超导腔加工、安装过程中的误差效应，多腔中高阶模会比单腔更复杂，尤其是多腔中可能存在的trap模式，因此需要对多腔中高阶模传输及阻尼效果进行研究。本项目针对此关键问题，拟采用数值模拟、理论分析及实验测量相结合的方法，研究不同边界条件及加工误差对多腔中高阶模传输性质的影响，最终形成一套系统研究多腔中高阶模传输性质的方法。本研究工作对改善超导腔设计、高阶模耦合器设计、束流反馈系统设计以及确定束团分布、流强阈值等参数有重要指导意义，对了解实际运行中高阶模对束流的影响十分重要。

在超导腔中除基模外，对束流激励的高阶模的研究也十分重要，如横向高阶模会使束流偏离轨道，引起束流不稳定性、造成横向发射度增长，严重时会导致丢束；单极模会引起束团能散、纵向发射度增加或束流不稳定。目前对高阶模的分析大多集中在单腔中，而下一代正负电子对撞机、自由电子激光、高流强能量回收加速器等大型超导加速器项目，超导加速系统均由几十上百个超导腔组成，大于束管截止频率的高阶模不会限制在单腔中，模式会在腔间传输，但由于腔间耦合及超导腔加工、安装过程中的误差效应，多腔中高阶模会比单腔更复杂，因此对多腔中高阶模传输及阻尼效果进行研究对准确评估高阶模对束流的影响十分重要。.本项目采用理论建模、数值模拟与实验测量相结合的方法，对多腔中高阶模传输特性展开研究。开展了不同边界条件对高阶模性质的影响研究，建立相应计算模型，完成不同边界条件对高阶模引起的多束团不稳定性影响分析；开展多腔中高阶模传输特性的数值模拟及理论分析研究，建立多腔传输模型，完成trap模式、腔间模式、多腔传输模式的分析；搭建多腔测试平台，开展加工误差对多腔中高阶模传输性质影响研究，完成对多腔中高阶模传输特性的实测及结果分析，总结多腔中高阶模传输性质的研究方法，采用接近真实情况的边界条件对多腔中高阶模传输性质进行了系统深入研究，最终形成一套系统研究多腔中高阶模传输性质的方法。研究高阶模在多腔中的传输对研究高阶模引起的多束团不稳定性、 BBU 效应、高阶模功率损耗等有重要意义，同时对改善超导腔设计、高阶模耦合器设计、束流反馈系统设计以及确定束团分布、流强阈值等有重要的指导意义，对了解实际运行中高阶模对束流的影响十分重要。因此对多腔中高阶模传输性质进行研究，对未来加速器建设具有重要的科学和工程意义。