500MHz 5-cell超导高频腔高次模抑制方案研究

超导高频腔在同步辐射光源、能量回收直线加速器、自由电子激光、高能物理等加速器设施上作为核心设备，得到日益广泛的应用。具有高加速性能、深度高次模抑制的超导高频腔是高平均功率、强流加速器设施的唯一选择。500MHz超导高频腔具有相比于704MHz至1.3GHz超导腔更大的束流孔径，是强流ERL、FEL上研究的热点。高次模的深度抑制是强流加速器用超导高频腔设计的重要课题。CESR或者KEKB所用的束管式高次模抑制、JLab所用的波导高次模抑制和BNL新型超导腔采用同轴型高次模抑制方案是国际上先进的设计方案。本项目将利用电磁场软件，研究大孔径500MHz 5-cell超导高频腔的高次模抑制方案，针对束管式的高次模吸收方案和近腔的束管上同轴耦合高次模的方案进行优化设计，得到两种方案的详细设计，并优化得到耦合器的尺寸和对高次模的抑制特性，重点对新型的同轴型高次模耦合器开展理论和实验冷测研究。

超导腔中的高次模尤其是偶极模对能量回收型直线加速器（Energy Recovery Linac）影响，必须通过降低超导腔的高次模阻抗，从而有效降低尾场效应，提高束流崩溃阈值。本课题确定了500MHz 5-cell超导腔高次模抑制方案即采用扩大束管结合束管式高次模吸收器的方案，主要研究内容包括1）在获得中间腔型优化设计尺寸的基础上，分析比较了采用同轴型、矩形波导型和扩大束管型的高次模抑制方案的优劣，主要是比较了各方案下主要的高次模的外部品质因数这一影响束流崩溃阈值的参数，最终确定了采用扩大束管型传输高次模的抑制传输方案。它不仅可以有效地将高次模传输出腔体，同时保证基模衰减大于40dB，并且不引入其他有害的高次模式。结合安装在低温恒温器的外部的吸收器，高次模可吸收功率高，与其他两种方案相比还可以减小低温恒温器结构的复杂性。2）本项目研究还利用多种数值模拟工具，获得了扩大束管型方案的5-cell腔高次模特性尤其是偶极模的特征参数，CST-MWS计算到1GHz的结果表明，加载波导边界模拟理想吸收负载后，偶极模的外部品质因数都小于10000，并且利用CLANS/CLANS2计算到1.5GHz，加载铁氧体后的结果表明，偶极模的品质因数都低于5E4；利用ABCI获得了高次模的损失参数为3.5 V/pC；并且用Fishpact仿真计算结果表明无二次电子倍增效应3）所确定的腔型和高次模抑制方案在实际加工的铜模型腔和超导铌腔上得到了应用,其中超导铌腔在4.2K下垂直测试结果表明在7.5 MV的腔压下，无载品质因数高于1E9。4）在铜模型腔上开展了基模和高次模特性参数的测试测量，如基模的谐振频率和场平坦度，典型高次模的谐振频率、场分布等，并且将测量测试结果与模拟结果进行了比较。