新型高平均流强狭缝结构超导腔研究

The high current superconducting cavity is one of the two directions of the development of superconducting cavity. It plays an important role in many research and applications as ERL and ADS. The damping of high order modes affects the superconducting cavity maximum beam current. Compared with the high current superconducting cavity, the damping of the high order modes of slotted structure is much easier. The slotted structure can accelerate higher beam current than the eliptical superconducting cavity and be built easily.MP is an important factor to affect the superconducting cavity performance in superconducting accelerator, especially in the waveguide section of the slotted superconducting accelerating structures.We use the 3D MP simulation code Track3P to calculate the slotted superconducting cavity and the results shows no MP in the accelerating gradient usually used for high current accelerators.The results provides a theoretical guarantee for the practical application of the structure.This project will work on the shape optimization to decrease the ratio of peak electric field and peak magnetic field on the accelerating gradient,slotted superconducting structure welding, tuning, power feeding and the higher order mode absorption. We will fabricate one 1.3GHz 2-cell beta=1 niobium slotted superconducting cavity to compare the actual results and theoretical caculation.

高平均流强超导腔是目前超导腔发展的两个方向之一，在ERL、ADS多项应用研究中占有重要作用。高阶模的衰减影响着超导腔可加速最大流强，与现有的高平均流强超导腔相比，具有狭缝结构的超导腔对高阶模吸收更容易，可加速流强更高，且加工难度大大降低。二次电子倍增效应(MP)是超导加速器中影响超导腔性能的重要因素，尤其在狭缝超导加速结构的波导部分更易发生。通过3D MP 程序Track3P对狭缝超导腔计算分析，在高流强常用加速梯度范围存在无MP区，这为狭缝超导加速结构的实际应用提供了理论保证。本课题将开展狭缝超导加速结构的腔形优化，以减小峰值电场与峰值磁场对加速梯度的比值；狭缝超导加速结构的焊接、调谐、功率馈送、高阶模吸收研究。通过研制一支1.3GHz 3-cell beta=1的狭缝超导铌腔，进行理论与实际结果对比验证。

高平均流强超导腔是目前超导腔发展的两个方向之一，在ERL、ADS 等多项应用研究中占有重要作用。这种腔要求具有极低的阻抗。国际上也正在开展这方面研究，目前有两种新原理的极低阻抗超导腔，一种为本项目的狭缝超导腔，另一种为美国麻省理工大学提出的PBG超导腔，都是通过降低超导腔阻抗提高束流品质及流强。本项目对狭缝超导腔进行了物理设计与参数优化，有效降低了峰值电场与峰值磁场对加速梯度的比值，避免了二次电子倍增效应的发生，并研制出一支1.3GHz 3-cell超导铌腔。通过常温参数测量与液氦温度垂直测试，验证了其物理原理及设计、加工、制造的可行性与一致性。超导腔最终测试结果为π模2.4MV/m@4.2K，Q0达到1.4E8~3E8@4.2K。π模1.5MV/m@2K，2/3π模等效π模为4MV/m@2K。设计并制造了SiC高阶模吸收器并与腔进行了联合测试，测试表明超导腔与高阶模吸收器具有极低的阻抗，与物理计算保持一致。各高阶模的Qe降至1E3以下，波导结构对π模几乎没有衰减。与现有的高平均流强超导腔相比，具有狭缝结构的超导腔具有1至2个量级更低的阻抗，可加速流强更高，单位长度加速效率更高，且加工难度大大降低。该腔对束流品质及流强要求更高的各种直线加速器、能量回收型加速器及对撞机等都具有重要意义。有研究者已经提出利用该腔改造现有第三代同步辐射光源，实现高增益自由电子激光输出的构想。该超导腔可大规模应用于各类对束流品质及流强要求较高的超导加速器中，在强流加速中具有重要的应用价值及前景。