CSNS加速器功率升级关键理论和技术问题研究

In CSNS design, the capability of boosting the beam power to 500kW is reserved, even though the beam power on the target in the first phase is 100kW. After complete of the CSNS project in recent, beam power upgrade becomes a very important task in the next step. The main technical issue of beam power upgrade is to reduce the space charge effect in the injection stage of the RCS in order to accumulate more particles. The space charge effect can be reduced by increasing the injection energy of the linac and by increasing the bunching factor. Accordingly two beam power upgrade schemes were proposed step by step. Firstly, the beam power is improving to 200kW without increasing the linac energy, and then upgrading the beam power to 500kW by increasing the beam energy of linac to 300MeV. Both schemes have a series of accelerator physics and technology challenges. As the circulating beam intensity in the RCS will be the highest in the world after beam power upgrading, leading to a series of accelerator physics issues. To overcome these obstacles, a lot of R&D is needed. As the first domestic medium energy and high intensity superconducting accelerator, the critical issues of the linac energy upgrading cover the following aspects: the physical design optimization, beam loss control, beam energy stabilization and so on. Theoretical and technical R&D is also needed for the dual-harmonic acceleration technology which will be used in the RCS upgrade. The research on the above topics is of great significance to the CSNS upgrade, and will effectively shorten the construction period of CSNS upgrade project in future.

CSNS一期设计功率为100kW，同时保留了升级到500kW的能力。目前已完成工程建设，功率升级是下一步工作重点。加速器功率升级主要的物理和技术问题是如何减少RCS低能段的空间电荷效应从而累积更多束流。减少空间电荷效应影响的主要方法是提高注入束流能量和增加聚束因子。我们提出了升级功率分两步走的不增加注入能量的200kW小升级方案和增加直线能量至300MeV的500kW大升级方案。两种升级方案都面临一系列关键束流动力学和技术问题的挑战。升级后，RCS循环束流强将是国际上同类加速器中最高的，一系列加速器物理问题需要通过预研解决。同时，作为国内第一台中高能强流超导直线加速器，物理设计优化、控制束流损失及稳定加速束流能量，是其升级的关键物理课题。高功率磁合金二次谐波腔及多cell中能超导腔等关键技术，也需要通过预研解决。这些课题的研究，将有效缩短升级工程的工期，对于升级工程具有非常重要的意义。

中国散裂中子源（CSNS）二期工程（CSNS-II）的加速器升级目标，是将加速器质子束流功率从100kW提升到500kW。本项目针对CSNS-II的关键加速器物理和技术问题展开，包括三个部分：关键加速器物理问题研究、磁合金腔样腔研制及直线加速器升级超导样腔研制。本项目在三方面均取得突破性进展，为即将开工建设的CSNS-II打下关键技术基础。.关键加速器物理问题研究方面，对CSNS-II束流动力学问题开展了深入研究，并取得系列成果，包括：用谐波补偿方法实现了对RCS全周期工作点的校正；完成了小升级方案中提出的新注入涂抹方案优化和机器研究；提出了全新的注入系统设计方案，并完成了RCS 在300MeV 注入能量下注入系统物理设计；完善和发展了RCS束流动力学模拟程序PyOrbit，升级后的模拟程序能够模拟实际RCS 运行中各种实际的机器条件；完成了高流强下的束流集体效应的理论、模拟和机器研究；优化了靶面束流均匀性调节方法并成功应用于CSNS束流靶面均匀化；相关研究成果应用于CSNS调束工作中，为束流功率超过设计指标，达到125kW做出了重要贡献。.在磁合金腔样腔研制方面，解决了样腔研制的一系列关键技术难题，掌握了铁基纳米晶体带材绝缘材料涂覆工艺、大尺寸高性能磁合金环制备以及磁合金环防水封装工艺等关键技术，按照CSNS-II RCS的设计指标完成一台三间隙磁合金加载腔样机的设计和加工及其高功率测试系统。测试结果表明，样机的各项指标均满足或优于CSNS-II的设计指标。磁合金腔样机现已在CSNS投入运行，各项指标稳定，初步调试后将束流功率从125kW提升至140kW。样腔的成功研制，突破了国外技术封锁，主要指标达到国际领先水平。.直线加速器升级超导样腔研制方面，完成CSNS-II直线加速器升级所需超导spoke腔的关键技术验证工作。完成超导spoke腔的电磁优化设计、Multipacting计算，给出了电磁结构参数；完成超导spoke腔的槽腔设计、调谐器研制以及超导spoke腔的表面处理工艺研究，总结了一套系统的腔体洁净处理工艺，并撰写技术操作手册。超导spoke样腔的低温垂直测试结果表明，样机各项指标超过了设计要求。