基于超导器的连续波运行的高流强质子/氘束被越来越多的大科学装置所采用。在流强低于10 mA情况下, 用于加速低β段粒子的超导腔的高阶模影响基本可以忽略, 但是对于加速百mA强流的低β超导腔, 其高阶模损耗情况有待研究。近期北京大学设计并加工了一支β=0.09、运行频率162.5 MHz的超导半波长谐振腔, 用于研究非相对论低β超导半波长谐振腔加速100 mA强流质子束时可能涉及到的关键物理问题。重点研究了这支半波长谐振腔内部高阶模损耗的问题, 用时域和频域两种方法分别计算了腔的高阶模损失因子, 同时计算了考虑加工误差下腔内发生高阶模共振激发的概率。

北京大学正在设计β=0.09, 频率为162.5 MHz taper型的二分之一波长射频超导谐振腔(HWR腔),这种腔针对高流强质子束(约100 mA)和氘束(约50 mA)的加速而设计。对于这种超导腔而言机械性能分析是十分重要的,可以通过机械性能分析来估计由于腔体的形变带来的频率偏移。用ANSYS分析了由于液氦压力不稳定造成的麦克风效应以及洛伦兹力造成的腔体失谐,并且对沿腔体轴线方向的调谐进行了分析。模拟结果显示这只腔压力敏感系数为31.1 Hz/kPa,洛伦兹力系数为-0.41 Hz/(MV·m-1)2。 腔体的调谐范围达到±177 kHz,足够补偿腔体可能的频率偏移。腔体的机械性能满足腔体正常运行的要求。

介绍了北京大学光阴极注入器的核心部件3+1/2超导腔的机械性能的设计,通过ANSYS和SUPERFISH程序优化加强筋的个数和位置,解决了超导腔在脉冲条件下由于洛仑兹力引起的超导腔失谐以及当超导腔进行低温调谐时场平滑度变化过大的问题,同时针对复杂超导腔结构进行了低温调谐结构的设计.

设计了用于PKU-FEL注入器的腔式位置诊断装置.该BPM腔采用的偶极模TM110模的频率与PKU-FEL主加速器的基模频率一致,都是1.3 GHz；通过在圆形腔上镶入两个完全一致的矩形腔解决了腔式BPM的Cross-Talk问题. 根据PKU-FEL的设计要求,所设计的BPM腔的最小位置响应约10 μm,动态范围大于30 mm,时间响应小于束团间距.还估算了该BPM腔引起的束团功率损耗.结果表明,BPM腔引起的束团功率损耗是可以忽略的.

基于直流电子枪-超导加速腔(DC-SC)光阴极注入器样机的初步实验结果,北京大学提出了新的注入器的改进设计.新注入器核心结构包括皮尔斯枪和3+1/2超导腔.文章给出了它们的详细结构参数,然后采用程序,对注入器的束流动力学进行了模拟.结果发现:新注入器可以提供具有高束流品质、高平均流强的电子束,束团的电荷量100 pC,横向发射度低于2 mm·mrad,脉宽5 ps,rms束斑可达0.5 mm,重复频率81.25 MHz;也可以提供电荷量为300 pC低重复频率的高峰值流强的电子束,其横向发射度小于3 mm·mrad,脉宽约为9 ps,以满足北京大学自由电子激光(PKU-FEL)实验平台的要求.

阐述了2-cell Telsa腔的设计.用3维程序HFSS分析了其高阶模的特点,给出了高阶模的主要参数频率、品质因数、分路阻抗以及模式的电场分布,并且π模的电场分布与Superfish的模拟结果相比较,两者是一致的.最后,简要分析了各高阶模对电子加速的影响,分析表明高阶模降低了电子加速效率和束流的稳定性.

为获得用于高平均功率自由电子激光(FEL)的高平均流强电子束,设计了一种新型的DC-SC光阴极注入器, 并对其进行了优化设计和束流动力学研究. 该注入器由皮尔斯直流引出结构、1+1/2超导腔和同轴功率耦合系统组成,可以提供高品质、CW模式或高占空比的电子束. 模拟和优化结果表明DC-SC光阴极注入器完全可以用于高平均功率自由电子激光.模型腔实验验证了理论模拟的可靠性.