漂移管直线加速器调场技术研究

发布时间：2020-06-12 23:15

【摘要】：漂移管直线加速器(Drift Tube Linac)的冷测调谐是加速器研制过程中的一个重要环节,对于实现物理设计目标和加速器稳定运行至关重要。文章对DTL调场原理进行了比较详细的阐述,构建等效电路模型,分别从等效电路和色散曲线推导耦合杆使DTL稳定的条件;从频率对单元平均电场影响和等效电路两个方面推导耦合杆旋转对电场的影响。探究调场规律的原理,比较创新的是利用考虑互感的等效电路解释了倾斜敏感度与耦合杆长度变化规律:等效电路电流与单元电场有对应关系,等效电路支路阻抗无穷时,支路电流为0,各单元主路电流不变,从而单元电场不变,对应稳定值状态。而阻抗接近0时则支路电流较大,支路电流非常大,主路电流接近0,呈现出单元电场局部为0的不稳定状态。而随着耦合杆长度变化,支路阻抗随耦合杆长度而变化,阻抗正负变化对应着倾斜敏感度斜率的正负交替。搭建了相应的调场平台,通过改进装置,提高馈入功率,降低测量带宽,固定传输线,使用屏蔽性能更好的传输线,增大耦合环面积提高了测量的重复性。由于实验腔本身加工与设计值偏差较大,利用CST模拟设计改装实验腔,使其2-10单元电场分布于设计值基本相符。从实验结果验证模拟的准确性,模拟自身精度通过局部加密以及分块方式探究,频率误差约为0.01MHz,准确性主要受到模拟与实际模型之间的误差影响,修改完善模型后,场分布除了首尾两个单元因为受到安装后误差难以控制以外,大多数单元模拟值与实际测量值误差在0.5%以内。并验证探究模拟结果的准确性。利用实验腔验证调场原理,总结调场规律。如果原电场分布与设计值没有特别大的差异,通过耦合杆,调谐器可以同时调整好电场分布以及稳定性和频率。调谐器主要调整频率以及耦合杆插入前的场分布斜率,插入耦合杆后主要靠调节耦合杆长度调增稳定性,调节方向调节场分布。最终实验腔电场除了2和10单元偏差1.1%,其他偏差均在0.5%以内。稳定度方面,在0.15MHz微扰下,两次电场变化不超过0.25%。实验腔的成功调场将为正式腔体调场打下基础。
【图文】：

图 1.1 加速腔体结构示意图[1]对于入口能量为 3MeV，出口能量为 13MeV 的质子加速器，其粒子速度较低。在加速腔的始端，通常选用较低的单元平均电场 E0，这是因为前几个电源加速间隙短导致前几个单元击穿电场阈值低。而加速间隙随着粒子能量增加而增加，击穿阈值随单元数增加而提高，后面的单元可以提高场强。这种粒子初始能量比较低的加速腔，轴上电场随轴位置分布可以设计成有一定的上升率。CPHS 的 DTL轴向单元峰值电场设计为线性上升分布，其轴上平均电场分布如图 1.2 所示。

图 1.1 加速腔体结构示意图[1]对于入口能量为 3MeV，出口能量为 13MeV 的质子加速器，其粒子速度较加速腔的始端，，通常选用较低的单元平均电场 E0，这是因为前几个电源加速短导致前几个单元击穿电场阈值低。而加速间隙随着粒子能量增加而增加，阈值随单元数增加而提高，后面的单元可以提高场强。这种粒子初始能量比的加速腔，轴上电场随轴位置分布可以设计成有一定的上升率。CPHS 的 D向单元峰值电场设计为线性上升分布，其轴上平均电场分布如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL53

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