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S波段HYBRID聚束-加速结构的样机研制

高斌 裴士伦 王辉 赵世琦 池云龙

高斌, 裴士伦, 王辉, 等. S波段HYBRID聚束-加速结构的样机研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200162
引用本文: 高斌, 裴士伦, 王辉, 等. S波段HYBRID聚束-加速结构的样机研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200162
Gao Bin, Pei Shilun, Wang Hui, et al. Development of S-band hybrid bunching-accelerating structure prototype[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200162
Citation: Gao Bin, Pei Shilun, Wang Hui, et al. Development of S-band hybrid bunching-accelerating structure prototype[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200162

S波段HYBRID聚束-加速结构的样机研制

doi: 10.11884/HPLPB202133.200162
基金项目: 国家自然科学基金项目(11475201);中国科学院青年创新促进会基金项目
详细信息
    作者简介:

    高 斌(1990—),男,博士,从事直线加速器物理与微波技术研究;gaobin2019@126.com

  • 中图分类号: TM931

Development of S-band hybrid bunching-accelerating structure prototype

  • 摘要: Hybrid聚束-加速结构是把驻波预聚束器、行波聚束器和标准加速管集成到一起的新型RF结构。简述了对S波段Hybrid聚束-加速结构样机的束流动力学优化和微波设计结果,解释了Hybrid结构导致发射度增长的原因,对此样机进行了射频低功率测试。样机的冷测结果与RF设计结果一致性很好。在冷测频率2 855.21 MHz处,实测S11小于−45 dB,腔间相移偏差小于±2°,VSWR≤1.2对应的带宽大于5 MHz,轴向场分布完全满足动力学要求。
  • 图  1  采用Hybrid聚束-加速结构代替标准聚束系统示意图

    Figure  1.  Schematic of replacing the standard bunching system with the hybrid bunching-accelerating structure (HBaS)

    图  2  横向发射度增长曲线

    Figure  2.  Transverse emittance evolutions along the linac

    图  3  HBaS的SUPERFISH模型图

    Figure  3.  SUPERFISH model for the HBaS

    图  4  Hybrid聚束-加速结构机械设计模型

    Figure  4.  Mechanical design for the hybrid bunching-accelerating structure

    图  5  焊后Hybrid聚束-加速结构样机

    Figure  5.  Hybrid bunching-accelerating structure prototype after welding

    图  6  调配前Hybrid聚束-加速结构的整管微波特性

    Figure  6.  Bead-pull measurement results before tuning

    图  7  调谐后的测量结果

    Figure  7.  Bead-pull measurement results after tuning

    图  8  调谐前后局部反射系数

    Figure  8.  Local S11,n before/after tuning

    表  1  加速单元排布方案

    Table  1.   β value for the accelerating cells

    variantβ value for the cells in the SW section$ {E}_{\rm{SW}}/{E}_{\rm{TW}} $β value for the cells in the TW section
    SW1SW2TW1TW2TW3TW4TW5TW6TW7TW8
    10.750.750.7511111
    21.260.740.4370.750.750.7511111
    30.750.750.750.751111
    41.260.740.440.750.750.750.751111
    50.750.750.750.880.920.9511
    61.260.740.4250.750.750.750.880.920.9511
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    表  2  动力学模拟结果

    Table  2.   Beam dynamic results for the bunching system

    variantcapturing efficiency/%${E}_{ {\rm{ave} }}$/MeVtrans efficiency/%$ {E}_{{\rm{ave}}} $/MeVtrans efficiency/%$ {E}_{{\rm{ave}}} $/MeV$ \delta E $/MeV
    bunching system exitchicane system exitlinac exit
    1 78.9 11.1 51.4 11.8 51.4 101.2 ±3.9
    2 84.6 11.6 66.5 11.6 66.5 100.6 ±4.0
    3 83.7 10.9 70.4 11.2 70.4 94.8 ±9.9
    4 89.1 12.3 71.0 12.3 71.0 101.4 ±3.9
    5 81.6 11.2 70.4 11.5 70.4 95 ±10.1
    6 87.4 12.3 72.8 12.3 72.8 101. ±3.9
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    表  3  Hybrid聚束-加速结构动力学要求

    Table  3.   Dynamic requirements for the HBaS

    β values for the cells in the SW sectionESW/ETWβ values for the cells in the TW section
    SW1SW2TW1TW2TW3TW4TW5TW6TW7TW8~42
    1.260.740.440.750.750.750.880.920.9511
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  • [1] Ren W, Liu Y, Wu W, et al. The BEPC R&D Report, Part I: Injector[R]. Beijing: Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences 1989.
    [2] Pisen A, Rinolfi L. A new bunching system for the LEP injector linac[R]. CERN PS90-58 (LP), 1990.
    [3] Zhao Minhua, Lin Guoqiang, Zhong S P, et al. Preliminary design report of SSRF linac[R]. Shanghai: Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, 2004.
    [4] Kulkarni N S, Dhingra R, Kumar V. Physics design of a 10 MeV, 6 kW travelling wave electron linac for industrial applications[J]. Pramana J Phys, 2016, 87: 74. doi:  10.1007/s12043-016-1279-6
    [5] Spataro B, Valloni A, Alesini D, et al. RF properties of a X-band hybrid photoinjector[J]. Nuclear Instruments Methods in Physics Research Section A, 2011, 657: 99-106. doi:  10.1016/j.nima.2011.04.057
    [6] Rosenzweig J B, Valloni A, Alesini D, et al. Design and application of an X-band hybrid photo injector[J]. Nuclear Instruments Methods in Physics Research Section A, 2011, 657: 107-113. doi:  10.1016/j.nima.2011.05.046
    [7] Fukasawa, Badakov H, O’Shea B D, et al. Beam dynamics and RF cavity design of a standing/traveling-wave hybrid photoinjector for high brightness beam generation[C]// Proc of PAC. 2009: 4434-4436.
    [8] Rosenzweig J B, Alesini D, Boni A, et al. Beam dynamics in a hybrid standing wave[J]. AIP Conference Proceedings, 2006, 877: 635. doi:  10.1063/1.2409195
    [9] Hüning M, Schmitz M, Libig C. An electron linac injector with a hybrid buncher structure[C]//Proceedings of LINAC. 2010.
    [10] Nie Y C, Liebig C, Hüning M, et al. Tuning of 2.998 GHz S-band hybrid buncher for injector upgrade of LINAC II at DESY[J]. Nuclear Instruments Methods in Physics Research Section A, 2014, 761: 69-78. doi:  10.1016/j.nima.2014.05.043
    [11] Pei Shilun, Xiao Ouzheng. Studies on an S-band bunching system with hybrid buncher[C]//Proc of IPAC. 2013: 1121-1122.
    [12] Pei Shilun, Gao Bin. Studies on the S-band bunching system with the hybrid bunching-accelerating structure[J]. Nuclear Instruments Methods in Physics Research Section A, 2018, 888: 64-69. doi:  10.1016/j.nima.2018.01.011
    [13] Chi Yunlong, Pei Shilun, Pei Guoxi, et al. Progress on the construction of the 100 MeV/100 kW electron linac for the NSCKIPT neutron source[J]. Chinese Physics C, 2014, 38: 047005. doi:  10.1088/1674-1137/38/4/047005
    [14] Pei Shilun, Chi Yunlong, Wang Shuhong, et al. Beam dynamics studies on the 100 MeV/100 kW electron linear accelerator for NSCKIPT neutron source[J]. Chinese Physics C, 2012, 36: 653-660. doi:  10.1088/1674-1137/36/7/015
    [15] Billen J B, Young L M. Poisson SUPERFISH[M]. LA-UR-96-1834, 2006.
    [16] Gao Bin, Pei Shilun, Chi Yunlong. Design studies on an S-band hybrid accelerating structure[C]//13th Symposium on Accelerator Physics. 2017:92-95.
    [17] Zhao Shiqi, Pei Shilun, Gao Bin, et al. Field distribution measurement and tuning of the hybrid buncher[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2017, 29: 065104.
    [18] Holtkamp N, Khabiboulline T, Dohlus M. Tuning of a 50-cell constant gradient S-band traveling wave accelerating structure by using a nonresonant perturbation method[R]. DESY Report M-95-02, 1995.
  • [1] 赵世琦, 裴士伦, 高斌, 肖欧正.  Hybrid聚束器的场分布测量与调配 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201729.160529
    [2] 贺祥, 侯汨, 赵风利, 裴士伦.  S波段束流相位探测腔与偏心式波导耦合预聚束器的设计 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201527.075102
    [3] 肖建建, 李婧, 付真金, 韦建军, 李波.  电子束辐照对聚碳硅烷结构与热解性能的影响 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201426.122004
    [4] 赵风利, 王湘鉴, 束冠, 肖欧正, 贺祥, 张敬如.  C波段能量倍增器的研制 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201426.065101
    [5] 李斐, 饶长辉.  相位差法波前传感系统自身误差的分析及消除方法 . 强激光与粒子束,
    [6] 张俊强, 俞路阳, 殷重先, 赵明华, 钟少鹏.  次谐波聚束器相位控制的算法改进 . 强激光与粒子束,
    [7] 杨长鸿, 蒙林, 张开志, 章文卫, 刘大刚.  直线感应加速器中聚束磁场的数值计算方法 . 强激光与粒子束,
    [8] 刘熔, 赵风利, 黄永清, 张东辉, 王湘鉴, 马新朋, 王光伟.  次谐波聚束系统固态放大器相位特性 . 强激光与粒子束,
    [9] 汪宝亮, 赵明华, 侯汨, 裴士伦.  上海光源次谐波聚束器的优化设计及测试 . 强激光与粒子束,
    [10] 朱兆君, 贾宝富, 罗正祥, 王健.  微扰实验法测试螺旋线行波管耦合阻抗及模拟仿真 . 强激光与粒子束,
    [11] 孙红兵, 裴元吉, 金凯, 王荣.  单谐振腔外部Q值的计算方法 . 强激光与粒子束,
    [12] 裴士伦, 王书鸿.  BEPCII次谐波聚束系统物理公差要求的研究 . 强激光与粒子束,
    [13] 许哲, 石爱民, 王春晓, 任红文.  HIRFL新B1聚束器频率微调系统的设计及稳定性分析 . 强激光与粒子束,
    [14] 林福民, 王志勇, 黄焕辉.  反射系数相位法计算谐振腔外观品质因数的局限性 . 强激光与粒子束,
    [15] 裴士伦, 王书鸿, 顾鹏达, 耿哲峤.  142.8MHz次谐波聚束腔的结构优化设计 . 强激光与粒子束,
    [16] 孙葆根, 何多慧, 卢平, 王筠华, 李京韦, 李为民, 刘建宏, 董晓莉, 李凯红.  合肥光源利用电阻分流法的基于束流准直系统的研制 . 强激光与粒子束,
    [17] 刘建宏, 王筠华, 刘祖平, 孙葆根, 裴元吉.  边界元素法在NSRL束测系统调试中的应用 . 强激光与粒子束,
    [18] 李智慧, 唐靖宇, 黄廷泽, 王胜利.  HIRFL新B1聚束器冷却系统设计 . 强激光与粒子束,
    [19] 施义晋, 曹德彰, 董国金, 杨真媛, 管革新, 周文振.  束腔共振场预聚束器 . 强激光与粒子束,
    [20] 周文振, 章向阳, 丁书琳, 许友森, 浦德修, 胡金泉, 李文琴, 李志杰.  L波段行波聚束器结构研究 . 强激光与粒子束,
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-12
  • 修回日期:  2020-10-19
  • 网络出版日期:  2020-10-24

S波段HYBRID聚束-加速结构的样机研制

doi: 10.11884/HPLPB202133.200162
    基金项目:  国家自然科学基金项目(11475201);中国科学院青年创新促进会基金项目
    作者简介:

    高 斌(1990—),男,博士,从事直线加速器物理与微波技术研究;gaobin2019@126.com

  • 中图分类号: TM931

摘要: Hybrid聚束-加速结构是把驻波预聚束器、行波聚束器和标准加速管集成到一起的新型RF结构。简述了对S波段Hybrid聚束-加速结构样机的束流动力学优化和微波设计结果,解释了Hybrid结构导致发射度增长的原因,对此样机进行了射频低功率测试。样机的冷测结果与RF设计结果一致性很好。在冷测频率2 855.21 MHz处,实测S11小于−45 dB,腔间相移偏差小于±2°,VSWR≤1.2对应的带宽大于5 MHz,轴向场分布完全满足动力学要求。

English Abstract

高斌, 裴士伦, 王辉, 等. S波段HYBRID聚束-加速结构的样机研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200162
引用本文: 高斌, 裴士伦, 王辉, 等. S波段HYBRID聚束-加速结构的样机研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200162
Gao Bin, Pei Shilun, Wang Hui, et al. Development of S-band hybrid bunching-accelerating structure prototype[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200162
Citation: Gao Bin, Pei Shilun, Wang Hui, et al. Development of S-band hybrid bunching-accelerating structure prototype[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200162
  • 在电子直线加速器中,标准聚束系统通常由驻波预聚束器、行波聚束器及标准加速管组成[1]。通过调整各部件对应移相器以优化三者之间的相位关系,获得低发射度、低能散的高品质束流,此类聚束系统已在BEPC装置中成功应用。在后续建成的大科学装置中,常使用两个或多个次谐波聚束器代替预聚束器,进一步降低发射度提高俘获效率,此类聚束系统在BPECⅡ,SSRF中已投入使用[2-3]。在工业加速器领域,由于建造成本和束线空间的限制,标准聚束系统通常简化变相速加速结构,束流传输效率偏低,发射度和能散都偏高[4]。在控制建造成本的前提下,为了提升工业加速器束流品质,提出对标准聚束系统进行简化:集成驻波预聚束器、行波聚束器和第一根加速管组成Hybrid聚束-加速结构(HBaS)。它使用一套微波功率源和波导传输系统,实现对热阴极电子枪出口长脉冲束流速度调制、均匀聚束、加速的功能,控制了建造费用,具有广阔的应用前景。目前,国际上对Hybrid结构开展了广泛的研究:INFN-LNF/UCLA/SAPIENZA合作组在2009年提出Hybrid光阴极注入器的概念[5-8],DESY和中科院高能所也在Hybrid聚束器上做了相关的研究[9-11]。本文回顾了使用Parmela,HFSS对S波段HBaS样机的优化过程,对使用HBaS作为聚束系统导致发射度增长的原因进行了解释,并进行了仔细的调谐和低功率测试。测试结果表明所有技术参数均达到设计指标,自主完成了该样机的研制任务。

    • S波段HBaS样机通过动力学模拟得到各加速单元的长度和场分布结果,微波设计得到结构单元和耦合器的真空尺寸结果,两者共同指导机械方案设计。如图1所示,HBaS的特点是减少与预聚束器、行波聚束器相关的移相器、衰减器、功分器、吸收负载等微波器件的使用。与标准聚束系统相比,HBaS聚束系统的建造成本显著降低。

      图  1  采用Hybrid聚束-加速结构代替标准聚束系统示意图

      Figure 1.  Schematic of replacing the standard bunching system with the hybrid bunching-accelerating structure (HBaS)

    • 详细的动力学设计过程见文献[12],此处简要叙述动力学模拟的物理背景、方法和结果。HBaS是一种同时包含驻波和行波电磁场的微波结构,驻波场对电子枪出口的长脉冲束流进行速度调制,形成初步的束团结构。行波场对长脉冲束团进行进一步聚束,并加速到设计能量。使用EGUN生成热阴极枪初始粒子分布,导入Parmela中进行动力学模拟。

      由于HBaS的驻波场紧邻行波场,在Parmela输入文件中需设置驻波场和行波场纵向间距为0,相位差为π,而在使用标准聚束系统进行动力学分析时,预聚束器和聚束器的纵向距离以及相位差均作为优化束流品质的自由量可调。另外,Parmela软件只考虑了空间电荷力但未考虑束流负载效应,工业辐照加速器通常是长脉冲束流,需要对加速电场进行修正。对于稳束流负载,需要把微波场手动修正后再带入到Parmela中进行计算。对于长脉冲束流引起的瞬态束流负载,控制低电平激励进行补偿,使作用于长脉冲束流头部粒子的场和尾部粒子的场一致。

      中国科学院高能物理研究所设计的S波段100 MeV/100 kW电子直线加速器[13-14],采用标准聚束系统,加速器出口处的束流能量100 MeV,传输效率70%以上,峰峰值能散小于4 MeV。使用HBaS替换原标准聚束系统,仔细调节它的各腔体排布、行\驻波电场强度、相位等参数,并和标准聚束系统的束流相空间做比较,最终确定HBaS各加速单元的排布。

      表1是进行束流动力学模拟时的6种结构单元排布方案。1,3,5是不同加速单元排布下的变相速加速结构方案,2,4,6是在其前端加入驻波预聚束部分后的方案。动力学模拟结果见表2。结果表明:1)对于热阴极电子枪出口的长脉冲束流,添加驻波预聚束部分后束流的传输效率和能散接近标准聚束系统的水平。2)方案6的传输效率最高、能散最小,变相速段更接近绝热过程。

      表 1  加速单元排布方案

      Table 1.  β value for the accelerating cells

      variantβ value for the cells in the SW section$ {E}_{\rm{SW}}/{E}_{\rm{TW}} $β value for the cells in the TW section
      SW1SW2TW1TW2TW3TW4TW5TW6TW7TW8
      10.750.750.7511111
      21.260.740.4370.750.750.7511111
      30.750.750.750.751111
      41.260.740.440.750.750.750.751111
      50.750.750.750.880.920.9511
      61.260.740.4250.750.750.750.880.920.9511

      表 2  动力学模拟结果

      Table 2.  Beam dynamic results for the bunching system

      variantcapturing efficiency/%${E}_{ {\rm{ave} }}$/MeVtrans efficiency/%$ {E}_{{\rm{ave}}} $/MeVtrans efficiency/%$ {E}_{{\rm{ave}}} $/MeV$ \delta E $/MeV
      bunching system exitchicane system exitlinac exit
      1 78.9 11.1 51.4 11.8 51.4 101.2 ±3.9
      2 84.6 11.6 66.5 11.6 66.5 100.6 ±4.0
      3 83.7 10.9 70.4 11.2 70.4 94.8 ±9.9
      4 89.1 12.3 71.0 12.3 71.0 101.4 ±3.9
      5 81.6 11.2 70.4 11.5 70.4 95 ±10.1
      6 87.4 12.3 72.8 12.3 72.8 101. ±3.9

      再考察两种聚束系统对束流横向发射度的影响。如图2所示,和标准聚束系统相比,采用HBaS聚束系统的束流在加速器出口发射度增长约60%。根据腔式预聚束器的相关理论,衡量聚束特性的聚束参数表达式如下

      图  2  横向发射度增长曲线

      Figure 2.  Transverse emittance evolutions along the linac

      $$R = \frac{{{\rm{{\text{π}}}}L{V_{\rm{g}}}}}{{\lambda {\beta _{{\rm{e}}0}}{V_0}}}$$ (1)

      式中:R为聚束参数;L为漂移节长度;Vg为聚束电压;βe0同步粒子速度;V0为注入电压。

      HBaS结构由于功率耦合的原因,漂移长度L较短,为使HBaS出口的束流的相宽和常规聚束系统接近,调制电压Vg是常规预聚束器的3倍,约90 keV。这导致了在预聚束腔中聚束过程相对急促,发射度变大。

      通过大量的迭代计算,动力学结果给出的HBaS结构单元要求如表3所示。样机共包括44个结构单元,分别为2个工作在π/2模式的驻波腔、输入/输出耦合器及40个工作在2π/3模式的行波腔。馈入功率为14 MW时,样机出口电子束能量约10 MeV。

      表 3  Hybrid聚束-加速结构动力学要求

      Table 3.  Dynamic requirements for the HBaS

      β values for the cells in the SW sectionESW/ETWβ values for the cells in the TW section
      SW1SW2TW1TW2TW3TW4TW5TW6TW7TW8~42
      1.260.740.440.750.750.750.880.920.9511
    • 在微波设计时,驻波场和行波场会在功率耦合腔SW2中产生磁边界。在SUPERFISH中[15]设置正确的边界条件,分别设计驻波腔SW1、功率耦合腔SW2和行波部分尺寸。调节栏片厚度r1和r2改变ESW/ETW。并使用HFSS对输入、输出耦合器及整管三维设计,设计模型如图3所示,具体设计过程可见文献[16]。

      图  3  HBaS的SUPERFISH模型图

      Figure 3.  SUPERFISH model for the HBaS

      图4给出了HBaS的三维机械设计模型。实际带束流运行时,该加速结构外部将套有螺线管线圈。因此,冷却水管入口和出口布置在输出耦合器一端,同时输入/输出耦合器均采用了相对小巧的法兰及短波导设计。

      图  4  Hybrid聚束-加速结构机械设计模型

      Figure 4.  Mechanical design for the hybrid bunching-accelerating structure

    • 基于IHEP在研制Hybrid聚束器时开发的场分布测试台[17],拓展了行波部分局部反射系数计算、S11极图功能。局部反射系数的虚部直接反映了单腔的频偏情况,S11极图直接反映了整根加速管是否处于匹配状态,对于调谐精确的2π/3模式行波加速结构,S11极图应呈现规则的“花瓣”形。

      根据Khbiboulie提出的线性网络模型[18],局部反射系数的计算公式如下

      $$S_{11,n} = \frac{{{B_n} - {B_{n + 1}}{{\rm{e}}^{{\rm{ - j}}{\varphi _n}}}}}{{{A_n}}}$$ (2)

      式中:An是在第n号腔中的入射波;Bn是第n号腔中的反射波;φn是腔间相移。

      局部反射系数$S_{11,n}^{}$和单腔的频偏$\Delta {f_n}$、相移偏差$\Delta {\varphi _n}$有如下关系

      $${\rm{Im}} (S_{11,n}^{}) \approx \frac{{{Q'}\Delta {f_n}}}{{{f_n}}} \propto \Delta {\varphi _n}$$ (3)

      式中:${Q'}$类似于品质因数${Q_0}$,是和腔体形状有关的量。

      式(3)表明:(1)使用非谐振微扰法指导调谐,是把频偏$\Delta {f_n}$转换为测量${\rm{Im}} (S_{11,n}^{})$。当${\rm{Im}} (S_{11,n}^{})$为负数时,频率偏低,当${\rm{Im}} (S_{11,n}^{})$为正数时,频率偏高。(2)使用SLAC反射相位法指导调谐,是把频偏$\Delta {f_n}$转换为测量$\Delta {\varphi _n}$。当$\Delta {\varphi _n}$为负数时,频率偏低,当$\Delta {\varphi _n}$为正数时,频率偏高。

    • 对变相速段进行冷测并确认加工没有出现重大问题的情况下,对样机整管进行焊接,焊后加速结构样机如图5所示。

      图  5  焊后Hybrid聚束-加速结构样机

      Figure 5.  Hybrid bunching-accelerating structure prototype after welding

      首先进行频率校准。HBaS实际运行温度为45 ℃,实验室环境25.1 ℃,湿度14%,根据频率修正公式,冷测频率修正为2 855.21 MHz。

      使用场分布测试程序控制拉小珠的电机沿轴线匀速运动,LabVIEW程序通过RS232总线高速采集和处理微扰体运动过程中输入端口S11的变化,再由LabVIEW算法实时后处理。结果如图6所示。图(a)表明在2 855.21 MHz下的S11为−6.7 dB,其附近的反射非常严重,图(b)中S11的极图杂乱,相移明显,图(c)电场分布呈现一定的周期性杂乱状态,表明耦合器可能存在加工问题。图(d)腔间相移最大达到13°。

      图  6  调配前Hybrid聚束-加速结构的整管微波特性

      Figure 6.  Bead-pull measurement results before tuning

      使用三频法测得输出耦合器的工作频率低于目标值6.2 MHz,通过在腔体圆周多点挤压的方法进行补救。再综合使用非谐振微扰法和反射相位法进行调谐。首先调谐行波部分。测量一次场分布,后处理程序得到单腔的失谐量,按此失谐量从尾腔到头腔依次进行调谐。上述过程迭代2~3轮后,单腔失谐量显著降低。再对驻波部分调谐。通过计算ESW/ETW指导驻波腔的调谐量。最后调谐输入耦合器,优化全局反射系数。图7给出了样机调谐后的结果。图(a)中在工作点2 855.21 MHz处S11为−45 dB,图(b)中S11极图呈现规则的“花瓣形”,图(c)中电场下沿的平坦度大于96%,ESW/ETW和设计值相差0.74%,图(d)中行波腔腔间相移偏差在±2°以内。调谐后的带宽(VSWR<1.2)是5.73 MHz,和仿真值5.5 MHz基本一致。

      图  7  调谐后的测量结果

      Figure 7.  Bead-pull measurement results after tuning

      把式(2)的算法写入测试平台,得到调谐前后局部反射系数S11,n的变化,如图8所示。调谐后局部反射系数绝对值显著降低,此方法指导调谐切实有效。后续可根据式(3)计算单腔的频偏。

      图  8  调谐前后局部反射系数

      Figure 8.  Local S11,n before/after tuning

    • 本文叙述了Hybrid聚束-加速结构的研制过程。简要回顾了此结构动力学设计、微波设计和冷测调谐的结果。期间综合使用了非谐振微扰法和SLAC反射相位法,调谐结果为在工作点S11小于−45 dB,行波部分腔间相移偏差±2°,带宽(VSWR<1.2)5.73 MHz,冷测结果符合设计要求。

      此次动力学研究发现,预聚束器对于辐照加速器的束流品质,有着至关重要的作用。Hybrid结构中驻波部分发挥了预聚束器的主要功能。和变相速聚束系统相比,加速器出口的束流品质显著改善。虽然由于漂移距离的限制,发射度会有一定恶化。并且由于驻波部分和行波部分相位关系固定,对于初始束流的能量动态范围相对狭窄。但鉴于它节省了预聚束器的一整套功率传输系统成本,在应用型加速器领域,Hybrid结构仍是非常有潜力的选择。

      另一个经验是,基于非谐振微扰法的冷测调谐方法值得广泛推广。由于其测量的S11是复数,数据的后处理相对繁琐,以前并未被广泛应用。但随着计算机技术、尤其是LabVIEW的广泛应用,数据的高速采集和处理成为可能,上述缺点被克服。因而非谐振微扰法比谐振微扰法和反射相位法体现出更大的优势。它具有高度的适用性:既可用于行波加速结构也可以用于驻波加速结构。同时,它和谐振微扰法测量频偏相比,测量S11的变化具有更高的灵敏性。和反射相位法相比,它是非接触式的,不破坏腔体内壁,并且适用于小孔径和变相速的加速结构。

      目前,已开始X波段Hybrid结构的相关研究。和传统X波段边耦合、轴耦合器驻波加速结构相比,Hybrid结构最大的优势是包含驻波电磁场的同时,不受到昂贵的X波段隔离器和环形器的限制,成本明显下降。另一方面,小尺寸加速器对束流动力学的优化提出了更高的要求,后续将使用多种优化算法控制动力学软件,以找到最优解。

      致 谢 感谢北京高能锐新公司在加工和冷测过程中给予的帮助,感谢上海夯业真空设备有限公司协助制作场分布测试平台。

参考文献 (18)

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