ADS注入器ⅡRFQ 加速器研制及測(cè)試

張周禮，何 源，石愛(ài)民，孫列鵬，徐顯波，施龍波，李晨星，王文斌，盧 亮，張 斌，金曉鳳，王 靜，王賢武，郭玉輝，賈 歡，武軍霞，趙紅衛(wèi)，劉 勇，李德潤(rùn)，張 川

（1.中國(guó)科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.羅倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)；3.德國(guó)重離子研究所，德國(guó)）

我國(guó)于2011年啟動(dòng)了“ADS未來(lái)先進(jìn)核裂變能”項(xiàng)目以解決核能發(fā)展過(guò)程中核燃料不足和核廢料處理的問(wèn)題。作為先導(dǎo)科技專項(xiàng)，ADS項(xiàng)目前期的研究目標(biāo)是至2015年建造一臺(tái)25～50 MeV 的質(zhì)子直線加速器，以解決常溫和超導(dǎo)質(zhì)子直線加速器在連續(xù)工作時(shí)的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題［1］。該直線加速器前端由兩個(gè)注入器構(gòu)成，兩個(gè)注入器均采用了RFQ 加速器與射頻超導(dǎo)腔體聯(lián)合注入的方式。其中，注入器ⅡRFQ 由中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所與美國(guó)羅倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制，本文對(duì)該RFQ 的設(shè)計(jì)及調(diào)試情況進(jìn)行介紹。

1 動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

注入器ⅡRFQ 的工作頻率為162.5MHz，用于將流強(qiáng)為10mA的質(zhì)子束流從能量0.035MeV提高到2.1MeV。選擇162.5MHz作為RFQ的頻率是基于腔體發(fā)熱問(wèn)題的考慮，該頻率降低了腔體的功率密度，可大幅提高腔體的熱穩(wěn)定性能。選擇2.1 MeV 作為輸出能量，是為了避免加速束流時(shí)中子的產(chǎn)生［2］。為與其下游超導(dǎo)直線加速器的參數(shù)匹配，該RFQ 的橫向發(fā)射度增長(zhǎng)被要求不大于10%，輸出縱向發(fā)射度小于1keV·ns。表1 列出了注入器ⅡRFQ的主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)。

表1 注入器ⅡRFQ 的主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)Table 1 Main dynamics parameters of injectorⅡRFQ

2 腔體射頻設(shè)計(jì)與熱力學(xué)分析

使用三維電磁場(chǎng)仿真軟件CST Microwave Studio［3］對(duì)注入器ⅡRFQ 腔體進(jìn)行了射頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模擬計(jì)算。該RFQ 腔體采用了四翼型結(jié)構(gòu)，橫截面為正方形。采用了π模穩(wěn)定桿加大四極模頻率與相鄰二極模頻率的間隔，以增強(qiáng)腔體的射頻穩(wěn)定性［4］。圖1示出腔體的CST 三維模型，其中豎直和水平的細(xì)桿是π模穩(wěn)定桿。表2列出腔體的射頻計(jì)算結(jié)果。

圖1 RFQ 腔體CST 三維模型Fig.1 CST 3-dimensional model of RFQ cavity

表2 RFQ 腔體射頻參數(shù)Table 2 RF parameters of RFQ cavity

使用有限元分析軟件ANSYS［5］對(duì)腔體水冷管道的尺寸、布局進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得到了合理的腔體溫度分布。圖2示出腔體水冷管道布局和腔體溫度分布。分析結(jié)果顯示，當(dāng)腔體水冷管道直徑為12mm、溫度為20 ℃的水以2.29m／s的速度通過(guò)腔體時(shí)，腔體的最高溫度為26 ℃。同時(shí)分析結(jié)果表明，翼和壁上冷卻水的溫度與腔體頻率的關(guān)系分別為-16kHz／℃和13.2kHz／℃，這為腔體使用水溫調(diào)節(jié)頻率提供了理論依據(jù)。

圖2 腔體水冷管道布局和溫度分布Fig.2 Cooling channel layout and temperature distribution of cavity

3 腔體低功率測(cè)試

注入器ⅡRFQ 腔體加工完成后在20 ℃的恒溫室內(nèi)進(jìn)行了低功率測(cè)試，測(cè)試裝置如圖3所示。裝置主要由測(cè)量支架、直徑為19 mm的介質(zhì)小球、Kevlar線、步進(jìn)電機(jī)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀構(gòu)成。測(cè)量過(guò)程中為避免重力作用對(duì)介質(zhì)小球位置的影響，采用了小球直接接觸電極的測(cè)量方法。由于腔體調(diào)諧器較多（80個(gè)），編寫(xiě)了專門(mén)的程序以方便場(chǎng)的調(diào)諧［6］。在所有調(diào)諧器插入腔體深度為20 mm 時(shí)對(duì)腔體場(chǎng)平整度進(jìn)行了初步測(cè)量，結(jié)果顯示此時(shí)場(chǎng)平整度為±0.039，如圖4所示；在對(duì)所有調(diào)諧器的插入深度進(jìn)行4 次調(diào)諧后，場(chǎng)平整度達(dá)到了±0.015；然后通過(guò)調(diào)節(jié)腔體兩端端板與電極的間隙，場(chǎng)平整度達(dá)到了±0.01。最后的測(cè)量結(jié)果顯示，腔體的四極模和相鄰的二極模頻率分別為162.46 MHz和183.4 MHz，腔體無(wú)載Q值為13 000。

圖3 腔體低功率測(cè)試裝置Fig.3 Low power test equipment of cavity

4 腔體高功率加載及束流測(cè)試

完成與高頻功率源的對(duì)接后（圖5），對(duì)注入器ⅡRFQ 腔體進(jìn)行了功率加載。從2kW的連續(xù)功率開(kāi)始，然后連續(xù)與脈沖功率交替進(jìn)行，在經(jīng)過(guò)45 d 后腔體加載功率達(dá)到92.7kW，腔體極間電壓達(dá)到了設(shè)計(jì)值65kV。期間，使用韌致輻射法對(duì)腔體電壓進(jìn)行了測(cè)量［7］，測(cè)量結(jié)果示于圖6。

圖4 腔體調(diào)諧前和調(diào)諧后的場(chǎng)平整度Fig.4 Field flatness before and after cavity tuning

圖5 注入器ⅡRFQ 安裝現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 InjectorⅡRFQ installed on-line

圖6 腔體電壓（65.27kV）韌致輻射圖Fig.6 Bremsstrahlung chart of cavity voltage（65.27kV）

RFQ 束流測(cè)試從2mA 的脈沖束開(kāi)始，然后逐步增加流強(qiáng)至10mA，最后將脈沖束轉(zhuǎn)換為連續(xù)束。圖7示出腔體加速10mA 連續(xù)束的時(shí)間圖，其持續(xù)時(shí)間為4.5h。在10 mA 時(shí)對(duì)束流參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試結(jié)果顯示，束流傳輸效率為95.3%，輸出能量為2.165 MeV，束流能散為1.9%，束流水平和豎直橫向發(fā)射度均為0.33πmm·mrad。

圖7 10mA 連續(xù)束運(yùn)行時(shí)間圖Fig.7 Time diagram of CW beam of 10mA

5 總結(jié)

中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所研制并測(cè)試了ADS注入器ⅡRFQ 加速器，束流測(cè)試結(jié)果顯示，該加速器能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地加速10mA 的連續(xù)束流，傳輸效率可達(dá)到95%以上，且束流其他參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，為整條ADS直線加速器的成功研制打下了良好的基礎(chǔ)。

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