中國散裂中子源RFQ的研制

肖永川 歐陽華甫 薛康佳 劉盛進曹秀霞 呂永佳 黃 濤

中國散裂中子源RFQ的研制

肖永川1,2歐陽華甫1,2薛康佳1,2劉盛進1,2曹秀霞1,2呂永佳1,2黃 濤1,2

1（中國科學院高能物理研究所 東莞分部 東莞 523803）
2（東莞中子科學中心 東莞 523808）

中國散裂中子源研發(fā)了一臺射頻四極RFQ (Radio Frequency Quadrupole)強流質(zhì)子加速器。為保證RFQ順利出束，對加工焊接階段、RF調(diào)諧調(diào)場、高功率RF (Radio Frequency)老練過程中出現(xiàn)的問題進行了分析，給出了解決辦法，并進行了調(diào)束實驗。三坐標測量測得RFQ精加工后的加工公差約在20 μm，RFQ腔體無載品質(zhì)因子Q0大于7679，約為理論無載Q0值的80%。RFQ腔內(nèi)RF電場分布的平整度好于2.5%，RFQ高功率RF老練入腔功率達到450 kW，是理論腔耗390 kW的1.15倍，且保持連續(xù)12 h不打火。在RFQ調(diào)束實驗中，RFQ出口得到3 MeV、28 mA的負氫束流，滿足中國散裂中子源的要求。

射頻四極加速器，高功率RF老練，RF電場分布平整度，中國散裂中子源

中國散裂中子源(Chinese Spallation Neutron Source, CSNS)加速器系統(tǒng)由81 MeV直線加速器與1.6 GeV快同步環(huán)加速器組成。CSNS射頻四極加速器(Radio Frequency Quadrupole, RFQ)是位于離子源與漂移管直線加速器(Drift Tube Linac, DTL)間重要的低能加速結(jié)構(gòu)。在RFQ出現(xiàn)以前，離子源后的低能加速器通常用高壓倍加器。例如中國科學院高能物理研究所建造的用于質(zhì)子治癌的35 MeV質(zhì)子直線加速器離子源后的預加速器就是采用的高壓倍加器，其能量為750keV。高壓倍加器優(yōu)點是能量可調(diào)，缺點是存在大氣擊穿閾值其能量很難做到兆電子伏量級，在低能大流強下束流的空間電荷效應將導致束流發(fā)射度增長，造成束流在中高能段加速器中丟失。通常DTL的入口粒子能量在3 MeV左右，束流峰值在幾十個毫安量級，空間電荷效應顯著。因此從穩(wěn)定性講不宜采用高壓倍加器作為預加速器。CSNS RFQ加速器設(shè)計質(zhì)子出口能量3.0 MeV，同時具有橫向聚焦及縱向聚束、加速功能，可以有效控制因空間電荷效應造成的發(fā)射度增長。CSNS RFQ加速器工作頻率為324 MHz，設(shè)計的脈沖流強40 mA，RFQ加速器的長度為3.62 m，約為工作波長的4倍，表1列出了CSNS RFQ的主要設(shè)計參數(shù)。

表1 CSNS RFQ主要設(shè)計參數(shù)Table 1 CSNS RFQ main designed parameters.

如將RFQ的結(jié)構(gòu)設(shè)計成一個物理段，工作四極模與鄰近四極模的頻率間隔只有1.5 MHz左右。為增大工作四極模與相鄰四極模之間的頻率間隔，將腔體分為物理上的兩段，段與段之間通過耦合板連接，使RFQ的兩段通過共振耦合形成一個整體[1]。這樣，由于每段腔的長度為原來的一半，工作四極模與相鄰四極模之間的頻率間隔增大一倍。同時因單腔變成由兩個腔組成的耦合腔，原先的工作基模還會分化出一個頻率更低的四極模，增加了RFQ的穩(wěn)定性。另外，將RFQ分成兩個相互耦合的兩段腔后，仿真模擬表明工作四極模與相鄰二極模之間的頻率間隔也大于5 MHz，在設(shè)計上可以省去二極模穩(wěn)定桿的使用，簡化了耦合板與端板的機械設(shè)計和節(jié)省了研制成本。為提高加工精度及減少焊接變形，每段物理RFQ腔再分為兩節(jié)機械腔，兩節(jié)機械腔通過法蘭連接成一個物理腔。

CSNS RFQ總共安裝了48個調(diào)諧器，調(diào)諧器均勻分布在RFQ的4個象限，實現(xiàn)RFQ的調(diào)諧、調(diào)場。RFQ所需的包括束流負載在內(nèi)的約510 kW射頻功率由兩個功率耦合器通過磁耦合的形式饋送，功率耦合器的同軸波導窗采用通用的扼流結(jié)構(gòu)。圖1顯示的是已在隧道安裝到位的RFQ加速器。本文主要介紹了RFQ的設(shè)計、加工焊接、RF調(diào)諧調(diào)場、高功率RF老練及調(diào)束實驗過程中涉及的問題及解決方法。

圖1 中國散裂中子源RFQ加速器Fig.1 RFQ of CSNS.

1 RFQ加工焊接

在完成CSNS RFQ的動力學、腔體結(jié)構(gòu)及機械設(shè)計后，便面臨加工和焊接的問題。由于國內(nèi)公司已有加工焊接RFQ的經(jīng)驗，加工焊接單位仍選擇國內(nèi)公司來進行。我們要做的就是：(1) 制訂加工焊接進度；(2) 規(guī)定加工精度；(3) 確定焊接變形的容忍度；(4) 確定無氧銅材料的性質(zhì)及采購廠家；(5)加工過程中及最后的三坐標測量；(6) 進行焊接前裝配與調(diào)整；(7) 焊前焊后的RF冷測，并通過比較焊前焊后腔的諧振頻率與RF電場分布變化確定腔的焊接形變大小。

每個CSNS RFQ腔體主要由以下幾個主要部件組成：(1) 兩個無氧銅垂直電極；(2) 兩個無氧銅水平電極；(3) 兩個不銹鋼端面法蘭；(4) 12個不銹鋼調(diào)諧器法蘭；(5) 8個不銹鋼真空體法蘭或4個不銹鋼RF功率耦合器法蘭。CSNS RFQ腔體焊接分兩步進行，首先進行的是垂直電極和水平電極的焊接，將4個電極焊接在一起，然后再將4個電極與所有法蘭焊接在一起；所使用的法蘭不論是調(diào)諧器法蘭還是真空體法蘭或是RF功率耦合器法蘭都是事先加工和釬焊好的一個整體。

電極的加工精度對RFQ來說非常重要，尤其是電極沿縱向的調(diào)制曲線加工更是如此。為避免出錯，加工過程中（包括粗加工、半精加工和精加工）就需要對加工工件進行三坐標測量，并對實際測量值與理論值進行比較，動力學要求電極曲線的公差在±20 μm以內(nèi)，如果加工公差不滿足要求可以及時進行糾錯。圖2給出的是CSNS RFQ第一段機械腔垂直電極調(diào)制理論曲線和實際三坐標測量值的比較。圖2中，實線為電極調(diào)制的理論曲線，點線為三坐標測量的實際電極調(diào)制，測量數(shù)據(jù)間隔為0.25 mm。從圖2可以看出，最大加工公差出現(xiàn)在電極的兩端，起始端的最大加工公差約+10 μm，末端的最大加工公差約+20 μm。不管是起始端還是末端，出現(xiàn)加工公差的調(diào)制曲線都在幾個周期內(nèi)。總之，電極的加工還是非常好的，滿足我們對RFQ加工公差的要求。其他電極的加工公差也與給出的電極加工公差大抵相同，滿足我們對CSNS RFQ加工公差的要求。

圖2 RFQ垂直電極縱向調(diào)制曲線Fig.2 RFQ longitudinal modulation curve of vertical electrodes.

RFQ焊接采用的氫爐釬焊。焊接中需要特別重視以下幾個方面：(1) 焊接的形變。為減小RFQ焊接形變，RFQ采用垂直焊，同時通過扭力扳手嚴格控制焊接件緊固螺釘?shù)乃删o程度；(2) 焊料外溢和內(nèi)滲。焊料的外溢還不是很嚴重，至多是影響RFQ的外觀，但焊料內(nèi)滲到腔體內(nèi)則會降低RFQ的無載Q0值的大小，如果焊料內(nèi)滲至射頻電場區(qū)則會降低RFQ的射頻耐壓，影響RFQ高功率射頻老練；(3) 因為采用的是氫爐釬焊，對無氧銅含氧要求比真空釬焊的要嚴格得多。一般來說，合格的國標TU1或TU2無氧銅都能滿足CSNS RFQ。盡管如此，加工焊接前的材料成分分析也是必須的。

2 RFQ調(diào)諧調(diào)場

CSNS RFQ運抵中國散裂中子源基地后，首先在實驗廳對RFQ進行了準直安裝及RF冷測。由于RFQ支架采用的是整體支架，將RFQ腔體及其支架整體從實驗廳短距離運輸至隧道后，調(diào)諧好的RFQ由于運輸產(chǎn)生的變化非常小，可以大大節(jié)省下隧道后的復查冷測時間。RFQ兩節(jié)機械腔在橫向方向的激光準直誤差為20 μm，在縱向方向也在0.1 mm以內(nèi)。由于RFQ的射頻冷測是在大氣狀態(tài)下進行，而RFQ工作時則處于真空狀態(tài)，其諧振頻率由于介電常數(shù)的不同會有所不同。在不考慮RFQ腔體形變的情況下，真空下的諧振頻率比大氣狀態(tài)下的頻率要略高。因此在冷測時需將RFQ腔體的諧振頻率調(diào)得略低，其大小由腔的等效LC電路可得：

式中，fv、fa分別為RFQ腔體在真空和大氣狀態(tài)下的諧振頻率；L表示腔的等效電感；Cv、Ca分別為RFQ腔體在真空和大氣狀態(tài)下的等效電容；εv、εa分別為真空和大氣的介電常數(shù)。由式(2)可知，要使真空下RFQ腔體的諧振頻率為324 MHz，大氣狀態(tài)下RFQ腔體的諧振頻率約為323.91 MHz。表2列出了工作模及相鄰模式的分布情況。圖3為實際測量得到的RFQ頻譜，圖3及表2給出與工作模（四極模的基模）左右鄰近的是兩個四極模[2]，頻率分別為321.65 MHz和326.85 MHz，與工作四極模間的頻率間隔分別為2.3 MHz和2.94 MHz。正如我們所知，由四極模激發(fā)的RF電場不會對束流產(chǎn)生橫向偏移作用，而二極模激發(fā)的RF電場會使束流偏離束流軸線[3]，需要特別注意。由表2可知，二極模與工作模的頻率間隔非常大，遠大于功率源的±1MHz帶寬，不可能在RFQ腔體中激發(fā)出二極模RF電場。RFQ腔體的無載品質(zhì)因子為7679（冷測時，RFQ兩端端板為鋁板且端板與RFQ腔體之間未使用接觸彈簧，測量值比實際使用時偏小），約為由二維程序SUPERFISH得到的理論無載Q0值的80%，滿足實際需求。

表2 CSNS RFQ主要模式分布Table 2 CSNS RFQ main mode distribution.

圖3 RFQ腔體頻譜Fig.3 Spectrum of RFQ cavity.

所設(shè)計的CSNS RFQ平均束流孔徑(3.565 mm)和極間電壓(80 kV)沿束流方向均保持不變。所以冷測時，通過調(diào)節(jié)RFQ腔體上安裝的48個調(diào)諧器插入腔內(nèi)的長度，確保RFQ腔內(nèi)RF電場沿束流方向在4個象限分布均勻一致，不僅是束流動力學的要求，同時對RFQ腔體的高功率RF老練也特別重要。腔內(nèi)射頻電場沿束流方向在4個象限均勻分布一致，才不會導致因腔體局部位置電場過高而頻繁打火，使RF高功率難以饋送進去。RFQ腔內(nèi)RF電場沿束流方向在4個象限分布均勻一致的要求使RFQ的調(diào)諧調(diào)場工作變得容易。因為在RFQ腔體內(nèi)，不但4個象限之間RF場相互耦合，兩段腔之間也相互耦合。為提高RFQ調(diào)諧調(diào)場的效率，開發(fā)了一套基于LabVIEW的RFQ專用調(diào)諧調(diào)場軟件[4]。

采用通用的小球微擾法測量CSNS RFQ極間RF電場[5]。小球材料為介電常數(shù)較高的陶瓷小球。采用較高介電常數(shù)材料可以減小測量小球的半徑，在獲得足夠的信號輸出的同時降低小球?qū)η粌?nèi)RF場形的干擾。為減小測量時小球平移產(chǎn)生的抖動，采用了強度高彈性小的棉線，并加載了10 kg的張力。由于RF場相位對小球微擾的敏感度遠高于RF場頻率對小球微擾的敏感度，因此RF冷測時我們測量的是RF場相位相對小球微擾的變化，相位變化換算為頻率變化，然后再計算RF場幅的變化。上述計算皆由RFQ專用調(diào)諧調(diào)場軟件完成，同時RFQ專用調(diào)諧調(diào)場軟件還能根據(jù)以上測量和計算結(jié)果給出下一次調(diào)諧調(diào)場每個調(diào)諧器的位置變化量。

在4節(jié)機械腔裝配成一個整腔前，每節(jié)機械腔的諧振頻率被調(diào)為一致，即每節(jié)機械腔的諧振頻率都被調(diào)到323.9 MHz[6]。這樣，可以減小4節(jié)機械腔裝配成一整腔時RF電場初始分布的偏差，提高調(diào)諧調(diào)場的效率。圖4為RFQ的RF電場初始分布曲線。如圖4所示，這時的RF電場分布偏差在+20%--15%，遠不能達到RF電場分布平整度±3%以內(nèi)的指標。

圖4 RFQ RF電場的初始分布Fig.4 Initial RF electric field distribution of RFQ.

如上所述，在RFQ腔體內(nèi)不但4個象限之間RF場相互耦合，兩段腔之間也是相互耦合的。RFQ 4個象限的每一個象限都可以作為一個諧振腔看待，對于這種腔，腔內(nèi)RF電場分布與局域頻率分布為反向變化關(guān)系。4個象限之間則可以當作耦合腔對待，RF電場分布與局域頻率分布為同向變化關(guān)系，即如果某象限的RF電場強度大，那么該象限的頻率也大。這就是說，如果RF電場沿束線方向（縱向）的分布傾斜，橫向收斂必然會造成縱向的進一步傾斜。RFQ專用調(diào)諧調(diào)場軟件同時兼顧了橫向和縱向的RF電場分布，可以有效實現(xiàn)RFQ RF電場分布在橫向的收斂和縱向的平整。利用RFQ專用調(diào)諧調(diào)場軟件，經(jīng)過10次左右的調(diào)諧和調(diào)場得到如圖5所示的RF電場分布。從圖5可以看出，RFQ RF電場分布的平整度已從初始的偏差+20%--15%收斂到約為±2.5%的水平，達到了RFQ動力學要求RF電場平整度±3%以內(nèi)的指標。

圖5 調(diào)節(jié)后RFQ電場分布Fig.5 Final electric field distribution of RFQ.

3 射頻高功率老練

雖然設(shè)計的CSNS RFQ脈沖流強為40 mA，但CSNS一期對RFQ出口流強要求只需15 mA。考慮到RFQ束流傳輸效率等方面的原因，我們按20 mA的束流負載進行CSNS一期RFQ功率耦合器耦合度的設(shè)計。功率耦合器耦合度由耦合器末端的耦合環(huán)的大小決定，由于CSNS RFQ的射頻及束流占空比并不高（射頻及束流占空比分別為1.75%和1.25%），功率耦合器耦合環(huán)的冷卻是通過功率耦合器同軸波導的內(nèi)外導體間接水冷的。由于不需要直接水冷，機械上耦合環(huán)由螺釘直接緊固在功率耦合器同軸波導的內(nèi)外導體上。如果CSNS升級使RFQ束流負載發(fā)生變化，可以直接更換耦合環(huán)來調(diào)節(jié)功率耦合器的耦合度。CSNS RFQ輸出能量為3.0 MeV，因此束流負載的功率為70 kW。CSNS RFQ的腔體損耗功率為390 kW，RFQ功率耦合器的臨界耦合度(Pcav+Pbeam)/Pcav為1.15。由于RFQ采用兩路功率饋送系統(tǒng)，每路功率饋送系統(tǒng)承擔一半功率，故將每個功率耦合器的耦合度設(shè)計為0.58。表3為RFQ的兩個功率耦合器測量所得的射頻參數(shù)，每個功率耦合器耦合度與設(shè)計值基本接近，由于測量時同軸轉(zhuǎn)N的測量件與功率耦合器1的電接觸不好，導致功率耦合器的駐波比偏大，實際的加功率后兩個耦合器反射基本一致。

表3 功率耦合器高頻參數(shù)Table 3 RF parameters of couplers.

為縮短CSNS RFQ下隧道后高功率射頻老練的時間，在RFQ下隧道前，我們在測試廳對RFQ進行了高功率射頻老練。高功率射頻老練的目的是去除腔內(nèi)表面毛刺和污跡，減小及最終消除RFQ腔體及功率耦合器高功率狀態(tài)下的打火次數(shù)[7]。高功率必然要求高真空，當RFQ腔體靜態(tài)真空達到1.7×10-5Pa時開始饋送功率。此前，由于RFQ的準直安裝和RF冷測，RFQ腔體長時間暴露在大氣下，內(nèi)表面吸附了大量氣體。給腔體升溫可以除卻腔體內(nèi)表面吸附的氣體，通常可以通過給腔體纏加熱帶來升溫[8]。由于在測試廳RFQ的水冷管道采用的是臨時性塑料水管且數(shù)量較多，纏加熱帶極為不便，因此采用微波功率來給腔體升溫。

首先進行了RFQ的無冷卻水RF老練。在不通冷卻水的情況下，選則射頻脈沖寬度500 μs，重復頻率為25 Hz，進腔峰值功率113 kW，將腔體溫度從室溫慢慢升到45 oC然后保持不變。RFQ腔體溫度上升過程中真空增大到3.2×10-4Pa，但隨著保溫時間增長，RFQ腔體出氣越來越少，最后真空慢慢恢復到1.4×10-5Pa。除氣結(jié)束后，在通冷卻水的情況下繼續(xù)增加功率進行RF高功率老練。功率增加的步長選擇每步20 kW。

在功率增加過程中，會出現(xiàn)打火的情況，打火分腔內(nèi)和波導窗打火。腔內(nèi)打火，相當于腔體負載增加。如果打火不是很劇烈，負載變化通常不大，引起的傳輸線與腔的失配也不會很嚴重。此時，功率反射不大，通?？梢岳^續(xù)維持當前的功率饋送水平。波導窗打火，相當于在打火的位置加了一短路面，將會引起全反射。若反射功率與入射功率在某一位置同相疊加，則很容易產(chǎn)生連續(xù)打火。若連續(xù)打火發(fā)生在波導窗位置，則極有可能造成波導窗損壞[9]。因此需要特別注意波導窗打火，一旦波導窗打火要及時減小饋送的功率。由于打火時，多原子分子分解成單原子或離子，真空度也會變差。在射頻脈沖寬度700 μs、重復頻率為25 Hz的情況下，保持入腔功率約為450 kW，反射功率60 kW。經(jīng)過為期10天的射頻高功率老練，RFQ基本不產(chǎn)生打火。圖6顯示的是入腔功率450 kW和RF占空比保持不變的情況下，射頻老練打火統(tǒng)計情況。

圖6 RFQ老練打火統(tǒng)計Fig.6 Spark numbers of RFQ conditioning.

4 出束調(diào)試

CSNS加速器前端系統(tǒng)包括負氫離子源、低能傳輸線、RFQ和中能傳輸線，于2015年4月6日完成安裝后，各相關(guān)系統(tǒng)通力合作，加班加點搶時間進度，用了15天完成各個分系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試，在4月21日RFQ加速器成功出束。在RFQ出口處得到能量為3 MeV、重復頻率1 Hz、脈沖寬度50 μs的負氫離子束流，峰值流強達到28 mA，并無損通過中能傳輸線，進入臨時束流垃圾桶。該負氫束流流強遠大于CSNS一期對RFQ出口束流流強15 mA的要求。根據(jù)先前對負氫離子源束流發(fā)射度的測量，盡管離子源引出負氫束流流強可達40-50 mA，但位于歸一化均方根發(fā)射度0.2πmm·mrad內(nèi)的負氫束流強度約為20 mA，且橫向x、y兩個方向稍有不同。圖7給出的是離子源束流流強隨歸一化均方根發(fā)射度的變化曲線。

圖7 離子源流強I隨歸一化均方根發(fā)射度ε的變化曲線 (a) x方向，(b) y方向Fig.7 Relation between normalized root mean square emittance and beam current. (a) x-x′ plane, (b) y-y′ plane

圖8給出的是束流變換器CT (Current Transformer)測量得到的束流流強。從圖7可以看出，在歸一化均方根發(fā)射度0.2 πmm·mrad內(nèi)，在x、y兩個方向的流強分別是15 mA和25 mA。由此可見，盡管設(shè)計的RFQ歸一化均方根接收度為0.2 πmm·mrad，仍有不少位于該接收度之外的負氫離子通過RFQ，這樣，RFQ出口負氫束流強才能達到28 mA。至于RFQ的束流傳輸效率要等到中能傳輸線的束流發(fā)射度測量完成后才能計算出來。

圖8 由CT得到的不同位置的負氫束流流強CH1：RFQ入口流強37 mA，CH2：RFQ出口流強28 mA，CH3：MEBT (Medium Energy Beam Transport)出口流強28 mAFig.8 H beam current got by CT. CH1: 37 mA at entrance of RFQ, CH2: 28 mA at the exit of RFQ, CH3: 28 mA at the exit of MEBT

5 結(jié)語

CSNS RFQ加工公差約在20 μm，RFQ腔體無載品質(zhì)因子Q0大于7679，約為理論無載Q0值的80%。通過RFQ的調(diào)諧調(diào)場，RFQ腔內(nèi)RF電場分布的平整度好于2.5%。RFQ高功率RF老練入腔功率達到450 kW，是理論腔耗390 kW的1.15倍，且保持連續(xù)12 h不打火，RFQ加速腔和功率耦合器都得到了很好的老練。在RFQ調(diào)束實驗中，很快在RFQ出口得到3 MeV、28 mA的負氫束流，流強超過了設(shè)計值，并且還有提升的空間。

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Development of CSNS RFQ

XIAO Yongchuan1,2OUYANG Huafu1,2XUE Kangjia1,2LIU Shengjin1,2CAO Xiuxia1,2LYU Yongjia1,2HUANG Tao1,2
1(China Spallation Neutron Source, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Dongguan 523803, China) 2(Dongguan Institute of Neutron Science, Dongguan 523808, China)

Background:A Radio Frequency Quadruple (RFQ) accelerator was developed for China Spallation Neutron Source (CSNS).Purpose:The aim is to design a 3-MeV, 20-mA H?RFQ accelerator. Methods: Lots of careful investigations, analysis, experimental tests were performed to solve the problem that came out in design and machining process.Results:The machining tolerance of RFQ measured by three-Coordinate Measuring Machine (CMM) was less than 20 μm; the unloaded Q value was 7 679, about 80% of the theoretical Q value; the flatness of RF electric field distribution was higher than 2.5% after several time tuning. After several days conditioning, the power feeding into the cavity reached 450 kW and maintained for 12 h without sparking. Negative hydrogen ion beam with energy of 3 MeV and current of 28 mA at the exit of RFQ was gotten in the beam commissioning afterwards.Conclusion:The current commissioning results of RFQ meets the requirement of CSNS, and the beam current can be improved in future.

RFQ, High power RF conditioning, Flatness of RF electric field distribution, CSNS

XIAO Yongchuan, male, born in 1983, graduated and awarded the master’s degree from Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of

TL53

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.120201

肖永川，男，1983年出生，2009年于中國科學院高能物理研究所獲碩士學位，研究領(lǐng)域為加速器技術(shù)

Sciences, research area is accelerator technology

2015-09-02，

2015-11-03

CLCTL53